1、LOGO传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用Sensor and Measurement Technology岳阳职业技术学院岳阳职业技术学院 机电工程系机电工程系 Company Logo整体教学整体教学 理、实一体教学理、实一体教学模拟实验教学模拟实验教学 项目制作教学项目制作教学 理论教学理论教学Company Logo 超声波传感器超声波传感器5电势型传感器电势型传感器7传感技术基础传感技术基础1电阻式传感器电阻式传感器2 磁电式传感器磁电式传感器6 光电式传感器光电式传感器8 电容式传感器电容式传感器3电感式传感器电感式传感器4v 理论教学Company Logo CSY-998
2、型传感器系统实验仪型传感器系统实验仪Company LogoCSY3000CSY3000型实验台型实验台 不足方面：不足方面：不能在实不能在实验模拟时验模拟时同时进行同时进行波形分析波形分析 分析数据人分析数据人工测试记录工测试记录计划改进：计划改进：CSY实验台Company Logocsy-3000型传感器型传感器实验台实验台 Company Logo项目制作教学项目制作教学e-WorkPlace 声光控开关的声光控开关的 设计制作设计制作测微仪的设计与测微仪的设计与制作制作24电子秤的模电子秤的模拟测试拟测试13数字温度计数字温度计的设计制作的设计制作 研究项目研究项目Company L
3、ogo学学 报报传感器是能感受规定的被传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，或装置。在有些学科领域，传感器又称为传感器又称为敏感元件、敏感元件、检测器、转换器检测器、转换器等。等。Company Logo传感器传感器(SENSOR)的组成的组成敏感元件：敏感元件：能直接感受与检出被测对象的待测信息的部分。能直接感受与检出被测对象的待测信息的部分。转换元件：转换元件：能将敏感元件所感受出的信息直接转换成电信号的部分。能将敏感元件所感受出的信息直接转换成电信号的部分。信号调节电路：信号调节电路：把转换元
4、件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和控制的有用信号的电路，控制的有用信号的电路，Company Logo人的五官：人的五官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌头舌头 皮肤皮肤视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉被测量：物理量、化学量、生物量被测量：物理量、化学量、生物量 可用信号：便于处理和传输的非噪声信号可用信号：便于处理和传输的非噪声信号（电信号、光信号（电信号、光信号）R传感器：传传感器：传-传递信息；感传递信息；感-感受被测量；器感受被测量；器-器件器件感觉：感觉：功功 能能传感器传感器传感器传感器(SENS
5、OR)的组成的组成Company Logo案例案例1数字温度计：1、敏感元件2、转换元件3、信号转换电路4、输出Company Logo分类法型式说 明按基本效应分类物理型化学型生物型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换按构成原理分类结构型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利
6、用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、）Company Logo传感器分类样例传感器分类样例气敏传感器压电式压力传感器温度传感器热电偶超声波传感器Company Logo传感器的基本特性传感器的基本特性静态特性：静态特性：.传感器在被传感器在被测量处于测量处于稳定稳定状态状态时的时的输入输入输出关系输出关系基本特性基本特性动态
7、特性：动态特性：传感器在传感器在被测被测量随时间变化量随时间变化的条件下的条件下输入输入输出关系输出关系.Company Logosensor的静态特性(1)线性度线性度:检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度相对误差相对误差%100.maxSFLyLemaxL.SFy输出值与理想直线的最大偏差值输出值与理想直线的最大偏差值理论满量程输出值理论满量程输出值理想直线：理想直线：亦称非线性误差亦称非线性误差定义定义:(non-linearity)表达表达:xy拟合直线拟合直线一般不存在或很难获得准确结果一般不存在或很难获得准确结果利用测量数据，通过计算获得
8、利用测量数据，通过计算获得Company Logosensor的静态特性获取拟合直线方法：获取拟合直线方法：使得正负行程的非线性偏差相等且最小使得正负行程的非线性偏差相等且最小(a)端点连线法：端点连线法：检测系统输入输出曲线的两端点连线检测系统输入输出曲线的两端点连线特点特点：xy算法算法：简单、方便，偏差大，与测量值有关简单、方便，偏差大，与测量值有关(b)最佳直线法：最佳直线法：精度最高，精度最高，简单实用简单实用算法算法：特点特点：xyCompany Logosensor的静态特性(2)灵敏度灵敏度传感器在稳态下输出增量与输入增量之比传感器在稳态下输出增量与输入增量之比xySn/a.线
9、性检测系统：灵敏度为常数；线性检测系统：灵敏度为常数；定义定义：b.非线性检测系统：灵敏度为变数非线性检测系统：灵敏度为变数说明说明：bxaybK)(xfy dxxdfK)(灵敏度系数灵敏度系数)(sensitivity)斜率斜率Company Logosensor的静态特性(3)重复性重复性同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量的差异程度同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量的差异程度重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证重复性误差重复性误差：随机误差：随机误差 标准差标准差：大，则分散性大
10、；反之亦然大，则分散性大；反之亦然计算计算：贝塞尔公式：贝塞尔公式1)(12nyyniiyi-测量输出值，测量输出值，i=1,2,ny-输出值的平均值输出值的平均值(repeatability)产生原因：传感器机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积产生原因：传感器机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘以及辅助电路老化和漂移等原因产生。尘以及辅助电路老化和漂移等原因产生。Company Logosensor的静态特性(4)迟滞现象（回程误差）迟滞现象（回程误差）传感器在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度传感器在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度相对误差相对误差%100.
