电子课件-《传感器及应用(电类)》-B02-6610 3 力的测量

传感器的漂移是指在外界干扰下，输出 量出现与输入量无关的变化。漂移有很多种， 如时间漂移和温特性：传感器测量动态信号时，输出输入之间的关系。 动态特性常用的描述方法：
阶跃信号：包括最大偏离量，延滞时间，上升时间，峰值 时间，响应时间
频率响应：包括幅频特性，相频特性
（4）传感器的重复性
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 一致的程度。
（5）传感器的迟滞
传感器在正向行程（输入量增 大）和反向行程（输入量减小） 期间，特性曲线不一致的程度。
（6）传感器的稳定性与漂移
传感器的稳定性有长期和短期之分，一 般指一段时间以后，传感器的输出和初始标 定时的输出之间的差值。通常用不稳定度来 表征其输出的稳定的程度。
注意：并 不是所有 的传感器 必须同时 包括敏感 元件和转 换元件
传感器有很多种分类方法，但目前对传感器尚无
一个统一的分类方法，比较常用的有如下几种：
1．按传感器的被测物理量分类 2．按传感器工作原理分类 3．按传感器输出信号的性质分类 4．按传感器转换能量供给形式分类 5．按传感器的工作机理分类
项目一 传感器及测量基本知识
任务一 传感器的基本知识 一、任务描述 二、任务实施 （一）传感器的定义 （二）传感器的组成 （三）传感器的分类 （四）传感器的命名和代号 （五）传感器的特性 （六）传感器的选用 （七）传感器的应用及发展趋势 任务二 测量的基本知识 一、任务描述 二、任务实施 （一）测量的定义和分类 （二）误差的定义与分类
1.传感器的静态特性
传感器 的灵敏
度
01
传感器 的线性
度
02
（2）传感器的线性度 拟合直线方法：
（3）传感器的分辨力

图1-1 检测系统组成框图
简单检测系统(光电池)
V
复杂检测系统(轴承缺陷检测)
加速度计 带通滤波器 包络检波器
1．传感器
• 传感器是把被测量转换成电化学量的装置。 显然，传感器是检测系统与被检测对象直接发 生联系的部件，是检测系统最重要的环节。检 测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能 决定的，因为检测系统的其他环节无法添加新 的监测信息，并且不易消除传感器所引入的误 差。传感器通常以电信号的形式输出，以便于 传输、转换、处理和显示。输出电量的形式多 种多样，如电压、电流等。输出信号的形式一 般由传感器的原理确定。
一定规律（如线性、多项式、周期性等函数规
律）变化的误差称为系统误差。前者为恒值系
统误差，后者为变值系统误差。
•
它可表示为
系统误差 x L
• 式中：L——测量的真值。
3）粗大误差
•
超出在规定条件下预期的误差称为粗大误
差，粗大误差又称为疏忽误差。
•
所以进行误差分析时，要估计的误差只有
系统误差和随机误差两类。
据，通过解一组联立方程而求出未知量的数值，
这类测量称为组合测量，又称联立测量。
•
组合测量的测量过程比较复杂，但易达到
较高的精度，一般适用于科学实验和特殊场合。
2. 偏差式测量法、零位式测量和微差式测量法
1）偏差式测量法
•
在测量过程中，用仪表指针相对于刻度线的
位移（偏差）来直接表示被测量，这种方法称为
•
测量是在有关理论的指导下，用专门的仪
器或设备，通过实验和必要的数据处理，求得
被测量的值。
• 测量方法的正确与否十分重要，必须根据 不同测量任务的要求，找出切实可行的测量方

