自动检测与转换技术(第3版)课件(梁森高职高专)-精选文档
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自动检测技术第3版第1章基础知识
特点：表内没有标准量具（如单位电流 、单位电阻），只有经标准量具校准过的 刻度盘。比较是将被测量与刻度盘比较。
精度低，但简单迅速。
线圈
圆柱形
铁心
指针
永久磁铁 旋转弹簧
2.零位式测量
调节已知标准量与被测量达到平衡状 态（相等），读取标准量作为被测值。
特点：测量装置中有标准量具（如天平 的砝码、电桥的标准电阻），测量过程是 将被测量与标准量具比较，在平衡或指针 指零时，读取标准量具的大小。
1.接触式测量 2.非接触式测量
按被测对象的变化特点分类
1.静态测量：被测量不随时间变化或变化缓慢， 测比较稳定的量值。
2.动态测量：被测量随时间变化，测变化过程。
按获得测量结果的方式分类 1.偏差式测量
2.零位式测量
3.微差式测量
1.偏差式测量
利用测量仪表指针对于刻度初始点的 偏移来读出被测量的的测量方法。如万用 表测量。
精度等级
测量仪表均具有精度等级。
二．动态特性
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的 输入量的响应特性。
当被测量随时间变化,是时间的函数时, 则传感 器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特 性来表示。 一个动态特性好的传感器, 其输出将再 现输入量的变化规律, 即具有相同的时间函数。实 际上除了具有理想的比例特性外, 输出信号将不会 与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入 间的差异就是所谓的动态误差。
m 为实测直线与拟合曲 线的最大偏差。
Y FS 为输出满量程值。
线性度定义：
Ef
m 100% YFS
分辨力
指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测 量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化 无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附 加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值 就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于 仪表的最大绝对误差。
精度低，但简单迅速。
线圈
圆柱形
铁心
指针
永久磁铁 旋转弹簧
2.零位式测量
调节已知标准量与被测量达到平衡状 态（相等），读取标准量作为被测值。
特点：测量装置中有标准量具（如天平 的砝码、电桥的标准电阻），测量过程是 将被测量与标准量具比较，在平衡或指针 指零时，读取标准量具的大小。
1.接触式测量 2.非接触式测量
按被测对象的变化特点分类
1.静态测量：被测量不随时间变化或变化缓慢， 测比较稳定的量值。
2.动态测量：被测量随时间变化，测变化过程。
按获得测量结果的方式分类 1.偏差式测量
2.零位式测量
3.微差式测量
1.偏差式测量
利用测量仪表指针对于刻度初始点的 偏移来读出被测量的的测量方法。如万用 表测量。
精度等级
测量仪表均具有精度等级。
二．动态特性
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的 输入量的响应特性。
当被测量随时间变化,是时间的函数时, 则传感 器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特 性来表示。 一个动态特性好的传感器, 其输出将再 现输入量的变化规律, 即具有相同的时间函数。实 际上除了具有理想的比例特性外, 输出信号将不会 与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入 间的差异就是所谓的动态误差。
m 为实测直线与拟合曲 线的最大偏差。
Y FS 为输出满量程值。
线性度定义：
Ef
m 100% YFS
分辨力
指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测 量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化 无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附 加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值 就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于 仪表的最大绝对误差。
《自动检测与转换技术》课程教学大纲(建议稿).
