模块1 传感器与自动检测技术概述

模块1传感器与自动检测技术的基本概念本模块学习的主要内容：1、传感器与自动检测技术的基本概念2、传感器简述3、自动检测系统的组成与接口技术4、测量误差与精度5、虚拟仪器检测技术简介6、检测系统中的弹性敏感元件单元1传感器与自动检测技术的基本概念

一、传感器与自动检测技术简介【举例】长度测量步子（生物体）→尺→长度传感器→超声波检测（仿生学）。所谓检测就是人们借助于仪器、设备，利用各种物理效应，采用一定的方法，将客观世界的有关信息通过检查与测量获取定性或定量信息的认识过程。

长度测量的发展符合螺旋式上升规律。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量是感知被测量（多为非电量）的信息，并把它转化为电量的一种器件或装置，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。自动检测就是在测量和检验过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动进行并完成的。

检测包含检查与测量两个方面，检查往往是获取定性信息，而测量则是获取定量信息。而传感器恰恰是实现自动检测和自动控制的首要环节。

二、自动检测技术在国民经济中的地位1．与人类的关系及地位（1）与日常生活密切相关温湿度传感器温度传感器透光率传感器指纹传感器．自动水龙头动画演示（2）提高劳动生产率检测容器内的液位

检查轴承/滚珠是否脱漏

光幕－自动收费系统动画演示（3）电“五官”作用

自动门动画演示2.检测技术在军事上的应用导弹动态瞄准动画演示步枪红外狙击瞄准仪3.检测技术在航天领域的应用火箭测控－－检测火箭状况、姿态、轨迹

飞行器测控－－检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵

GPS定位导航动画演示4．在其他方面的应用超声波测速动画演示超声波检测示意图电容指纹识别动画演示检测技术在汽车中的应用示意图三、自动检测技术在机电产品中的作用

机电一体化的组成框图机床导轨位置检测动画演示摊铺机自动找平系统动画演示单元2传感器简述

一、传感器的定义与组成传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成有用输出电信号的器件或装置。传感器组成框图二、传感器的分类及命名1.按工作原理划分

参量传感器

发电传感器

特殊传感器

电阻式传感器电感式传感器电容式传感器等热电偶传感器压电式传感器霍尔式传感器等超声波探头激光检测等分类方法光敏电阻铂电阻测温传感器电感式传感器陶瓷压力电容传感器硅电容差压传感器普通装配型热电偶压电式振动加速度传感器霍尔接近开关霍尔电流传感器

超声波传感器激光测距仪激光扫描传感器2.按被测量性质来分机械量传感器热工量传感器成分量传感器状态量传感器探伤传感器等如：扭力传感器、倾角传感器等如：温度传感器、流量传感器等如：气敏传感器等如：各种接近开关

等如：超声波探伤仪等

扭力传感器倾角传感器pt100温度传感器涡轮流量传感器乙炔传感器半导体气敏传感器

电感式接近开关超声波探伤仪3.按输出量种类来分模拟传感器数字传感器

4.按传感器结构来分直接传感器补偿传感器差动传感器5.按感知功能来分热敏元件气敏元件光敏元件力敏元件磁敏元件湿敏元件声敏元件射线敏感元件色敏元件味敏元件温湿度计指针千分表数字人体称重仪

精密数字压力表传感器常常按工作原理及被测量性质两种分类方式合二为一进行命名。例如：①电感式位移传感器

②光电式转速计

③压电式加速度计光电式转速计命名方法1.精度τ

精度分为准确度δ和精密度ε（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高εδ三、传感器的基本特性2．稳定性（1）稳定度则稳定度为1.3mV/h。

【例1】某仪表电压指示值每小时变化1.3mV（2）环境影响系数则环境影响系数表达为0.02mA/（V±10%）【例2】某仪表由于电源电压变化10%而引起指示值变化0.02mA3．可靠性表征传感器可靠性最基本的尺度是可靠度，它是衡量传感器能够正常工作并完成其功能的程度。例如：三菱公司生产的F系列PLC的可靠性就很高，平均无故障时间高达30万小时关于可靠性问题本课程将在模块九单元2中介绍（1）线性度传感器输出－输入的实际特性曲线和拟合直线之间的最大偏差与输出量程范围之比。

输入输出特性动态特性静态特性线性度灵敏度迟滞分辨率与分辨力4．输入输出特性

线性度概念动画演示线性度表达式为（2）灵敏度

传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值（3）迟滞

传感器的正向特性与反向特性的不一致程度。（5）动态特性反映了当被测量随时间迅速变化时，指示值与被测量值之间的关系。

（4）分辨率与分辨力【例3】一光栅传感器，测量长度10mm，最小测量距离10um则分辨率为0.1％，分辨力为10um《传感器与自动检测技术》吴旗主编高等教育出版社HIGHEREDUCATIONPRESS四、对传感器的要求

