传感器与检测技术全套课件俞云强
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项目一 传感器与检测技术的认知学习目标n n1 1掌握传感器的基本概念。掌握传感器的基本概念。n n2 2掌握传感器的组成及各组成部分的作用。掌握传感器的组成及各组成部分的作用。n n3 3了解传感器的各种分类方法。了解传感器的各种分类方法。n n4 4掌握误差的基本概念,熟悉几种测量误差的定掌握误差的基本概念,熟悉几种测量误差的定义和表示。义和表示。n n5 5能区分各种测量误差并进行处理。能区分各种测量误差并进行处理。n n6 6掌握传感器的基本特性和传感器的选用原则。掌握传感器的基本特性和传感器的选用原则。本章任务本章任务n n任务一 传感器的认知传感器的认知 n n任务二 测量误差的认知及处理测量误差的认知及处理n n任务三 传感器与检测系统的特性认知传感器与检测系统的特性认知n n任务四任务四 传感器的选用传感器的选用 一、传感器的定义一、传感器的定义n n “能感受(或响应)规定的被测量并按照一定规律转换成能感受(或响应)规定的被测量并按照一定规律转换成能感受(或响应)规定的被测量并按照一定规律转换成能感受(或响应)规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由直接响应于被可用输出信号的器件或装置。传感器通常由直接响应于被可用输出信号的器件或装置。传感器通常由直接响应于被可用输出信号的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换元件以及相应测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换元件以及相应测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换元件以及相应测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换元件以及相应的电子线路所组成。的电子线路所组成。的电子线路所组成。的电子线路所组成。”任务一 传感器的认知二、传感器的组成二、传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。成。成。成。敏感元件敏感元件 传感元件传感元件 测量转换电路测量转换电路非电量非电量非电量非电量电参量电参量电量电量(被测量)(被测量)(1)敏感元件:直接感受被测量,并输出与被测量成确定关)敏感元件:直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。系的某一物理量的元件。(2)转换元件:将敏感元件的输出量转换成电路参数量。)转换元件:将敏感元件的输出量转换成电路参数量。(3)转换电路:电参量转换成可直接利用的电信号。)转换电路:电参量转换成可直接利用的电信号。任务一 传感器的认知三、传感器的分类三、传感器的分类1 1按被测量分类按被测量分类按被测量分类按被测量分类 按被测量分类,即按照传感器的输入信号分类,它能按被测量分类,即按照传感器的输入信号分类,它能按被测量分类,即按照传感器的输入信号分类,它能按被测量分类,即按照传感器的输入信号分类,它能够很方便的表示传感器的功能,便于用户的选择。够很方便的表示传感器的功能,便于用户的选择。够很方便的表示传感器的功能,便于用户的选择。够很方便的表示传感器的功能,便于用户的选择。任务一 传感器的认知三、传感器的分类三、传感器的分类2 2、按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理分类 按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、磁电式、光电式、压电式、热电式、霍尔式、超声波、激磁电式、光电式、压电式、热电式、霍尔式、超声波、激磁电式、光电式、压电式、热电式、霍尔式、超声波、激磁电式、光电式、压电式、热电式、霍尔式、超声波、激光、光纤等传感器。这种分类便于从原理上认识输入与输光、光纤等传感器。这种分类便于从原理上认识输入与输光、光纤等传感器。这种分类便于从原理上认识输入与输光、光纤等传感器。这种分类便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系,有利于专业人员从原理、设计及应用出之间的变换关系,有利于专业人员从原理、设计及应用出之间的变换关系,有利于专业人员从原理、设计及应用出之间的变换关系,有利于专业人员从原理、设计及应用上进行归纳性的分析与研究。上进行归纳性的分析与研究。上进行归纳性的分析与研究。上进行归纳性的分析与研究。任务一 传感器的认知三、传感器的分类三、传感器的分类3 3、按能量关系分类、按能量关系分类、按能量关系分类、按能量关系分类 按能量关系分类,可分为能量转换型和能量控制型两类。按能量关系分类,可分为能量转换型和能量控制型两类。能量转换型又称为发电型或有源传感器。这种传感器能量转换型又称为发电型或有源传感器。这种传感器直接由被测对象输入能量使其工作,无需外加电源。如热直接由被测对象输入能量使其工作,无需外加电源。如热电偶、压电片、光电池等传感器。电偶、压电片、光电池等传感器。能量控制型又称参量型或无源传感器。这种传感器要能量控制型又称参量型或无源传感器。这种传感器要从外部获得能量使其工作,需外加电源。如电阻式、电容从外部获得能量使其工作,需外加电源。如电阻式、电容式、电感式等传感器。式、电感式等传感器。任务一 传感器的认知三、传感器的分类三、传感器的分类4 4、按信号转换特征分类、按信号转换特征分类、按信号转换特征分类、按信号转换特征分类 按信号转换特征分类,可分为结构型和物性型两类。按信号转换特征分类,可分为结构型和物性型两类。按信号转换特征分类,可分为结构型和物性型两类。按信号转换特征分类,可分为结构型和物性型两类。结构型:通过传感器的结构参量发生变化实现信号变换。如结构型:通过传感器的结构参量发生变化实现信号变换。如结构型:通过传感器的结构参量发生变化实现信号变换。如结构型:通过传感器的结构参量发生变化实现信号变换。如电容式传感器是根据两极板的间距或面积发生变化,从而电容式传感器是根据两极板的间距或面积发生变化,从而电容式传感器是根据两极板的间距或面积发生变化,从而电容式传感器是根据两极板的间距或面积发生变化,从而使电容量发生改变。使电容量发生改变。使电容量发生改变。使电容量发生改变。物性型:利用某些物质的某些性质随被测参数变化来实现信物性型:利用某些物质的某些性质随被测参数变化来实现信物性型:利用某些物质的某些性质随被测参数变化来实现信物性型:利用某些物质的某些性质随被测参数变化来实现信号变换。如压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现号变换。如压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现号变换。如压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现号变换。如压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现测量的。测量的。测量的。测量的。