传感器与检测技术 1

项目1传感器与自动检测数据处理传感器与检测技术任务1传感器的认识任务2传感器的特性分析与检测数据处理任务1.1传感器的认识传感器与检测技术【知识目标】学习什么是传感器，掌握传感器的定义、组成、作用，了解传感器的分类、主要性能指标。熟悉检测数据处理方法。【能力目标】认识各种设备中最常见的传感器。任务1.1传感器的认识传感器与检测技术任务1.1传感器的认识任务1.1传感器的认识传感器与检测技术＊任务导入：认识传感器，了解传感器在人们生活以及自动化生产中的作用任务1.1传感器的认识任务1.1传感器的认识传感器与检测技术[基本知识与技能]一、传感器的认识力传感器流量传感器视觉传感器位移传感器压力传感器任务1.1传感器的认识传感器与检测技术传感器是一种检测装置，能感受到被测量的非电量信息，如温度、压力、流量、位移等，并将检测到的信息，按一定规律转换成电信号或其他所需形式的信息输出，用以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录或控制等要求。传感器是自动化系统和机器人技术中的关键部件，它是实现自动检测的首要环节，为自动控制提供控制依据。传感器在机械电子、测量、控制、计量等领域应用广泛。任务1.1传感器的认识传感器与检测技术外界信息人与自然系统的对应关系任务1.1传感器的认识传感器与检测技术1.传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB7665—1987），传感器是能够感受规定的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。对此定义需要明确以下几点：（1）传感器是一种能够检测被测量的器件或装置；（2）被测量可以是物理量、化学量或生物量等；（3）输出信号要便于传输、转换、处理、显示等，一般是电参量；（4）输出信号要正确地反映被测量的数值、变化规律等，即两者之间要有确定的对应关系，且应具有一定的精确度。二、传感器的定义与组成非电量电量任务1.1传感器的认识传感器与检测技术2.传感器的组成敏感元件转换元件转换电路被测量电量敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。转换电路：将转换元件输出的电参量转换为电压、电流或频率。任务1.1传感器的认识传感器与检测技术三、传感器的分类1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩任务1.1传感器的认识传感器与检测技术机械式,电气式,光学式，流体式等。2)按工作原理分类:切削力测量应变片动圈式磁电传感器任务1.1传感器的认识传感器与检测技术四、传感器的应用1、工业自动化中的应用a)机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗任务1.1传感器的认识传感器与检测技术b)AGV自动送货车超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型任务1.1传感器的认识传感器与检测技术2、家庭与办公自动化在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器任务1.1传感器的认识传感器与检测技术3、汽车中的应用发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等任务1.1传感器的认识传感器与检测技术4、其他应用航天农业交通医学任务1.1传感器的认识传感器与检测技术＊任务实施：管道清洗机器人是由坦克状的车、各种传感器、显示器、录像机、控制箱及操控杆组成。工作人员可以根据机器人感受到的外部信息用操控杆控制机器人前进、倒退、转弯，清扫通风管道。机器人之所以能感受到外界环境的各种信息，正是因为在机器人的各部位安装了相应的传感器来感觉环境信息。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术任务1.2传感器的特性分析与检测任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术＊任务导入：要实时监测一个高温箱的温度：测量温度大约为50℃～80℃，检测结果的精度要达到1℃。现有三种带数字显示表的温度传感器，它们的量程分别是0℃～500℃、0℃～300℃、0℃～100℃，精度等级分别是0.2级、0.5级和1.0级，为了满足需要，你应该怎样选择呢？任务1.2传感器的特性分析与检测任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术[基本知识与技能]一、传感器的基本特性传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术静态特性指标一、线性度二、迟滞三、重复性四、灵敏度五、分辨力和阈值六、稳定性七、漂移任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术1.线性度传感器的理想输入—输出特性应是线性的。yx0(a)理想线性yx0(b)只有偶次非线性项yx0(c)只有奇次非线性项yx0(d)实际特性曲线图3.1线性度任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术实际曲线与其两个端点连线（拟合曲线）之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其最大偏差与理论满量程之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。•maxLFS100%Ley线性误差1—拟合曲线；2—实际曲线任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术2、迟滞传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。