模块1认识自动检测与转换技术

模块1认识自动检测与转换技术主要内容：单元1认识传感器单元2认识测量和误差单元3认识自动检测与接口技术单元4认识虚拟仪器检测技术所谓检测就是人们借助于仪器、设备，利用各种物理、化学效应，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。例如，电视机、空调遥控器等使用的是红外线传感器；电冰箱、微波炉、空调机温度控制所使用的是温度传感器；煤气灶、燃气热水器报警所使用的是气体传感器，等等。检测包含检验与测量两个方面，检验往往是获取定性信息，而测量则是获取定量信息。这种在检验和测量过程中完全不需要或仅需要很少的人工干预而自动完成的技术叫做自动检测与转换技术。【引导语】单元1认识传感器【问题引入】日常生活中，人们总是要通过各种感觉器官来获取外界的信息，从而决定做什么。人的眼、耳、鼻、舌和皮肤等“五官”分别具有视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等五个功能，帮助人们获取各种信息。机器在代替人的劳动时，需要获取比人更多的信息，这就靠人们不断发明的传感器来代替人的感觉器官。有人把计算机比喻为人的大脑的延续，称之为“电脑”；而把传感器比喻为人的感觉器官的延续，称之为“电五官”(视、听、味、嗅、触)。没有“电五官”就不能实现自动化，没有自动检测技术就不能有自动保护、自动报警和自动诊断系统，就不能实现各种设备的自动计量、自动管理和自动可靠运行。单元1认识传感器【问题引入】单元1认识传感器外界信息感官人脑肢体人体系统传感器计算机执行器机器系统“机电五官”传感器是获取信息的重要手段!单元1认识传感器【问题分析】1．传感器的定义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。传感器通常由敏感元件、传感元件和测量转换电路组成。直接感受被测量，并输出与之成确定关系的其它量（一般为非电量）的元件。是传感器的核心。一般不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。敏感元件转换元件测量转换电路被测量非电量电参量电量2．传感器的作用传感器技术早已进入了人们的日常生活当中。例如，电冰箱中的温度传感器、监视煤气溢出的气敏传感器、防止火灾的烟雾传感器、防盗用的光电传感器等等。在交通领域，汽车、火车和飞机等交通工具无不见到传感器的影子。一辆现代化汽车所用的传感器就多达数十种，用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；在国防科研中，检测技术用得更多，许多尖端的检测技术都是因国防工业需要而发展起来的。如研究飞机的强度，就要在机身、机翼上贴几百片应变片，并进行动态特性的测试。其他如工业生产监控、气象、航空航天、军事等方面，传感器也应用广泛。单元1认识传感器【问题分析】温度传感器透光率传感器指纹传感器单元1认识传感器【问题分析】日常生活温湿度传感器自动水龙头单元1认识传感器【问题分析】日常生活自动门单元1认识传感器【问题分析】日常生活检测容器内的液位检查轴承/滚珠是否脱漏单元1认识传感器【问题分析】工业生产流量检测位置检测单元1认识传感器【问题分析】工业生产汽车出厂检验：测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量单元1认识传感器【问题分析】工业生产在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。摊铺机自动找平系统单元1认识传感器【问题分析】工程建设雨量传感器烟雾传感器单元1认识传感器【问题分析】气象、环境、灾害监测二氧化碳传感器土壤湿度传感器单元1认识传感器【问题分析】气象、环境、灾害监测空气湿度传感器光照度传感器单元1认识传感器【问题分析】气象、环境、灾害监测风力参数传感器地震检波器磁、气、力敏传感器超声传感器单元1认识传感器【问题分析】气象、环境、灾害监测GPS定位导航单元1认识传感器【问题分析】交通超声波测速单元1认识传感器【问题分析】交通设施农业单元1认识传感器【问题分析】农业鱼群监测仪单元1认识传感器【问题分析】农业B型超声波检测仪医用内窥镜单元1认识传感器【问题分析】医疗卫生心电图仪单元1认识传感器【问题分析】医疗卫生核磁共振单元1认识传感器【问题分析】医疗卫生视频：核磁共振一视频：核磁共振二激光制导导弹单元1认识传感器【问题分析】军事步枪红外狙击瞄准仪单元1认识传感器【问题分析】军事无人侦察机、攻击机单元1认识传感器【问题分析】军事火箭测控－－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，控制与操纵单元1认识传感器【问题分析】航空航天火箭航天飞行器单元1认识传感器【问题分析】航空航天3．传感器的主要功能和特点（1）传感器的主要功能常将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟，传感器的存在和发展，让物体有了视觉（光敏传感器）、听觉（声敏传感器）、触觉（压敏、温敏传感器）、味觉（气敏传感器）和嗅觉（化学、生物传感器）等感官。传感器的主要功能按照感知原理进行分类为：①物理类基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类基于化学反应原理的传感器。③生物类基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。单元1认识传感器【问题分析】通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。（2）传感器的主要特点传感器的主要特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统（MEMS）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。单元1认识传感器【问题分析】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1.