《传感检测技术课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感检测技术课件（109页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第一章传感检测技术的基本知识 航天 交通 摄象头 CCD传感器 指纹传感器 传感检测技术 本章学习要求 1 掌握传感检测系统的组成 2 掌握传感检测系统基本特性的评价指标 3 掌握测量误差的概念 误差的种类及误差处理的办法 4 了解传感检测系统的应用情况 5 了解传感检测系统的发展方向 6 了解主要测量 测试仪器生产厂商 传感器测量电路显示器数据处理装置检测系统的非电量电测法 1 1传感检测技术的组成 传感检测系统的组成 一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器 测量电路 显示记录装置和数据处理装置与执行机构等部分组成 分别完成信息获取 转换 显示和处理等到功能 被测对象 传感器 中间变换装
2、置 显示装置 记录装置 数据处理装置 物理量 电量 电量 数字量 信息转换 信息提取 一 传感器 1 定义 传感器 以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的 便于应用的某种物理量的测量装置 定义含义 传感器是测量装置传感器的输入量是某一被测量传感器的输出量应是便于转换的物理量传感器的输入与输出之间有一定精确程度的对应关系 传感器名称 发送器 传送器 变送器 检测器 探头 传感器的功用是一感二传 即感受被测信息 并传送出去 敏感元件 转换元件 基本转换电路 被测量 输出量 敏感元件 它是直接感受被测量 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
3、入的被测量抟换成电路参量 基本转换电路 上述电路参量输入基本转换电路 简称转换电路 便可转换成电量输出 辅助电源 敏感元件 转换元件 基本转换电路 2 传感器组成 1 壳体2 膜盒 敏感元件 3 电感线圈 转换元件 4 磁芯5 转换电路 传感器只完成被测参数至电量的基本转换 然后输入到测控电路 进行放大 运算 处理等进一步转换 以获得被测值或进行过程控制 传感器是知识密集 技术密集的行业 它与许多学科有关 它的种类十分繁多 为了很好地掌握它 应用它 需要有一个科学的分类方法 3 传感器分类 1 按被测物理量分类 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
4、 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 常见的被测物理量 2 按工作的物理基础分类 机械式 电气式 光学式 流体式等 能量转换型 直接由被测对象输入能量使其工作 例如 热电偶温度计 压电式加速度计 能量控制型 从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化 例如 电阻应变片 4 按敏感元件与被测对象之间的能量关系 物性型 依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换 如 水银温度计 结构型 依靠传感器结构参数的变化实现信号转变 例如 电容式和电感式传感器 例如位移传感器 压力传感器 振动传感器 温度传感器等 模拟传感器 数字传感器
5、双向传感器 单向传感器等 按照传感器的用途来分类 根据传感器输出是模拟信号还是数字信号 根据转换过程可逆与否 二 测量电路 作用 把传感器输出的电量转换成便于传输 处理的电量 即具有一定驱动和传输能力的电压 电流和频率信号等 以推动后级的显示器 数据处理装置及执行机构 1 传感器输出信号微弱 由测量电路加以放大 2 进行阻抗匹配 微分 积分 线性化补偿需要 放大电路 相敏检波电路 滤波电路 运算电路 补偿电路 A D转换电路 D A转换电路 三 显示器 1 作用 检测到数值大小 或被测量变化的过程 2 显示器类型 模拟显示 数字显示 图像显示A 模拟显示 用指针对标尺的相对位置标示读数B 数字
6、显示 用数字形式显示读数C 图像显示 显示读数 被测参数的变化曲线 或用图表 或彩色图反映整个生产线上的多组数据 四 数据处理装置 作用 对测试所得的实验数据进行运算 处理 逻辑判断 线性变换及对动态测试结果作频谱分析等 采用计算机技术完成 数据处理结果 显示器 执行机构 五 检测系统的非电量电测法 1 非电量电测法 传感器非电量电量把信号变化过程 实现对非电量进行检测 控制 显示的方法称为非电量电测法 2 自动检测系统的优点 A 能够连续 自动地对被测量进行测量和记录 B 电子装置精度高 频率响应好 不仅能适用于静态测量 选用适当的传感器和记录装置还可以进行动态测量甚至瞬间测量 C 电信号可
7、以远距离传输 便于实现远距离测量和集中控制 D 电子测量装置能方便地改变量程 因此测量的范围广 E 可以方便地与计算机相连 进行数据的自动运算 分析和处理 在工程领域 科学实验 产品开发 生产监督 质量控制等 都离不开检测系统 检测系统应用涉及到航天 机械 电力 石化和海洋运输等每一个工程领域 检测系统的工程应用 1 2传感检测技术的应用及发展方向 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 密歇根大学的机械手装配模型 广州中鸣数码的机器狗 b AGV自动送货车 超声波测距传感器
8、 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 c 生产加工过程监测 切削力传感器 加工噪声传感器 超声波测距传感器 红外接近开关传感器等 密歇根大学数字化工厂 2 流程工业设备运行状态监控 在电力 冶金 石化 化工等流程工业中 生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程 通常建立24小时在线监测系统 扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振
