传感器与检测技术(第3版) PPT课件

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传感器与检测技术_ppt课件第一章[1].

占第［章传感器理论基础1.1传感器基础1.1.1传感器的概念传感器(Transducer/Sensor)是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用量的器件和装置。

传感器就是把非电量转换成电量的装置。

.1.2传感器的组成和分类■ 1.传感器的组成■传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路组成，如图—I所示。

电信号1跚卜2013-4-22 21.1.2传感器的组成与分类敏感元件(sensing element)；直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，它是传感器的核心。

转换元件(transduction element)：将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号的元件。

测量电路(measunng circuit):将转换元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。

2013-4-221.1.2传感器的组成和分类2. 传感器的分类(1) 按照其工作原理，传感器可分为电参数式(如电阻式、电感式和电容式)传感器.压电式传感器、光电式传感器及热电式传感器等。

(2) 按照其被测量对象，传感器可分为力.位移.速度、加速度传感器等.常见的被测物理量有机械量、声、磁、温度和光等O(3) 按照其结构，传感器可分为结构型、物性型和复合型传感器。

物性型传感器是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。

结构型传感器是依靠传感器结构參数的变化实现信号变换，如：电容式传感器。

2013-4-22 46■当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其输入输出关系特性称为静态特性。

■传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性 ,即传感器系统的输出信号丫⑴和输入信号(被测 *) x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所力\ O2013-4-22£ 1・：L ・3传感器基本特性轟器的静态特性：1. 测I 量范围：传感器所能测*到的最小输入fi 与最大输入fi 之间的范围称为传感器的测量范围.2. 量程：传感器测《范围的上限值与下限值的代数差-称为量程・3. 精度：传感器的精度是指测fl 结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映・工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了«度尊级的概念.精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的儿1.1.3传感器基本特性输入fS 号xit) ------------------------------------------ 彼测量输出值号 -------------- ► N)最大允许误差，即相对误差.4.灵敏度：灵敏度是指传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化i 之比，即，如右图所示.2013-4-22 >1倚性曲线 k !2013*： ■ 5.线性度：摘其输出S 与输入*之间的关系曲线偏离理想宜线的程度.在非线性涙差不太大的情况下，通常采用直线拟合的方法来线性化。

传感器与检测技术ppt课件第三章

• 力传感器
差动变压器式力传感
器原理结构图如图所
示。它是利用力作用
下引起弹性元件形变，
然后弹性元件的形变
带动差动变压器的衔
铁运动，从而产生相
2024/7/13 应地电流或电压输出
42
第43页/共62页
差动变压器式传感器的应用
• 差动变压器式电感测微仪
2024/7/13
43
第44页/共62页
3.3 电涡流传感器
• 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片， 500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。
第40页/共62页
差动变压器式传感器的应用
• 差动变压器式加速度传感器是由悬臂梁和差动变压器构成，其结构如图所示。
2024/7/13
振动传感器及其测量电路 1—弹性支撑 2—差动变压器
40
第41页/共62页
差动变压器式传感器的应用
• 力平衡式差压计
2024/7/13
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第42页/共62页
差动变压器式传感器的应用
2024/7/13
32
第33页/共62页
测量电路
• 差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。

传感器与检测技术课件ppt课件

传感器与检测技术
第一篇基础知识引论
1 绪论
1.1 检测仪表控制系统 1.2 基本概念 1.3 检测仪表技术发展趋势
检测技术
检测≠测量检测技术是实验科学的一部分，主要研究各
种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。
智能楼宇控制
图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：安全监测、照明控制、空调控制、水/废水管理等。
滞环效应分析
同一输入，对应多个输出值，出现误差。
1.2.6 滞环、死区和回差
死区： – 死区效应，例如传动机构的摩擦和间隙。 – 实际上升曲线和实际下降曲线不重合。 – 仪表输入小到一定范围后不足以引起输出的任何变化。
死区效应分析
1.2.6 滞环、死区和回差
综合效应： – 既有储能效应，也具有死区效应。 – 各种情况下，实际上升曲线和实际下降曲线间的差值称为回差或变差。
误差函数的有关符号：
– 1）y f x
：误差x发生的概率密度
– 2）p x f x dx ：误差为x的概率，称为概率元
– 3）p a x b b f x dx ：误差在a与b之间的概率 a
– 4）p x f x dx 1 ：检测值存在或检测误差存在的概率为1
(a) 线性传感器
(b) 非线性传感器
作图法求灵敏度过程
y
Δy
切点
传感器特性曲线
x1
0
K y
Δx
x
xmax x
两者关系
灵敏度高的仪表一定分辨率高（充分条件）分辨率高的仪表不一定灵敏度高（非必要条件）
原因：分辨率高的仪表，如量程也很小，则灵敏度也不高。
灵敏度具有可传递性，首尾串联的多仪表系统总灵敏度是各仪表灵敏度的乘积。

