项目一-传感器与检测技术的认知

项目一传感器与检测技术的认知学习目标

1．掌握传感器的基本概念。2．掌握传感器的组成及各组成部分的作用。3．了解传感器的各种分类方法。4．掌握误差的基本概念，熟悉几种测量误差的定义和表示。5．能区分各种测量误差并进行处理。6．掌握传感器的基本特性和传感器的选用原则。本章任务任务一传感器的认知

任务二测量误差的认知及处理任务三传感器与检测系统的特性认知任务四传感器的选用

一、传感器的定义

“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换元件以及相应的电子线路所组成。”任务一传感器的认知二、传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。

敏感元件

传感元件

测量转换电路非电量非电量电参量电量（被测量）（1）敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。（2）转换元件：将敏感元件的输出量转换成电路参数量。（3）转换电路：电参量转换成可直接利用的电信号。任务一传感器的认知三、传感器的分类1．按被测量分类按被测量分类，即按照传感器的输入信号分类，它能够很方便的表示传感器的功能，便于用户的选择。

任务一传感器的认知三、传感器的分类2、按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、磁电式、光电式、压电式、热电式、霍尔式、超声波、激光、光纤等传感器。这种分类便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业人员从原理、设计及应用上进行归纳性的分析与研究。

任务一传感器的认知三、传感器的分类3、按能量关系分类按能量关系分类，可分为能量转换型和能量控制型两类。能量转换型又称为发电型或有源传感器。这种传感器直接由被测对象输入能量使其工作，无需外加电源。如热电偶、压电片、光电池等传感器。能量控制型又称参量型或无源传感器。这种传感器要从外部获得能量使其工作，需外加电源。如电阻式、电容式、电感式等传感器。任务一传感器的认知三、传感器的分类4、按信号转换特征分类按信号转换特征分类，可分为结构型和物性型两类。结构型：通过传感器的结构参量发生变化实现信号变换。如电容式传感器是根据两极板的间距或面积发生变化，从而使电容量发生改变。物性型：利用某些物质的某些性质随被测参数变化来实现信号变换。如压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现测量的。任务一传感器的认知传感器的样式细长型压力传感器位移传感器温度传感器任务一传感器的认知传感器的应用实例一安检门任务一传感器的认知传感器的应用实例二密闭容器的液位检测任务一传感器的认知测量：是把被测未知量与同性质标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并用数字表示这个倍数的过程。（测量的结果包括数值大小和测量单位两个部分）

以天平测量为例：①比较：被测量和标准量（砝码）分别放到天平两边秤盘上比较。②示差：观察指针位置的变化值，即示差。③平衡：调整砝码数值，使之平衡。④读数：根据砝码多少，读出物体质量的值，即读数。任务二测量误差的认知及处理测量误差的基本概念

1．测量误差2．真值3．标称值4．示值5．精确度（精度）6．重复性7．误差公理任务二测量误差的认知及处理测量误差的表示法

1、绝对误差：被测量的指示值x与真值x0之间的差值。绝对误差Δx=指示值x－真值x0

绝对误差Δx=指示值x－实际值x0

任务二测量误差的认知及处理测量误差的表示法2、相对误差：绝对误差与真值(实际值)比值的百分数。式中：x0为真值，x为指示值。任务二测量误差的认知及处理3、引用误差（或满度相对误差）：绝对误差与仪表量程比值的百分数。

任务二测量误差的认知及处理4、最大引用误差：最大绝对误差与仪表量程比值的百分数。

任务二测量误差的认知及处理

某人分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少0.5kg，但此人对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？任务二测量误差的认知及处理测量误差的分类

一、按误差出现的规律分类：按误差出现的规律，误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。二、按被测量与时间的关系分类：可分为静态误差与动态误差两大类。任务二测量误差的认知及处理系统误差：在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或在条件改变时，遵循一定规律变化的误差。随机误差：在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号均无规律变化的误差。粗大误差：明显歪曲测量结果的误差。任务二测量误差的认知及处理粗大误差的例子任务二测量误差的认知及处理1．静态误差：在被测量不随时间变化时测得的测量误差。2．动态误差：在被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差。它的大小为动态中测量和静态中测量所得误差值的差值。任务二测量误差的认知及处理测量误差的处理1．从产生系统误差的来源上考虑，设法消除或尽量减小其影响。2．采用修正方法来消除。3．采用一些有效的测量方法来消除。（1）交换法（2）抵消法（3）替代法（4）对称测量法（5）补偿法想一想，实际中你遇到了哪些消除误差的方法系统误差的处理任务二测量误差的认知及处理1．概率、概率密度和正态分布2．随机误差的特性3．算术平均值和标准误差4．测量结果的正确表示和置信度

随机误差的处理

任务二测量误差的认知及处理1．定性分析：对测量设备、测量条件、测量步骤进行分析，看是否存在问题而引起出现异常数据。这种判断无严格规则，属于定性判断。2．定量判断：用概率统计和误差理论知识建立的粗大误差判断准则为依据，进行定量判断，以确定该异常值是否应剔除。在工程上常用拉依达准则（3准则）来判断粗大误差：

