第1章 緒論 教案

《傳感器與檢測技術(shù)》

授課教案課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：1.1檢測技術(shù)概述課時安排：2授課類型：理論重難點重點檢測與測量的基本知識難點測量誤差的分類和處理教學(xué)目的和要求1.了解檢測系統(tǒng)的組成和檢測方法的分類；2.掌握誤差定義、誤差分類和誤差的處理方法；3．熟悉現(xiàn)代檢測與測量的基本知識。采用教學(xué)方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實驗臺教學(xué)內(nèi)容1.1檢測技術(shù)概述1.1.1檢測技術(shù)基礎(chǔ)檢測，即檢驗和測試生產(chǎn)過程中的物理量。檢測的任務(wù)，其一是對成品或半成品進行質(zhì)量檢驗和測量，以檢驗其是否達到了成品的規(guī)格和要求，即是否合格；其二是隨時監(jiān)測生產(chǎn)過程中各種參量的大小及變化等情況，以達到監(jiān)督和控制整個生產(chǎn)過程的目的。檢測技術(shù)，是人們?yōu)榱藢Ρ粶y對象所包含的信息進行定性檢查和定量測量所采取的一系列技術(shù)措施，是利用各種物理化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法和裝置，將生產(chǎn)、科研、生活中的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程，它是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段。1.1.2檢測系統(tǒng)的組成檢測工作的全過程一般包括：信號采集、信號處理、信號顯示、信號輸出等。一個完整的檢測系統(tǒng)或裝置通常是由傳感器、信號處理電路和輸出環(huán)節(jié)組成，輸出環(huán)節(jié)包括顯示和打印記錄裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和控制裝置等。檢測系統(tǒng)可以采用如圖1-1的方式表示。圖1-1檢測系統(tǒng)的組成框圖1.1.3測量方法分類1．直接測量、間接測量與組合測量2．偏差法、零位法、微差法3．開環(huán)測量與閉環(huán)測量4．等精度測量和非等精度測量5．靜態(tài)測量和動態(tài)測量6．接觸測量和非接觸測量1.1.4測量誤差不同場合的測量，對其結(jié)果的可靠性和精度要求也不相同，因此，測量的準確程度要兼顧技術(shù)與經(jīng)濟。1．測量誤差的基本概念測量誤差是指測量結(jié)果與其真值之間的差異。真值，是指被測量的絕對準確值，是一個理論概念，實際中永遠無法測得。相對真值，是指利用高一等級精度的儀器或裝置得到的測量結(jié)果，作為近似真值，用來代替真值。2．測量誤差的表示方法（1）絕對誤差絕對誤差可以為正也可以為負，且是一個有單位的物理量。式中：Δx–測量誤差，x–測量結(jié)果，x0–真值。（2）相對誤差相對誤差為絕對誤差與真值之比，因測量值與真值接近，所以也可以使用絕對誤差與測量值的比值近似作為相對誤差γ0，一般用百分比來表示，即：（3）引用誤差為了方便計算和劃分精確度等級，通常采用引用誤差γf，它是從相對誤差演變過來的，定義為絕對誤差與測量儀表量程之比，用百分數(shù)表示，即：儀表的精度等級是根據(jù)最大引用誤差γfmax來確定的，即：上式中的S即為精度等級，表示該儀表在規(guī)定的工作條件下使用時，最大引用誤差的數(shù)值。我國電工儀表的精度等級可分為：0.1、0.2、0.5，1.0，1.5，2.5，5.0共七級。數(shù)字越小表示精確度越高。3．測量誤差的來源（1）原理誤差原理誤差是指測量原理和方法本身存在缺陷和偏差。（2）裝置誤差裝置誤差是指測量儀器、設(shè)備、裝置導(dǎo)致的測量誤差。（3）環(huán)境誤差環(huán)境誤差是指測量環(huán)境、條件引起的測量誤差。（4）使用誤差使用誤差是指讀數(shù)誤差、違規(guī)操作等人為因素造成的誤差。4．測量誤差的分類根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生的原因，測量誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差三類。（1）系統(tǒng)誤差在同一測量條件下，對同一被測量進行多次重復(fù)測量時，其絕對值和符號保持不變或按一定規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差。（2）隨機誤差在同一測量條件下，對同一被測量進行多次重復(fù)測量時，其絕對值和符號以不可預(yù)測的方式變化的誤差，稱為隨機誤差。（3）粗大誤差超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差。數(shù)據(jù)處理時，含有粗大誤差的測量值稱為壞值，可直接剔除。作業(yè)布置P161-1、1-2、1-3