传感器的分类及对它的一般要求
传感器的分类
1. 按传感器的工作机理：物理型，化学型、生物型等； 2. 按构成原理：结构型与物性型两大类； 结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，如：电容 式压力传感器 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
3. 根据传感器的能量转换情况：能量控制型和能量转换型两大类； 能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。如：热电偶 温度计。
课程教材和参考书
教材： 唐文彦主编《传感器》第四版 机械工业出版社 参考书： 1. 强锡富主编《传感器》第三版 机械工业出版社 ，2002 2. 余瑞芬主编.传感器原理.北京:航空工业出版社,1995 3. 王化祥，张淑英编著.传感器原理及应用.天津大学出版社，1999 4. 刘迎春，叶湘滨编著.传感器原理设计与应用，国防科技大学出版 社，1997
包含的意思：
1. 传感器是测量装置，能完成检测任务；
2. 他的输入时某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、 生物量等。 3. 他的输出量是某种物理量，这种量便于传输、转换、处理、 显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理 量，但主要是电物理量
2.组成：传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路 三部分组成，组成框图见图0-1.
发开新型传感器：利用物理现象、化学反应和 生物效应是各种传感器工作的基本原理，所以发现 新现象与新效应是研制新型传感器的重要基础，其 意义极为深远。例如日本夏普公司利用超导技术研 制成功高温超导 磁传感器，是传感器技术的重大突 破，其灵敏应比霍尔器件高，仅次于超导量子干涉器 件．而其制造工艺远比超导量子干涉器件简单，它可 用于磁成像技术，具有广泛推广价值。 开发新材料：传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步．人们在制 造时，可任意控制它们的成分，从而可以设计制造用于各种传感器的功能材料。 采用新工艺：主要指微细加工技术，又称为微机械加工技术 集成化、多功能化与智能化： 传感器体积更小，功能更多，自动分析处理信号（数 据） 的能力更强。

详细描述
随着物联网、人工智能等技术的不断发展，传感器技术 将与这些技术深度融合，实现传感器自身的智能化和多 功能化。同时，传感器也将更加注重系统化设计，实现 更高效、更便捷的集成和应用。
网络化、无线化、远程化
总结词
未来的传感器将更加注重网络化、无线化和远程化的发展，使得传感器数据的传输和处理更加便捷高效。
安全监控中的传感器
总结词
保障人员安全
详细描述
传感器可以用于监测工厂内的温度、湿度、气体浓度等 环境参数，及时发现异常情况并发出警报，保障人员安 全。
总结词
提高安全监控效率
详细描述
通过传感器对工厂内的各种设备进行监测，可以及时发 现设备故障或异常运行状态，提高安全监控的效率和准 确性。
总结词
实现智能化管理
详细描述
环境监测传感器可以监测空气中的PM2.5、 PM10、二氧化硫等污染物浓度，水质中的 浊度、PH值、溶解氧等参数，以及噪声污 染的程度。这些传感器为环境保护部门提供 了实时的环境质量数据，有助于及时采取措
施保护环境和公众健康。
医疗传感器
要点一
总结词
医疗传感器在医疗领域中发挥着重要作用，它们能够实时 监测患者的生理参数，为医生提供准确的诊断和治疗依据 。
详细描述
智能家居传感器主要用于监测和调节温度、湿度、光照 、门窗开闭等家居环境参数。这些传感器能够实现自动 化控制，提高居住的舒适度和能源利用效率，同时还可 以提供安全保障，预防家居安全事故的发生。
04
传感器在工业生产中的应用
自动化生产线上的传感器
总结词
实现生产自动化
详细描述
传感器在自动化生产线中发挥着关键作用，能够实时监测 生产线上各个环节的状态和参数，并将数据反馈给控制系 统，实现生产过程的自动化和智能化。

香港理工AGV模型
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传感器在生物医学上的应 用
• 对人体的健康状况进行 • 诊断需要进行多种生理 • 参数的测量。 • 国内已经成功地开 • 发出了用于测量近红外 • 组织血氧参数的检测仪 • 器。人类基因组计划的研究
也大大促进了对酶、免疫、 微生物、细胞、DNA、RNA、 蛋白质、嗅觉、味觉和体液 组份以及血气、血压、血流 量、脉搏等传感器的研究。
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传感器的分类
2、按传感器工作机理分类－续2
（3）化学传感器 是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等 转换为电信号的传感器。如：离子选择性电极。
（4）生物传感器 是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传 感器。近年来发展很快。
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在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂 时，必须对其性能质量检测
• 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。
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• 汽车扭距测量 机床加工精度测量
传感器的分类
3、按信息能量变换方式分类
在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量 的流动。
（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能 量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压 电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。
（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能 量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。 如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。

