1、課程名：課程名：傳感器技術及應用傳感器技術及應用 學學 時：時：4848小時（共小時（共1616課）課） 學學 分：分：2.52.5 課程目的：課程目的：了解常用傳感器的基本原理了解常用傳感器的基本原理 及結構，掌握傳感器的應用技能，達到及結構，掌握傳感器的應用技能，達到 能正確選擇傳感器的目的。能正確選擇傳感器的目的。 課程內容：課程內容： 1 1、檢測與控制技術概述、檢測與控制技術概述 2 2、常用傳感器的基本原理與應用、常用傳感器的基本原理與應用 3 3、傳感器特性實驗、傳感器特性實驗 4 4、自動控制原理、自動控制原理 教材：教材： 現代傳感器技術及應用現代傳感器技術及應用 主編主編:

2、 :秦志強秦志強 電子工業出版社電子工業出版社 出版時間出版時間:2010.5:2010.5 實訓設備：實訓設備： 1.1.現代傳感器綜合實訓裝置現代傳感器綜合實訓裝置 制造商制造商: :深圳市鷗鵬科技有限公司深圳市鷗鵬科技有限公司 生產日期生產日期:2010.5:2010.5 2.2.傳感器實驗儀傳感器實驗儀 制造商制造商: :浙江大學儀器儀表系浙江大學儀器儀表系 生產日期生產日期:2000.10:2000.10 學習評價方式與方法學習評價方式與方法 1.評價方式評價方式:形成性評價形成性評價 課程總成績課程總成績=平時成績平時成績30% +實訓成績實訓成績30% + 實訓考實訓考 核成績核

3、成績40% 2.具體內容及評分標準具體內容及評分標準 (1)平時成績平時成績=考勤考勤 + 課堂表現課堂表現 + 作業作業 (2)實訓成績實訓成績=實訓時，教師全方位觀察每一個學生的每實訓時，教師全方位觀察每一個學生的每 次實訓全過程，注重學生的實訓操作能力，實訓通過，次實訓全過程，注重學生的實訓操作能力，實訓通過， 老師簽名確認，學生每完成一個實訓，就要完成一份實老師簽名確認，學生每完成一個實訓，就要完成一份實 訓報告，教師根據學生實訓完成情況，課后實訓報告的訓報告，教師根據學生實訓完成情況，課后實訓報告的 完成情況，給學生的每次實訓記分，不交報告者不得分。完成情況，給學生的每次實訓記分，不

4、交報告者不得分。 (3) 實訓考核成績實訓考核成績=本課程最后一周組織學生進行實訓考本課程最后一周組織學生進行實訓考 核，學生在已做過的實訓中隨機抽取一個實訓，在規定核，學生在已做過的實訓中隨機抽取一個實訓，在規定 時間內完成操作及簡單報告，獲得實訓考核成績。時間內完成操作及簡單報告，獲得實訓考核成績。 一、目的一、目的 了解測量與誤差的基本概念，掌握傳了解測量與誤差的基本概念，掌握傳 感器的一般分類及特性。感器的一般分類及特性。 二、內容二、內容 1 1、測量的一般知識、測量的一般知識 2 2、誤差理論基礎、誤差理論基礎 3 3、傳感器概述、傳感器概述 4 4、傳感器特性、傳感器特性 一、測

5、量的基本概念一、測量的基本概念 所謂測量所謂測量就是就是 將被測量與測量單位將被測量與測量單位 進行比較，得到被測進行比較，得到被測 量是單位的多少倍，量是單位的多少倍， 并用數字和單位表示并用數字和單位表示 出來。出來。 鳥鳥 的的 身身 高高 h 測量的結果就表示為 h = 8 cm 單位為單位為cm 二、測量方法二、測量方法 直接測量和間接測量2種 (一)直接測量 所謂直接測量所謂直接測量就是能直接得到被測就是能直接得到被測 量的數值的測量方法量的數值的測量方法 如如: :直尺量身高直尺量身高、兩個人比高兩個人比高、天平稱金子。天平稱金子。 直接比較測量法直接比較測量法優點：測量過程簡單

6、、方便優點：測量過程簡單、方便。 二、測量方法二、測量方法 直接測量和間接測量2種 (一)直接測量 所謂直接測量所謂直接測量就是能直接得到被測就是能直接得到被測 量的數值的測量方法量的數值的測量方法 如如: :直尺量身高直尺量身高、兩個人比高兩個人比高、天平稱金子。天平稱金子。 微差測量法微差測量法優點：當已知的精度很高，而且值又接近被量時，優點：當已知的精度很高，而且值又接近被量時， 用較低精度的測量儀，也能得到高精度的測量結果用較低精度的測量儀，也能得到高精度的測量結果。 二、測量方法二、測量方法 直接測量和間接測量2種 (一)直接測量 所謂直接測量所謂直接測量就是能直接得到被測就是能直接

