《自动检测与转换技术》教案集

绪论

本课介绍非电量的检测。

三、自动检测系统的组成

（1）系统框图：将系统中的主要功能或电路的名称画在方框内，按信号的流程，将几个方框用箭头联系起来，有时还可以在箭头上方标出信号的名称。在产品说明书、科技论文中，利用框图可以较简明、清晰地说明系统的构成及工作原理。

对具体的检测系统或传感器而言，必须将框图中的各项内容赋以具体的内容。

图0-1 自动检测系统原理框图

图0-6 人体信息接受过程框图与自动检测系统框图比较

通过PPT，介绍方框图的画法：

1．洗衣机；2．家用或中央空调；3．电饭煲；4．电冰箱5．电视机的框图举例。

（2）传感器（Transducer）指一个能将被测的非电量变换成电量的器件（演示教具，发散性课堂讨论）。

（3）信号调理电路信号调理电路包括放大（或衰减）电路、滤波电路、隔离电路等。其中的放大电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。

（4）显示器目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。模拟量是指连续变化量。模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数的，常见的有毫伏表、微安表、模拟光柱等。

数字显示目前多采用发光二极管（LED）和液晶（LCD）等，以数字的形式来显示读数。前者亮度高、耐震动、可适应较宽的温度范围；后者耗电省、集成度高。目前还研制出了带背光板的LCD，便于在夜间观看LCD的内容。

图像显示是用CRT或点阵LCD来显示读数或被测参数的变化曲线、图表或彩色图等

第一章检测技术的基本概念

引用误差所不超过2.5％。

表1-1 仪表的准确度等级和基本误差

准确度等

0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0

级

基本误差±0.1% ±0.2% ±0.5% ±1.0% ±1.5% ±2.5% ±5.0%

例题：

1. 已知被测电压的准确值为220V，请观察并计算图1-4所示的电压表上的准确度等级S、满度值A m、最大绝对误差Δm、示值A x、与220V正确值的误差Δ、示值相对误差γx以及引用误差γm。