《自动检测与转换技术》课程教学大纲（建议稿）课程名称：自动检测与转换技术学时：48学分：3先修课程：电子技术、单片机技术等适用专业：普通中等职业教育的机电技术应用、电气运行与控制、机械制造技术应用、数控技术应用、汽车电子技术应用、汽车运用与维修、仪表仪器、计算机、电子信息等专业方向教材：自动检测与转换技术，梁森主编，机械工业出版社，2007统一书号为ISBN7978－7-111－05575－4~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Ⅰ课程的性质、地位和任务自动检测与转换技术是普通中等职业教育机电技术应用、电气运行与控制、数控技术应用、汽车电子技术应用等专业的专业课程。
中职学生通过本课程的学习，可以获得误差概念、传感器、自动检测工程应用及抗干扰技术等方面的基本知识和基本技能。
本大纲涉及到的误差理论是为测量各种物理量打好理论基础；传感器部分主要涉及各种非电量的测量，也涉及某些电量的测量，但主要是弥补电工知识中未讲到的新技术和新方法；工程项目应用实例是为学生提供部分真实案例；自动检测的综合应用是培养学生的综合应用能力；抗干扰技术是为学生提供测控系统在恶劣环境中工作的行之有效的方法和经验。
由于传感器技术发展较快，本大纲删去了陈旧、过时的传感器内容；考虑到普通中等职业教育的的性质，压缩了理论推导和复杂的计算，突出了工程应用，并增加了新技术、新工艺、新材料、新方法，使学生毕业后能更快地适应工作岗位要求并具有分析问题、解决问题的能力。
Ⅱ课程内容和基本要求本课程分为检测基本概念、传感器原理及应用和自动检测技术综合应用等几部分。
（带“*”的内容需根据专业方向而做删减）1 检测技术的基本概念1.1 了解检测及传感器的含义及工业检测涉及的内容，自动检测系统的组成；1.2 了解几种常用测量方法的分类；1.3 掌握绝对误差、相对误差及准确度的计算；1.4 了解传感器的分类、组成及特性。
自动检测技术梁森版第三章
工件直径D增大， 衔铁上移时的输出 波形在第一象限
Ua0＞Ub0 , 所以Uab ＞0
输出直流电压为正值
Ｃ3、Ｃ4和Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路，
其时间常数τ≥10T （T为激励源的周期）
工件直径D减小， 衔铁下移时的输出波 形在第四象限,可以从
输出电压的正负值来判 断衔铁位移的方向。
Ua0＜Ub0 , 所以Uab ＜ 0 输出直流电压为负值
差动变压器的差动整流测量电路
差动变压器的二次电压u21、u22分别经VD1～VD4、 VD5～VD8组成的两个普通桥式电路整流，变成直流电 压Ua0和Ub0。由于Uao与Ubo是反向串联的，所以 UC3=Uab=Ua0-Ub0。该电路是以两个桥路整流后的直流 电压之差作为输出,不涉及相位。 RP是调零电位器。
灵敏度与线性度
差动变压器的灵敏度一般可达10mV/(mm•V)， 行程越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁电压不超过10V为宜。 电源频率以1~10kHz为好。 差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10 左右。
例：欲测量Φ120mm2mm轴的直径误差，应 选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电 感传感器）为宜 ？ （注：Δx=4mm）
螺线管式电感传感器
螺线管是具有多重卷绕的导 线，卷绕内部可以是空心的， 或者有一个磁芯。当有电流通 过导线时，螺线管中间部位会 产生比较均匀的磁场。作为传 感器，螺线管电感传感器的主 要元器件是一只螺线管和一根 可移动的圆柱形衔铁。衔铁插 入绕组后，将引起螺线管内部 的磁阻的减小，电感随插入的 深度而增大。
11—被测工件
12—基准面
轴向式电感测微器特性
量程±3μm时的绝对误差：0.1μm 长时间稳定性：≤0.1μm/4h （预热15min后，±3μm档。） 温度特性：≤1分度值/10℃
《自动检测与转换技术》电子教案 项目三PPT 1、温度及温标
检测技术
定义：表示物体冷热程度、反映物体内部热运动状 态的物理量称为温度。
温
度
在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！
检测技术
温 标
温度的数值表示 方法称为温标。它规 定了温度的读数的起 点（即零点）以及温 度的单位。各类温度 计的刻度均由温标确 定。国际上规定的温 标有：摄氏温标、华 氏温标、热力学温标 等。
检测技术
热 力 学 温 标
热力学温标是建立在 热力学第二定律基础 上的最科学的温标， 是 由 开 尔 文 （ Kelvin ） 根据热力学定律提出 来的，因此又称开氏
温标。它尔文勋爵像
定义：表示物体冷热程度、反映物体内部热运动状 态的物理量称为温度。
温
度
在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！
检测技术
温 标
温度的数值表示 方法称为温标。它规 定了温度的读数的起 点（即零点）以及温 度的单位。各类温度 计的刻度均由温标确 定。国际上规定的温 标有：摄氏温标、华 氏温标、热力学温标 等。
检测技术
热 力 学 温 标
热力学温标是建立在 热力学第二定律基础 上的最科学的温标， 是 由 开 尔 文 （ Kelvin ） 根据热力学定律提出 来的，因此又称开氏
温标。它尔文勋爵像
自动检测技术及应用 第3版 教学课件 作者 武昌俊 主编 第七章
KH
RH d
I——控制电流（A） B——磁感应强度（B) d—霍尔元件的厚度（m）
U H K H IB
霍尔电动势的大小正比于输入电流I和磁感应强度B 。
