傳感器與檢測技術(shù)-1傳感器與檢測數(shù)據(jù)處理

1、任務(wù)1 傳感器的認(rèn)識,任務(wù)2 傳感器的特性分析與檢測數(shù)據(jù)處理,【知識目標(biāo)】 學(xué)習(xí)什么是傳感器，掌握傳感器的定義、組成、作用，了解傳感器的分類、主要性能指標(biāo)。熟悉檢測數(shù)據(jù)處理方法?！灸芰δ繕?biāo)】 認(rèn)識各種設(shè)備中最常見的傳感器。,,任務(wù)1.1 傳感器的認(rèn)識,＊任務(wù)導(dǎo)入：認(rèn)識傳感器，了解傳感器在人們生活以及自動化生產(chǎn)中的作用,任務(wù)1.1 傳感器的認(rèn)識,[基本知識與技能],一、傳感器的認(rèn)識,,,,,力傳感器,流量傳

2、感器,視覺傳感器,位移傳感器,壓力傳感器,,傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的非電量信息，如溫度、壓力、流量、位移等，并將檢測到的信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號或其他所需形式的信息輸出，用以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄或控制等要求。 傳感器是自動化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件，它是實(shí)現(xiàn)自動檢測的首要環(huán)節(jié)，為自動控制提供控制依據(jù)。傳感器在機(jī)械電子、測量、控制、計(jì)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。,,,,,,人與自然系統(tǒng)的對

3、應(yīng)關(guān)系,1.傳感器的定義 根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—1987），傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。對此定義需要明確以下幾點(diǎn)：（1）傳感器是一種能夠檢測被測量的器件或裝置；（2）被測量可以是物理量、化學(xué)量或生物量等；（3）輸出信號要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，一般是電參量；（4）輸出信號要正確地反映被測量的數(shù)值、變化規(guī)律等，即兩者之間要有確定的對應(yīng)

4、關(guān)系，且應(yīng)具有一定的精確度。,,二、傳感器的定義與組成,2. 傳感器的組成,敏感元件,轉(zhuǎn)換元件,轉(zhuǎn)換電路,,,,,被測量,電量,敏感元件：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。,轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。,轉(zhuǎn)換電路：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率。,三、傳感器的分類,1)按被測物理量分類,常見的被測物理量,機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋

5、轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速, 流量;聲: 聲壓,噪聲.磁: 磁通,磁場.溫度: 溫度,熱量,比熱.光： 亮度，色彩,機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式，流體式等。,2)按工作原理分類:,切削力測量應(yīng)變片 動圈式磁電傳感器,四、傳感器的應(yīng)用1、工業(yè)自動化中的應(yīng)用,a)機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器

6、 轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。,在各種自動控制系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。,密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型,廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗,b) AGV自動送貨車,超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運(yùn)動軌跡和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。,香港理工AGV模型,2、家庭與辦公自動化,在家電產(chǎn)品和辦公自動化

7、產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。,全自動洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度) 液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。,指紋傳感器,透光率傳感器,3、汽車中的應(yīng)用,發(fā)動機(jī)：向發(fā)動機(jī)的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機(jī)的工作狀況信息， 對發(fā)動機(jī)工作狀況進(jìn)行精確控制 溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器

8、等,汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容,普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器， 豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只。,底 盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等 車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫,車 身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風(fēng)量、日照、加速度、車速、測距、圖象

9、等,4、其他應(yīng)用,航天,農(nóng)業(yè),交通,醫(yī)學(xué),＊任務(wù)實(shí)施： 管道清洗機(jī)器人是由坦克狀的車、各種傳感器、顯示器、錄像機(jī)、控制箱及操控桿組成。工作人員可以根據(jù)機(jī)器人感受到的外部信息用操控桿控制機(jī)器人前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)彎，清掃通風(fēng)管道。機(jī)器人之所以能感受到外界環(huán)境的各種信息，正是因?yàn)樵跈C(jī)器人的各部位安裝了相應(yīng)的傳感器來感覺環(huán)境信息。,,任務(wù)1.2 傳感器的特性分析與檢測,＊任務(wù)導(dǎo)入： 要實(shí)時監(jiān)測一個高溫箱的溫度：測量溫度大約為50℃

10、～80℃，檢測結(jié)果的精度要達(dá)到1℃?，F(xiàn)有三種帶數(shù)字顯示表的溫度傳感器，它們的量程分別是0℃～500℃、0℃～300℃、0℃ ～100℃，精度等級分別是0.2級、0.5級和1.0級，為了滿足需要，你應(yīng)該怎樣選擇呢？,任務(wù)1.2 傳感器的特性分析與檢測,[基本知識與技能],一、傳感器的基本特性,,,,,傳感器特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。 當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時，這一關(guān)系稱為靜態(tài)特性 當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時，

11、這一關(guān)系稱為動態(tài)特性。,,靜態(tài)特性指標(biāo),一、線性度二、遲滯三、重復(fù)性四、靈敏度五、分辨力和閾值六、穩(wěn)定性七、漂移,1. 線性度,傳感器的理想輸入—輸出特性應(yīng)是線性的。,實(shí)際曲線與其兩個端點(diǎn)連線（擬合曲線）之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差。取其最大偏差與理論滿量程之比作為評價(jià)線性度（或非線性誤差）的指標(biāo)。,,,線性誤差1—擬合曲線；2—實(shí)際曲線,2、遲滯,傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲

12、滯。,,產(chǎn)生原因：傳感器機(jī)械部分存在摩擦、間隙、松動、積塵等,3、重復(fù)性,重復(fù)性是指傳感器的輸入量按同一方向變化，作全量程連續(xù)多次測量時所得到的曲線不一致的程度。,,4、靈敏度,傳感器輸出的變化量Δy與引起該變化量的輸入量變化Δx之比即為其靜態(tài)靈敏度。,(a) 線性傳感器 (b) 非線性傳感器,,,5、分辨力和閾值,分辨力 是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。閾值 是當(dāng)一個傳感器的輸入從零開始極緩慢地

13、增加，只有達(dá)到了某一最小值后，才能測出輸出變化，這個最小值就稱為傳感器的閾值 分辨力說明了傳感器可測出的最小可測出的輸入變量，而閾值則說明了傳感器的可測出的最小輸入量。,6、穩(wěn)定性室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長的時間間隔，如一天、一 月或一 年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時的輸出之間的差異。,7、漂移 漂移指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化 。,二、傳感器的標(biāo)定,,,,,1.傳感器標(biāo)定就是利用精

14、度高一級的標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確立傳感器輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。,二、傳感器的標(biāo)定,,,,2.傳感器標(biāo)定工作的內(nèi)容包括對新研發(fā)的傳感器進(jìn)行全面的技術(shù)性能鑒定，并將鑒定的數(shù)據(jù)進(jìn)行量值傳遞；對經(jīng)過一段時間儲存或使用后的傳感器進(jìn)行復(fù)測，通過再次鑒定來判定被復(fù)測的傳感器是否可以繼續(xù)使用；對可以繼續(xù)使用但某些指標(biāo)發(fā)生了變化的傳感器， 則需要重新標(biāo)定并修正相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。,二、傳感器的標(biāo)定,

15、,,,3.傳感器的標(biāo)定工作分為靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定兩種。傳感器的靜態(tài)標(biāo)定主要是檢驗(yàn)、 測試傳感器或整個系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)。 如：靜態(tài)靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性等。傳感器的動態(tài)標(biāo)定主要是檢驗(yàn)、測試傳感器或整個系統(tǒng)的動態(tài)特性指標(biāo)，如動態(tài)靈敏度、頻率響應(yīng)等。,三、傳感器信號處理,,,1. 傳感器信號預(yù)處理,預(yù)處理電路把傳感器輸出的非電壓量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；計(jì)算機(jī)接口電路把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信

16、號送入計(jì)算機(jī)，并把計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號送至輸入接口的各功能部件。,三、傳感器信號處理,,,2. 傳感器信號的放大電路,測量放大器又叫儀表放大器（簡稱IA），用于信號微弱且存在較大共模干擾的場合，具有精確的增益標(biāo)定，因此又稱數(shù)據(jù)放大器。,三、傳感器信號處理,,,3. 信號的調(diào)制與解調(diào),調(diào)制是利用信號來控制高頻振蕩的過程，即認(rèn)為地產(chǎn)生一個高頻信號，使這個高頻信號，使這個高頻信號的3個參數(shù)中一個隨著需要傳輸?shù)男盘栕兓兓Ｊ沟迷瓉碜兓徛?/p>

17、信號被這個受控的高頻振蕩信號所代替，進(jìn)行放大和傳輸，已期得到最好的放大和傳輸效果，通常有調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻調(diào)制三種方法。 解調(diào)是從已被放大和傳輸?shù)?，且有原來信號的高頻信號中，把原來信號取出的過程。,三、傳感器信號處理,,,5. 噪聲的抑制,在非電量的檢測及控制系統(tǒng)中，往往混入一些干擾的噪聲信號，它們會使測量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差，這些誤差將導(dǎo)致控制程序紊亂，從而造成控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生誤動作。因此在傳感器信號處理中，噪聲的抑制是非

18、常重要的，噪聲的抑制也是傳感器信號處理的重要內(nèi)容之一。,四、傳感器的選則原則與方法,,,1. 與測量條件有關(guān)的因素,（1）測量的目的（2）被測試量的選擇；（3）測量范圍；（4）輸入信號的幅值，頻帶寬度；（5）精度要求；（6）測量所需要的時間。,四、傳感器的選則原則與方法,,,2. 技術(shù)指標(biāo)要求,（1）靜態(tài)特性要求：如線性度及測量范圍、靈敏度、分辨率、精確度和重復(fù)性等；（2）動態(tài)特性要求，如快速性和穩(wěn)定性等；（3）信息傳遞要

19、求，如形式和距離等；（4）過載能力要求，如機(jī)械、電氣和熱的過載能力。,四、傳感器的選則原則與方法,,,3. 使用環(huán)境要求,（1）安裝現(xiàn)場條件及情況；（2）環(huán)境條件（濕度、溫度、振動等）；（3）信號傳輸距離；（4）所需現(xiàn)場提供的功率容量；（5）安裝現(xiàn)場的電磁環(huán)境。,四、傳感器的選則原則與方法,,,具體選擇傳感器時可考慮如下的方法：1. 借助于傳感器分類表，按被測量的性質(zhì)，從典型應(yīng)用中可以初步確定幾種可供選用的傳感器的類別。2