对传感器的具体要求因使用条件不同而异，主要从基本特性、使用性能、方便程度等方面提出要求。一般要求传感器特性好、性能优、使用方便易维修；体积小、重量轻、价格便宜寿命长。

【应用案例】

液位自动控制器

水位的自动测量对防止和减少洪涝灾害起到了非常重要的作用。液位自动控制工作原理示意图单元3自动检测系统的组成与接口技术一、自动检测系统的组成

自动检测系统组成的动画演示

二、自动检测系统的功能

1．变换功能2．选择功能选择有用输入信号抑制其它一切无用影响因素3．比较功能4．显示功能模拟式仪表，比较过程由测量者在读数时执行数字仪表,标准量比较，然后变换成数码指针的转动指示图像显示自动检测系统的基本特性与传感器的基本特性相似。数字值及符号文字显示记录笔移动的痕迹指针千分表数字压力变送器内窥镜图像显示系统心电图仪

三、自动检测的接口技术

在自动检测技术中传感器与计算机以及计算机输出与执行机构、显示和打印等进行的有效连接称为“智能化测量控制系统”的接口技术，或称为输入/输出接口技术。

“智能化测量控制系统”的输出接口技术与相关计算机课程中阐述的没有什么区别，但是其输入接口技术有其特殊性，通常称为数据采集系统。

实际上，用计算机进行自动测量与控制时，必须把模拟信号转换成数字信号，然后才能对信号进行处理。数据采集系统就是实现模拟信号转换成数字信号的电路系统。数据采集系统的典型构成数据采集系统包括：信号调理电路:放大器、滤波器等；多路模拟开关；采样/保持电路；A/D转换器；接口控制逻辑电路。1．信号调理电路把信号调整到符合A/D转换器工作所需要的数值（如放大、衰减、偏移等）；滤除信号中不需要的成分；把信号调整到进一步处理的需要，如线性修正电路、改善信噪比的“相加平均”电路等。作用：让许多独立的模拟信号共享采样/保持电路和A/D转换等器件。2．多路模拟开关16路模拟开关实物和结构原理示意图（a）实物图（b）结构原理示意图

A/D转换器的转换需要一定的时间。提高系统的测量速度，采样时间越短越好；有良好的转换精度，保持时间越长越好。3．采样/保持电路（S/H电路）采样保持波形采样保持原理常用的A/D转换器是逐次逼近型和双斜积分型。A/D转换过程包括采样、量化和编码三个步骤。4．A/D转换器接口电路的功能：实现逻辑电平、驱动能力的匹配等。5．接口电路及控制逻辑控制逻辑的功能：实现时序要求上的匹配。

Log2580系列现场独立智能数据采集系统①采样速率100kHz，16bit分辨率②输入通道：16单端/8差分模拟信号，可扩至256通道③14个可编程输入量程，最大可到20V

④可直接测试各种传感器信号⑤24路通用数字I/O，16路专用数字输入，可扩至208通道性能参数：PersonalDaqsUSB

接口数据采集器CBook2000系列高精度便携数据采集器Cerebus多通道数据采集系统【应用案例】自动磨削控制系统

检测技术、计算机技术与执行机构等配合就能构成某些工业控制系统。自动磨削控制系统1—传感器；2—被研磨工件；3—研磨盘

图中的传感器快速检测出工件的直径参数D，计算机一方面对该参数作一系列的运算、比较、判断等工作，然后将有关参数送到显示器显示出来，另一方面发出控制信号，控制研磨盘的径向位移x，直到工件加工到规定要求为止。单元4测量误差与精度一、测量误差的基本概念检测包括：检查与测量。测量过程实际上是一个比较过程。测量误差为测量值与真值之间的偏差。

（1）真值（2）约定真值

（3）实际值（4）标称值（示值）（5）测量误差有关测量的部分名词术语：二、误差的分类1.按表示方法划分

绝对误差相对误差实际相对误差标称相对误差满度相对误差

另外，衡量测量结果准确性的重要指标——允许误差，它指正常使用条件下指示值与真实值之间允许的最大差值，既可以通过绝对误差表示，也可以通过相对误差表示。3.按被测量随时间变化的速度划分

4.按使用条件划分静态误差动态误差基本误差附加误差2.按误差出现的规律划分

系统误差随机误差粗大误差（1）绝对误差

某采购员分别在A

、B

、C

三家商店购买100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对C家卖牛肉干的商店意见最大，是何原因？