7、得到被測 量的數值的測量方法量的數值的測量方法 如如: :直尺量身高直尺量身高、兩個人比高兩個人比高、天平稱金子。天平稱金子。 零位測量法零位測量法優點：可獲得較高的精度；缺點：是測量中需要優點：可獲得較高的精度；缺點：是測量中需要 進行平衡，測量過程較復雜進行平衡，測量過程較復雜。 二、測量方法二、測量方法 直接測量和間接測量2種 ( (二二) )間接測量間接測量 無法直接進行測量，但可以直接測出邊無法直接進行測量，但可以直接測出邊 長長a、b、c 和質量和質量m，然后利用公式，然后利用公式 如：測量鋁塊的密度如：測量鋁塊的密度 單位為kg/m3 abc m a b c 二、測量方法二、測量

8、方法 直接測量和間接測量2種 提問提問: 1、采用水銀體溫計測量人體溫度時，他屬于哪種測量采用水銀體溫計測量人體溫度時，他屬于哪種測量 方法？方法？ 2、利用超聲波傳感器測量距離時，他屬于哪種測量方利用超聲波傳感器測量距離時，他屬于哪種測量方 法？法？ 答：直接測量法答：直接測量法 答：間接測量法答：間接測量法 一、誤差的基本概念一、誤差的基本概念 要取得任何一個量值， 都必需通過測量來完成。 而任何方法測量的數值 都不可能絕對準確。即 總是有 誤差誤差a b c 理論值理論值=真值真值約定真值代替真值約定真值代替真值 所謂約定真值所謂約定真值就是與真值的差可以忽略不計的值。就是與真值的差可以

9、忽略不計的值。 一、誤差的基本概念一、誤差的基本概念 誤差分類誤差分類 （一）、按表示方法分類（一）、按表示方法分類 1、絕對誤差、絕對誤差 2、相對誤差、相對誤差 -x = x - x0 %100 0 x x 式中：式中： x絕對誤差絕對誤差 x測量結果測量結果 x0 約定真值約定真值 一、誤差的基本概念一、誤差的基本概念 誤差分類誤差分類 （二）、按按性質分類（二）、按按性質分類 1、隨機誤差、隨機誤差 2、粗大誤差、粗大誤差 3、系統誤差、系統誤差 1 1、隨機誤差、隨機誤差 誤什么叫隨機誤差？誤什么叫隨機誤差？ 在相同的條件下，對同一被測量在相同的條件下，對同一被測量 進行多次等精度測

10、量時，由于各種隨進行多次等精度測量時，由于各種隨 機因素的影響，各次測量值之間存在機因素的影響，各次測量值之間存在 一定差異，這種差異就是隨機誤差。一定差異，這種差異就是隨機誤差。 1 1、隨機誤差、隨機誤差 （1 1）隨機變量及概率密度函數）隨機變量及概率密度函數 測量中出現的隨機誤差是大量相互獨立的隨測量中出現的隨機誤差是大量相互獨立的隨 機因素造成的，在測量時無法準確預測每一次測機因素造成的，在測量時無法準確預測每一次測 量結果，而只能估計每一次測量值落入某一區間量結果，而只能估計每一次測量值落入某一區間 的概率有多大。如果將測量值看做一個隨機變量的概率有多大。如果將測量值看做一個隨機變

11、量x x， 那么它落入某一區間（那么它落入某一區間（x x1 1, ,x x2 2）的概率可表示為：）的概率可表示為： ppx x1 1 x xx x2 2=p x =p x x2 - p x x1 1 1、隨機誤差、隨機誤差 （1 1）隨機變量及概率密度函數）隨機變量及概率密度函數 如果如果pxx（- x +)存在非負數的函數存在非負數的函數 f(x) ,使對使對 于任意的實數于任意的實數 x 有有: x ttfxxpd)( 則則 f(x) 稱為隨機變量稱為隨機變量x的概率密度函數的概率密度函數 1 1、隨機誤差、隨機誤差 （2 2）正態分布隨機誤差的性質）正態分布隨機誤差的性質 測量中出現

12、的隨機誤差一般符合正測量中出現的隨機誤差一般符合正 態分布態分布,并具有以下性質并具有以下性質: 1 1、對稱性、對稱性 2 2、單峰性、單峰性 3 3、有界性、有界性 4 4、抵償性、抵償性 1 1、隨機誤差、隨機誤差 （3 3）正態分布隨機變量的數字特征）正態分布隨機變量的數字特征 1、算術平均值、算術平均值 n x x n i i 1 算術平均值是被算術平均值是被 測量真值的最佳測量真值的最佳 估計值。估計值。 1 1、隨機誤差、隨機誤差 （3 3）正態分布隨機變量的數字特征）正態分布隨機變量的數字特征 2、標準偏差、標準偏差 n x n i i n 1 2 0) ( lim - n x