组成十几至几十种检测仪表实时监测和指示各部位的工作
状况。至于在新机型设计、试验过程中需要检测的物理量 更多，而检测点通常在5000点以上。在火箭、导弹和卫星 的研制过程中，需动态高速检测的参量很多，要求也更高；
没有精确、可靠的检测手段，要使导弹精准确命中目标和 卫星准确入轨是根本不可能的。
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玻璃
温度计不属 于本教材所 讲授的传感
器范围。
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能将温度转换为电压的传感器—热电偶
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2.检测的基本概念
• 检测就是人们借助于仪器、设备，利用各 种物理效应，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 信息的认识过程。
• 核心部件就是传感器 • 两个方面：检查获取定性信息，测量获取
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• （2） 信号处理电路
• 传感器输出的信号常常需要加工和处理，如放大、 调制、解调、滤波、运算以及数字化等，通常由 信号处理电路来完成。它的主要作用是把传感器 输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压（电 流）信号或数字信号，以推动后级的输出显示或 记录设备、数据处理装置及执行机构。如图0—1 中b部分为信号处理电路。
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目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字 显示、图象显示及记录仪等
模拟显 示的特 点：直
观
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数字式仪表
数字式仪表 的特点： 准确，但最 后一位经常 跳动不止。
热敏电阻
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LED、LCD的特点：
LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高， 但不利于夜间观察。
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变化时，引起S的变化，通过测出C的
甲
变化，测量动片与定片间的夹角θ
定片
图乙是测量液面高度h 的电容式传感器，原理是
由于C∝S，h发生变化，金属芯线和 导电液体组成的电容发生变化，通过
。
乙
测定C的变化，可以测量液面高度h
h
的变化。
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金属芯线 电介质
导电液体
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图丙是测量 压力F 的电容式传感器，原理是 由于C∝1/d，压力F 作用在可动电极上，引起极板间距 。 d 的变化，通过测出C的变化，测量压力F的变化。
图如图示，沿导弹长度方向按装的固定光滑杆上套一个质
量为m的滑块，滑块的两侧分别与劲度系数均为k的弹簧
相连，两弹簧的另一端与固定壁相连。滑块原来静止，弹
簧处于自然长度。滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的
位移，然后通过控制系统进行制导。1.设某段时间内导弹
沿水平方向运动，指针向左偏离O点的距离为S，则这段
敏感
①滑动触头左右移动过程中，电路
元件
中电流如何变化？
输出
②若车的加速度大小为a，则两弹
信号
R
簧的形变量是多少？
③求加速度a与输出电压U的关系式
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E
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（2）测物体加（角）速度
角速度计 可测量飞机、航天器、潜艇的转动角速 度,其结构如图所示。当系统绕轴OO′转动时，元件A 发生位移并输出相应的电压信号，成为飞机、卫星等 的制导系统的信息源。已知A的质量为m，弹簧的劲度 系数为k、自然长度为l，电源的电动势为E、内阻不计 。滑动变阻器总长也为l ，电阻分布均匀，系统静止时 P在B点，当系统以角速度ω转动时，试写出输出电压 U与ω的函数式。

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1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器
• 由电感式
L
N 2S
同样可
知0
，
变
截
面
式
传
感
器
具
有
良
好
的
线
性
度
、
自
由
行程大、示值范围宽，但灵2敏度较低， 常用来测量较大位移量。
• 为扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动结构。
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2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器
引言
根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量 发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电 磁感应。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。
电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实 现测量的一种装置.
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电感式传感器
原理
被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
高频反射式电涡流传感器
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（2）低频透射式
低频透射式电涡流传感器
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• 1．电桥电路测 量 电 路
• 2．调幅式（AM）电路 • 3．调频（FM）式电路（100kHz～1MHz）
它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测 量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。
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基本工作原理
螺线管式差动变压器结构示意图 1— 一次绕组 2—二次绕组 3—衔铁 4—测杆
螺线管式差动变压器原理图
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输出特性
零点残余电动势