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1、课题一 传感器的认识 课题二 传感器与检测技术, 掌握传感器的作用、组成与应用 了解传感器的主要测量方法,模块二,课题一 传感器的认识,任务提出： 随着社会经济的迅猛发展，大厦越建越高，高科技化工产品越来越多，导致火灾、化学危险品燃烧、爆炸、坍塌等事故隐患增加。面对灾难事故，百姓、消防人员的生命受到威胁，为此国内外研制出一种消防机器人，如右图所示。 这些自动化的设备都离不开传感器。,消防机器人,任务分析： 想要了解机器人需要测量哪些外部数据并通过什么传感器完成,首先要了解传感器的基本类型、功能和基本的工作过程.然后再结合设备需求进行分析。,一、传感器的概念 现代信息产业的三大支柱是传感器技术、
2、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息系统的“感官”“神经”和“大脑”。 如下图所示的是几种常见类型的传感器。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。,几种常见类型的传感器,二、传感器的定义及组成 电量一般指电压、电流、电阻、电容、电感等电学相关的物理量；非电量则是指除电量之外的一些参数，如压力、流量、距离、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度等。 在众多的实际检测中，大多数是对非电量的测量。,国家标准GB/T7665-2005对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由
3、敏感元件和转换元件组成。”广义地说，传感器就是一种能把物理量或化学量转换成便于测量、便于利用的电信号的器件，可以用如下图所示的框图简单表示。,传感器的定义,传感器一般由敏感元件、传感元件和测量转换电路组成，如下图所示。,传感器的组成,应该指出，不是所有传感器都有敏感元件和传感元件之分。有些传感器的敏感元件可以直接将非电量转化成电信号，比如铂电阻温度传感器，当所测温度变化时，其敏感元件的电阻变化值经测量电路直接转化成电压信号或电流信号。也不是所有传感器都包含测量电路。,三、传感器的分类 传感器是利用各种物理效应和工作机理来实现测量目的的。 1. 按传感器所测的物理量分类，可分为温度、压力、流量、
4、速度、位移、力等传感器。 2. 按传感器的工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、霍尔、光电、热电偶等传感器。 3. 按传感器输出信号的性质分类，可分为输出为开关量的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。,四、传感器的测量方法 对于测量方法，从不同的角度出发，可有不同的分类方法。如根据测量手段分类，分直接测量、间接测量和组合测量；根据被测量变化情况分类，分为静态测量和动态测量；根据敏感元件是否与被测介质接触分类，分为接触测量和非接触测量等。 1. 直接测量、间接测量和组合测量 2. 静态测量与动态测量 3. 接触测量和非接触测量,任务实施： 一、消防机器人的功
5、能需求 消防机器人用于消防安全的自动巡视，发现火灾及时报警，并可自动进行灭火操作，因此，该机器人应具有以下基本功能： （1）在楼道内看清障碍，自主行走 （2）侦察火灾，及时报警和处理火情 （3）控制行走速度，防止倾覆 （4）将观察到复杂的火灾现场信息传输到中央控制室,二、消防机器人的传感器类型 为满足上述各种功能，消防机器人上需要使用多种传感器。 在检测和自动控制系统中，传感器的作用与人的五官很相似，不同类型的传感器用于对不同形式的信号检测。,知识链接： 汽车传感器作为典型的机电一体化产品，各种各样的传感器成为汽车电控系统的关键部件，它直接影响了汽车的各种技术性能。传感器在汽车电控系统中起着重
6、要作用，如下图所示。,汽车上的传感器,思考与练习 1. 传感器的定义是什么？ 2. 传感器是由哪几部分组成的？ 3. 传感器的作用是什么？ 4. 仔细观察你身边的非物理量测量，举例说明传感器起着什么作用。, 了解传感器的判别标准 掌握传感器各项技术指标的含义 掌握传感器的误差计算与选用 掌握检测系统的组成,模块二,课题二 传感器与检测技术,任务提出 传感器的种类繁多，如何经济、合理地选择较为适用的传感器，是传感器应用中的关键环节。以电子秤为例，如下图所示，电子秤的种类五花八门，结构多种多样。因此选择电子秤的性能，关键在于选择其中传感器的性能。,各种各样的电子秤,任务分析 电子秤是用于测量物体重
7、量(质量)的电子装置，与机械秤相比，它不仅可以测量物体重量，还可以将采集的数据传送到数据处理中心，作为在线测量或自动控制的依据。要完成任务，首先应学习测量系统误差、传感器的技术指标等知识，还要了解传感器的判别标准。,相关知识 一、测量误差与仪表等级 在实际测量过程中，由于测量仪器的精度限制，测量原理和方法不完善，或者测量者感官能力的限制，使得测量的结果不可能绝对精确，总会产生误差。误差是测量值与真实值之差。误差又分为绝对误差和相对误差。,1. 绝对误差 绝对误差反映测量值偏离真值的大小，即=Ax-A0 式中Ax测量值； A0理论真值。 绝对误差和测量值Ax具有相同的单位。 2. 相对误差 用绝
