传感器技术及实训第7章3
传感器技术及实训习题答案
1．什么是传感器？（传感器定义）传感器是接收信号或刺激并反应的器件，以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。
2．传感器由哪几个部分组成？分别起到什么作用？传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成：1）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。
2）转换元件：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。
3）转换电路：上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。
3. 传感器特性在检测系统中起到什么作用？作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。
目前传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。
而传感器性能质量直接影响到检测系统的结果。
4．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系5．静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？1)灵敏度灵敏度是指仪表、传感器等装置或系统的输出量增量与输入量增量之比。
2)分辨力分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。
3)线性度人们总是希望传感器的输入与输出的关系成正比，即线性关系。
4)迟滞迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度。
5)稳定性稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面。
稳定度指的是仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力. 环境影响量是指由于外界环境变化而引起的示值变化量。
6．动态参数有那些？应如何选择？动态特性是指传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性，传感器的动态特性是传感器的输出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映。
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
一般来讲，利用光电效应，光电型传感器响应较快，工作频率范围宽。
传感器技术基础与应用实训
传感器技术基础与应用实训传感器技术就像是一个超级敏感的小精灵世界，每个传感器都有着独特的魔法技能。
最近参加的传感器技术基础与应用实训啊，那可真是一场比坐过山车还刺激的体验。
实训的时候，那些传感器摆在面前，就像是一群等待检阅的小士兵。
温度传感器呢，像个小火炉旁的温度计，只不过它特别聪明，能把温度信息准确无误地传递出去，仿佛是一个超级精确的温度预报员，比那些电视上的气象预报员还靠谱呢。
压力传感器更有趣啦，感觉它像是一个能感知压力的大力士，不管是轻轻的触碰还是重重的按压，它都能精准地知道压力的大小。
我在测试它的时候，就觉得它像是在跟我玩猜重量的游戏，我给它多少压力，它就像个神算子一样能算出数值来。
而光线传感器呢，活脱脱就是一个追光的小怪物。
光线强的时候它能知道，光线弱的时候它也不含糊，就像向日葵一样朝着有光的方向“思考”，然后把光线的情况告诉我们。
我当时就想啊，要是人也能像光线传感器这样敏锐地感知光线，那那些怕黑的人就再也不用担心晚上出门踩到香蕉皮啦。
在做传感器应用的实验时，就像是在搭建一个超级复杂又超级有趣的乐高城堡。
各种线路连接起来，传感器们就像是城堡里各司其职的小居民。
一不小心接错了线，那场面就像是城堡里突然来了一群调皮捣蛋的小恶魔，整个系统就开始乱套啦，数据像疯了一样乱跑。
不过经过不断地调整，当看到传感器们正常工作的时候，那种感觉就像是看着自己的孩子终于学会了走路，超级有成就感。
这些小小的传感器组合起来，能够完成那么多复杂又神奇的功能，简直比哈利·波特的魔法还要厉害呢。
实训过程中，有时候遇到难题就像在迷宫里找不到出口一样。
那些复杂的原理和线路图就像一团乱麻，让人头疼。
但是一旦解开了，就如同在黑暗中突然看到了亮光，整个人都兴奋起来。
这次传感器技术基础与应用实训，就像是打开了一扇通往科技魔法世界的大门。
我在这个世界里和那些奇妙的传感器们玩耍、探索，就像一个探险家在神秘的岛屿上发现了宝藏一样开心。
传感器实习实训报告
传感器实习实训报告实习实训目的：通过本次传感器实习实训，使学生了解传感器的基本原理、结构及应用，提高学生的动手能力和实际操作技能，培养学生的创新意识和实践能力。
实习实训内容：1. 传感器的基本原理和结构实习实训的第一部分，我们学习了传感器的基本原理和结构。
传感器是一种将非电量转换为电量的装置，它可以检测和测量各种物理量，如温度、压力、湿度、光照等。
传感器的基本原理包括转换原理、检测原理和信号处理原理。
转换原理是指传感器将非电量转换为电量的过程，如热敏电阻将温度转换为电阻值的变化，压敏电阻将压力转换为电阻值的变化等。