粗大误差的处理

拉依达准则表达式

任务二测量误差的认知及处理1．线性度2．迟滞性3、重复性4、灵敏度5、分辨率6、测量范围与量程7、稳定性8、漂移静态特性静态特性：当被测量不随时间变化或变化缓慢时，认为传感器与检测系统的输入量和输出量都和时间无关。任务三传感器与检测系统的特性认识1．线性度线性度又称非线性度或非线性误差，是指实际输入输出特性曲线与拟合直线（理想直线）之间的最大偏差与传感器满量程输出值的百分比。2．迟滞性迟滞性又称回差或滞后性，是传感器与检测系统在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输入输出特性曲线之间不重合的程度任务三传感器与检测系统的特性认识3．重复性重复性是指输入量按同一方向作全量程连续多次测试时，所得特性曲线最大不重复误差与传感器满量程范围值的百分比4．灵敏度灵敏度是指传感器与检测系统对被测量变化的反应能力。①灵敏度S是有量纲的。但若x与y是同类量时，S无量纲，为放大倍数K。②若系统是有多个环节组成的串联式系统，则系统总灵敏度为各个环节灵敏度的乘积，即S＝S1S2S3。③灵敏度越高，测量精度越高，但测量范围越窄，稳定性越差。任务三传感器与检测系统的特性认识5．分辨率分辨率是指传感器能够检测出被测量的最小变化量，是有量纲的数。对数字式仪表，该表的最后一位数值就是它的分辨率；一般模拟式仪表分辨率为最小刻度分格数值的一半。灵敏度越高，分辨率越好。6．测量范围与量程测量范围是指在规定的测量特性和精确度范围内所测量的被测变量的范围。测量上限和测量下限的代数差称为量程。任务三传感器与检测系统的特性认识7．稳定性稳定性是指传感器在较长时间内保持其原性能的能力。即对于相同输入量，其输出量发生变化的程度。8．漂移漂移是指在外界干扰的情况下，在一定的时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关的变化程度，包括时间漂移和温度漂移。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂是指周围温度变化引起的零点或灵敏度的变化。任务三传感器与检测系统的特性认识任务三传感器与检测系统的特性认识二、动态特性动态特性是指传感器与检测系统的被测量随时间变化很快时，输出对输入的响应特性。通常是用实验方法求得的。一、传感器的常用性能指标1.基本参数指标①量程指标：量程范围、过载能力等。②精度指标：精度（误差）、线性度、迟滞性、重复性、稳定性、漂移、阀值等。③灵敏度指标：灵敏度、分辨率、输入与输出阻抗等。④动态性能指标：频率响应范围、频率特性、时间常数、阻尼系数、过冲量等。任务四传感器的选用一、传感器的常用性能指标2.环境参数指标①温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵敏度温度系数、热滞后等。②抗冲振指标：各种冲振允许频率、振幅、加速度等。③其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁场干扰能力等。任务四传感器的选用一、传感器的常用性能指标3.可靠性指标①工作寿命。②平均无故障时间。③绝缘电阻。④耐压值。⑤疲劳性能。⑥反抗飞弧性能等。任务四传感器的选用一、传感器的常用性能指标4.其他指标①使用方面：供电方式（交直流、频率、波形等）、电压频率范围及稳定度、功耗等。②安装接线方面：安装方式、接线电缆要求、接线方式等。③结构方面：外形尺寸、质量、材料、结构特点等。任务四传感器的选用二、传感器的选择要求1．根据测量目的和测量对象确定传感器类型①测量目的是要直接得到被测量、作为过程控制量或是其它用途。②测量对象为固体还是液体；采用接触式还是非接触式传感器；静态测量还是动态测量；有无负荷效应及对被测量的影响；被测位置对传感器有无体积有求等。③测量环境包括安装现场条件、环境条件（温度、湿度和振动等）、过载保护、信号传输距离、与传感器连接的系统负荷阻抗情况等。任务四传感器的选用二、传感器的选择要求2．根据传感器技术指标确定传感器种类①静态特性要求：如测量范围、测量精度、灵敏度、分辨率、迟滞性和重复性等；②动态特性要求，如快速性和稳定性等；③信息传递要求，如形式和距离等；④过载能力要求，如机械、电气和热过载能力。任务四传感器的选用二、传感器的选择要求3．根据测量系统要求确定传感器的种类①系统要求的信号形式，如实时与否；数字还是模拟等。②与传感器连接的负荷阻抗特性等。③传输和连接接口等。任务四传感器的选用二、传感器的选择要求4．根据使用环境确定传感器种类考虑温度、湿度、大气压力、振动、磁场、电场、附近有无大功率用电设备、加速度、倾斜、防火、防爆、防化学府蚀以及有害于周围材料的寿命及操作人员的身体健康等。任务四传感器的选用二、传感器的选择要求5．电源的要求电源电压形式、等级、功率、波动范围、频率及