图3.4迟滞特性yxHmaxYFSomaxHFS100%Hey产生原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术3、重复性•重复性是指传感器的输入量按同一方向变化，作全量程连续多次测量时所得到的曲线不一致的程度。图3.5重复性yxoYFSmax2Rmax1RmaxRFS¦100%Rey任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术4、灵敏度•传感器输出的变化量Δy与引起该变化量的输入量变化Δx之比即为其静态灵敏度。(a)线性传感器(b)非线性传感器yKx任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术5、分辨力和阈值•分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。•阈值是当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加，只有达到了某一最小值后，才能测出输出变化，这个最小值就称为传感器的阈值•分辨力说明了传感器可测出的最小可测出的输入变量，而阈值则说明了传感器的可测出的最小输入量。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术6、稳定性室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。7、漂移漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术二、传感器的标定1.传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立传感器输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术二、传感器的标定2.传感器标定工作的内容包括对新研发的传感器进行全面的技术性能鉴定，并将鉴定的数据进行量值传递；对经过一段时间储存或使用后的传感器进行复测，通过再次鉴定来判定被复测的传感器是否可以继续使用；对可以继续使用但某些指标发生了变化的传感器，则需要重新标定并修正相应的原始数据。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术二、传感器的标定3.传感器的标定工作分为静态标定和动态标定两种。传感器的静态标定主要是检验、测试传感器或整个系统的静态特性指标。如：静态灵敏度、线性度、迟滞、重复性等。传感器的动态标定主要是检验、测试传感器或整个系统的动态特性指标，如动态灵敏度、频率响应等。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术三、传感器信号处理1.传感器信号预处理预处理电路把传感器输出的非电压量转换成具有一定幅值的电压量；数据采集系统把模拟电压量转换成数字量；计算机接口电路把A/D转换后的数字信号送入计算机，并把计算机发出的控制信号送至输入接口的各功能部件。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术三、传感器信号处理2.传感器信号的放大电路测量放大器又叫仪表放大器（简称IA），用于信号微弱且存在较大共模干扰的场合，具有精确的增益标定，因此又称数据放大器。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术三、传感器信号处理3.信号的调制与解调调制是利用信号来控制高频振荡的过程，即认为地产生一个高频信号，使这个高频信号，使这个高频信号的3个参数中一个随着需要传输的信号变化而变化。使得原来变化缓慢的信号被这个受控的高频振荡信号所代替，进行放大和传输，已期得到最好的放大和传输效果，通常有调幅、调相和调频调制三种方法。解调是从已被放大和传输的，且有原来信号的高频信号中，把原来信号取出的过程。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术三、传感器信号处理5.噪声的抑制在非电量的检测及控制系统中，往往混入一些干扰的噪声信号，它们会使测量结果产生很大的误差，这些误差将导致控制程序紊乱，从而造成控制系统中的执行机构产生误动作。因此在传感器信号处理中，噪声的抑制是非常重要的，噪声的抑制也是传感器信号处理的重要内容之一。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术四、传感器的选则原则与方法1.与测量条件有关的因素（1）测量的目的（2）被测试量的选择；（3）测量范围；（4）输入信号的幅值，频带宽度；（5）精度要求；（6）测量所需要的时间。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术四、传感器的选则原则与方法2.技术指标要求（1）静态特性要求：如线性度及测量范围、灵敏度、分辨率、精确度和重复性等；（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、电气和热的过载能力。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术四、传感器的选则原则与方法3.使用环境要求（1）安装现场条件及情况；（2）环境条件（湿度、温度、振动等）；（3）信号传输距离；（4）所需现场提供的功率容量；（5）安装现场的电磁环境。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术四、传感器的选则原则与方法具体选择传感器时可考虑如下的方法：1.借助于传感器分类表，按被测量的性质，从典型应用中可以初步确定几种可供选用的传感器的类别。2.借助于常用传感器比较表，按被测量的范围，精度要求，环境要求等确定传感器类别。3.借助于传感器的产品目录，选型样本，最后查出传感器的规格、型号、性能和尺寸。任务1.2传感器的特性分析与检测传感器与检测技术＊任务实施：•在本课题中，要实时监测一个高温箱的温度，在选择温度传感器时，主要从技术指标和成本两方面考虑。