KH与组件材料的性质和几何尺Байду номын сангаас有关 ,在实际应用中，一般 都采用N型半导体材料做霍尔元件。 当磁感应强度B和霍尔元件平面法线成一角度θ时，作用在 霍尔元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcosθ）。
二、霍尔压力传感器
图中作为压力敏感元件的弹簧片，其一端固定，另一端安 装着霍尔元件。
当输入压力增加时，弹 簧伸长，使处于恒定梯 度磁场中的霍尔元件产 生相应的位移，从霍尔 元件输出的电压的大小 即可反映出压力的大小。
三、霍尔电流传感器
用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上， 将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙， 内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它输出的霍 尔电压得出导线中流通电流的大小。
将霍尔元件置于永久磁铁的磁场中。 其霍尔元件的输出与成正比，即：
U H K H IB sin
霍尔元件的输出由A1放大，在反
馈回路中采用2500PPM的热敏电 阻作温度补偿，用来补偿霍尔元 件及磁钢的温度系数所引起的误 差。输出的信号可以采用S/D （同步/数字）转换器，将模拟信 号转换成BCD码输出
零磁通式
将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让 这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被 测电流产生的磁场方向相反。
若满足条件ION1=ISN2，
则磁芯中的磁通为0，这 时下式成立：
IO
IS
N2 N1
当达到磁平衡时，即可由IS及匝数比N2/N1得到IO。
《自动检测与转换技术》电子教案 项目一PPT 项目一检测认知
检测技术
传感器的特性及技术指标
检
1Байду номын сангаас灵敏度
是指传感器在稳态下输出变化量和输入变化量的比值，用
测
符号S表示。即
认
知
式中x为输入量，y为输出量。
检测技术
传感器的特性及技术指标
检
1．灵敏度
是指传感器在稳态下输出变化量和输入变化量的比值，用
测
符号S表示。即
认
知
式中x为输入量，y为输出量。
检测技术
传感器的特性及技术指标
ymin－量程最小值
检测技术
传感器的特性及技术指标
检
测
认
E max 100% max 100%
知
y fs
ymax ymin
检测技术
传感器的特性及技术指标
检测技术
检 测 认 知
测量误差的表示方法
（1)绝对误差 绝对误差是指测量值Ax与真值A0之间的差 值。即
Δ＝Ax－A0
（2)相对误差 相对误差是指绝对误差Δ与真值A0的百分比。
即
100 %
A0
(3)最大引用（相对）误差 最大引用误差是指最大绝对误
差Δm与仪表的量程值Am的百分比。即
m
m Am
检
2．线性度
线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度，又称非线
测
性误差，用符号E表示，如图1－3所示。它的大小为传感
器实际特性曲线与理想直线之间的最大偏差和传感器满量
认
程输出的百分比。即
E max 100% max 100%
知
y fs
ymax ymin
式中：Δmax－最大非线性误差； yfs－输出满量程； ymax－量程最大值
自动检测与转换技术
62
上网检索资料(续 上网检索资料 续)
2012-4-21
63
可以从梁老师 答疑网上下载 许多专业资料
网
2012-4-21
65
课后作业
上网搜索有关： 上网搜索有关： 电冰箱” 家用空调” “洗衣机”、 “电冰箱”、 “家用空调”或 洗衣机” 中央空调” 电饭煲” “中央空调”、 “电饭煲”、 “抽水马桶的水 位控制”等常用设备的资料。 位控制”等常用设备的资料。 上网搜索的方法如下： 上网搜索的方法如下：
记录仪
主要用 来记录被 检测对象 的动态变 化过程。 化过程。
无纸记录仪（动画演示） 无纸记录仪（动画演示）
主要 用来记录 和存储被 检测对象 的动态变 化过程。 化过程。 存储数 据的大小 由硬盘容 量决定。 量决定。
数据处理装置
数据处 理装置主 理装置主 要是指计 算机。 算机。 例如对 振动进行 频谱分析 等。
人体信息测控过程与自动检测系统的比较
2012-4-21
15
自动检测系统 与 人体信息测控 过程的 比较 人眼——传感器 传感器 人眼 大脑——计算机 大脑 计算机 人手—— 人手 执行机构
2012-4-21 16
一种典型的自动检测系统 一种典型的自动检测系统
2012-4-21
（检测系统在发电厂的应用） 检测系统在发电厂的应用）
2.应用新技术和新的物理效应， 应用新技术和新的物理效应， 应用新技术和新的物理效应 扩大检测领域
月球车
2012-4-21 51
应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域( 应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域(续)
勇气号 火星车
2012-4-21
52
应用新技术和新的物理效应， 应用新技术和新的物理效应， 扩大检测领域（ 扩大检测领域（续）
模块认识自动检测与转换技术专选课件
其他如工业生产监控、气象、航空航天、军事等方面，传 感器也应用广泛。
单元1 认识传感器
【问题分析】
日常
生活
温湿度传感器
指纹传感器
透光率传感器
温度传感器
单元1 认识传感器
【问题分析】
日常
生活
自动水龙头
单元1 认识传感器
【问题分析】
日常
生活