传感器的主要分类单元1认识传感器【知识链接】按被测量性质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：力传感器、长度传感器等如：温度传感器、压力传感器等如：气敏传感器等如：各种接近开关如：超声波探头CT探测器等单元1认识传感器【知识链接】按输出量种类来分模拟传感器数字传感器按传感器结构来分直接传感器补偿传感器差动传感器单元1认识传感器【知识链接】2.传感器的基本特性（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单元1认识传感器【知识链接】（2）稳定性传感器的稳定性有两个指标，一是系统指示值在一段时间中的变化，以稳定度表示；二是系统外部环境和工作条件变化引起指示值的不稳定，用环境影响系数表示。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0.02mA。单元1认识传感器【知识链接】（3）可靠性（4）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可靠度是表征传感器可靠性最基本的尺度，它是衡量传感器能够正常工作并完成其功能的程度。单元1认识传感器【知识链接】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。%100minmaxmaxyyLL＝线性度概念动画演示线性度表达式为单元1认识传感器【知识链接】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xydxdyK迟滞传感器的正向特性与反向特性的不一致程度。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0.1um则分辨率为0.1％，分辨力为0.1um单元1认识传感器【知识链接】漂移漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。阈值当传感器的输入从零值开始缓慢增加时，在达到某一值后输出发生可观测的变化，这个输入值称传感器的阈值电压。（5）动态输入输出特性是指传感器在输入变化时，它的输出随输入变化时输入输出特性。动态输入输出特性是传感器的重要特性之一。单元1认识传感器【知识链接】3．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，一般有以下十个方面：①输入与输出成比例，并且输出信号大；②滞环和非线性误差小；③要有一定的灵敏度和精确度；④特性曲线的稳定性和重复性较好；⑤具有较好的动态特性；⑥具有一定的抗干扰能力；⑦内部噪声小，反应速度快；⑧小型、量轻、动作能量小；⑨使用寿命长价格便宜；⑩易使用、维修和校准，对环境要求不高。总之，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。单元1认识传感器【知识链接】【案例1】液位自动控制器液体中放置着两个电容式传感器。当液体即将接触高液位或低液位传感器的感应面时，该传感器就会发出信号到控制处理器，然后按照一定的程序断开或闭合接触器K，通过接触器K的主触点关闭或者启动水泵电动机M，这样液体储量就可以控制在需要的范围内不用人去控制，整个系统能一直在自动控制的状态，大大改善了工作环境，降低了劳动强度。单元1认识传感器【应用案例】【案例1】液位自动控制器液位自动控制工作原理图单元1认识传感器【应用案例】单元1认识传感器【应用案例】【案例2】汽车电子防盗系统汽车防盗报警装置的基本构思是，“当利用非正常的手续侵入车厢，进行车辆移动时，能立即进行检测、报警并阻止发动机起动和行驶”。最近，增加正常操作手续，追加验明身份的鉴定功能，当与验明身份不相符合时，会禁止操纵控制发动机。这种以提高自主行驶功能为目的的装置〔简称“阻行器”（Immobiliser）〕已开始普及。键开关方式阻行器防盗装置的功能构成图单元1认识传感器【应用案例】【案例2】汽车电子防盗系统【案例2】汽车电子防盗系统防盗装置在车辆上布置图单元1认识传感器【应用案例】【实践项目】防盗报警器的搭建和调试1．项目要求（1）认识防盗报警器的作用，熟悉防盗报警器的工作原理。（2）会根据设备要求通过网络或电子市场购买相关传感器及有源蜂鸣器。（3）根据项目内容和操作步骤搭建简单的防盗报警器，并且能够熟练调试红外反射传感器的探测灵敏度。2．设备与工具红外反射传感器模块1个，5V有源蜂鸣器驱动模块报警器1个，5V电源1个，杜邦导线、排针、焊锡若干，一字仪表起子、电烙铁各1把。单元1认识传感器【实践项目】3．传感模块及报警模块红外反射传感器模块有源蜂鸣器外形图单元1认识传感器4．操作步骤（1）将3根排针用导线和电烙铁焊在一起，一共制作2个，用来作为电源正、负极的杜邦导线公共接头。（2）将5V直流电源正、负极用杜邦导线通过公共接头，分别连接到红外反射传感器和有源蜂鸣器的正、负极。（3）将红外反射传感器的OUT端口用杜邦导线与有源蜂鸣器的I/O端口连接。（4）有手接近红外反射传感器的红外光反射和接受窗口，听听蜂鸣器是否发出声音。（5）用一字仪表起子调节红外反射传感器的灵敏度调节旋钮，观察手与红外反射传感器的感应距离是否发生变化。防盗报警器原理框图5V直流电源红外反射传感器有源蜂鸣器人体I/OOUT端【实践项目】单元1认识传感器1．选择传感器时应考虑的条件由于传感器技术的研制和发展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，对选用传感器带来了很大的灵活性。众所周知，对于同种被测物理量，可以用各种不同的传感器测量，为了选择适合于测定目的的传感器，有必要讨论传感器的正确选择。虽然，传感器选择时应考虑的事项很多，但主要应根据传感器实现使用的目的、指标、环境条件和成本等限制条件，从不同的侧重点，优先考虑几个重要的条件。2．传感器的选型原则选择传感器总的原则是：在满足对传感器所有技术要求情况下，成本低廉、工作可靠和容易维修，即所谓性能价格比要大。【拓展提高】单元1认识传感器人们在生产、生活、科学研究中要对事物的质和量进行分析、比较和判断，这样就必然要涉及相关参数的测量。测量误差的存在不可避免。例如，GPS测