任务一 传感器的认知传感器的样式传感器的样式传感器的样式传感器的样式细长型压力传感器细长型压力传感器细长型压力传感器细长型压力传感器 位移传感器位移传感器位移传感器位移传感器 温度传感器温度传感器温度传感器温度传感器 任务一 传感器的认知传感器的应用实例传感器的应用实例 一安检门一安检门 任务一 传感器的认知传感器的应用实例传感器的应用实例 二密闭容器的液位检测二密闭容器的液位检测 任务一 传感器的认知n n测量:是把被测未知量与同性质标准量进行比较,确测量:是把被测未知量与同性质标准量进行比较,确测量:是把被测未知量与同性质标准量进行比较,确测量:是把被测未知量与同性质标准量进行比较,确定被测量对标准量的倍数,并用数字表示这个倍数的定被测量对标准量的倍数,并用数字表示这个倍数的定被测量对标准量的倍数,并用数字表示这个倍数的定被测量对标准量的倍数,并用数字表示这个倍数的过程。过程。过程。过程。n n(测量的结果包括(测量的结果包括(测量的结果包括(测量的结果包括 数值大小数值大小数值大小数值大小 和和和和 测量单位测量单位测量单位测量单位 两个部分)两个部分)两个部分)两个部分)以天平测量为例:以天平测量为例:以天平测量为例:以天平测量为例:比较:被测量和标准量(砝码)分别放到天平两边秤比较:被测量和标准量(砝码)分别放到天平两边秤比较:被测量和标准量(砝码)分别放到天平两边秤比较:被测量和标准量(砝码)分别放到天平两边秤盘上比较。盘上比较。盘上比较。盘上比较。示差:观察指针位置的变化值,即示差。示差:观察指针位置的变化值,即示差。示差:观察指针位置的变化值,即示差。示差:观察指针位置的变化值,即示差。平衡:调整砝码数值,使之平衡。平衡:调整砝码数值,使之平衡。平衡:调整砝码数值,使之平衡。平衡:调整砝码数值,使之平衡。读数:根据砝码多少,读出物体质量的值,即读数。读数:根据砝码多少,读出物体质量的值,即读数。读数:根据砝码多少,读出物体质量的值,即读数。读数:根据砝码多少,读出物体质量的值,即读数。任务二 测量误差的认知及处理测量误差的基本概念测量误差的基本概念测量误差的基本概念测量误差的基本概念 1 1 1 1测量误差测量误差测量误差测量误差2 2 2 2真值真值真值真值3 3 3 3标称值标称值标称值标称值4 4 4 4示值示值示值示值5 5 5 5精确度(精度)精确度(精度)精确度(精度)精确度(精度)6 6 6 6重复性重复性重复性重复性 7 7 7 7误差公理误差公理误差公理误差公理 任务二 测量误差的认知及处理测量误差的表示法测量误差的表示法测量误差的表示法测量误差的表示法 1 1 1 1、绝对误差:绝对误差:绝对误差:绝对误差:被测量的指示值被测量的指示值被测量的指示值被测量的指示值x x x x与真值与真值与真值与真值x0 x0 x0 x0之间的差值。之间的差值。之间的差值。之间的差值。绝对误差绝对误差x x=指示值指示值x x真值真值x x0 0 绝对误差绝对误差x x=指示值指示值x x实际值实际值x x0 0 任务二 测量误差的认知及处理测量误差的表示法测量误差的表示法测量误差的表示法测量误差的表示法2 2 2 2、相对误差:相对误差:相对误差:相对误差:绝对误差与真值绝对误差与真值绝对误差与真值绝对误差与真值(实际值实际值实际值实际值)比值的百比值的百比值的百比值的百分数。式中:分数。式中:分数。式中:分数。式中:x0 x0 x0 x0为真值,为真值,为真值,为真值,x x x x为指示值。为指示值。为指示值。为指示值。任务二 测量误差的认知及处理3 3 3 3、引引引引用用用用误误误误差差差差(或或或或满满满满度度度度相相相相对对对对误误误误差差差差):绝绝绝绝对对对对误误误误差差差差与仪表量程比值的百分数。与仪表量程比值的百分数。与仪表量程比值的百分数。与仪表量程比值的百分数。任务二 测量误差的认知及处理4 4 4 4、最大引用误差:最大引用误差:最大引用误差:最大引用误差:最大绝对误差与仪表量程比值的最大绝对误差与仪表量程比值的最大绝对误差与仪表量程比值的最大绝对误差与仪表量程比值的百分数。百分数。百分数。百分数。任务二 测量误差的认知及处理 某人分别在三家商店购买某人分别在三家商店购买100kg大米、大米、10kg苹果、苹果、1kg巧克力,发现均缺少巧克力,发现均缺少0.5kg,但此人对卖巧克力的商店意见最大,是,但此人对卖巧克力的商店意见最大,是何原因?何原因?任务二 测量误差的认知及处理测量误差的分类测量误差的分类测量误差的分类测量误差的分类 一、按误差出现的规律分类:一、按误差出现的规律分类:一、按误差出现的规律分类:一、按误差出现的规律分类:按误差出现的规律,误差可分为按误差出现的规律,误差可分为按误差出现的规律,误差可分为按误差出现的规律,误差可分为系统误差、系统误差、系统误差、系统误差、随机误差和粗大误差三类随机误差和粗大误差三类随机误差和粗大误差三类随机误差和粗大误差三类。二、按被测量与时间的关系分类:二、按被测量与时间的关系分类:二、按被测量与时间的关系分类:二、按被测量与时间的关系分类:可分为静态误差与动态误差两大类。可分为静态误差与动态误差两大类。可分为静态误差与动态误差两大类。可分为静态误差与动态误差两大类。任务二 测量误差的认知及处理系统误差:系统误差:系统误差:系统误差:在相同的条件下,多次重复测在相同的条件下,多次重复测在相同的条件下,多次重复测在相同的条件下,多次重复测量同一量时,误差的大小和符号保持不量同一量时,误差的大小和符号保持不量同一量时,误差的大小和符号保持不量同一量时,误差的大小和符号保持不变,或在条件改变时,遵循一定规律变变,或在条件改变时,遵循一定规律变变,或在条件改变时,遵循一定规律变变,或在条件改变时,遵循一定规律变化的误差。化的误差。化的误差。化的误差。随机误差:随机误差:随机误差:随机误差:在相同的条件下,多次重复测在相同的条件下,多次重复测在相同的条件下,多次重复测在相同的条件下,多次重复测量同一量时,误差的大小和符号均无规量同一量时,误差的大小和符号均无规量同一量时,误差的大小和符号均无规量同一量时,误差的大小和符号均无规律变化的误差。律变化的误差。律变化的误差。律变化的误差。粗大误差:粗大误差:粗大误差:粗大误差:明显歪曲测量结果的误差。明显歪曲测量结果的误差。明显歪曲测量结果的误差。明显歪曲测量结果的误差。任务二 测量误差的认知及处理粗大误差的例子 任务二 测量误差的认知及处理1 1 1 1静态误差:在被测量不随时间变化时测静态误差:在被测量不随时间变化时测静态误差:在被测量不随时间变化时测静态误差:在被测量不随时间变化时测得的测量误差。得的测量误差。得的测量误差。得的测量误差。2 2 2 2动态误差:在被测量随时间变化过程动态误差:在被测量随时间变化过程动态误差:在被测量随时间变化过程动态误差:在被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差。它的中进行测量时所产生的附加误差。它的中进行测量时所产生的附加误差。它的中进行测量时所产生的附加误差。它的大小为动态中测量和静态中测量所得误大小为动态中测量和静态中测量所得误大小为动态中测量和静态中测量所得误大小为动态中测量和静态中测量所得误差值的差值。差值的差值。差值的差值。差值的差值。任务二 测量误差的认知及处理测量误差的处理测量误差的处理测量误差的处理测量误差的处理1 1 1 1从产生系统误差的来源上考虑,设法消除或尽量减从产生系统误差的来源上考虑,设法消除或尽量减从产生系统误差的来源上考虑,设法消除或尽量减从产生系统误差的来源上考虑,设法消除或尽量减小其影响。小其影响。小其影响。小其影响。2 2 2 2采用修正方法来消除。采用修正方法来消除。采用修正方法来消除。采用修正方法来消除。3 3采用一些有效的测量方法采用一些有效的测量方法来消除。来消除。