13、 n i i n 1 2 0) ( lim 1 1、隨機誤差、隨機誤差 （3 3）正態分布隨機變量的數字特征）正態分布隨機變量的數字特征 2、標準偏差、標準偏差 標準偏差最佳估計值標準偏差最佳估計值 1 )( 1 2 n xx n i i 1 1、隨機誤差、隨機誤差 標準偏差最佳估計值是如何計算呢？標準偏差最佳估計值是如何計算呢？ 1 )( 1 2 n xx n i i - 例題：例題： 1 1、隨機誤差、隨機誤差 （4 4）置信區間與置信概率）置信區間與置信概率 隨機誤差隨機誤差=x-也是一個隨機變量，也是一個隨機變量， 通常要確定通常要確定落入某一區間（落入某一區間（a,b的概率的概率 多

14、大。多大。 的取值范圍（的取值范圍（a,b稱稱置信區間。置信區間。 而隨機變量在置信區間內取值的概率而隨機變量在置信區間內取值的概率pa b則則 稱稱置信概率置信概率 2 2、系統誤差、系統誤差 在相同條件下，對同一被測量進行多次等精在相同條件下，對同一被測量進行多次等精 度測量時，由于測量儀表不準確、測量方法不完度測量時，由于測量儀表不準確、測量方法不完 善、或環境因素的影響等，造成各次測量值之間善、或環境因素的影響等，造成各次測量值之間 存在一定差異，但各次測量誤差保持為常數或按存在一定差異，但各次測量誤差保持為常數或按 一定規律變化。這種測量誤差就稱為系統誤差。一定規律變化。這種測量誤差

15、就稱為系統誤差。 3 3、粗大誤差（意外誤差）、粗大誤差（意外誤差） 在相同條件下，對同一被測量進行多次等精在相同條件下，對同一被測量進行多次等精 度測量時，有個別測量結果的誤差遠遠大于規定度測量時，有個別測量結果的誤差遠遠大于規定 條件下的預計值。這類誤差一般由于測量者粗心條件下的預計值。這類誤差一般由于測量者粗心 大意或測量儀器突然出現故障等造成。稱之為粗大意或測量儀器突然出現故障等造成。稱之為粗 大誤差（或寄生誤差）大誤差（或寄生誤差） 五、測量數據的誤差五、測量數據的誤差 自自 學學 直接測量數據的誤差分析直接測量數據的誤差分析 一、傳感器的定義和作用一、傳感器的定義和作用 廣義地說：

16、廣義地說： 傳感器是指能感知某一物理量、化學量傳感器是指能感知某一物理量、化學量 或生物量等信息，并能將之轉化為可以利用或生物量等信息，并能將之轉化為可以利用 的信息的裝置。的信息的裝置。 狹義地說：狹義地說： 感受被測量，并按一定規律將其轉化感受被測量，并按一定規律將其轉化 為同種或別種性質的輸出信號的裝置。為同種或別種性質的輸出信號的裝置。 二、傳感器的分類二、傳感器的分類 （一）按被測量分類（一）按被測量分類 溫度、壓力、流量、位移、速度等傳感器溫度、壓力、流量、位移、速度等傳感器 （二）按工作原理分類（二）按工作原理分類 電阻式、電感式、電容式、諧振式、阻抗式、電阻式、電感式、電容式、

17、諧振式、阻抗式、 磁電式、熱電式、光電式、霍爾式等傳感器。磁電式、熱電式、光電式、霍爾式等傳感器。 （三）按輸出信號的性質分類（三）按輸出信號的性質分類 開關式、模擬式（脈沖、連續）、數字式等傳開關式、模擬式（脈沖、連續）、數字式等傳 感器感器 三、傳感器的組成三、傳感器的組成 非電量 電量 敏感元件轉換元件測量電路 輔助電源 敏感元件敏感元件是指傳感器中能直接感受是指傳感器中能直接感受(或響應或響應)與撿出被測對象的與撿出被測對象的 待測信息待測信息(非電量非電量)的部分。的部分。 轉換元件轉換元件是指傳感器中能將敏感元件所感受是指傳感器中能將敏感元件所感受(或響應或響應)出的信息出的信息

