传感器及检测技术教学设计2检测技术与传感器的认知.docx
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传感器及检测技术教学设计2检测技术与传感器的认知
项目一检测技术与传感器的认知
教学目的：
1.能掌握检测技术与传感器的基本概念。
2.能了解检测技术与传感器的作用、地位和发展方向。
3.能掌握传感器的组成及各组成部分的作用。
4.能掌握误差的基本概念，熟悉几种测量误差的定义和表示。
5.能区分各种测量误差并进行处理。
6.能掌握传感器的基本特性和传感器的选用原则。
课型：
新授课
课时：
3个任务，安排6个课时。
教学重点：
认识传感器的定义、组成（非电量被测量、敏感元件非电量、转换元件电参量、转换电路电量输出量）、传感器的分类；误差的概念以及测量方法、误差的来源、误差的表示法、误差的分类以及处理；传感器的静态特性和动态特性、以及如何选用传感器，他的选择原则。
教学难点：
传感器组成（非电量被测量、敏感元件非电量、转换元件电参量、转换电路电量输出量）、传感器的各项分类；测量的基本方法、学会直接测量和间接测量、联立测量、测量方法按测量分类有偏差法、零位法和微差法；测量误差的概念，误差的来源、测量误差的表示法、测量误差的分类以及误差的处理。
教学过程：
1.教学形式：
讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。
2.教学媒体：
采用启发式教学、案例教学等教学方法。
教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。
作业处理：
完成项目后的思考题。
板书设计：
本课标题
检测技术与传感器的认知
课次
2
授课方式
理论课□讨论课□习题课□其他□
课时安排
6
学分
共2分
授课对象
院系、专业：
任课教师
教学基本内容
教学方法及教学手段
课堂导入
上节课学习了传感器的基本构成，那它是怎么工作的，具有怎样的特性呢？
参考以下形式：
1.衔接导入
2.悬念导入
3.情景导入
4.激疑导入
5.演示导入
6.实例导入
7.其他形式
基本知识汇总
任务一传感器的认知
（一）传感器的定义
根据国家标准（GB/T7665—2005）《传感器通用术语》，传感器（transducer/sensor感觉）的定义为：
“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测量的敏感元件和产生可用的输出信号的转换元件以及相应的电子线路所组成。
”这一定义表述了传感器的主要内涵，包括了以下含义：
① 测量器件或装置——完成信息的获取任务。
② 输入量——感受规定的被测量。
它可以是物理量、化学量、生物量等，但不能受其他量的影响。
例如，温度传感器只能用来测温，不能受其他物理量的影响。
③ 输出量——可用的输出信号，即某种便于传输、转换、处理和显示的信号。
它可以是光、气或电量等。
④ 输入输出间具有“一定规律”——输入与输出是对应关系，应具有一定的精确度。
由于电学量（电压、电流、电阻等）便于测量、转换、传输和处理，因此传感器一般都是以电量输出的，以至于可以简单地说：
传感器是一种以一定的精确度把非电量转换为电量的器件或装置。
（二）传感器的组成
传感器从字面上理解，具有一感二传的功能，即感受被测信息，再传送出去，因此，传感器由敏感元件和转换元件组成。
但由于它的输出信号较弱，因此需要由后续的信号调节与转换电路进行放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的信号。
随着半导体和集成电路技术的发展，传感器的信号调节与转换电路往往直接安装在传感器的壳体里或与敏感元件、转换元件一起集成在同一芯片内，这样，传感器就由敏感元件、转换元件和转换电路组成。
1、敏感元件
敏感元件是直接感受被测量、并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
它是传感器技术的核心，是设计和制作传感器的关键。
2、转换元件
转换元件是将敏感元件的输出量转换成电路参数量的元件。
3、转换电路
转换电路是将电参量转换成可直接利用的电信号的电路
需要说明的是有些被测非电量可直接变换为电参量，这时传感器中的敏感元件和转换元件就合二为一了。
1．本课程是机电一体化、自动控制、电气自动化、应用电子等专业的一门专业课程。
要求学生能认识常用传感器，掌握其工作原理、输出特性、误差补偿，理解各种测量转换电路，了解传感器的典型应用等知识，达到能正确使用常用传感器的目的。
2．检测技术的主要内容包括了自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理。
需要一定的测量理论、测量方法，相应的测量工具、装置，以及对测量结果进行正确的处理分析。
它涵盖了传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以及电量间的互相转换技术等。
3．本课程教学内容的组织与安排：
由实例引入，按照“任务提出”“相关知识”“任务实施”“其他案例”“训练一下”几个部分递进完成。
采用任务引领的项目课程教学，将检测技术与传感器的技能和知识点融入项目的工作任务之中，在符合工作过程的基础上，充分考虑了学习者的认知心理过程，将课程内容划分为九个项目，再具化为多个工作任务的教学内容。
从检测的对象着手，选择合适的传感器，通过认识该类传感器的外形、性能指标，再到测量原理的介绍，在掌握基本知识的基础上，介绍相应的测量转换电路、信号处理电路，来完成该类检测任务。