(1)交换法(2)抵消法(3)替代法(4)对称测量法(5)补偿法 想一想,实想一想,实际中你遇到际中你遇到了哪些消除了哪些消除误差的方法误差的方法系系统统误误差差的的处处理理 任务二 测量误差的认知及处理1 1 1 1概率、概率密度和正态分布概率、概率密度和正态分布概率、概率密度和正态分布概率、概率密度和正态分布2 2 2 2随机误差的特性随机误差的特性随机误差的特性随机误差的特性3 3 3 3算术平均值和标准误差算术平均值和标准误差算术平均值和标准误差算术平均值和标准误差4 4 4 4测量结果的正确表示和置信度测量结果的正确表示和置信度测量结果的正确表示和置信度测量结果的正确表示和置信度 随随机机误误差差的的处处理理 任务二 测量误差的认知及处理1 1 1 1定性分析:对测量设备、测量条件、测量步骤定性分析:对测量设备、测量条件、测量步骤定性分析:对测量设备、测量条件、测量步骤定性分析:对测量设备、测量条件、测量步骤进行分析,看是否存在问题而引起出现异常数进行分析,看是否存在问题而引起出现异常数进行分析,看是否存在问题而引起出现异常数进行分析,看是否存在问题而引起出现异常数据。这种判断无严格规则,属于定性判断。据。这种判断无严格规则,属于定性判断。据。这种判断无严格规则,属于定性判断。据。这种判断无严格规则,属于定性判断。2 2 2 2定量判断:用概率统计和误差理论知识建立的定量判断:用概率统计和误差理论知识建立的定量判断:用概率统计和误差理论知识建立的定量判断:用概率统计和误差理论知识建立的粗大误差判断准则为依据,进行定量判断,以粗大误差判断准则为依据,进行定量判断,以粗大误差判断准则为依据,进行定量判断,以粗大误差判断准则为依据,进行定量判断,以确定该异常值是否应剔除。在工程上常用拉依确定该异常值是否应剔除。在工程上常用拉依确定该异常值是否应剔除。在工程上常用拉依确定该异常值是否应剔除。在工程上常用拉依达准则(达准则(达准则(达准则(3 3 3 3准则)来判断粗大误差:准则)来判断粗大误差:准则)来判断粗大误差:准则)来判断粗大误差:粗粗大大误误差差的的处处理理 拉依达准则表达式拉依达准则表达式 任务二 测量误差的认知及处理1 1 1 1线性度线性度线性度线性度2 2 2 2迟滞性迟滞性迟滞性迟滞性3 3 3 3、重复性、重复性、重复性、重复性4 4 4 4、灵敏度、灵敏度、灵敏度、灵敏度5 5 5 5、分辨率、分辨率、分辨率、分辨率6 6 6 6、测量范围与量程、测量范围与量程、测量范围与量程、测量范围与量程7 7 7 7、稳定性、稳定性、稳定性、稳定性8 8 8 8、漂移、漂移、漂移、漂移静态特性静态特性:当被测量不随时间变化或变化缓慢时,认静态特性:当被测量不随时间变化或变化缓慢时,认静态特性:当被测量不随时间变化或变化缓慢时,认静态特性:当被测量不随时间变化或变化缓慢时,认为传感器与检测系统的输入量和输出量都和时间无关。为传感器与检测系统的输入量和输出量都和时间无关。为传感器与检测系统的输入量和输出量都和时间无关。为传感器与检测系统的输入量和输出量都和时间无关。任务三 传感器与检测系统的特性认识1 1 1 1线性度线性度线性度线性度 线性度又称非线性度或非线性误差,是指实际输入线性度又称非线性度或非线性误差,是指实际输入线性度又称非线性度或非线性误差,是指实际输入线性度又称非线性度或非线性误差,是指实际输入输出特性曲线与拟合直线(理想直线)之间的最大偏输出特性曲线与拟合直线(理想直线)之间的最大偏输出特性曲线与拟合直线(理想直线)之间的最大偏输出特性曲线与拟合直线(理想直线)之间的最大偏差与传感器满量程输出值的百分比差与传感器满量程输出值的百分比差与传感器满量程输出值的百分比差与传感器满量程输出值的百分比。2 2 2 2迟滞性迟滞性迟滞性迟滞性 迟滞性又称回差或滞后性,是传感器与检测系统在迟滞性又称回差或滞后性,是传感器与检测系统在迟滞性又称回差或滞后性,是传感器与检测系统在迟滞性又称回差或滞后性,是传感器与检测系统在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输入输出正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输入输出正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输入输出正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输入输出特性曲线之间不重合的程度特性曲线之间不重合的程度特性曲线之间不重合的程度特性曲线之间不重合的程度 任务三 传感器与检测系统的特性认识3 3 3 3重复性重复性重复性重复性 重复性是指输入量按同一方向作全量程连续多次测重复性是指输入量按同一方向作全量程连续多次测重复性是指输入量按同一方向作全量程连续多次测重复性是指输入量按同一方向作全量程连续多次测试时,所得特性曲线最大不重复误差与传感器满量程试时,所得特性曲线最大不重复误差与传感器满量程试时,所得特性曲线最大不重复误差与传感器满量程试时,所得特性曲线最大不重复误差与传感器满量程范围值的百分比范围值的百分比范围值的百分比范围值的百分比 4 4 4 4灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 灵敏度是指传感器与检测系统对被测量变化的反应灵敏度是指传感器与检测系统对被测量变化的反应灵敏度是指传感器与检测系统对被测量变化的反应灵敏度是指传感器与检测系统对被测量变化的反应能力。能力。能力。能力。灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度S S S S是有量纲的。但若是有量纲的。但若是有量纲的。但若是有量纲的。但若x x x x与与与与y y y y是同类量时,是同类量时,是同类量时,是同类量时,S S S S无量纲,为放大倍数无量纲,为放大倍数无量纲,为放大倍数无量纲,为放大倍数K K K K。若系统是有多个环节组成的串联式系统,则系统总灵敏度为各个环节灵敏若系统是有多个环节组成的串联式系统,则系统总灵敏度为各个环节灵敏若系统是有多个环节组成的串联式系统,则系统总灵敏度为各个环节灵敏若系统是有多个环节组成的串联式系统,则系统总灵敏度为各个环节灵敏度的乘积,即度的乘积,即度的乘积,即度的乘积,即S S S SS S S S1 1 1 1S S S S2 2 2 2S S S S3 3 3 3。灵敏度越高,测量精度越高,但测量范围越窄,稳定性越差。灵敏度越高,测量精度越高,但测量范围越窄,稳定性越差。灵敏度越高,测量精度越高,但测量范围越窄,稳定性越差。灵敏度越高,测量精度越高,但测量范围越窄,稳定性越差。任务三 传感器与检测系统的特性认识5 5 5 5分辨率分辨率分辨率分辨率 分辨率是指传感器能够检测出被测量的最小变化量,分辨率是指传感器能够检测出被测量的最小变化量,分辨率是指传感器能够检测出被测量的最小变化量,分辨率是指传感器能够检测出被测量的最小变化量,是有量纲的数。对数字式仪表,该表的最后一位数值是有量纲的数。对数字式仪表,该表的最后一位数值是有量纲的数。对数字式仪表,该表的最后一位数值是有量纲的数。对数字式仪表,该表的最后一位数值就是它的分辨率;一般模拟式仪表分辨率为最小刻度就是它的分辨率;一般模拟式仪表分辨率为最小刻度就是它的分辨率;一般模拟式仪表分辨率为最小刻度就是它的分辨率;一般模拟式仪表分辨率为最小刻度分格数值的一半。分格数值的一半。分格数值的一半。分格数值的一半。灵敏度越高,分辨率越好。灵敏度越高,分辨率越好。灵敏度越高,分辨率越好。灵敏度越高,分辨率越好。