传感器与检测技术3课件

项目1 传感器误差与特性分析任务1 检测结果的数据整理
任务1：
现有0.5级的0~300ºC和1.0级0~100ºC的两个温度计，欲测量80ºC的温度，试问选用哪一个温度计好？为什么？在选用仪器时应考虑哪些方面？
实施：
1.0级的0~100ºC的温度计测量时可能出现的最大绝对误差为：
xm2 m2 Am2 1.0%(100 0) 1
2019/12/7
Page 6
传感器与检测技术课程介绍检测技术在卫星中的应用
红外线扫描的区域
检测森林火灾和气象等
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Page 7
传感器与检测技术课程介绍
检测技术在核电站中的应用DCS
2019/12/7
Page 8
传感器与检测技术课程介绍
传感器在本教材中是指一个能将被测的非电量变换成电量的器件
Page 23
项目1 传感器误差与特性分析
测量方法：
接触性测量和非接触性测量
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Page 24
项目1 传感器误差与特性分析
测量方法：
模拟式测量和数字式测量
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项目1 传感器误差与特性分析
测量方法：
模拟式测量和数字式测量
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基本误差
去掉百分号
问：用其测量直流、交流电（%）后的数值
压时，可能产生的满度
相对误差分别为多少？定义为仪表的精度等级
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项目1 传感器误差与特性分析任务1 检测结果的数据整理
例：某温度计的量程范围为0-500ºC，校验时该表的最大绝对误差为6ºC，试确定其精度等级？

传感器与检测技术ppt课件

控制系统的自动化水平高低。
传感器的选用主要取决于建模参数和被测量、测量精度和灵敏度要求以及测量系统的成本等因素。

(4) 传感器的品质参数灵敏度分辨率准确度精密度

重复性
线性度
灵敏度
灵敏度反映传感器对被测量变化的响应能力。
O S I
输出变化量
输入变化量
分辨率
如果已知总体精度上限，要计算各部件的误差，则假定各部件误差对总精度的影响是均等的。
f N xi xi n
N xi f n xi
[实例]已知角速度与作用力的关系式试求转速的不确定性。 [解]
F 5 0 0 3 1 6 . 2 3 m r 0 . 20 . 0 2 5
霍尔传感器的应用—— 测量焊接电流
在标准的园环铁芯开一小缺口，将霍尔元件放在缺口处，被测电流的导线穿过铁心时就产生磁场B，则霍尔传感器有输出。当测出的小于规定的焊接电流时，可控硅的导通角增大，焊接电流变大，测出的电压大于规定的焊接电流时，可控硅的导通角减，焊接电流变小，控制焊接回路的电流。
性；
没有机械电位器特有的滑片，彻底解决了滑片接触不良的问题；体积小，节省空间，易于装配；寿命长，可靠性高。
数字电位器与机械式电位器的区别
类特型性机无械源式数有字源式电阻变调节位置自动化规律方法记忆复位连续变化阶梯变化手动有没有使用体寿命积短大
为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿, 电路补偿的方法较多,可采用以下方法。
• 串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；
• 并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；

传感器与检测技术精PPT课件

L 2H 2R 2S 2
.
1.3测量误差与数据处理基础
测量的定义：以确定量值为目的的一组操作，此操作可以通过手动或自动的方式来进行。从计量学的角度来讲，测量就是利用实验手段，把待测量与已知的同类量进行直接或间接的比较，将已知量作为计量单位，求得比值的过程。
.
例如： ①在实验室为确定各种机械工件、光学材料及电子器件等的属性，对反映它们特定的物理化学属性的量值进行精密测量；在工厂车间对产品性能的检验； ②在商贸部门对商品的检验； ③在部队靶场对武器系统的性能进行的试验和测试； ④在计量部门对测量量具与仪器的检定、校准、比对，对标准物质和标准器具的定值，乃至对整个测量设备的计量确认活动，以及对整个实验室的认可活动。
xmin 100% YFS
.
6．稳定性。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期稳定性描述其稳定性。所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。
7．漂移。传感器的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）。
.
1.3.1测量误差及其分类
误差的定义
测量误差(error of measurement)是指测得值与被
测量真值之差，可用下式表示：测量误差=测得值-真值
若定义中的测得值是用测量方式获得的被测量的测
量结果，则得到测量误差的定义为：测量误差=测量结果-真
值
若定义中的测得值是指计量仪器的示值，则得到计
4、电量测量和非电量测量根据被测量的属性。