9、动纹监测系统武钢风机状态监测系统 3 产品质量检测 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 图示为汽车出厂检验原理框图 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 4 楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全 健康 舒适 温馨的生活 工作环境 并能保证系统运行的经济性和管理的智能化 在楼宇中应用了许多测试技术 如闯入监测 空气监测 温度监测 电梯运行状况 图示为某公司楼宇自动化系统 该系统分为 电源管理 安全监测 照明控制 空调控制 停车管理 水 废水管理和电
10、梯监控 5 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 6 其他应用 航天 农业 交通 医学 7 PC机中的测试技术应用 鼠标 光电位移传感器 摄象头 CCD传感器 声位笔 超声波传感器 麦克风 电容传声器 声卡 A D卡 D A卡 软驱 速度 位置伺服 个人测试实验室 PC机中的测试技术应用 一 应用 A 检测技术是产品检验和质量控制的重要手段 B 检测技术在大型设备安
11、全经济运行监测中得到广泛应用 C 检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分 D 检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步 1 2传感检测技术的应用及发展方向 二 发展方向 1 不断提高检测系统的测量精度 量程范围 延长使用寿命 提高可靠性 2 应用新技术和新的物理效应 扩大检测领域 3 发展集成化 功能化的传感器 4 采用计算机技术 使检测技术智能化 5 发展网络化传感器及检测系统 1 3传感检测系统基本特性的评价指标 一 传感检测系统的基本特性 传感器特性主要是指输出与输入之间的关系 静态特性 被测量不随时间变化或变化很慢时 检测系统的输入和输出量都与时间无关 动态特性 输入量和输
12、出量都随时间变化较快 是一个含有时间变量的微分方程式 检测系统对快速变化的被测量的响应特性称为动态特性 二 静态特性 1 测量范围与量程测量范围 在正常做条件下 检测系统或仪表能够测量的被测量值的总范围 通常以测量范围的上限值和下限值表示量程 测量范围上限值与下限值的代数差 2 灵敏度与分辨力 A 灵敏度 是指传感检测系统在稳态下输出量变化 y和引起此变化的输入的变化量 x的比值 可见 传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度 对线性特性的传感器 其特性曲线的斜率处处相同 灵敏度k是一常数 与输入量大小无关 或 由多个环节组成的检测系统其灵敏度等于各环节的灵敏度之积 B 分辨力 指传感器或检测仪表在规
13、定测量范围内能精确检测出被测量的最小变化的能力 表示方式 绝对值 用量程的百分数表示 3 线性度 线性度是指实测系统输入 输出特性曲线与其拟合直线之间的最大偏差 m 又称为非线性误差 通常用相对误差来表示 即 YFS 满量程的输出值 ymax ymin 拟合直线的确定 拟合直线是计算非线性误差的基准线基准线选取方法不同 拟合精度不同拟合方法 理论拟合 端点连线平移拟合 端点连线拟合 过零旋转拟合 最小二乘拟合 最小包容拟合 a 理论拟合 b 过零拟合 c 端点连线拟合 d 端点连线平移拟合 常用拟合方法 最小二乘拟合法 精度最高拟合直线的做法 根据最小二乘法原则作出的拟合直线 优点 使拟合直线
14、与特性曲线 输入输出特性曲线 上各点偏差的平方和最小 4 迟滞 回差滞环 现象 传感器在正向 输入量增大 和反向 输入量减小 行程期间 输入 输出特性曲线的不一致的程度 其大小是以满量程输出YFS的百分数表示 即 是正 反行程输出值间的最大差值 5 重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时 所得特性曲线不一致性的程度 重复性误差可用正反行程的最大偏差表示 即 或 X Rmax1正行程的最大重复性偏差 Rmax2反行程的最大重复性偏差 重复性精度是传感器的综合指标的考评 6 稳定性 传感器的稳定性一般是指长期稳定性 时间稳定性 包括 温度稳定性零点漂移灵敏度漂移 稳定性是指传
15、感检测系统在长时间工作的状态下 由于外界各种干扰对系统产生的影响 使得输出量发生与输入无关的变化 有时称为长时间工作稳定性 产生的原因 温度 压力 湿度 电源电压等环境参数的缓慢变化 或者系统本身性能的不稳定 预防措施 A 在恒温 恒压 恒湿 恒定电压的条件下工作 B 采用预热 预先放置一段时间等措施 使系统温度接近室温 趋于稳定 减小漂移 传感检测系统的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性 传感器的动态特性取决于 传感器本身被测量的变化形式 三 动态特性 动态误差 失真 被测量随时间变化的形式可能是各种各样的 只要输入量是时间的函数 则其输出量也将是时间的函数 在动态的输入信号情
16、况下 输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数 这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差 造成失真原因 测量电路存在延时 例 热惯性 发热 芯片对信号反应的灵敏度差等 机械惯性 例 谐振频率的传感检测系统 如弹性系统 正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入 经常使用的是前两种 标准输入有三种 通常采用阶跃响应法和频率响应法分析传感检测系统的动态误差 分析动态特性的方法 阶跃响应法 瞬态响应法 阶跃响应法从时域方面来分析传感器的瞬态响应特性 如 超调量 上升时间 响应时间 延滞时间 峰值时间等 时 其输出特性称为阶跃响应或瞬态响应特性 当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号 瞬态响应特性曲线如图 阶跃响应特性 1 最大超调量 p 2 延滞时间td 3 上升时间tr 4 峰值时间tp 5 响应时间ts 频率响应法是从传感检测系统的频率特性出发研究其动态特性 通常是先建立传感器的数学模型 通过拉氏变换找出传递函数表达式 再根据输入条件得到相应的频率特性 频率响应法 传感器对正弦输入信号的响应特性 称为频率响应特性 分析传感器动态特性 必须建立数学模型 线性系统的数学模型为常系数线