6 6 6 6测量范围与量程测量范围与量程测量范围与量程测量范围与量程 测量范围是指在规定的测量特性和精确度范围内所测量范围是指在规定的测量特性和精确度范围内所测量范围是指在规定的测量特性和精确度范围内所测量范围是指在规定的测量特性和精确度范围内所测量的被测变量的范围。测量上限和测量下限的代数测量的被测变量的范围。测量上限和测量下限的代数测量的被测变量的范围。测量上限和测量下限的代数测量的被测变量的范围。测量上限和测量下限的代数差称为量程。差称为量程。差称为量程。差称为量程。任务三 传感器与检测系统的特性认识7 7 7 7稳定性稳定性稳定性稳定性 稳定性是指传感器在较长时间内保持其原性能的能稳定性是指传感器在较长时间内保持其原性能的能稳定性是指传感器在较长时间内保持其原性能的能稳定性是指传感器在较长时间内保持其原性能的能力。即对于相同输入量,其输出量发生变化的程度。力。即对于相同输入量,其输出量发生变化的程度。力。即对于相同输入量,其输出量发生变化的程度。力。即对于相同输入量,其输出量发生变化的程度。8 8 8 8漂移漂移漂移漂移 漂移是指在外界干扰的情况下,在一定的时间间隔漂移是指在外界干扰的情况下,在一定的时间间隔漂移是指在外界干扰的情况下,在一定的时间间隔漂移是指在外界干扰的情况下,在一定的时间间隔内,传感器输出量发生与输入量无关的变化程度,包内,传感器输出量发生与输入量无关的变化程度,包内,传感器输出量发生与输入量无关的变化程度,包内,传感器输出量发生与输入量无关的变化程度,包括时间漂移和温度漂移。时漂是指在规定的条件下,括时间漂移和温度漂移。时漂是指在规定的条件下,括时间漂移和温度漂移。时漂是指在规定的条件下,括时间漂移和温度漂移。时漂是指在规定的条件下,零点或灵敏度随时间的缓慢变化;温漂是指周围温度零点或灵敏度随时间的缓慢变化;温漂是指周围温度零点或灵敏度随时间的缓慢变化;温漂是指周围温度零点或灵敏度随时间的缓慢变化;温漂是指周围温度变化引起的零点或灵敏度的变化。变化引起的零点或灵敏度的变化。变化引起的零点或灵敏度的变化。变化引起的零点或灵敏度的变化。任务三 传感器与检测系统的特性认识 任务三 传感器与检测系统的特性认识二、动态特性二、动态特性二、动态特性二、动态特性动态特性是指传感器与检测系统的被测量动态特性是指传感器与检测系统的被测量动态特性是指传感器与检测系统的被测量动态特性是指传感器与检测系统的被测量随时间变化很快时,输出对输入的响应特随时间变化很快时,输出对输入的响应特随时间变化很快时,输出对输入的响应特随时间变化很快时,输出对输入的响应特性。通常是用实验方法求得的。性。通常是用实验方法求得的。性。通常是用实验方法求得的。性。通常是用实验方法求得的。一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标1.1.1.1.基本参数指标基本参数指标基本参数指标基本参数指标量程指标:量程范围、过载能力等。量程指标:量程范围、过载能力等。量程指标:量程范围、过载能力等。量程指标:量程范围、过载能力等。精度指标:精度(误差)、线性度、迟滞性、精度指标:精度(误差)、线性度、迟滞性、精度指标:精度(误差)、线性度、迟滞性、精度指标:精度(误差)、线性度、迟滞性、重复性、稳定性、漂移、阀值等。重复性、稳定性、漂移、阀值等。重复性、稳定性、漂移、阀值等。重复性、稳定性、漂移、阀值等。灵敏度指标:灵敏度、分辨率、输入与输出阻灵敏度指标:灵敏度、分辨率、输入与输出阻灵敏度指标:灵敏度、分辨率、输入与输出阻灵敏度指标:灵敏度、分辨率、输入与输出阻抗等。抗等。抗等。抗等。动态性能指标:频率响应范围、频率特性、时动态性能指标:频率响应范围、频率特性、时动态性能指标:频率响应范围、频率特性、时动态性能指标:频率响应范围、频率特性、时间常数、阻尼系数、过冲量等。间常数、阻尼系数、过冲量等。间常数、阻尼系数、过冲量等。间常数、阻尼系数、过冲量等。任务四 传感器的选用一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标2.2.2.2.环境参数指标环境参数指标环境参数指标环境参数指标温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵敏度温度系数、热滞后等。移、灵敏度温度系数、热滞后等。移、灵敏度温度系数、热滞后等。移、灵敏度温度系数、热滞后等。抗冲振指标:各种冲振允许频率、振幅、加速抗冲振指标:各种冲振允许频率、振幅、加速抗冲振指标:各种冲振允许频率、振幅、加速抗冲振指标:各种冲振允许频率、振幅、加速度等。度等。度等。度等。其他环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁其他环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁其他环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁其他环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁场干扰能力等。场干扰能力等。场干扰能力等。场干扰能力等。任务四 传感器的选用一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标3.3.3.3.可靠性指标可靠性指标可靠性指标可靠性指标工作寿命。工作寿命。工作寿命。工作寿命。平均无故障时间。平均无故障时间。平均无故障时间。平均无故障时间。绝缘电阻。绝缘电阻。绝缘电阻。绝缘电阻。耐压值。耐压值。耐压值。耐压值。疲劳性能。疲劳性能。疲劳性能。疲劳性能。反抗飞弧性能等。反抗飞弧性能等。反抗飞弧性能等。反抗飞弧性能等。任务四 传感器的选用一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标一、传感器的常用性能指标4.4.4.4.其他指标其他指标其他指标其他指标使用方面:供电方式(交直流、频率、波形等)使用方面:供电方式(交直流、频率、波形等)使用方面:供电方式(交直流、频率、波形等)使用方面:供电方式(交直流、频率、波形等)、电压频率范围及稳定度、功耗等。、电压频率范围及稳定度、功耗等。、电压频率范围及稳定度、功耗等。、电压频率范围及稳定度、功耗等。安装接线方面:安装方式、接线电缆要求、接安装接线方面:安装方式、接线电缆要求、接安装接线方面:安装方式、接线电缆要求、接安装接线方面:安装方式、接线电缆要求、接线方式等。线方式等。线方式等。线方式等。结构方面:外形尺寸、质量、材料、结构特点结构方面:外形尺寸、质量、材料、结构特点结构方面:外形尺寸、质量、材料、结构特点结构方面:外形尺寸、质量、材料、结构特点等。等。等。等。任务四 传感器的选用二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求1 1 1 1根据测量目的和测量对象确定传感器类型根据测量目的和测量对象确定传感器类型根据测量目的和测量对象确定传感器类型根据测量目的和测量对象确定传感器类型测量目的是要直接得到被测量、作为过程控制量或是测量目的是要直接得到被测量、作为过程控制量或是测量目的是要直接得到被测量、作为过程控制量或是测量目的是要直接得到被测量、作为过程控制量或是其它用途。其它用途。其它用途。其它用途。测量对象为固体还是液体;采用接触式还是非接触式测量对象为固体还是液体;采用接触式还是非接触式测量对象为固体还是液体;采用接触式还是非接触式测量对象为固体还是液体;采用接触式还是非接触式传感器;静态测量还是动态测量;有无负荷效应及对被传感器;静态测量还是动态测量;有无负荷效应及对被传感器;静态测量还是动态测量;有无负荷效应及对被传感器;静态测量还是动态测量;有无负荷效应及对被测量的影响;被测位置对传感器有无体积有求等。