11、maxSFHyHe Hmax：正反行程输出值的最大偏差：正反行程输出值的最大偏差定义定义：(hysteresis)算法算法：Company Logosensor的静态特性(5)分辨力（分辨率）分辨力（分辨率）:能够检测出的被测量的最小变化量能够检测出的被测量的最小变化量2、分辨率、分辨率-是相对数值：是相对数值：定义定义：1、分辨力、分辨力-是绝对数值，如是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，10ms，说明说明：表征测量系统的分辨能力表征测量系统的分辨能力(resolution)能检测的最小被测量的变能检测的最小被测量的变换量相对于换量相对于 满量程的百分满量程的百分数，如：数，如：0.1%
12、,0.02%3、阀值、阀值-在系统输入零点附近的分辨力在系统输入零点附近的分辨力Company Logo测量系统构成测量系统构成 测量系统应具有对被测对象的特征量进行检测、传输、处理及显示等功能，一个测量系统是传感器、变送器（变换器）和其它变换装置等的有机组合。图1表示测量系统组成结构框图。图 1 测量系统组成框图 被 测 量被 测 对 象传 感 器变 送 器传 输 通 道信 号 处 理 环 节显 示 装 置Company Logo传感器的发展和应用传感器的发展和应用：最早的传感器最早的传感器：17世纪伽利略的温度计温度温度电信号电信号Company LogoCompany Logo生活方面的
13、应用生活方面的应用智能开关控制智能开关控制声控开关声控开关光控开关光控开关Company Logo 思考?:声控开关，白天会造成能源浪费？光控开关，夜晚会造成能源浪费？怎样更好的解决两怎样更好的解决两者的缺陷？者的缺陷？Company Logo声光控开关Company Logo医疗方面的应用医疗方面的应用Company Logo国防军事的应用国防军事的应用1、海湾战争、海湾战争2、EDO公司公司Company Logo芝麻开门芝麻开门红外线红外线传感器传感器干手器干手器指纹指纹识别识别器器Company Logo数字游标卡尺数字风速仪数字式测振表Company LogoCompany Logo
14、COCO气体浓度及成分应气体浓度及成分应采用什么传感器来测采用什么传感器来测试？试？Company Logo例例1 1：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出：某学生为了测量一个物体的质量，找到一个力电转换器，该转换器的输出电压正比于受压面受到的压力（比例系数为电压正比于受压面受到的压力（比例系数为k k）如图所示，测量时先调节输入端）如图所示，测量时先调节输入端的电压，使转换器空载时的输出电压为的电压，使转换器空载时的输出电压为0 0；而后在其受压面上放上物体，即可测；而后在其受压面上放上物体，即可测得与物体的质量成正比的输出电压得与物体的质量成正比的输出电压U U
15、。现有下列器材：力电转换器、质量为现有下列器材：力电转换器、质量为m m0 0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池一个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该个、电键及导线若干、待测物体（可置于力电转换器的受压面上）。请完成对该物体的测量物体的测量m m。（1 1）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽）设计一个电路，要求力转换器的输入电压可调，并且使电压的调节范围尽可能大，在方框中画出完整的测量电路图。可能大，在方框中画出完整的测量电路图。（2 2）简要说明测量步骤，求出比例系数）简要说明测量步骤，求出比
16、例系数k k，并测出待测物体的质量，并测出待测物体的质量m m。（3 3）请设想实验中可能会出现的一个问题。）请设想实验中可能会出现的一个问题。力电转换器力电转换器输出输出输入输入受压面受压面Company Logo 设计电路如图(2)(2)测量步骤与结果测量步骤与结果:调节滑动变阻器调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零使转换器的输出电压为零,将砝码放将砝码放在转换器上在转换器上,记下输出电压记下输出电压U U0 0,将待测物放在转换器上将待测物放在转换器上,记下输出电压记下输出电压U U 由由U U0 0=km=km0 0g,g,得得k=Uk=U0 0/m/m0 0g g U=k m g,U=k m g,所以所以 m=mm=m0 0U/UU/U0 0Company LogoThanks For Your Attention Thanks For Your Attention The End