传感器与检测技术PPT

作用：现代工程装备中，检测环节的成本约占 50~70%
12
一、检测技术的作用和地位
检测技术在汽车中的应用日新月异
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。
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
1、直接测量与间接测量（3）研制海洋探测用传感器
五、现代检测技术发展趋势
通常把这个误差称为单次测量的极限误差δlimx,即
• 直接测量：直接将被测量与标准量进行比较 5—油杯 6—被标传感器
从加热炉出来的钢坯最后到卷取机之前的整个轧制线上，如加热炉出口、粗轧机的入口和出口、精轧机的入口和出口以及在卷取机之
8
一、检测的地位和作用
工业生产倍增器
检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%
9
一、检测的地位和作用
检测技术在工业生产领域的应用
在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….
10
11
一、检测技术的作用和地位
检测技术在工业生产领域的应用
离线检测：零件参数、尺寸与形位公差、品质参数
神州飞船：
185台（套）仪器装置检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学、
21
一、检测技术的作用和地位
直接测量（绝对测量、相对测量）
利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值
“物化法官” 制成力敏、热敏、光敏、磁敏气敏等敏感元件。
标定仪器设备精度等级的确定

传感器与检测技术(第三版)李增国主编--第八章

2018/9/2
23
2．中间导体定律

在热电偶中接入第3种均质导体，只要第 3种导体的两结点温度相同，则热电偶的热电势不变。
第3种导体接入热电偶回路
2018/9/2 24
推论

热电偶的这种性质在实用上有很重要的意义，它使我们可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面测量。推论：在热电偶中接入第4、5……种导体，只要保证插入导体的两结点温度相同，且是均质导体，则热电偶的热电势仍不变。
2018/9/2
8
8.1热电效应及测温原理

8.1.1 接触电势 8.1.2 温差电势 8.1.3 总电势
2018/9/2
9
8.1.1 工作原理

1．热电效应将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，当闭合回路的两个结点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，这种现象称为“热电效应”。 1821年由Seeback发现的，故又称为赛贝克效应。
2018/9/2 11
热电偶回路原理
2018/9/2
12
热电势由两部分组成

两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电势则称为“热电势”，热电偶的两个结点，一个称为测量端（工作端或热端），另一个称为参考端（自由端或冷端）。一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。
eA (T、T0 ) A dT
T0
2018/9/2 18
T
4．热电偶的电势

设导体A、B组成热电偶的两结点温度分别为T和T0，热电偶回路所产生的总电动势，

传感器与检测技术高教ppt3版第十章电子课件

静电电容耦合是两个电路间存在寄生电容，干扰
信号通过寄生电容耦合。
•
U
N
C C j
12
12
j 1 RC12
CC22U• 1
一般情况下，有R<<1/（C12+C2），故上式可进一步
简化为
U jRC12U1
10.4 干扰信号的耦合方式
图所示为静电电容耦合的原理图。
10.4 干扰信号的耦合方式
求而定）。
10.1 非线性补偿技术
2、闭环式非线性反馈补偿
（1）解析计算法
传感器的输出—输入关系的解析表达式为放大器的输出—输入关系解析表达式为整个测量系统的刻度特性为
根据框图可知
u u1 u f
非线性特性解析表达式
u1 f1 (x)
uo Ku
uo Sx
uf
f1
uo S
uo K
10.1 非线性补偿技术
感器输出电压为纵坐标。
② 将放大器的线性特性曲线u2 = KU1画在第Ⅱ 象限，放大器的输入u1为纵坐标，放大器的输出 u2为横坐标。 ③ 将整个测量系统的输出 — 输入特性曲线uo = S x画在第Ⅲ象限，该象限的横坐标仍为被测量x，纵坐标为整个仪表输出u o。 ④ 将x轴分成1、2、3 … n段（段数n由精度要
在某一输入量x下，由温度变化引起的仪表输出变化为
ST
da0 (T ) dT
da1(T ) x dT
da0 (T ) xn dT
即近似地把系统看成是线性系统
y a0 (T ) a1(T )x
ST
da0 (T ) dT
da1(T ) dT
x
10.2 温度补偿技术
10.2.2 温度补偿方式