测量的影响;被测位置对传感器有无体积有求等。测量的影响;被测位置对传感器有无体积有求等。测量的影响;被测位置对传感器有无体积有求等。测量环境包括安装现场条件、环境条件(温度、湿度测量环境包括安装现场条件、环境条件(温度、湿度测量环境包括安装现场条件、环境条件(温度、湿度测量环境包括安装现场条件、环境条件(温度、湿度和振动等)、过载保护、信号传输距离、与传感器连接和振动等)、过载保护、信号传输距离、与传感器连接和振动等)、过载保护、信号传输距离、与传感器连接和振动等)、过载保护、信号传输距离、与传感器连接的系统负荷阻抗情况等。的系统负荷阻抗情况等。的系统负荷阻抗情况等。的系统负荷阻抗情况等。任务四 传感器的选用二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求2 2 2 2根据传感器技术指标确定传感器种类根据传感器技术指标确定传感器种类根据传感器技术指标确定传感器种类根据传感器技术指标确定传感器种类静态特性要求:如测量范围、测量精度、灵敏度、分静态特性要求:如测量范围、测量精度、灵敏度、分静态特性要求:如测量范围、测量精度、灵敏度、分静态特性要求:如测量范围、测量精度、灵敏度、分辨率、迟滞性和重复性等;辨率、迟滞性和重复性等;辨率、迟滞性和重复性等;辨率、迟滞性和重复性等;动态特性要求,如快速性和稳定性等;动态特性要求,如快速性和稳定性等;动态特性要求,如快速性和稳定性等;动态特性要求,如快速性和稳定性等;信息传递要求,如形式和距离等;信息传递要求,如形式和距离等;信息传递要求,如形式和距离等;信息传递要求,如形式和距离等;过载能力要求,如机械、电气和热过载能力。过载能力要求,如机械、电气和热过载能力。过载能力要求,如机械、电气和热过载能力。过载能力要求,如机械、电气和热过载能力。任务四 传感器的选用二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求3 3 3 3根据测量系统要求确定传感器的种类根据测量系统要求确定传感器的种类根据测量系统要求确定传感器的种类根据测量系统要求确定传感器的种类系统要求的信号形式,如实时与否;数字还是模拟等。系统要求的信号形式,如实时与否;数字还是模拟等。系统要求的信号形式,如实时与否;数字还是模拟等。系统要求的信号形式,如实时与否;数字还是模拟等。与传感器连接的负荷阻抗特性等。与传感器连接的负荷阻抗特性等。与传感器连接的负荷阻抗特性等。与传感器连接的负荷阻抗特性等。传输和连接接口等。传输和连接接口等。传输和连接接口等。传输和连接接口等。任务四 传感器的选用二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求4 4 4 4根据使用环境确定传感器种类根据使用环境确定传感器种类根据使用环境确定传感器种类根据使用环境确定传感器种类 考虑温度、湿度、大气压力、振动、磁场、电场、附考虑温度、湿度、大气压力、振动、磁场、电场、附考虑温度、湿度、大气压力、振动、磁场、电场、附考虑温度、湿度、大气压力、振动、磁场、电场、附近有无大功率用电设备、加速度、倾斜、防火、防爆、近有无大功率用电设备、加速度、倾斜、防火、防爆、近有无大功率用电设备、加速度、倾斜、防火、防爆、近有无大功率用电设备、加速度、倾斜、防火、防爆、防化学府蚀以及有害于周围材料的寿命及操作人员的身防化学府蚀以及有害于周围材料的寿命及操作人员的身防化学府蚀以及有害于周围材料的寿命及操作人员的身防化学府蚀以及有害于周围材料的寿命及操作人员的身体健康等。体健康等。体健康等。体健康等。任务四 传感器的选用二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求5 5 5 5电源的要求电源的要求电源的要求电源的要求电源电压形式、等级、功率、波动范围、频率及高频干电源电压形式、等级、功率、波动范围、频率及高频干电源电压形式、等级、功率、波动范围、频率及高频干电源电压形式、等级、功率、波动范围、频率及高频干扰等。扰等。扰等。扰等。6 6 6 6基本安全要求基本安全要求基本安全要求基本安全要求 绝缘电阻,耐压强度及接地保护等。绝缘电阻,耐压强度及接地保护等。绝缘电阻,耐压强度及接地保护等。绝缘电阻,耐压强度及接地保护等。7 7 7 7可靠性要求可靠性要求可靠性要求可靠性要求 抗干扰、寿命、无故障工作时间等。抗干扰、寿命、无故障工作时间等。抗干扰、寿命、无故障工作时间等。抗干扰、寿命、无故障工作时间等。任务四 传感器的选用二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求二、传感器的选择要求8 8 8 8管理要求管理要求管理要求管理要求 要求结构简单、模块化,有自诊断能力,有故障显示要求结构简单、模块化,有自诊断能力,有故障显示要求结构简单、模块化,有自诊断能力,有故障显示要求结构简单、模块化,有自诊断能力,有故障显示等。等。等。等。9 9 9 9购买与维修要求购买与维修要求购买与维修要求购买与维修要求 考虑价格、交货方式与日期、保修期限、售后服务和考虑价格、交货方式与日期、保修期限、售后服务和考虑价格、交货方式与日期、保修期限、售后服务和考虑价格、交货方式与日期、保修期限、售后服务和零配件供应等。零配件供应等。零配件供应等。零配件供应等。任务四 传感器的选用 任务四 传感器的选用三、传感器的选用原则三、传感器的选用原则三、传感器的选用原则三、传感器的选用原则 在在在在满满满满足足足足检检检检测测测测系系系系统统统统对对对对传传传传感感感感器器器器所所所所有有有有要要要要求求求求的的的的情情情情况况况况下下下下,价价价价格低廉、工作可靠,容易维修。格低廉、工作可靠,容易维修。格低廉、工作可靠,容易维修。格低廉、工作可靠,容易维修。谢谢项目七 环境量检测学习目标n n1 1了解并掌握气敏传感器的主要特性、原理、组了解并掌握气敏传感器的主要特性、原理、组成和使用注意点等。成和使用注意点等。n n2 2能理解气敏传感器的测量、应用电路。能理解气敏传感器的测量、应用电路。n n3 3了解并掌握湿敏传感器的主要特性、原理、组了解并掌握湿敏传感器的主要特性、原理、组成和使用注意点等。成和使用注意点等。n n4 4能理解湿敏传感器的测量、应用电路。能理解湿敏传感器的测量、应用电路。n n5 5了解声敏传感器的特性、分类和原理等。了解声敏传感器的特性、分类和原理等。n n6 6能理解声敏传感器的应用电路。能理解声敏传感器的应用电路。本章任务本章任务n n任务一 厨房可燃气体泄漏检测厨房可燃气体泄漏检测 n n任务二 粮仓湿度检测粮仓湿度检测n n任务三任务三 噪声检测噪声检测任务提出:任务提出:一般家庭厨房烹调一般家庭厨房烹调热源有煤气、天然气、热源有煤气、天然气、石油液化气等,由于这石油液化气等,由于这些可燃气体的泄漏、点些可燃气体的泄漏、点火失误等原因,造成爆火失误等原因,造成爆炸、火灾和中毒死伤事炸、火灾和中毒死伤事故的数字十分惊人。为故的数字十分惊人。为了保障生命财产安全,了保障生命财产安全,要对厨房可燃气体泄漏要对厨房可燃气体泄漏进行检测。进行检测。任务一 厨房可燃气体泄漏检测 在现代社会的生产和生活中,人们往往会接在现代社会的生产和生活中,人们往往会接触到各种各样的气体,需要对它们进行检测和控触到各种各样的气体,需要对它们进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制;煤制。