2. 示值相对误差有没有可能小于引用误差？在仪表绝对误差不变的情况下，被测电压降为22V，示值相对误差γx将变大了？还是变小了？

解：

1. 从图1-4可知，准确度等级S＝5.0级，满度值A m＝300V。

最大绝对误差Δm＝300V×5.0÷100＝15V，示值A x＝230V。

用更高级别的检验仪表测得被测电压（220V）与示值值的误差Δ＝10V，示值相对误差γx＝4.3%。

引用误差γm＝（10/300）×100%＝3.3%，小于出厂时所标定的5.0%。

2. 若绝对误差?仍为10V，当示值A x为22V，示值相对误差

γx＝（10/22）×100%=45% 。与测量220V时相比，示值相对误差大多啦

图1-5 用超声波测距仪多次测量两座大楼之间距离的统计数据

如果先将图1-5中的粗大误差剔除，再将多次测量值取算术平均值，试算出两座大楼之间的距离为多少米？

课堂提问：

还有哪些类似于图1-5分布规律的例子？

提示：例如某校男生的身高的分布，交流电源相电压的波动，以及用激光测量某桥梁长度等。

~~~~~~~~~~~~~~~~~

第三节传感器及其基本特性

一、传感器的组成

传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成，如图1-7所示，能够将压力转换成位移的敏感元件之一（弹簧管）如图1-8所示。

图1-7 传感器组成框图

图1-8 能够将压力转换成位移的敏感元件——弹簧管

电位器式压力传感器示意图如图1-9所示。当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变化量反映了被测压力p的变化。

在这个传感器中，弹簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移α。电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量——电阻的变化（ΔR）。

当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，滑动臂输出电压U o与被测压力成确定关系。在这个例子中，电位器又属于分压比式测量转换电路。

图1-9 电位器式压力传感器

a）原理示意图 b）外形图

1-弹簧管（敏感元件） 2－电位器（传感元件、测量转换电路）

3－电刷 4－传动机构（齿轮-齿条）

图1-10 电位器式压力传感器原理框图

二、传感器的基本特性

1．什么是灵敏度？

灵敏度是指传感器在稳定状态下，输出变化值Δy与输入变化值Δx之比，用K来表示。即

x

y

K

?

?

=（1-4）

对线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化。从传感器的输出曲线上看，曲线越陡，灵敏度越高。

2．什么是分辨力？

分辨力是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，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。

3．什么是分辨率？

将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率。对数字仪表而言，一般可以将该表的最后一位所代表的数值除以该仪表的满量程，就可以得到该仪表的分辨率。

例题：

在图1-11中，3位（最大显示999）数字液位计面板表的示值是多少？满量程是多少？分辨力是多少？分辨率又约为多少？

4．线性关系

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。这样可使显示仪表的刻度均匀，在整个测量范围内具有相同的灵敏度。如果传感器的输入与输出的关系为非线性关系，可以用计算机予以纠正。

5．迟滞现象

迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度，用计算机逐点测量得到的某

第二章电阻传感器Ⅰ

分析：普通收音机中的音量电位器容易磨损，温度大。底要求时可以用。 检测技术中使用的电位器传感器耐磨程度是普通电位器的数百倍甚至数千倍，温漂也小于万分之一。

电位器传感器外形及电路接线如图2-1和图2-2所示，WDJ22－5型直线式电位器的技术指标如表2-1所示。

图2-1 电位器传感器 a ）圆盘式 b ）直线式

图2-2 直线式电位器传感器的测量转换电路（分压比电路）

图2-2中的电位器输出电压U o 与滑动臂的直线位移成正比，即

i o U L

x

U ?=

（2-1） 对圆盘式来说，U o 与滑动臂的旋转角度成正比：

i o 360

U U ?=

α

（2-2）

表2-1 WDJ22-5型直线式电位器的技术指标

（张力）太大或太小（与卷取速度有关）均影响成品质量。在图2-3中，张力辊由于受到砝码重力，而将棉织品往下拉伸，向下的拉力与张力F成正比。当张力变化时，张力辊将上下移动，摆动杆带动摆动轮产生角位移α，带动圆盘式电位器的转轴旋转。电位器的输出电压U F与α及棉织品的张力F成正比。U F控制驱动卷取辊的伺服电动机，使卷取辊的旋转速度满足恒张力的要求。电位器传感器在这个闭环系统中起负反馈的作用。

图2-3 布料张力测量及控制原理

1－电位器角位移传感器 2-从动轮 3－同步齿形带 4－摆动轮 5－支架6－摆动杆 7－砝码 8－张力辊 9、10－传动辊 11－卷取辊 12-布料

课外学习指导

课堂补充作业打开抽水马桶的蓄水箱，试观察浮球是如何控制水位的。

能否利用电位器传感器测量，并用模拟电压表来显示出油箱的液位？

试画出原理框图。

课外作业

检测教学目标实现

程度

考察学生能否理解一只很简单的电位器传感器能有那些其他用途。

第二章电阻传感器Ⅱ

课题：电阻应变传感器的原理及应用课时安排：2 课次编号：4~5

教材分析

难点：电桥的调零

重点：电阻应变传感器的应用

教学目的和要求1．了解应变效应的原理。

2．了解应变片的类型、结构及其测量转换电路。

3．掌握应变效应的应用。

采用教学方法和实施步骤：讲授、课堂讨论、分析教具：各种应变片

各

教

学

环

节

和

内

容

演示先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的

10.00Ω增大到10.05Ω，如图2-4所示。

图2-4 电阻丝在拉力作用下阻值增大

引出结论：应变效应

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。

在工业中，将试材受力后所产生的长度相对变化量εx＝Δl/l，称为纵向应变

图2-5 电阻丝应变片

a）金属电阻丝式应变片结构 b）制版腐蚀法制作的箔式应变片外形

1－引出线 2－覆盖层 3－基底 4－电阻丝

应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。半导体应变片的灵敏度比金属应变片高几十倍，但一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重，必须考虑温度补偿。

表2-2列出了上海华东电子仪器厂生产的一些应变片的主要技术参数，图2-6为应变片的粘贴过程。

表2-2 应变片主要技术指标

参数名称电阻值

/ 灵敏度

电阻温度系

数

/（1/℃）

极限工作温

度

/℃

最大工作

电流/mA

PZ－120型PJ－120型BX－200型BA－120型BB－350型PBD－1K型PBD－120型120

120

200

120

350

1000±10%

120±10%

1.9～

2.1

1.9～

2.1

1.9～

2.2

1.9～

2.2

1.9～

2.2

140±5%

120±5%

20×10_6

20×10_6

－

－

－

<0.4%

<0.2%

－10～40

－10～40

－30～60

－30～200

－30～170

<40

<40

20

20

25

25

25

15

20

提问：表2-2中，哪几种型号属于半导体应变片？为什么？

三、测量转换电路

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大，所以多使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将电阻的变化转换为输出电压U o。

不平衡电桥测量转换电路如图2-7a所示。电桥的一个对角线结点接入电源电压U i，另一个对角线节点为输出电压U o。

提问：电桥平衡条件是什么？

为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择四个桥臂电阻，使R1R3=R2R4或

R1/R2=R4/R3。

图2-7 桥式测量转换电路

a）基本应变桥路 b）桥路的调零原理

不平衡电桥的分类：

根据不同的要求，应变电桥有3种不同的工作方式。

1）单臂半桥工作方式（R1为应变片，R2、R3、R4为固定电阻，?R2＝?R3＝?R4＝0）；

2）双臂半桥工作方式（R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻，?R3=?R4=0）；

3）全桥工作方式（电桥的四个桥臂都为应变片）。

重点：什么是电桥的调零：

实际使用中，R1、R2、R3、R4不可能严格地成比例关系，所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定能严格为零，因此必须设置调零电路，如图2-7b所示。调节RP，可以使电桥趋于平衡，U o被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R 5是用于减小调节范围的限流电阻。上述的调零方法在电子秤等仪器中被广泛使用。

四、应变效应的应用

1．应变式力传感器

图2-8 应变式测力传感器的几种形式

a）环式 b）环式外形 c）悬臂梁式

解释什么是悬臂梁？

悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁的灵敏度较高，多用于较小力的测量。常见的电子秤中就多采用悬臂梁来测量质量（重量）。

2．应变式荷重传感器

测力或荷重（称重）的传感器很大一部分采用应变式荷重传感器。荷重传感器如图2-11所示，它的输出电压U o正比于荷重F 。

图2-11 荷重传感器结构示意图

a）外形图 b）应变片在承重等截面圆柱上的粘贴位置

图2-12a所示为荷重传感器用于测量汽车质量（重量）的汽车衡的示意图。这种汽车衡便于在称重现场和控制室让驾驶员和计量员同时了解测量结果，并打印数据。

图2-12b所示为荷重传感器用于测量液体质量（液面）的液罐秤的示意图。计算机根据荷重传感器的测量结果，通过电动调节阀分别控制A、B储液罐的液位，并按一定的比例进行混合。

课外学习指导

课堂补充作业

课外作业 2

考察学生能否掌握不同应变片的用途，以及不平衡电桥的调零的概念。检测教学目标实现

程度

第二章电阻传感器Ⅲ

课题：热电阻测温传感器原理及应用课时安排：1 课次编号：5