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传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
（3）反射式光路。
1—主光栅；2—指示光栅；3—场镜；4—反光镜 5—聚焦透；6—光源；7—物镜；8—光电元件传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
（4）镜像式光路。
1—光源；2—半透半反射镜；3—聚光镜；4—主光栅；
5—物镜；6—反射镜；7—光电元件
式中， U 0 为输出信号的直流分量；
U m 为交流信号的幅值；
x 为光栅的相互位移量。
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
3．光栅传感器的辨向处理
1, 2—光电元件；3—莫尔条纹；4—指示光栅
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
4．光栅传感器的细分原理（1）倍频细分法。
传感器与检测技术
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
1．长光栅副
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
如果改变角，两条莫尔条纹间的距离B也随之变化。
W W W 2 2 B sin 2 2
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
莫尔条纹的方向与光栅的移动方向只相差 /2，即近似于与栅线方向垂直，故此莫尔条纹又称横向莫尔条纹。从式（4-1）可以明显地看出莫尔条纹有如下重要特性：（1）平均效应。
传感器与检测技术
4.2 磁栅数字式传感器
4.2.2 磁头的结构和种类 1．动态磁头
1—磁头；2—磁栅；3—输出波形
传感器与检测技术
4.2 磁栅数字式传感器
2．静态磁头
2x U U m sin sin t W
1—磁头；2—磁栅；3—输出波形
传感器与检测技术
4.2 磁栅数字式传感器
4.2.3 磁栅传感器的信号处理 1．鉴幅方式在实际应用中，一般采用两个多间隙静态磁头来读取磁栅上的磁信号。
2x sin t W 2x U 2 U m cos sin t W 2x U1 U m sin W 2x U m cos U2 W U1 U m sin
第4章数字式传感器
电子工业出版社
4.1 光栅数字式传感器
4.1.1 光栅的分类
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
圆光栅刻线方向
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
4.1.2 光栅传感器的结构和工作原理
反射式光栅线纹形状
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
透射光栅传感器光路
1—光源；2—透镜；3—主光栅；4—指示光栅；5—光电元件
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
2．光栅传感器的光电转换系统主光栅和指示光栅做相对位移产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信号转换成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，如图
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
光敏元件输出的波形可由如下公式描述：
2x U U 0 U msin W
B 1 W
（2）放大作用。
X
（3）对应关系。
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
2．圆光栅副
B
WR 2r
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
4.1.3 光栅传感器的测量电路 1．光栅传感器的常用光路（1）垂直透射式光路。
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
（2）透射分光式光路。
tan
R sБайду номын сангаасn 1 cos R2
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
4.1.4 光栅传感器的应用
1．光栅位移传感器
型号光栅栅距光栅测量系统读数头滚动系统防护尘密封
BG1 BG1A 40m（0.040mm）、20m（0.020mm）、10m（0.010mm）透射式红外光学测量系统，高精度性能的光栅玻璃尺垂直式五轴承滚动系统，优异的 45 °五轴承滚动系统，优异的重重复定位性，高精度测量精度复定位性，高等级的测量精度采用特殊的耐油、耐蚀、高弹性及抗老化塑胶，防水、防尘优良，使用寿命长 1m 2m 5m 10m 50～3000mm 每隔50mm一种长度规格（整体光栅不接长）＞20米/分钟温度0℃～50℃ 湿度≤90(20±5℃) 5V±5% 12V±5% TTL 正弦波
4.1 光栅数字式传感器
所示为光栅数显表在机床进给运动中的应用。
传感器与检测技术
4.2 磁栅数字式传感器
4.2.1 磁栅的结构和种类
传感器与检测技术
4.2 磁栅数字式传感器
具体使用时对磁栅还有如下的要求：（1）磁栅的基尺（磁尺）要求不导磁，线膨胀系数应与仪器或机床的
相应部分相近似。
（2）为了使磁尺上录的磁信号能长时期保存，并希望产生较大的输出信号，要求磁性薄膜剩磁感应要大，矫顽力要高，电镀要均匀，目前常用NiCo-P合金。（3）对磁尺表面要求长磁栅平直度为（0.005～0.01）mm/m，圆磁栅的不圆度为0.005～0.01mm，表面粗糙度要小。
（5）在安装传感器的设备导轨上应装限位装置。
（6）在使用环境有油污、铁屑等情况时，建议采用防护罩，防护罩应将主尺全部防护。
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
2．光栅数显表所示为微机光栅数显表的组成框图，在微机光栅数显表中，放大、整形采用传统的集成电路，辨向、细分可由微机来完成。
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
（2）电桥细分法。
i1 i2 iL 0 i1 (uo1 u2 ) / R1 (uo1 u2 ) / G1 i2 (uo2 u2 ) / R2 (uo2 u2 ) / G2 iL u2 / RL u2 / G2
u2 (uo1G1 u o2 G2 ) /(G1 G2 G3 ) uo1G1 u o 2 G2 0
分辨率有效行程工作速度工作环境工作电压输出电压
传感器与检测技术
4.1 光栅数字式传感器
在具体使用时要注意：（1）传感器应尽量安装在靠近设备工作台的床身基面上。（2）根据设备的行程选择传感器的长度，光栅传感器的有效长度应大于设备行程。（3）将传感器固定在设备工作台的基面上，确保主尺上端面同正面与移动方向平行，误差≤0.1mm。（4）读数头固定于相对于主尺的另一基面上，读数头与主尺之间应保持 0.8±0.15mm的间隙，尽量使读数头安装在非运动部件上，以方便电缆线的固定。