检测原理是指传感器通过检测非电量的变化来产生电信号，如电容式传感器通过检测电容值的变化来产生电信号。
信号处理原理是指传感器将检测到的电信号进行处理，如放大、滤波、转换等，以满足后续电路的需求。
2. 传感器的应用实习实训的第二部分，我们学习了传感器的应用。
传感器在现代社会中应用广泛，如在工业生产中，传感器可以用于检测和控制各种物理量，如温度、压力、流量等，以保证生产过程的稳定和安全；在家庭生活中，传感器可以用于检测和控制家用电器的工作状态，如温度传感器可以用于控制空调的温度，光线传感器可以用于控制灯光的开关等。
3. 传感器的安装与调试实习实训的第三部分，我们学习了传感器的安装与调试。
传感器的安装与调试是确保传感器正常工作的重要步骤。
在安装传感器时，要注意传感器的安装位置和方向，以确保传感器可以准确地检测和测量非电量。
在调试传感器时，要通过调整传感器的参数，如灵敏度、阈值等，以确保传感器输出的电信号可以满足后续电路的需求。
实习实训收获：通过本次传感器实习实训，我深刻地了解了传感器的基本原理、结构及应用，提高了我的动手能力和实际操作技能。
在实习实训过程中，我学会了传感器的安装与调试，掌握了传感器的应用技巧。
此外，我还通过实习实训培养了创新意识和实践能力，学会了如何将理论知识应用到实际操作中。
传感器实训课程设计
传感器实训课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解传感器的基本原理，掌握不同类型传感器的功能、特点及应用场景。
2. 使学生掌握传感器实训操作流程，了解传感器在实际工程项目中的应用。
3. 帮助学生了解传感器技术在智能控制系统中的重要性，理解传感器与物联网技术的关系。
技能目标：1. 培养学生动手操作传感器的能力，能够独立完成传感器实训任务。
2. 培养学生分析传感器数据、处理传感器故障的能力，提高问题解决能力。
3. 培养学生团队协作能力，能够在小组项目中共同完成任务。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对传感器技术的兴趣，提高学习积极性，培养科技创新意识。
2. 培养学生严谨的科学态度，养成良好的实验操作习惯。
3. 增强学生的环保意识，认识到传感器在节能减排方面的作用，培养学生的社会责任感。
课程性质：本课程为实践性课程，注重培养学生的动手能力和实际操作技能。
学生特点：学生具备一定的物理知识和电子技术基础，对传感器技术有一定了解，但实际操作经验不足。
教学要求：结合学生特点，课程设计应注重理论与实践相结合，充分调动学生的积极性，提高学生的实践操作能力。
在教学过程中，关注学生的个体差异，鼓励学生互相学习、共同进步。
通过课程学习，使学生达到上述课程目标，为后续相关课程和实际工作打下坚实基础。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 传感器原理及分类：介绍传感器的基本原理，如光电效应、磁电效应等；讲解不同类型传感器，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器等的工作原理和应用场景。
2. 传感器实训操作：详细讲解实训操作流程，包括传感器选型、安装、调试及数据采集等环节。
3. 传感器应用案例分析：结合教材案例，分析传感器在智能家居、工业自动化、环境监测等领域的应用。
4. 传感器与物联网技术：介绍传感器技术与物联网的关系，探讨传感器在物联网系统中的作用。
5. 传感器故障处理与数据分析：教授学生如何分析传感器数据，处理常见故障，提高传感器使用效果。
传感器实训任务书
传感器与检测技术实训任务书一、实训任务和性质1．性质：测试与传感技术实验是《传感器及测试技术》课程教学的必须实验环节。
其目的是加深学生对本课程所涉及的重要基本原理、基本器件和常用仪器设备的结构及工作原理的理解。
2．任务：锻炼学生的动手实践能力，使学生在后面的学习和工作中能够综合运用所学知识解决实际问题。
二、实训教学目的和要求1．通过实验，了解各种传感器的结构和原理，熟悉其性能和被测量的含义，重点掌握传感器的应用、对应的接口电路、调试方法和故障诊断等。
2．本课程要求学生提前阅读实验指导书，在教师指导下自己动手，亲自实践，边作边想，认真记录，并写出实验报告。
三、实训方式与基本要求1、要求学生进行实际操作连线、并进行分析测试。
2、为保证实训效果，要求学生在使用实训仪器、设备、设施时，严格按照指导教师规定的安全操作规程及正确、规范的操作方法进行操作。
四、主要仪器、设备及消耗材料传感器实验箱（一）、传感器实验箱（二）、砝码、智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）、±15V电源、±5V电源，传感器调理电路挂件，信号源、测微头、差动变压器、虚拟示波器等。
选题一：传感器最小系统设计：传感器最小系统的PROTEUS软件仿真实现系统一：元件清单：AT89C2051, 数字传感器（DS18B20）,晶振（crystal）,电容(cap)，电阻（res），按钮开关（BUTTON）,四位7段数码管共阴极（7SEG-MPX4-CA）。
要求：运用所学检测与转换技术的课程内容，结合电路，单片机课程的具体内容，用以上元件在PROTEUS软件上设计一个基于DS18B20的测温系统电路并进行仿真。
电路中要有晶振电路（电容的大小不能随意给），复位电路。
数码管能显示数据并且跟DS18B20传感器上的值要一致。
显示的数据能精确到0.1还能显示负的数值。