自动门
单元1 认识传感器
【问题分析】
工业 生产
检测容器内的液位
机床加工精度测量
单元1 认系统
单元1 认识传感器
【问题分析】
气象、环 境、灾害
监测
雨量传感器
烟雾传感器
单元1 认识传感器
【问题分析】
气象、环 境、灾害
监测
二氧化碳传感器
土壤湿度传感器
单元1 认识传感器
【问题分析】
气象、环 境、灾害
监测
空气湿度传感器
光照度传感器
单元1 认识传感器
【问题分析】
风力参数 传感器
气象、环 境、灾害
监测
地震检波器
超声 传感器
磁、气、力 敏传感器
单元1 认识传感器
交通
【问题分析】
GPS定位导航
单元1 认识传感器
交通
【问题分析】
超声波测速
单元1 认识传感器
农业
【问题分析】
设施农业
单元1 认识传感器
农业
【问题分析】
灵敏度 迟滞 分辨率
单元1 认识传感器
【知识链接】
➢线性度 传感器输出－输入的实际特性曲线和拟合直线之间的最
大偏差与输出量程范围 之比。
线性度表 达式为
L＝ymaLxmyamxin10% 0
单元1 认识传感器
【问题分析】
日常
生活
温湿度传感器
指纹传感器
透光率传感器
温度传感器
单元1 认识传感器
【问题分析】
日常
生活
自动水龙头
单元1 认识传感器
【问题分析】
日常
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自动门
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【问题分析】
工业 生产
检测容器内的液位
机床加工精度测量
单元1 认系统
单元1 认识传感器
【问题分析】
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雨量传感器
烟雾传感器
单元1 认识传感器
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气象、环 境、灾害
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二氧化碳传感器
土壤湿度传感器
单元1 认识传感器
【问题分析】
气象、环 境、灾害
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空气湿度传感器
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单元1 认识传感器
【问题分析】
风力参数 传感器
气象、环 境、灾害
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地震检波器
超声 传感器
磁、气、力 敏传感器
单元1 认识传感器
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超声波测速
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农业
【问题分析】
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灵敏度 迟滞 分辨率
单元1 认识传感器
【知识链接】
➢线性度 传感器输出－输入的实际特性曲线和拟合直线之间的最
大偏差与输出量程范围 之比。
线性度表 达式为
L＝ymaLxmyamxin10% 0
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金属丝受拉时，l 变长、r 变小，导致R变大 。 单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
一、应变片的工作原理
电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电 阻变大。
1－拉伸前 2－拉伸后
RAl πlr2
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
应变片的结构
1－引出线 2－覆盖层 3－基底 4－电阻丝
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
第二章,第一节 应变传感器 目录
应变效应及应变片
进入
应变片的测量转换电路
进入
应变效应的应用 压阻式固态压力传感器
进入 进入
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
第一节 电阻应变传感器
导体或半导体材料在外界力的作用下，会产 生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这 种现象称为应变效应。
温漂。电阻相对变化为： R R
E
Ks
式中： K s E 50 ~ 100
受拉时，N型硅的灵敏度Ks是负的，而P型硅的Ks是 正的。不同的切片方向的Ks也有所不同，见下表。P型 硅的π 14方向切片的灵敏度较高，约为金属的70倍。
晶体 导电类型 电阻率
π11 π 12 π 44
对于不同的金属材料，K 略有不同，一般为2左 右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，
电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料
大50~200倍。
在材料力学中，x=l/l称为电阻丝的轴向应变， 也称纵向应变。 x通常很小。例如，当x为0.000001
（10-6）时，在工程中常表示为1m/m或 1微应变
l ：应变片的工作基长， b ：应变片基宽，
b×l：应变片的有效使用面积。 单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
