3.1认识传感器

教材分析 难点 检测系统框图的绘制，作图法求取灵敏度、线性度、误差计算等 重点 准确度等级与示值相对误差、绝对误差的换算 教学目的和要求 1.了解工业检测的定义和内容；

2.熟悉检测系统的框图绘制方法；

3.了解测量方法分类和误差分类；

4.根据准确度等级来计算最大绝对误差、示值相对误差。

5.掌握作图法求取传感器的灵敏度、线性度、迟滞误差等特性 采用教学方法和实施步骤 讲授、课堂讨论、分析、实训 教具：光电检测仪、弹簧管压力传感器等 各教学环节和内容 项目一 认识检测技术

【项目教学目标】

　☞知识目标

1）熟悉检测技术涉及的领域。

2）熟悉检测系统的组成。

　☞技能目标

掌握绘制检测系统原理框图的方法。

检测的定义：检测（Detection）是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。

二、工业检测技术的内容

表1-1 工业检测涉及的内容

被测量

类型 被测量 被测量

类型 被测量 热工量 温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面 物体的性质和成分量 气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色 机械量 直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量） 状态量 工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等） 几何量 长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷 电工量 电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能 提问：本课程重点介绍电量检测还是非电量检测？

自动检测系统的组成

提问：什么是系统框图？

图1-4 自动检测系统原理框图（请到对应的PPT中复制粘贴，以下同）

人体信息接受过程框图与自动检测系统框图比

（2）传感器定义：在本书中，传感器是指一个能将被测的非电量变换成电量的器件。

（3）信号调理电路 信号调理电路包括放大（或衰减）电路、滤波电路、隔离电路等。其中的放大电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。

（4）显示器 目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。模拟量是指连续变化量。模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数的，常见的有毫伏表、微安表、模拟光柱等。

提问：LED与LCD比较，有什么特点？

（5）数据处理装置 数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果作频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等，完成这些工作必须采用计算机技术。

（6）执行机构 所谓执行机构通常是指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。许多检测系统能输出与被测量有关的电流或电压信号，作为自动控制系统的控制信号，去驱动这些执行机构。

五、自动检测系统举例

图1-7 自动磨削测控系统

1－传感器 2－被研磨工件 3－研磨盘

提问：1.当图1-7中的被研磨的工件直径逐渐变小到设定值时，研磨盘就应该向左还是向右移动？

2.该测控系统是闭环还是开环？

项目二 认识传感器

【项目教学目标】

☞知识目标

1）熟悉传感器的定义及组成。

2）熟悉传感器的特性。

☞技能目标

1）掌握作图法求取传感器的灵敏度。

2）掌握作图法求取传感器的线性度。

提问：1.GB7665-2005对传感器的定义说什么？（能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成）（也可以说：传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求）

2.什么么情况可以将传感器称为变送器？（当输出为规定的标准信号时，则称为变送器）

图1-8 传感器组成框图

三、传感器基本特性

1．灵敏度

（1-1）

图1-11 用作图法求取传感器的灵敏度

提问：1.灵敏度是否越高越好？

2.从切线的斜率可以看出，图1-11振动x2点的灵敏度比x1点的灵敏度？

例1-1 有一压力传感器，测量范围为50～300kPa，输出特性如图1-12所示，请用作图法求取该压力传感器在输入为250kPa时的灵敏度K250，并比较在输入为70kPa时灵敏度的大小。

图1-12 用作图法求取某压力传感器不同输入点的灵敏度

2．分辨力

提问：1.如果一台指针式电压表的输入电压变化值小于1mV时，则"死区"是多少伏？

2.一台3位数字式电压表的最大显示值是999mV，则输入电压变化值小于1mV时，显示值会有变化吗？

3. 一台3位数字式电压表的最大显示值是999mV，输入电压变化值小于1mV时，显示值没有变化，2mV时有变化，则该数字式电压表的分辨率为多少分之一？

分辨率：

仪表或传感器中，还经常涉及"分辨率"的概念。将分辨力除以仪表的量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，量纲为1。例如，上述温度表的分辨率=0.1℃/199.9℃≈0.05%。

提问：如果一台指针式10V电压表的输入电压变化值小于1mV时，则分辨率是百分之多少？

3．线性度

（1-2）

式中 ΔLmax--最大非线性偏差；

ymax﹣ymin--传感器的输出范围。

图1-13 端基线性度作图方法

1－端基拟合直线y=Kx+b 2－实际特性曲线

提问：在图1-13中，若ymax=20mA，ymin=4mA，ΔLmax=0.16mA，则端基线性度γL是百分之多少？

4．迟滞误差

（1-3）

式中 ΔHmax--最大迟滞偏差；

ymax-ymin--量程范围。

图1-14 某位移传感器的迟滞特性

1－正向特性 2－反向特性

提问：1.在图1-14中，若ymax=20mA，ymin=4mA，ΔHmax=1.6mA，则端基线性度γL是百分之多少？

2.产生迟滞现象的主要原因是什么？（传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷造、弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构出现间隙、紧固件松动等）