提示：四位七段数码管的A到DP角接在P1口。
DS18B20接在P3.7，具体怎么接请自己查阅资料。
传感器应用技术实训报告
一、实训背景随着科技的不断发展，传感器技术已经广泛应用于各个领域，成为现代工业、农业、医疗、家居等领域不可或缺的技术手段。
为了提高学生对传感器技术的理解和应用能力，我们开展了为期两周的传感器应用技术实训。
本次实训旨在让学生通过实际操作，掌握传感器的基本原理、工作特性、应用领域及安装调试方法，培养学生的动手实践能力和创新意识。
二、实训目的1. 了解传感器的基本原理、工作特性及分类；2. 掌握常用传感器的安装、调试和应用；3. 学会使用传感器进行数据采集和信号处理；4. 培养学生的动手实践能力和创新意识。
三、实训内容1. 传感器基本原理及分类2. 常用传感器介绍与实训- 温度传感器- 压力传感器- 位移传感器- 光电传感器- 声电传感器- 磁敏传感器- 湿度传感器3. 传感器信号处理与数据采集4. 传感器应用案例分析四、实训过程1. 传感器基本原理及分类实训开始，首先由指导教师介绍了传感器的基本原理和分类。
传感器是将被测量的物理量转换为电信号的装置，按照工作原理可分为电阻式、电容式、电感式、磁电式、光电式、声电式等。
随后，我们学习了各类传感器的特点、应用领域及工作原理。
2. 常用传感器介绍与实训实训过程中，我们分别对以下常用传感器进行了详细介绍和实训操作：（1）温度传感器：采用铂电阻温度传感器，通过改变电阻值来测量温度。
我们学习了铂电阻温度传感器的结构、工作原理及安装调试方法。
（2）压力传感器：采用压阻式压力传感器，通过改变电阻值来测量压力。
我们学习了压阻式压力传感器的结构、工作原理及安装调试方法。
（3）位移传感器：采用霍尔效应位移传感器，通过霍尔效应来测量位移。
我们学习了霍尔效应位移传感器的结构、工作原理及安装调试方法。
（4）光电传感器：采用光电效应光电传感器，通过光电效应来测量光强。
我们学习了光电效应光电传感器的结构、工作原理及安装调试方法。
（5）声电传感器：采用电容式声电传感器，通过电容变化来测量声波。
第7章 位移传感器
可以实现高灵敏的位移测量。
7.2.2光栅位移传感器的结构及工作原理
如图7-9所示，由主光栅、指示光栅、光 源和光电器件等组成。 主光栅和被测物体相连，它随被测物体的 直线位移而产生移动。当主光栅产生位移时， 莫尔条纹便随着产生位移。 用光电器件记录莫尔条纹通过某点的数目， 便可知主光栅移动的距离，也就测得了被测 物体的位移量。
图7-3
电位器电路
常见用于传感器的电位器有： 线绕式电位器、 合成膜电位器、 金属膜电位器、 导电塑料电位器、 导电玻璃釉电位器、 光电电位器。
2.电位器的主要技术参数
(1)最大阻值和最小阻值，指电位器阻值变化
能达到的最大值和最小值；
(2)电阻值变化规律，指电位器阻值变化的规
f=Z· n
根据测定的脉冲频率，即可得知被测物体 的转速。如果配接数字电路，组成数字式转 速测量仪，可直接读出被测物体的转速。 当被测转速很低时，输出脉冲电势的幅值 很小，以致无法测量出来。 所以，这种传感器不适合测量过低的转速， 其测量转速下限一般为50转/秒左右，上限可 达数百千转/秒。
7.5.2
磁栅的种类可分为单型直线磁栅、
同轴型直线磁栅和
旋转型磁栅等。
磁栅主要用于大型机床和精密机床作为位 置或位移量的检测元件。
图7-10 磁栅的基本结构
磁栅和其它类型的位移传感器相比，具有
结构简单、
使用方便、
动态范围大（1～20m）和
磁信号可以重新录制等优点。
缺点是需要屏蔽和防尘。
如果水位上升到与检知电极端部接触时， 由于水有一定的导电性，方波发生器输出的 矩形波被短路，比较器输出高电平，LED熄 灭。 如果水位低于检知电极端部时，比较器 输出低电平，LED闪烁，告知水箱缺水。 如果把比较器输出电压和控制电路连接 起来，可对供水系统进行自动控制。
传感器技术及应用实训大纲
《传感器技术及应用》实验教学大纲课程代码：0306228英文名字：Sensor Techniques and Application实验学时：24先修或同修课程：工程数学、电工学、适用专业：电子、自动化专业一、训课的任务与作用《传感器技术与应用》是电气自动化专业机电方向的重要专业选修课。
本课程的主要任务是使学生初步掌握传感器的基础理论、共同规律、物理效应及构成方法；了解与各种传感器对应的测量转换电路；了解与计算机技术联系密切的新型传感器的有关知识，以适应学生向学科深度和广度发展的需要。
该课程是一门实践性很强的课程，实验课程是本课程的重要教学环节，其目的是通过实验加深理解和验证学过的基础知识和应用技术，培养实际操作的动手能力。
二、训教学目标及基本要求﹙一﹚教学目标要求本课程的目标是使学生掌握：传感器的基本概念及其基本特性（静态、动态特性）；传感器的标定和校准方法；各类传感器(电阻应变式、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式、光电式、数字式、磁敏、光纤、气敏、湿敏传感器等）的转换原理、组成结构、特性分析、设计方法、信号调理技术及其在日常生活和现代生产过程中的典型应用；了解新型传感器与传感器技术的发展趋势；加强实践环节训练；建立完整、系统的传感器与传感器技术的整体概念，培养学生设计开发工程参数自动检测与自动控制系统的实际能力和创新意识。
（二）、本课程实验内容及具体要求1、实验理论方面：熟悉电阻应变式和电容式传感器的基本工作原理和测量原理，用其测量应力和位移的测量系统的组成。