再安排一个训练，供学习者在实践中掌握知识、提高技能。
（三）传感器的分类
传感器的种类繁多，即使同一种被测量也可以用不同类型的传感器来测量，如位置检测，可以用光电、磁电、电感、电容等多种传感器进行测量；而一种传感器又可测量多种物理量，如电容式传感器可用来测位移、压力、荷重、加速度等。
因此，传感器的分类方法很多，常用的分类方法有：
1、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，它能够很方便地表示传感器的功能，便于用户的使用。
可以分为温度、压力、位移、转速、加速度、位置、湿度、气体浓度、流量、流速等传感器。
2、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、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。
3、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
（1）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。
如热电偶、压电片、光电池等传感器。
（2）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、电容式、电感式等传感器。
4、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。
结构型：
通过传感器的结构参量发生变化实现信号变换。
如电容式传感器根据两极板的间距或面积发生变化从而使电容量改变。
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号变换。
如压电传感器是利用石英晶体的压电效应实现测量的。
任务二测量误差的认知及处理
一测量的概念及方法
（一）测量的概念
测量是人们认识和改造客观世界的一种必不可少的重要手段。
它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过程。
测量的结果包括数值大小和测量单位两个部分。
数值的大小可以用数字表示，也可以用曲线或图形表示，但都必须标明单位，否则测量结果没有任何意义。
测量的步骤包括比较、示差、平衡和读数四个步骤。
以天平测量为例：
① 比较：
被测量和标准量（砝码）分别放到天平两边秤盘上比较。
② 示差：
观察指针位置的变化值，即示差。
③ 平衡：
调整砝码数值，使之平衡。
（二）测量方法
测量方法是实现测量过程所采用的具体方法。
1、按测量手续分类
（1） 直接测量
直接测量是用精度较高的设备直接对被测量进行测量并得到测量结果。
例如：
温度计测温、万用表测电压、卡尺测工件的长度等。
特点：
直接测量过程中不需要进行任何运算，简单而迅速，但是测量精度往往不容易达到很高。
（2） 间接测量
间接测量是在使用仪表进行测量时，首先对与被测量有函数关系的几个量进行测量，将测量值代入函数关系式，经过计算得到测量所需要的结果。
例如 ① 测功率P=IU时，先分别测出I和U的值，再通过功率P=IU的函数关系计算得到功率P。
② 测温度时，物质电阻率随温度而变化，因此可通过测物体的电阻值而得到温度值。
特点：
手续较多，花费时间较长。
通常用于不能直接测量或没有直接测量的仪表的场合。
（3） 联立测量
联立测量是被测量与多个元素有关，必须经过求解联立方程组才能得到最后的结果。
进行联立测量时，一般要改变测试条件才能获得一组联立方程所需的数据。
特点：
手续复杂，花费时间长，仅适用于科学实验或特殊场合
2、按测量方式分类
（1） 偏差法
偏差法是在测量过程中，用仪表指针的位移决定被测量的测量方法。
这种方法的仪表内没有标准量具，只有经过标准量具校正过的标尺或刻度盘。
例如：
用弹簧秤称重量；用电压表测量电压。
特点：
测量过程简单而迅速，但是测量结果的精度较低。
（2） 零位法
零位法是在测量过程中，用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零仪表的零位指示测量系统的平衡状态，在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法。
这种方法的测量系统内具有标准量具，测量误差取决于标准量具的误差。
例如：
天平称重。
特点：
可以获得较高的测量精度，指零机构越灵敏测量分辨率越高。
这种测量过程比较复杂，只适合于测量静态或缓变信号。
（3） 微差法
微差法是零位法和偏差法的组合。
将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值后,再用偏差法测得此值。
特点：
反应快，测量精度较高。
二测量误差的认知
（一） 测量误差的基本概念
1、测量误差
测量误差是检测结果与被测量的客观真值之间的差值。
2、真值
真值是在确定的时间、地点和状态下，被测量表现出来的实际大小。
真值是客观存在的，又是未知的。
3、标称值
标称值是计量或测量器具上标注的量值，如标准砝码上标出的1kg。
4、示值
示值是由测量仪器给出或提供的量值，也称测量值。
5、精确度（精度）
精确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合，表示测量结果与真值的一致程度。
6、重复性