5．稳定性

提问：1.稳定性主要包含哪两个方面？

2.某仪表输出电压值在8天内的最大变化量为12mV，则表示该仪表的稳定度为多少？

6．电磁兼容性

提问：电磁兼容（EMC）有哪两方面的定义？

7．可靠性

提问：常用的可靠性指标哪些？（MTBF、MTTR、λ等）

图1-15 故障率变化的浴盆曲线

提问：1.形成向下的浴盆曲线的原因是什么？

2.为了尽量使仪表或传感器渡越"早期失效期"，可以怎样做？

表1-2 某传感器电路的元器件故障率

元件种类i 晶体管 集成运放 电阻 电解电容 电位器 电路板 接插件 故障率λ/(%/kh) 0.1 0.1 0.05 0.2 0.5 0.1 0.2 数量/个 5 2 20 6 4 l 4 解 该传感器电路总的故障率λ由所组成的元器件故障率累加得到

提问：1.表1-2中，哪一种元件的故障率最大？为什么？要怎么办？

2.某一元件的数量越多，对总的故障率的影响就一定会很大，对吗？为什么？

　　项目三 测量方法及测量误差

【项目教学目标】

　☞知识目标

1）熟悉常用的测量方法。

2）熟悉误差的分类。

　☞技能目标

掌握有关准确度和绝对误差的计算。

一、测量的一般概念

测量是通过借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的实践过程。

二、测量方法分类

提问：测量有哪几种分类方法？（静态测量和动态测量、直接测量和间接测量、模拟式测量和数字式测量、接触式测量和非接触式测量、在线测量和离线测量、偏位式测量、零位式测量和微差式测量）

1．真值

提问：真值有哪几种？（理论真值、约定真值、相对真值等）？怎么得到？

2．绝对误差

Δ=Ai-Ａ0 （1-4）

提问：如果用一台电压表测量1.5V的干电池，显示值是1.8V，绝对误差是多少伏？

3．相对误差

1）示值相对误差γx：用绝对误差Δ与被测量Ax的百分比来表示，也称为标称相对误差。

（1-5）

提问：如果用一台电压表测量1.5V的干电池，显示值是1.8V，示值相对误差γx是百分之多少？

2）引用误差γm：

（1-6）

提问：如果用一台满度值为10V电压表测量1.5V的干电池，显示值是1.8V，引用误差γm是百分之多少？

（1-7）

提问：1."精度等级"、"正确度"、"精密度"、"精确度"与"准确度"哪一种最常用？

2.如果用一台S=1.0级，满度值为10V电压表测量1.5V的干电池，最大绝对误差是多少伏？（0.1）

图1-17 从电压表上读取准确度等级

表1-3 仪表常用准确度等级和引用误差对照

准确度等级S 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 引用误差γm ±0.1% ±0.2% ±0.5% ±1.0% ±1.5% ±2.5% ±5.0% 提问：1.图1-17中，S为多少级？满度值为多少伏？

2.可能出现的最大绝对误差Δm是多少伏？

3.示值为多少伏？示值相对误差为百分之多少？

例1-3 用0.5级、量程为-50~150℃的温度仪表来测量温度时，可能产生的最大绝对误差为

仪表的最大绝对误差在多数情况下是不变的，而示值相对误差γx随示值的减小而增大。例如，用图1-17所示的电压表来测量220V电压时，可能产生的最大示值相对误差γx220=[(±5.0%×300V)÷220V]×100%＝±6.82%，而用它来测量22V电压时，可能产生的最大示值相对误差γx22=[(±5.0%×300V)÷22V]×100%=±68.2%。

例1-4 某压力表的准确度为2.5级，量程为0～1.5MPa，求：

1）可能出现的引用误差γm。

2）可能出现的最大绝对误差Δm为多少千帕？（注：保留3位有效数字）

3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差γx。

解 1）可能出现的引用误差（最大满度相对误差）可以从准确度等级直接得到，即γm=±25%。

2）Δm=γmAm=±25％1.5MPa=±0.0375MPa=±37.5kPa

3）

由上例可知，γx的绝对值总是大于γm（在满度时的相对误差），被测值与满度值的差距越大，示值相对误差就越大。

【7种量程为0~300kPa压力表的引用误差、最大绝对误差对照填空训练】

引用误差γm（±%） 5.0 0.5 0.2 最大绝对误差Δm/kPa 7.5 4.5