8、对误差无法比较不同测量结果的可靠程度，于是人们用测量值的绝对误差与测量值之比来评价，称它为相对误差，并可化成百分比，也称为百分误差。,3. 仪表的准确度S 在正常的使用条件下，仪表测量结果的准确程度称为仪表的准确度。 Sm/Am*100% 式中m最大绝对误差； Am仪表的满量程。 误差越小，仪表的准确度越高，而误差与仪表的量程范围有关。,准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。我国模拟量工业仪表等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级,对应基本误差为0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、1.5%、2.5%、5.0%。仪表准确度习惯上称为精度，准确度等级习惯上
9、称为精度等级。应该指出，误差与错误不能相提并论：误差不可避免，而错误则可以避免。,二、检测系统的组成 检测是指用指定的方法获得被测、被控对象的有关信息，对一些参量进行定性或定量测量的一系列完整的操作过程。 检测系统通常由各种传感器将非电被测物理或化学成分参量转换成电信号，然后经信号调理、数据采集、信号处理后显示并输出。 其各部分关系如下图所示。,检测系统一般组成框图,1. 传感器 传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。 2. 信号调理 信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统的后续环节进行处理或显示。,3. 数据采集 数据采集
10、(系统)在检测系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信号进行离散化，并将其转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。 4. 信号处理 信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人的大脑类似。,5. 信号显示 通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况。 6. 信号输出 在许多情况下，检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后，除送显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给控制计算机，从而构成闭环控制系统或实现打印(记录)输出。,7. 输入设备 输入设
11、备是操作人员与检测仪表或检测系统联系的另一主要环节，用于输入设置参数，下达有关命令等。 8. 稳压电源 一个检测仪表或检测系统往往既有模拟电路部分，又有数字电路部分。,三、传感器的技术指标 传感器能否将被测非电量不失真地转换成相应的电量，取决于传感器的输入输出特性。传感器这一基本特性可用其静态特性和动态特性来描述。 （1）传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出变化量y对输入变化量x的比值，它是输出输入特性曲线的斜率。,（2）传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量最小变化的能力。 （3）传感器的线性度 人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系，而且最好呈线性关系。
12、（4）传感器的迟滞 传感器正行程(输入量增大)和反行程(输入量减小)的输入输出特性曲线不能完全重合。,（5）重复性 重复性是指传感器在相同的工作条件下，输入按同一方向作全测量范围连续变动多次时(一般为次)，特性曲线的不一致性。,四、传感器的一般选择原则 现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在组成测量系统时首先要解决的问题。 当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。,关于传感器的一般选择，可从以下方面因素进行考虑： 1. 与测量条件有关的因素 （1）测量的
13、目的 （2）被测量的选择 （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 2. 与传感器有关的技术指标 （1）精度 （2）稳定度 （3）响应特性 （4）模拟量与数字量 （5）输出幅值 （6）对被测物体产生的负载效应,（7）校正周期 （8）超标准过大的输入信号保护 3. 与使用环境条件有关的因素 （1）安装现场的条件及情况 （2）环境条件 （3）所需现场提供的功率容量 （4）信号传输距离 （5）安装现场的电磁环境 4. 与购买和维修有关的因素 （1）价格 （2）零配件的储备 （3）服务与维修制度，保修时间 （4）交货日期,思考与练习 1. 什么是仪表的准确度? 分为哪几个等级? 2. 传感器的静态技术指标包含哪些? 3. 传感器的一般选择原则是什么? 4. 压力传感器校准数据见表1-2,传感器的正反行程没有重合,试解释这是一种什么误差,并计算该误差。,