比如化工生产中气体成分的检测与控制;煤矿瓦斯浓度的检测与报警;环境污染情况的监测;矿瓦斯浓度的检测与报警;环境污染情况的监测;煤气泄漏:火灾报警;燃烧情况的检测与控制等煤气泄漏:火灾报警;燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的等。气敏电阻传感器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。成分和浓度转换为电信号的传感器。它有半导体式、接触燃烧式、固体电解质式、它有半导体式、接触燃烧式、固体电解质式、电化学式、集成式等类型。电化学式、集成式等类型。任务一 厨房可燃气体泄漏检测 常用气敏传感器接触燃烧接触燃烧式气体传式气体传感器感器电化学气电化学气敏传感器敏传感器半导体气半导体气敏传感器敏传感器检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层),使用时对铂丝通以电流,保持300400的高温,此时若与可燃性气体接触,可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此,铂丝的温度会上升,铂丝的电阻值也上升;通过测量铂丝的电阻值变化的大小,就知道可燃性气体的浓度。一般利用液体(或固体、有机凝胶等)电解质,其输出形式可以是气体 直接氧化或还原产生的电流,也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点,应用极其广泛;半导体气敏元件有N型和P型之分。任务一 厨房可燃气体泄漏检测()酒精传感器 ()甲烷传感器任务一 厨房可燃气体泄漏检测()空气质量传感器 (d)氧气浓度传感器任务一 厨房可燃气体泄漏检测(e)可燃气体传感器任务一 厨房可燃气体泄漏检测 气敏电阻的外形侧视图和底视引脚图f-f:加热电极;AA、BB:气敏电阻电极气敏电阻的符号任务一 厨房可燃气体泄漏检测 气敏电阻的基本工气敏电阻的基本工作电路:作电路:如右图所示,如右图所示,其中的其中的UfUf为气敏电为气敏电阻的加热电源,阻的加热电源,U+U+为气敏电阻的测为气敏电阻的测量电源。量电源。任务一 厨房可燃气体泄漏检测 工作原理工作原理:气敏电阻是一种半导体敏感器件,它利用半导气敏电阻是一种半导体敏感器件,它利用半导体材料对气体的吸附而使自身电阻率发生变化的机体材料对气体的吸附而使自身电阻率发生变化的机理进行测量的元件。制作气敏电阻的氧化物半导体理进行测量的元件。制作气敏电阻的氧化物半导体材料主要有材料主要有SnO2SnO2、ZnOZnO及及Fe2O3Fe2O3等。为了提高某等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度,材种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度,材料中还掺入催化剂,如钯(料中还掺入催化剂,如钯(PdPd)、铂()、铂(PtPt)、银)、银(AgAg)等,它们的添加物质不同,能检测的气体)等,它们的添加物质不同,能检测的气体也不同。也不同。任务一 厨房可燃气体泄漏检测 温度特性温度特性 在室温下吸收某种气体后,其电导率变化不大,在室温下吸收某种气体后,其电导率变化不大,输出电压很小且几乎不变。若保持气体浓度不变,输输出电压很小且几乎不变。若保持气体浓度不变,输出电压随温度升高而增大,即该气敏元件的电导率变出电压随温度升高而增大,即该气敏元件的电导率变化很大,灵敏度大幅提高。因此气敏电阻工作时必须化很大,灵敏度大幅提高。因此气敏电阻工作时必须加热,它能烧去气敏元件附着的油污、尘埃等,起到加热,它能烧去气敏元件附着的油污、尘埃等,起到清洗作用,并加速被测气体的吸附、脱出过程。清洗作用,并加速被测气体的吸附、脱出过程。控制不同的加热温度,能对不同的被测气体具有选择控制不同的加热温度,能对不同的被测气体具有选择作用。加热温度与元件输出灵敏度有关,一般为作用。加热温度与元件输出灵敏度有关,一般为200400200400。任务一 厨房可燃气体泄漏检测 决策与计划决策与计划根据厨房可燃气体泄漏检测的使用要求,结合气敏根据厨房可燃气体泄漏检测的使用要求,结合气敏传感器相关知识,选用半导体电阻式气敏传感器。传感器相关知识,选用半导体电阻式气敏传感器。1 1厨房使用煤气和天然气:厨房使用煤气和天然气:由于该类气体比空气轻,由于该类气体比空气轻,应将报警器安装在靠近天花板处,这样容易积聚上升的应将报警器安装在靠近天花板处,这样容易积聚上升的气体。气体。2 2厨房使用液化石油气:厨房使用液化石油气:由于该类气体的主要成分由于该类气体的主要成分为丙烷,比空气重,容易沉积到地面上,因此报警器要为丙烷,比空气重,容易沉积到地面上,因此报警器要安装在接近地面处。安装在接近地面处。任务一 厨房可燃气体泄漏检测 A使用煤气和天然气B使用液化石油气任务一 厨房可燃气体泄漏检测 厨房气体报警器的性能指标:厨房气体报警器的性能指标:1精度:可燃气体的体积百分率达到精度:可燃气体的体积百分率达到0.10.10.30.3时,时,能可靠报警。能可靠报警。2 2工作温度:工作温度:10104040。注意事项注意事项一、气敏电阻使用时一定要加热:一、气敏电阻使用时一定要加热:一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供一般由变压器二次绕组交流输出或直流电压提供低电压加热。加热温度对气敏电阻的特性影响很大,低电压加热。加热温度对气敏电阻的特性影响很大,因此加热器的加热电压必须恒定。因此加热器的加热电压必须恒定。任务一 厨房可燃气体泄漏检测 二、温度补偿:二、温度补偿:半导体气敏电阻在半导体气敏电阻在气体中的电阻值与温度气体中的电阻值与温度和湿度有关。当温度和和湿度有关。当温度和湿度较低时,电阻值较湿度较低时,电阻值较大;温度和湿度较高时,大;温度和湿度较高时,电阻值较小。因此,即电阻值较小。因此,即使气体浓度相同,电阻使气体浓度相同,电阻值也会不同,需要进行值也会不同,需要进行温度补偿。常用的温度温度补偿。常用的温度补偿电路如右图所示。补偿电路如右图所示。任务一 厨房可燃气体泄漏检测 常温型半导体气敏传感器任务一 厨房可燃气体泄漏检测 生活中实际安装报警器任务一 厨房可燃气体泄漏检测 任务提出:任务提出:在工农业生产和人们的日常生活中,对湿在工农业生产和人们的日常生活中,对湿度都有严格的要求。例如在集成电路制造车间度都有严格的要求。例如在集成电路制造车间,由于湿度与静电电荷有直接的关系,要求低,由于湿度与静电电荷有直接的关系,要求低湿度环境;粮仓必须保持干燥的环境,否则粮湿度环境;粮仓必须保持干燥的环境,否则粮食容易霉变。因此湿度的检测和控制是非常重食容易霉变。因此湿度的检测和控制是非常重要的。要的。任务二 粮仓湿度检测检测 湿度传感器是基于某些材料能产生与湿度传感器是基于某些材料能产生与湿度有关的物理效应或化学反应,将湿度湿度有关的物理效应或化学反应,将湿度的变化转换成某个电量的变化的器件。按的变化转换成某个电量的变化的器件。按输出电量可以分为电阻型、电容型和频率输出电量可以分为电阻型、电容型和频率型等;按敏感材料的性质可分为电解质型、型等;按敏感材料的性质可分为电解质型、陶瓷型、有机高分子型、半导体型等。陶瓷型、有机高分子型、半导体型等。任务二 粮仓湿度检测检测 相关概念相关概念1湿度:是指大气中水蒸气的含量,常用绝对湿湿度:是指大气中水蒸气的含量,常用绝对湿度、相对湿度和露点等表示。度、相对湿度和露点等表示。