2、实验教学方面：学生能够根据实验指导书合理选择测量元件和电路模块，独立完成实验项目，完成完整的实验报告；根据实验过程回答每个实验后的思考题。
3、对学生能力培养的要求：学会用实际电路搭建简单测量系统，并对该测量系统进行静态标定；根据实验过程了解测量系统特性，分析测量不同物理量时测量系统的结构特点。
﹙三﹚实训报告要求﹙1﹚按实训指导书的格式要求填写，注明所用仪器工具型号等。
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AB
A
C
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
2019/12/31
5
增量式光电脉冲编码器最初的结构就是一种光电 码盘，光电码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多 同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透 光和不透光部分，即亮区和暗区。
增量式编码器又称脉冲编码器，是一种旋转式脉 冲发生器。它把机械转角变成电脉冲，是一种常 用的角位移传感器。
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1
其他角编码器外形
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2
其他角编码器外形（续）
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
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3
其他角编码器外形
（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）
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4
7.3.1增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
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数控加工中心
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编码器在数控 加工中心的刀库选 刀控制中的应用
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 4—转盘 5—工件 6—刀具
由于绝对式编码器每一转角位置均 有一个固定的编码输出，若编码器 与转盘同轴相连，则转盘上每一工 位安装的被加工工件均可以有一个 编码相对应，转盘工位编码如图所 示。当转盘上某一工位转到加工点 时，该工位对应的编码由编码器输 出给控制系统。
绝对式光电编码器的测量精度取决 于它所能分辨的最小角度，而这与码盘 上的码道数n 有关，即最小能分辨的角度 及分辨率为：
α=360°/2n 分辨率=1/2n
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4位8421二进制码盘与二进制循环码盘（格雷码盘）
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4位格雷码码盘与4位8421二进制码盘相比，特
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000）
=19.53 r/min
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编码器的安装方式
1.编码器 的套式安装
安装套
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2.编码器的轴式安装
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安装轴
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编码器在定位加工中的应用
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绝对式接触式编码器演示
4个电刷
4位二进制 码盘
+5V输入 公共码道
最小分辨角度为 α=360°/2n
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2．绝对式光电编码器
低位
高位
a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）
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绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
角编码器除了能直接测量角位移或间 接测量直线位移外，可用于数字测速、工 位编码、伺服电机控制等。
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M法测速（适合于高转速场合）
m1
T
编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速