【例】（2）相对误差①实际相对误差②标称相对误差③满度（或引用）相对误差当Δ取为Δm时，满度（或引用）相对误差就被用来确定仪表的精度等级S：我国电工仪表等级分为七级，即：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级【应用举例1】不同量程和精度等级仪表的比较选用

今有0.5级的0oC～300oC和1.0级的0oC～100oC两个温度计，要测80oC的温度，试问采用哪一个温度计好？分析：用0.5级仪表测量时，最大标称相对误差为：用1.0级仪表测量时，最大标称相对误差为：可见

显然用1.0级仪表比用0.5级仪表更合适。因此在选用传感器仪表时应兼顾精度等级和量程，通常希望在仪表满度值的2/3以上。

在检测仪表的技术说明书中，除了基本误差外，还有工作条件变化时可能产生的附加误差。实际测量精度是实际相对误差（基本误差与附加误差的共同影响），而仪表精度是最大引用相对误差。如果实际工作条件不是仪表规定的标准状态，这时必须考虑到附加误差的影响。实际误差的估算

上例中1.0级温度仪表最大标称相对误差为±1.25％，若电源电压变化为±10％时产生的附加误差≤±0.5％，试估算实际测量误差分析：按最坏的情况考虑，每次误差都达到技术指标规定的

极限值，即：这样处理的结果比较符合实际情况。基本误差附加误差求其均方根值为：【应用举例2】仪表实际测量误差的估算单元5虚拟仪器检测技术简介一、虚拟仪器检测技术的基本概念1.虚拟仪器的定义

虚拟仪器是通过软件将通用计算机与有关硬件结合起来，用户通过图形界面进行操作的测试方法。

虚拟仪器通过最大限度的利用计算机的软硬件资源，使计算机不但能完成传统仪器测量控制、数据运算和处理工作，而且可以用强大的软件去代替传统仪器的某些硬件功能，其核心要义就是软件即仪器。软件即仪器虚拟仪器示意图2.虚拟仪器与传统仪器的比较传统仪器与虚拟仪器测控硬件系统示意图···温度传感器计算机及显示屏压力传感器速度传感器××传感器输入/输出（I/O）硬件（ｂ）虚拟仪器测控测控对象执行机构···测控对象···（ａ）传统仪器测控温度传感器温度仪表显示压力传感器速度传感器压力仪表显示××传感器速度仪表显示××仪表显示执行机构控制装置传统仪器虚拟仪器硬件是关键软件是关键，软件即仪器功能由仪表厂家定义功能由用户定义只可连接有限的设备可通过网络方便地联络各仪器功能固定、单一，不能更改系统功能可通过软件修改，简单灵活总体价格高总体价格低，可再利用、重复配置技术更新慢、开发周期长技术更新快、开发周期短开发和维护费用高开发和维护费用低组成智能检测系统繁琐通过软件方便地组建各种智能检测系统虚拟仪器与传统仪器的比较表

与传统仪器相比，虚拟仪器最大的特点是其功能由软件定义，可以由用户根据应用需要进行调整，用户选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。--仪器定义和功能的转变（a）传统仪器:厂商定义（b）虚拟仪器:用户定义传统仪器与虚拟仪器比较二、虚拟仪器的构成

虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。1.虚拟仪器系统的硬件构成虚拟仪器的硬件系统计算机硬件平台：各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。测控功能硬件:按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构。2.虚拟仪器系统的软件构成

测试软件是虚拟仪器的主心骨。虚拟仪器测试系统的软件主要分为仪器面板控制软件、数据分析处理软件、仪器驱动软件和通用I/O接口软件四个部分。虚拟仪器构成的相关软硬件自动化软件PLC串行口数据采集过程现场总线个人计算机或工作站图象公司IntranetorInternet分布式I/O动作基于虚拟仪器的新型工业测控系统1.PCI总线插卡型虚拟仪器2.并行口式虚拟仪器3.GPIB总线方式的虚拟仪器4.VXI总线方式虚拟仪器5.PXI总线方式虚拟仪器

三、虚拟仪器的分类PCI总线卡DB-25标准连接器GPIB总线卡VXI总线卡PXI总线卡四、虚拟仪器系统的优势费用性能1.性能高2.可重新配置，扩展性强，低费用3.开发周期短，用户定义，可再用性4.灵活，无缝集成五、虚拟仪器技术发展现状

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。目前虚拟仪器技术已经普遍被应用于测试行业，自动化、石油钻探和提炼、生产中的机器控制等领域。使用基于软件配置的模块化仪器很好的解决了资源配置和重复性等问题，是未来仪器发展的主流方向。高性能、低成本的A/D和D/A转换器的出现和发展，也推动了虚拟仪器技术的发展。虚拟仪器的发展取决于三个重要因素：

①计算机是载体；②软件是核心；③高质量的A/D采集卡及调理