2 2绝对湿度:指单位体积空气中含有水蒸气的重绝对湿度:指单位体积空气中含有水蒸气的重量,单位为量,单位为g/m3g/m3。3 3相对湿度:被测气体中蒸气压和该气体在相同相对湿度:被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压比值的百分比,无量纲。相对温度下饱和水蒸气压比值的百分比,无量纲。相对湿度表示大气的潮湿程度,被广泛使用。湿度表示大气的潮湿程度,被广泛使用。4 4露点:指具有某湿度值的气体在压力保持一定露点:指具有某湿度值的气体在压力保持一定的条件下进行冷却,这时包含在气体中的水蒸气饱的条件下进行冷却,这时包含在气体中的水蒸气饱和凝缩进而结成露,此时的温度称为露点。和凝缩进而结成露,此时的温度称为露点。任务二 粮仓湿度检测检测 常用湿敏电阻外形图任务二 粮仓湿度检测检测 常用湿敏电容任务二 粮仓湿度检测检测 一、高分子电阻湿敏传一、高分子电阻湿敏传感器:感器:1、结构示意图:如右图所结构示意图:如右图所示。示。2 2、组成:由感湿层、电极、组成:由感湿层、电极和具有一定机械强度的绝和具有一定机械强度的绝缘基片等组成。缘基片等组成。3 3工作原理:高分子电解工作原理:高分子电解质感湿材料吸收水分后引质感湿材料吸收水分后引起两电极间电阻的变化,起两电极间电阻的变化,将相对湿度的变化转换成将相对湿度的变化转换成电阻阻值的变化。电阻阻值的变化。电阻湿敏传感器结构示意图1-感湿层 2-电极 3-基片任务二 粮仓湿度检测检测 二、高分子电容湿敏传感器:二、高分子电容湿敏传感器:电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随电容式湿敏传感器是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。这类湿敏湿度变化的原理进行湿度测量的传感器。这类湿敏元件实际上是一种吸湿性电介质材料的介电常数随元件实际上是一种吸湿性电介质材料的介电常数随湿度而变化的薄片状电容器。吸湿件电介质材料湿度而变化的薄片状电容器。吸湿件电介质材料(感湿材料感湿材料)主要有高分子聚合物主要有高分子聚合物(例如乙酸例如乙酸丁酸丁酸纤维求和乙酸纤维求和乙酸丙酸纤维素丙酸纤维素)和金属氧化物和金属氧化物(例如多例如多孔氧化铝孔氧化铝)等。等。任务二 粮仓湿度检测检测 工作原理工作原理:当环境相对湿当环境相对湿度增大时,环境气氛中的度增大时,环境气氛中的水分子沿着电极的毛细微水分子沿着电极的毛细微孔进入感湿膜面被吸附,孔进入感湿膜面被吸附,使两块电极之间的介质相使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加(水对介电常数大为增加(水的相对介电常数为的相对介电常数为8080),),所以电容量增大。而感湿所以电容量增大。而感湿膜只有一层呈微孔结构的膜只有一层呈微孔结构的薄膜,因此吸湿和脱湿容薄膜,因此吸湿和脱湿容易。因此这类传感器的响易。因此这类传感器的响应速度快。应速度快。电容湿敏传感器结构示意图 任务二 粮仓湿度检测检测 半导体陶瓷湿敏传感器结构示意图a)吸湿单元;b)卸去外壳后的结构;c)外形图;d)局部结构图1-引线;2-多孔性电极;3-多孔陶瓷;4-底座;5-镍铬加热丝;6-外壳;7-引脚;8-气孔半半导导体体陶陶瓷瓷湿湿敏敏传传感感器器任务二 粮仓湿度检测检测 组成:由多孔感湿陶瓷薄片的两面加上两个电极,组成:由多孔感湿陶瓷薄片的两面加上两个电极,再焊出引线;外面围绕镍镉加热丝,并由引脚引出;再焊出引线;外面围绕镍镉加热丝,并由引脚引出;把它们固定在绝缘陶瓷底座上组成的。把它们固定在绝缘陶瓷底座上组成的。工作原理:当环境湿度发生改变时,多孔感湿陶瓷工作原理:当环境湿度发生改变时,多孔感湿陶瓷吸湿,电阻值随之变化。为了防止电阻极化,测量吸湿,电阻值随之变化。为了防止电阻极化,测量时必须是交流。另外,在高温、高湿环境下,要定时必须是交流。另外,在高温、高湿环境下,要定期加热清洗,使传感器恢复性能。期加热清洗,使传感器恢复性能。任务二 粮仓湿度检测检测 湿敏传感器的使用湿敏传感器的使用一、电源选择:一、电源选择:湿敏电阻必须工作在交流回路中。若用直流供电,会引起多孔陶瓷表面结构改变,湿敏特性变劣;若交流电源频率过高,由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性。因此应以不产生正、负离子积聚为原则,使电源频率尽可能低。对于离子导电型湿敏元件,电源频率一般以1kHz为宜。对于电子导电型湿敏元件,电源频率应低于50Hz。二、线性化处理:二、线性化处理:一般湿敏元件的特性均为非线性,为准确地获得湿度值,要加入线性化电路,使输出信号正比于湿度的变化。任务二 粮仓湿度检测检测 湿敏传感器的使用湿敏传感器的使用三、测量湿度范围:三、测量湿度范围:电阻式湿敏元件在湿度超过95RH时,湿敏膜因湿润溶解,厚度会发生变化,若反复结露与潮解,特性将变坏而不能复原。电容式湿敏元件在80RH以上高湿及100RH以上结露或潮解状态下,也难以检测。另外,不能将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态,也不能用手摸或用嘴吹其表面。四、温度补偿:四、温度补偿:通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻温度系数为0.10.3,在测湿精度要求高的情况下必须进行温度补偿。任务二 粮仓湿度检测检测 决策决策粮食含水量不同,电导率也不同。检测粮食含水量是将两根金属探头插入粮食中,当粮食含水量越高时,电导率越大,两根金属探头间的阻值就越小;反之,阻值就越大。通过检测两根金属探头间阻值的变化,就能测出粮食含水量的大小。由于粮仓环境洁净,水分检测连续,结合湿敏传感器相关知识,这里选用高分子电容湿敏传感器作为粮仓湿度检测传感器。任务二 粮仓湿度检测检测 电容湿度传感器应用电路任务二 粮仓湿度检测检测 上图中IC1及外围元件组成多谐振荡器,产生触发IC2的脉冲。IC2和电容式湿度传感器及外围元件组成可调宽的脉冲发生器,其脉冲宽度取决于湿度传感器的电容大小。调宽脉冲从IC2的9脚输出经R5、C2滤波后成为直流信号输出,它正比于空气的相对湿度。任务二 粮仓湿度检测检测 粮食含水量检测电路任务二 粮仓湿度检测检测 1.1.检测电路:检测电路:图中图中A A、B B为两根金属探头,插入粮食中,来为两根金属探头,插入粮食中,来检测两探头间粮食的阻值检测两探头间粮食的阻值RABRAB。由于阻值很大,。由于阻值很大,因此间距要小,一般设置为因此间距要小,一般设置为2 2毫米。毫米。2.2.高压电源:高压电源:由于由于RABRAB通常在几十兆欧几百兆欧之间,通常在几十兆欧几百兆欧之间,因此供电电源要用高压才能流过电流。图中由因此供电电源要用高压才能流过电流。图中由时基电路时基电路75557555组成无稳自激振荡器,产生矩形组成无稳自激振荡器,产生矩形脉冲,经升压变压器脉冲,经升压变压器TrTr提高振幅提高振幅2020倍,然后通倍,然后通过整流电路输出约过整流电路输出约150V150V电压。电压。任务二 粮仓湿度检测检测 3.3.后续电路:后续电路:150V150V电压加在电压加在RABRAB上,产生以内的电流,经运放输上,产生以内的电流,经运放输出小于出小于2V2V的电压,由的电压,由71067106模数转换器转换为数字模数转换器转换为数字量后在显示器上显示。量后在显示器上显示。4.4.