課程性質(zhì)：班級名稱：學(xué)生人數(shù)：授課教師：課題：1.2傳感器技術(shù)概述課時安排：2授課類型：理論重難點重點傳感器的定義、組成、種類、基體特性難點傳感器的特性參數(shù)教學(xué)目的和要求1.掌握傳感器的定義、組成和作用；2了解傳感器的分類；3掌握傳感器的基本特性；4掌握傳感器的命名和圖形符號；5了解傳感器的發(fā)展趨勢。采用教學(xué)方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教具：QSCGQ-ZX型系列傳感器與檢測技術(shù)實驗臺教學(xué)內(nèi)容第一章緒論1.2傳感器技術(shù)概述1.2.1傳感器的作用和地位人與機器的技能對應(yīng)關(guān)系如圖1-6所示。圖1-6人機系統(tǒng)的機能對應(yīng)關(guān)系人體系統(tǒng)靠五官從外界獲取信息，神經(jīng)系統(tǒng)將獲取到的信息傳遞給大腦，大腦分析信息并做出決策之后發(fā)出指令來指導(dǎo)人的行為活動；而計算機系統(tǒng)，由傳感器從外界獲取信息，電路系統(tǒng)將傳感器獲得的信息傳送給控制器（計算機），由控制器分析、處理信息、決策、并發(fā)出指令來指導(dǎo)執(zhí)行機構(gòu)做出相應(yīng)的處理，從而達到自動控制的目的。由此可見，傳感器可以看作是人類五官的延伸，用來獲取信息，又稱為“機電五官”。1.2.2傳感器的定義、組成和分類1．傳感器的定義傳感器，即“感”受信號，并“傳”輸信號的裝置。根據(jù)我國的國家標準，傳感器的定義是：能感受規(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。由于目前信號傳輸和處理的裝置絕大多數(shù)都是電子設(shè)備，因此，這里的“可用輸出信號”指的就是電信號。簡單地說，傳感器就是把被測的非電量轉(zhuǎn)換成電量的一種裝置。2．傳感器的組成一般來說，傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路和輔助電源四個部分組成的，如圖1-7所示。圖1-7傳感器的組成3．傳感器的分類（1）按照傳感器的輸入量（被測量）分類，可分為：溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器等。傳感器以被測物理量命名。（2）按照傳感器的工作原理分類，可分為：應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器、磁電式傳感器等。傳感器其以工作原理命名。（3）按照傳感器的輸出量分類，可分為：模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。模擬傳感器的輸出量為模擬信號，數(shù)字傳感器的輸出量為數(shù)字信號。（4）按照傳感器轉(zhuǎn)換能量的情況分類，可分為：能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。1.2.3傳感器的命名和代號1．傳感器的命名傳感器的全稱應(yīng)由“主題詞+四級修飾語”組成，即：主題詞——傳感器一級修飾語——被測量。二級修飾語——轉(zhuǎn)換原理。三級修飾語——特征描述。四級修飾語——主要技術(shù)指標。2．傳感器的代號一般情況下，傳感器的代號應(yīng)包括以下四部分：a—主稱(傳感器)，b—被測量，c—轉(zhuǎn)換原理，d—序號，如圖1-8所示。圖1-8傳感器產(chǎn)品代號的編制格式3．傳感器的圖形符號按GB/T14479—93《傳感器圖用圖形符號》規(guī)定，傳感器的圖形符號由符號要素正方形和等邊三角形組成，其中，正方形表示轉(zhuǎn)換器件，三角形表示敏感器件。如圖1-9所示，x表示被測量，*表示轉(zhuǎn)換原理。圖1-9傳感器的圖形符號1.2.4傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢1．傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域（1）航空航天領(lǐng)域（2）軍事技術(shù)領(lǐng)域（3）工業(yè)制造領(lǐng)域（4）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域（5）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（6）民用領(lǐng)域（7）其它領(lǐng)域2．傳感器的發(fā)展趨勢（1）發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應(yīng)，拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域（2）利用新材料開發(fā)新產(chǎn)品（3）傳感器的微型化（4）傳感器的多功能化（5）傳感器的智能化（6）傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。1.2.5傳感器的特性傳感器的特性是指傳感器系統(tǒng)的輸出信號y(t)和輸入信號（被測量）x(t)之間的對應(yīng)關(guān)系。當傳感器的輸入信號為常量或變化極慢時，即被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)，其輸入輸出的關(guān)系特性稱為靜態(tài)特性；當輸入信號隨時間變化較快時，傳感器的響應(yīng)特性稱為動態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性：1．測量范圍傳感器所能檢測到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。2．量程傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差，稱為量程。3．精度傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。4．靈敏度靈敏度是指傳感器的輸出變化量與引起該輸出變化量的輸入變化量之比。一般情況下，靈敏度用字母K或S來表示：5．線性度傳感器的線性度是指傳感器輸出與輸入之間關(guān)系的線性程度，即輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線偏離理想直線的程度。在非線性誤差不太大的情況下，可采用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段，使傳感器的輸出輸入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線，實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度），通常使用相對誤差γL來表示，即：式中：ΔLmax—最大非線性絕對誤差；yFS—滿量程輸出。6．分辨力和分辨率傳感器的分辨力是指在規(guī)定的測量范圍內(nèi)所能檢測出的被測量的最小變化量，即分辨能力，又稱為分辨率。7．重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線間不一致的程度。