（r/min)为 ：n = 60m1/（NT）
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例题
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图7-14电编码器的测量精度取决于它 所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的 狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及 分辨率为：
360o
n
分辨率 1 n
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光电编码器的输出波形
为了判断码盘旋转的方向，在上图 的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的 两个狭缝距离的（m +1/4）倍，m 为正整 数，并设置了两组光敏元件A、B，有时 又称为sin、cos元件。
在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝C， 每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信 号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
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7.3.2 绝对式编码器
绝对式编码器按照 角度直接进行编码， 可直接把被测转角用 数字代码表示出来。 根据内部结构和检测 方式有接触式、光电 式等形式。
透光区
将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形 式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器 以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种 位移的测量。
角编码器又称为码盘，它能够将角度转换为数字编 码，是一种数字式的传感器。码盘按结构可以分为 接触式、电磁式和光电式三种，后两种为非接触式 测量，在这里只讨论光电式码盘传感器，也称为光 电编码器。
m1
T
有一增量式光电编码器，其参数为 1024p/r， 在5s时间内测得65536个脉冲，则 转速（r/min)为 ：
n = 60 × 65536 /（1024 × 5） r/min
= 768 r/min
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T法测速（适合于低转速场合）
编码器输出脉冲
m2 时钟脉冲fc
···
编码器每转产生 N 个脉冲，用已知
点有4点：
1)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余 各位相同；
2)循环码为无权码； 3)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发
生变化，不会产生粗误差。 4）对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有
2n种不同编码，最小分辨率α =360°/2n。
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7.3.3角编码器的应用
频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两 个相邻脉冲之间的脉冲数为m2 ，则转速 (r/min)为 n = 60fc / （Nm2 ）
2019/12/31
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T法测速举例
有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r， 测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频 率fc为1MHz ，则转速（r/min)为 ：
2019/12/31
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辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有
A组与B组两组狭缝，彼此错 开 1/4 节 距 ， 两 组 狭 缝 相 对 应 的光敏元件所产生的信号A、 B彼此相差90相位，用于辩向。 当编码正转时，A信号超前B 信号90；当码盘反转时，B信 号超前A信号90。 (请画出反转时信号B的波形）
不透光区
10码道光电绝对式码盘
绝对式码盘与增量
式码盘有何区别？
零位标志
2019/12/31
10
绝对式光电编码器由光源、光学系统、安装在旋转 轴上码盘、光电接收元件、处理电路等组成。
码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每 位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分， 即亮区和暗区。
2019/12/31