校正:校正:(1 1)零点校正:将)零点校正:将A A、B B开路,即两金属棒完全分开路,即两金属棒完全分开,此时开,此时RABRAB无穷大,调节无穷大,调节RP1RP1使显示值为零;使显示值为零;(2 2)满度校正:将)满度校正:将A A、B B短路,即两金属棒连接在短路,即两金属棒连接在一起,相当于粮食完全浸泡在水中,此时一起,相当于粮食完全浸泡在水中,此时RABRAB阻值阻值为零,调整为零,调整RP2RP2使显示值为使显示值为100100,即粮食含水量,即粮食含水量为为100100。任务二 粮仓湿度检测检测 注意事项注意事项1、一般在常温洁净环境,连续使用的场合,应选择一般在常温洁净环境,连续使用的场合,应选择高分子湿度传感器。这类传感器精度高,稳定性好。高分子湿度传感器。这类传感器精度高,稳定性好。2 2、在高温恶劣环境,应选用加热清洗的陶瓷湿度传、在高温恶劣环境,应选用加热清洗的陶瓷湿度传感器。这类传感器耐高温,通过定期清洗能除去吸感器。这类传感器耐高温,通过定期清洗能除去吸附在敏感体表面的灰尘、气体、油雾等杂物,使性附在敏感体表面的灰尘、气体、油雾等杂物,使性能恢复。能恢复。任务二 粮仓湿度检测检测 任务提出:任务提出:在人们日常工作和生活环境中,充满着各种频率在人们日常工作和生活环境中,充满着各种频率的声音。有些频率的声音直接或间接地影响着人们的的声音。有些频率的声音直接或间接地影响着人们的身心健康和生活品质,影响着机器设备的工作性能和身心健康和生活品质,影响着机器设备的工作性能和工作寿命,这些声音都称为噪声。噪声已成为当今世工作寿命,这些声音都称为噪声。噪声已成为当今世界的主要公害之一,防治和控制噪声已是广大工程技界的主要公害之一,防治和控制噪声已是广大工程技术人员的重要任务。因此,测量声音的大小,为控制术人员的重要任务。因此,测量声音的大小,为控制噪声提供依据显得十分重要。噪声提供依据显得十分重要。任务三 噪声检测声敏传感器是一种将声能转换为电能或将电声敏传感器是一种将声能转换为电能或将电能转换为声能的器件。它主要是利用电磁感应、能转换为声能的器件。它主要是利用电磁感应、静电感应或压电效应等原理来完成声电转换的。静电感应或压电效应等原理来完成声电转换的。主要有话筒、扬声器、压电陶瓷片、蜂鸣器等。主要有话筒、扬声器、压电陶瓷片、蜂鸣器等。任务三 噪声检测一、声波的知识一、声波的知识 1 1声波的概念声波的概念 当声音在空气中传播时,空气质点在原位置沿传播方向当声音在空气中传播时,空气质点在原位置沿传播方向作来回振动,空气密度发生变化,相应位置的压强也随之作来回振动,空气密度发生变化,相应位置的压强也随之变化,并向邻近质点传递此变化,从而形成压力传播过程,变化,并向邻近质点传递此变化,从而形成压力传播过程,这就是声波。这就是声波。2 2声波的特性声波的特性(1 1)声波的频率、周期)声波的频率、周期T T、波长和波速的关系符合式、波长和波速的关系符合式(2 2)声波在空气中传播时,遇到障碍物会产生反射、)声波在空气中传播时,遇到障碍物会产生反射、折射、衍射和干涉等现象。折射、衍射和干涉等现象。任务三 噪声检测二、声敏传感器的分类二、声敏传感器的分类将声音信号转换为相应电信号的声敏传感器又称为传将声音信号转换为相应电信号的声敏传感器又称为传声器。传声器的种类很多,一般分类如下:声器。传声器的种类很多,一般分类如下:1 1按结构形式分类:有动圈式、晶体式、电容式、压按结构形式分类:有动圈式、晶体式、电容式、压电式、炭精式、铝带式等。电式、炭精式、铝带式等。2 2按工作原理分类:有静电式和电动式两类。静电式按工作原理分类:有静电式和电动式两类。静电式是以电场变化为原理的传声器,如电容式传声器;电是以电场变化为原理的传声器,如电容式传声器;电动式是利用电磁感应原理在磁场中运动的导体上获得动式是利用电磁感应原理在磁场中运动的导体上获得输出电压的传声器,如动圈式传声器。输出电压的传声器,如动圈式传声器。任务三 噪声检测二、声敏传感器的分类二、声敏传感器的分类将声音信号转换为相应电信号的声敏传感器又称为传将声音信号转换为相应电信号的声敏传感器又称为传声器。传声器的种类很多,一般分类如下:声器。传声器的种类很多,一般分类如下:1 1按结构形式分类:有动圈式、晶体式、电容式、压按结构形式分类:有动圈式、晶体式、电容式、压电式、炭精式、铝带式等。电式、炭精式、铝带式等。2 2按工作原理分类:有静电式和电动式两类。静电式按工作原理分类:有静电式和电动式两类。静电式是以电场变化为原理的传声器,如电容式传声器;电是以电场变化为原理的传声器,如电容式传声器;电动式是利用电磁感应原理在磁场中运动的导体上获得动式是利用电磁感应原理在磁场中运动的导体上获得输出电压的传声器,如动圈式传声器。输出电压的传声器,如动圈式传声器。任务三 噪声检测三、常用传声器的介绍三、常用传声器的介绍1 1动圈式传声器:由声波冲击薄膜而引起动动圈式传声器:由声波冲击薄膜而引起动圈在永久磁场中作轴向振动,从而产生与振动圈在永久磁场中作轴向振动,从而产生与振动速度成正比的电压。它的频率响应通常在速度成正比的电压。它的频率响应通常在2005000Hz2005000Hz之间,可以输出之间,可以输出0.33mV0.33mV的音的音频电压,应用比较广泛。频电压,应用比较广泛。任务三 噪声检测三、常用传声器的介绍三、常用传声器的介绍2 2电容式传声器:它是极距变化型的电容式电容式传声器:它是极距变化型的电容式传感器。组成电容器的两个极板之一是一片传感器。组成电容器的两个极板之一是一片弹性金属膜,在瞬时声压的作用下振动,使弹性金属膜,在瞬时声压的作用下振动,使振动电极和固定电极间的距离发生变化,从振动电极和固定电极间的距离发生变化,从而改变了电容器的电容值。它再被专用电路而改变了电容器的电容值。它再被专用电路转换为电压输出。转换为电压输出。任务三 噪声检测三、常用传声器的介绍三、常用传声器的介绍3 3压电式传声器:它是利用石英晶体或压电压电式传声器:它是利用石英晶体或压电陶瓷在受到机械应力作用时,产生微弱电压陶瓷在受到机械应力作用时,产生微弱电压的压电特性来制作的。的压电特性来制作的。任务三 噪声检测传声器在电路中用字母传声器在电路中用字母B B或或BMBM表示,它的表示,它的图形符号如图所示。图形符号如图所示。BBM任务三 噪声检测决策决策根据噪声检测的要求,结合传声器的相关知识,选用电容式传声器进行检测。任务三 噪声检测前置放大器测量放大器显示器B噪声探测器的原理框图 任务三 噪声检测噪声探测器的工作原理噪声探测器的工作原理 被测声压信号由电容式传声器接收,被转换为电压信号并经阻抗变换后由前置放大器输出低阻电压信号送入测量放大器。在测量放大器中,先由衰减器将输入信号调节后输入计权网络,通过计权网络对信号进行选择后送给输出衰减器和放大器处理后进入均方根检波器,完成对信号的均方根运算,求得噪声的均方根声压值后输出到显示器,在显示器上以“dB”值指示噪声的声压级。任务三 噪声检测测量噪声的注意事项测量噪声的注意事项(1 1)为确保测量结果的准确性,应定期校正。)为确保测量结果的准确性,应定期校正。(2 2)在现场噪声测量中,由于周围声源多,会)在现场噪声测量中,由于周围声源多,会产生干扰,传声器应当接近被测噪声源的声辐产生干扰,传声器应当接近被测噪声源的声辐射面,一般将传声器置于被测源射面,一般将传声器置于被测源1 1米,距地面米,距地面1.51.5米处来测量。传声器过于接近声源也不好,因米处来测量。传声器过于接近声源也不好,因为此处声场是不稳定的。为此处声场是不稳定的。任务三 噪声检测谢谢!
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俞云强
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