金属丝受拉后的电阻变化
设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率
为 的金属单丝，它的电阻值R及相对变化可表示为
RA l πlr2
ΔRΔl 2ΔrΔ Rl r
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时,
（Ω.m)
Si
P
N
7.8 11.7
+6.6 -102.2
-1.1 +138 +53.4 -13.6
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
应变片的电阻相对变化量与力的关系
应 变 片 中 的 电 阻 丝 的 电 阻 相 对 变 化 量 R/R ， 与 材 料
力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即 x =F/(AE），设K为灵敏度，金属材料的面积为A，
弹性模量 为E，则 R/R又可表示为
RR=Kx
K F AE
设应变片牢固粘贴在被测试件上，与试件有相同的
轴向应变及径向应变，应变片的灵敏度K、试件的横
截面积A以及材料的弹性模量E均为已知，则只要设
法测出应变片的ΔR/R值，即可获知试件受力Ｆ的大小
。依此原理，可用于测量拉力和物体的称重等。
微应变（ε ）
书名：自动检测与转换技术（第3版）
ISBN： 978-7-111-40710-2 作者：梁森
出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件
教材详情：请点击查阅 机械工业出版社教材服务网
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
机电类 《自动检测技术》
（第二章第一节）多媒体课件
统一书号：ISBN 978-7-111-40710-2
课程配套网站 sensor-measurement
或liangsen
2019年1月版
2019/8/23
2
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
第二章 电阻传感器
本章介绍各种电阻式传感器的原理及应用， 包括：应变效应、电阻应变片、非平衡电桥、 压阻传感器、测温热电阻、气敏电阻、湿敏电 阻、防爆传感器等。本段课件介绍第二章的第 一节（电阻应变传感器）的内容。包括：应变 片工作原理、应变片的种类、结构与粘贴 、应 变片的测量转换电路 、应变效应的应用、荷重 传感器 、扭矩、压阻式固态压力传感器 等。
目前广泛用于电子秤等各种应变 焊接温度
式传感器中。
250℃
不同测量方向的金属箔式应变片图形
.
半导体应变片
以N型和P型硅为基底，利用扩散、外延和薄膜工艺 制成的。主要优点是灵敏度比金属应变片高很多。
缺点是：灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变 间非线性严重。
在使用时，需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补 偿措施。
电阻应变传感器主要由电阻应变片、弹性元 件及测量转换电桥电路等组成。
介绍应变效应、应变片的基本原理和分类， 非平衡电桥的特点、调零及温度补偿，荷重传 感器、汽车衡、力矩传感器，压阻式固态压力 传感器，投入式液位计等。
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
应变原理演示ຫໍສະໝຸດ R l l A r2上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生
变化。
当金属丝受拉时,l 将增加、r 变小，均导致R变大。
单片机技术与应用 高职高专 ppt 课件
半导体受拉后的电阻变化
阻某系数些)片有状较半大导的体变受化拉, 导或致受半压导时体，的(Δ体电/)阻/xR(称变为大或压
变小,称为压阻效应。具有较大的灵敏度、非线性和
金属丝式应变片的 结构
金属丝式与箔式应变片的区别
金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶， 逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便 宜，多用于大批量、一次性试验。
箔式应变片中的箔栅是金属箔
通过光刻、腐蚀等工艺制成的。
箔式应变片与片基的接触面积大
得多，散热条件较好，在长时间
测量时的蠕变较小，一致性较好，
某系列应变片主要性能指标
上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据 是什么？
应变片的粘贴 1. 检查通断。
2 .在选定贴应变片的位置划出十字线。
3 .再用细砂纸精磨（45度交叉纹）。
4 .用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面， 擦几遍后，不可再用手接触表面。
(1 )。
对金属材料而言，受力之后所产生的轴向应变
最好不要大于110-3，即应小于1000m/m（1000
），否则有可能超过材料的极限强度而导致非线性
或断裂。
应变片的分类
应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大 类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式等。
a）金属丝式 b）金属箔式 c）金属箔式外形 d）半导体应变片 1－电阻丝 2－金属箔 3－半导体 4－基片 5－引脚 6－定位标记 7－金丝