重复性是在相同条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的一致性。
7、误差公理
误差公理是指一切测量都具有误差，误差自始至终存在于所有科学实验的过程之中。
（二） 测量误差的来源
在测量过程中，误差的来源主要有以下几个方面：
1、测量装置误差
测量装置误差包括传感器和测量仪器仪表的误差、标准件的误差以及装卡附件的误差。
传感器和测量仪器仪表的误差如设计、制造误差；标准件的误差如标准量块、标准线纹尺、标准电池、标准电阻、标准砝码等所体现量值的误差；装卡附件的误差如装卡定位等造成的误差
2、测量方法误差
测量方法不完善或测量所依据的理论公式本身的近似性引起的误差。
3、环境误差
各种环境因素与规定的标准状态不一致而引起的测量装置和被测量本身的变化所造成的误差。
如温度、湿度、气压、振动、照明、电磁场等所引起的误差。
4、人员误差
测量人员因技术能力、工作疲劳、固有习惯等因素引起的误差。
它的大小取决于测量人员的操作技能和其他主观因素。
（三） 测量误差的表示法
1绝对误差
绝对误差Δx是指被测量的指示值ｘ与真值x0之间的差值。
绝对误差Δx=指示值x－真值x0（11）
由于真值是未知的，实际应用时用标准表的测量值代替真值，称为实际值x0。
绝对误差Δx=指示值x－实际值x0（１2）
绝对误差是一个有符号、大小、量纲的物理量。
绝对误差可用来评价相同被测量的测量精度，绝对误差越小，指示值越接近真值，测量精度越高。
但这一结论不适用于不同值的测量精度。
三测量误差的分类
（一） 按测量误差出现的规律分类
测量误差按其产生的原因、出现的规律及其对测量结果的影响，可分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。
1、系统误差
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变，或在条件改变时，遵循一定规律变化的误差。
系统误差的产生原因是由测量仪器、量具本身制造、安装、调整或者是使用方法不当造成的。
系统误差表明测量结果的准确度，即仪表指示值有规律地偏离真值的程度。
系统误差越小，测量结果准确度越高。
2、随机误差
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律变化的误差。
随机误差的产生原因是由周围环境的随机因素引起的。
随机误差的大小表明测量结果重复一致的程度，即分散性，通常用精密度表示。
随机误差越大，测量结果越分散，精密度就越低。
测量的精密度和准确度的综合反映，可用精确度（简称精度）来表示。
3、粗大误差
粗大误差是明显歪曲测量结果的误差。
粗大误差的产生原因是由于外界重大干扰、仪器仪表故障或人为因素等造成的。
含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值，应剔除。
（二） 按被测量与时间的关系分类
测量误差按被测量与时间的关系可分为静态误差与动态误差两大类。
1、静态误差
静态误差是在被测量不随时间变化时测得的测量误差。
2、动态误差
动态误差是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。
它的大小为动态中测量和静态中测量所得误差值的差值。
四测量误差的分类
测量误差的处理
（一） 系统误差的处理
系统误差的特点是其出现的有规律性，因此对系统误差的处理可通过理论分析和实验方法来确定，采用修正值或补偿矫正的方法进行消除或减小。
1、测量前采用的方法
① 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。
例如，发现测量值中系统误差的来源是传感器的零位误差，则可采取相应措施调整零位。
② 采用修正方法来消除。
在测量前，送计量部门鉴定或通过标准的仪器设备比对，得到修正值。
在测量中，只要在测量值中加入修正值，就可以消除或减小系统误差。
2、测量中采用的方法
（1） 交换法
在测量中将引起系统误差的某些条件相互交换，而保持其他条件不变，使引起系统误差的因素对测量结果起相反的作用，从而抵消系统误差。
（2） 抵消法
改变测量中的某些条件，使得前后两次测量结果的误差相反，取其平均值以消除系统误差。
（3） 替代法
在测量条件不变的情况下，用已知量替换被测量，达到消除系统误差的目的。
（4） 对称测量法
对称测量法用于消除线性变化的系统误差。
事实上，很多随时间变化的系统误差，在短时间内均可看成线性变化的。
复杂变化的系统误差，短时间内也可近似作为线性系统误差。
因此，一切精密实验均可采用对称测量法。
t1时：
a=T+ε1t2时：
x=T+ε2+δ
t3时：
x′=T+ε3+δt4时：
a′=T+ε4
由于t2-t1=t4-t3，则有ε2-ε1=ε4-ε3，
得到δ=x+x′2-a′+a2
所以误差测量值不受线性变化的系统误差ε的影响。
（5） 补偿法
在系统中采取补偿措施，自动消除系统误差。
例如：
用热电偶测温时，冷端温度的变化会引起系统误差。
在系统中采用补偿电桥，就可以自动消除误差。
（二） 随机误差的处理
存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，但就误差的整体而言是服从一定的统计规律的。
因此通过增加测量次数，利用概率论的一些理论和统计学的一些方法，可以掌握看似毫无规律的随机误差的分布特性，并进行测量结果的数据统计处理。
（三） 粗大误差的处理
在测量数据中发现有异常数据时，一般从以下两方面来考虑：