18、直接轉換成電信號的部分。直接轉換成電信號的部分。 三、傳感器的組成三、傳感器的組成 非電量 電量 敏感元件轉換元件測量電路 輔助電源 傳感器一般由傳感器一般由敏感元件敏感元件、傳感（轉換）元件傳感（轉換）元件、 測量電路測量電路和和輔助電源輔助電源等四部分組成等四部分組成 四、傳感器的發展超勢四、傳感器的發展超勢 （一）新材料的開發、應用（一）新材料的開發、應用 （二）新工藝、新技術的應用（二）新工藝、新技術的應用 （三）利用新的效應開發新型傳感器（三）利用新的效應開發新型傳感器 （四）傳感器的多功能化（四）傳感器的多功能化 （五）傳感器的集成化（五）傳感器的集成化 （六）傳感器的智能化（六）

19、傳感器的智能化 1 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性 2 2、傳感器的動態特性、傳感器的動態特性 1 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性 當輸入信號不隨時間變化時輸出信號與輸當輸入信號不隨時間變化時輸出信號與輸 入信號的關系稱為入信號的關系稱為傳感器的靜態特性傳感器的靜態特性 x y 0 a1 在理想的情況下，傳感器的輸出在理想的情況下，傳感器的輸出 量量y y與輸入量與輸入量x之間應為線性關系，其之間應為線性關系，其 靜態特性可表示為：靜態特性可表示為： y y = = a a1 1 x x 1 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性 常用的傳感器靜態性指標包括：常用的傳感器靜態性

20、指標包括： （1）靈敏度）靈敏度 （2）精確度）精確度 （3）測量范圍與量程）測量范圍與量程 （4）線性度誤差）線性度誤差 （5）滯后量）滯后量 （6）重復性）重復性 1 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性 （1）靈敏度）靈敏度 （有單位的量有單位的量） 傳感器的靈敏度傳感器的靈敏度k是指達到穩定工作狀態時，輸是指達到穩定工作狀態時，輸 出變化出變化y與引起此變化的輸入量的變化量與引起此變化的輸入量的變化量x之比，之比， 即：即： x y k 靈敏度越大越好靈敏度越大越好 1 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性 （2 2）精確度）精確度 傳感器的精確度是指傳感器的輸出傳感器的精確度是指

21、傳感器的輸出 指示值與被測量約定值的一致程度，它指示值與被測量約定值的一致程度，它 反映了傳感器測量結果的可靠程度。反映了傳感器測量結果的可靠程度。 1 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性 （3）測量范圍與量程）測量范圍與量程 指按其標定的精確度可進行測指按其標定的精確度可進行測 量的被測量的變化范圍，而測量范量的被測量的變化范圍，而測量范 圍的上限值圍的上限值ymax與下限值與下限值ymin之差就之差就 是傳感器的量程是傳感器的量程ym， 即：即： ym= ymax -ymax 測量范圍：測量范圍： -2080 量程：量程：100 -20 80 1 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性

22、 （4）線性度誤差）線性度誤差 實際的靜態特性曲實際的靜態特性曲 線與規定直線之間，在線與規定直線之間，在 垂直方向上的最大偏差垂直方向上的最大偏差 與最大輸出的百分比與最大輸出的百分比 %100 )( % max max y yl l ymax ao 0 xmax x y (yl)max 1 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性 （5 5）滯后量：）滯后量：正反行程中輸出正反行程中輸出 / /輸入不重合的程度輸入不重合的程度當輸入信號當輸入信號 逐漸增大，而后又逐漸減小逐漸增大，而后又逐漸減小 時對應同一信號值會出現不時對應同一信號值會出現不 同的輸出信號，在全量程范圍同的輸出信號，在全量

23、程范圍 內對應于同一輸入信號的前內對應于同一輸入信號的前 后兩個輸出信號的最大差值為后兩個輸出信號的最大差值為 h，滯后量可用，滯后量可用h對滿量程輸出對滿量程輸出 為為yn百分比表示。百分比表示。 %100 n r y h x yn h y 0 h-h-越小越好越小越好 五、傳感器的特性五、傳感器的特性 1 1、傳感器的靜態特性、傳感器的靜態特性 （6 6）重復性：）重復性： 表示輸入量按同一方向表示輸入量按同一方向(增加或減小增加或減小)變化時，在變化時，在 全量程范圍內，重復進行測試時，所得到的各特性曲全量程范圍內，重復進行測試時，所得到的各特性曲 線的重復程度，一般用線的重復程度，一般用輸出最大不重復誤差輸出最大不重復誤差與滿量與滿量 程程的百分比表示。的百分比表示。 yfs rmx1 x y 0 %100 max fs r y r 2 2、傳感器的動態特性、傳感器的動態特性 當輸入信號隨時間變化時，輸出信號當輸入信號隨時間變化時，輸出信號 與輸入信號的關系稱為傳感器的與輸入信號的關系稱為傳