1、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据。
这种判断无严格规则，属于定性判断。
2、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，以确定该异常值是否应剔除。
在工程上常用拉依达准则（3σ准则）来判断粗大误差。
拉依达准则是依据对于服从正态分布的等精度测量，其某次测量值与真值的误差大于3σ的可能性仅为0．27％，因此将测量误差大于3σ的测量值作为坏值予以剔除。
实际应用中，用算术平均值替代真值，则拉依达准则表达式为：
Δxk=xk-x->3σ（１12）
此时测量值xk为坏值，应予剔除。
任务三传感器的特性及选用认知
一、传感器的特性
传感器的特性主要是指输入与输出的关系，包括静态特性和动态特性两类。
（一） 静态特性
定义：
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与时间无关。
这样确定的检测装置的性能参数称为静态特性。
静态特性主要由以下性能指标来描述。
1、线性度
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）之间的最大偏差与传感器满量程输出值的百分比，
2、迟滞性
迟滞性又称回差或滞后，表示传感器与检测系统在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输入输出特性曲线之间最大差值与传感器满量程输出值的百分比，
3、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
4、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能力。
当输入量x有一个变化量Δx时，引起输出量y有相应的变化量Δy，则输入变化量与输出变化量之比称为灵敏度。
（二） 动态特性
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性。
其通常是用实验方法求得的。
二传感器的选用认知
（一） 传感器的选择要求
由于传感器在原理与结构上千差万别，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用。
如何合理选用传感器，是应用时首先要解决的问题。
一般传感器的选择应根据测量对象与测量环境，从测试条件与目的、传感器的性能指标、传感器的使用条件、数据采集和辅助设备配套情况，以及价格、备件和售后服务等多种因素综合考虑。
（二） 传感器的选用原则
在现代社会，传感器得到了广泛应用。
各类传感器性能技术指标很多，如果要求一个传感器具有全面良好的性能指标，不仅可能给设计、制造带来困难，而且在实际应用中也没有必要。
因此应根据实际需要与可能，在确保主要指标实现的基础上，放宽对次要指标的要求，以达到高的性能价格比。
传感器选用总的原则是：
在满足检测系统对传感器所有要求的情况下，价格低廉、工作可靠、容易维修。
在具体选用传感器时，可按下列步骤进行：
① 借助传感器分类表，按被测量的性质，从典型应用中初步确定几种可供选用的传感器的类别。
② 借助常用传感器比较表，按被测量的范围、精度要求、环境要求等确定传感器类别。
③ 借助传感器的产品目录、选型样本，最后查出传感器的规格、型号、性能和尺寸。
以上步骤仅供广大读者对一般常用传感器选择时参考。
讨论题、思考题：
围绕本项目主题做情景模拟训练，以增强理解，加深印象。
可以参考教材、资料包、或者其他案例。
课后小结：
本项目着重讨论的是传感器的定义、分类组成。
测量误差的方法、定义、分类和误差来源和误差的处理。
传感器的各项特性和选用原则。
作业：
1.什么是传感器？
2． 传感器由哪几部分组成？
各部分的作用是什么？
3． 描述测量的步骤和结果。
联系实际举例说明。
4． 直接测量有几种方法？
它们各自的定义是什么？
5． 描述误差的分类及处理的方法。
举出误差的实例并说明如何消除的。
6． 传感器有哪些基本特性？
它们有何实际意义？
7． 一线性位移测量仪，当被测位移由5mm变为8mm时，输出电压由3V变为4．5V，求仪器的灵敏度。
8． 有一温度计，它的测温范围为0～100℃，精度为0．5级，求：
（1） 该表可能出现的最大绝对误差。
（2） 当示值分别为20℃、80℃时的示值相对误差。
9．有三台测温仪表，量程均为0～600℃，精度等级分别为1．0级、10．5级和2．5级，要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2．5％，选用哪台仪表合适？
10．欲测240V左右的电压，要求测量示值相对误差的绝对值不大于0．6％。
问：
若选用量程为250V的电压表，其精度应选择哪一级？
若选用量程为300V和500V的电压表，其精度应分别选哪一级?
11．简述传感器的技术指标和选用原则。
说明：
1. 每项页面大小可自行添减，可按节或课设计填写。
2. 课次为授课次序，填1、2、3……。
3. 授课方式主要包括填理论课、实验课、讨论课、习题课等。
4. 方法及手段如：
举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音像讲解等。
5.其他内容要求结构完整，逻辑清晰，具体详细。
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