1、 1.1 检测技术概述 1.2 测量方法1.3 检测系统1.4 检测技术的发展趋势 检测技术是以研究检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论与技术为主要内容的一门应用技术学科。检测技术属于信息科学的范畴，与计算机技术、自动控制技术和通讯技术构成完整的信息技术学科。检测技术研究的主要内容是测量原理、测量方法、测量系统和数据处理四个方面。在测量中，把作为测量对象的特定量，也就是需要确定量值的量，称为被测量，由测量所得到的赋予被测量的值称为测量结果。单次测量所得到的量值，它是确定的，此测量结果常称为测得值。测量方法是指实现测量过程所采用的具体方法。根据测量手段分类直接测量间接测量联立测量根据
2、测量方式分类微差式测量零位式测量偏差式测量 直接测量 在使用仪表进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果，称为直接测量。例如，用磁电式电流表测量电路的支路电流。用弹簧管式压力表测量锅炉压力等。间接测量 有的被测量无法或不便于直接测量，这就要求在使用仪表进行测量时，首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进行测量，然后将测量值带入函数关系式，经过计算得到所需的结果，这种方法称为间接测量。联立测量 在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果，则称这样的测量为联立测量。偏差式测量偏差式测量 在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏角）在测量过程中
3、，用仪表指针的位移（即偏角）决定被测量值，这种测量方式称为偏差式测量。决定被测量值，这种测量方式称为偏差式测量。零位式测量零位式测量 用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表来检测测量系统的平衡状态，并用指零式仪表来检测测量系统的平衡状态，从而判断被测量值等于已知标准量的方法称为从而判断被测量值等于已知标准量的方法称为零位式测量。零位式测量。微差式测量 微差式测量法综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点，而提出的测量方法。这种方法是将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值，然后用偏差法测得此差值。工业检测技术的内容较广泛，常见的工业
4、检测涉及的内容如下表1-1所示。被测量类型被测量类型被测量被测量被测量类型被测量类型被测量被测量热工量热工量温度、热量、比热容、热流、温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面物位、液位、界面物体的性质和物体的性质和成分量成分量气体、液体、固体的化学成分、气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色酸碱度、浊度、透明度、颜色机械量机械量直线位移、角位移、速度、加直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力速度、转速、应力、应变、力矩、
5、振动、噪声、质量（重量）矩、振动、噪声、质量（重量）状态量状态量工作机械的运动状态（启停工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）磨损、堵塞、断裂等）几何量几何量长度、厚度、角度、直径、间长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷材料缺陷电工量电工量电压、电流、功率、电阻、电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能电场强度、材料
6、的磁性能表表1-1 工业检测涉及的内容工业检测涉及的内容1.3检测系统1.3.21.3.2检测系统的组成与功能检测系统的组成与功能 非电量检测系统的结构框图如图1-1所示。它由传感器、信号调理、信号分析与处理或微型计算机等环节组成，或经信号调理环节后，直接显示和记录。1.3检测系统检测系统图1-1 检测系统结构框图 传感器传感器 传感器是将外界信息按一定规律转换成电量的装置，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。我们将在下篇进行重点介绍。信号调理环节信号调理环节 信号调理环节是对传感器输出的电信号进行加工，如将信号放大、调制解调、阻抗变换、线性化、将阻抗变换为电压或电流等等，原始信号经这个环节
7、处理后，就转换成符合要求，便于输送、显示、记录、转换以及可作进一步后续处理的中间信号。显示、记录环节显示、记录环节 显示的方式常用的有：模拟显示、数字显示、图像显示。模拟显示就是利用指针对标尺的相对位置来表示读数。数字显示实际上是一只专用的数字电压表、数字电流表或数字频率计。图像显示使用屏幕显示读数或者被测参数变化的曲线信息分析与处理信息分析与处理 对于动态信号的出路，即动态测量，常常还需要对测得的信号进行分析、计算和处理，从原始的测试信号中提取表征被测对象某一方面本质信息的特征量，以利于对动态过程作更深入的了解。这个领域中采用的仪器有频谱分析仪、波形分析仪、实时信号分析仪、快速傅立叶变换仪等
8、，但计算机技术在信号处理中已被广泛应用。电源电源 检测系统在设计时需要根据使用现场的供电电源情况及检测系统内部电路的实际需要，统一设计各组稳压电源，给系统各部分电路和器件分别提供它们所需的稳定电源。1.3.3检测系统的分类检测系统的分类按被测参数分类按被测参数分类 电气参数：电能、电功率、电压、电流、频率、电 阻、电容、磁场强度、磁通密度等；机械参数：质量、位移、振动、力、应力、力矩、转速、线速度、加速度、噪声、缺陷检查、故障诊断等；过程参数：主要是热工参数，通常可细分为温度、压力、流量、物位、成分分析等。按被测参量的检测转换方法分类按被测参量的检测转换方法分类 电磁转换：电阻式、应变式、压阻
9、式、热阻式、电感式、互感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、霍尔式等；光电转换：光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维等；其他能/电转换：声/电转换（超声波式）、辐射能/电转换（射线式、射线式、射线式）、化学能/电转换（各种电化学转换）等。按使用性质分类按使用性质分类 “标准表”是各级计量部门专门用于精确计量、校准送检样品和样机的标准仪表。“实验室表”多用于各类实验室中，它的使用环境条件较好，往往具有特殊的防水、防尘措施。“工业用表”是长期使用于实际工业生产现场的检测仪表与检测系统。按是否接触被测介质分类按是否接触被测介质分类 接触式检测仪表的检测元件与被测介质直接接触，感受被测量的作
10、用或变化，从而获得测量信号。非接触式检测仪表不直接接触被测介质，而是间接感受被测量的变化达到检测目的。按仪表各环节连接方式分类按仪表各环节连接方式分类 开环式仪表中各环节按开环方式连接，系统中前一环节是后一环节的输入，首尾相接形成测量链，信号由输入端到输出端沿一个方向传递。闭环式仪表又称为反馈式仪表，其最大的特点是整个仪表的传递函数只与反馈环节传递函数有关，而与各串联环节无关，故在很大程度上消除或减少了其他环节的影响。1.不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围2.微电子技术、微处理器与传感器结合，使仪器智能化3.研究多维化、多功能化的仪器4.研究无接触测量技术5.研究新型原理的传感器6.综合
11、测试系统。2.1 误差的基本概念及其分类2.2 随机误差的处理2.3 系统误差2.4 粗大误差2.12.1误差的基本概念及其分类误差的基本概念及其分类真值真值 所谓真值，是指在观测一个量时，该量本身所谓真值，是指在观测一个量时，该量本身所具有的真实大小。所具有的真实大小。真值有理论真值和约定真值之分。真值有理论真值和约定真值之分。根据国际计量委员会通过并发布的各种物理根据国际计量委员会通过并发布的各种物理量参量单位的定义，利用当今最先进科学技术复量参量单位的定义，利用当今最先进科学技术复现这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家现这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家基准，称为约定真值。基准
12、，称为约定真值。被测量的测得值是由所使用的测量器具读数被测量的测得值是由所使用的测量器具读数装置所指示出来的，也称为示值装置所指示出来的，也称为示值x x。误差的定义及表示法误差的定义及表示法 所谓误差就是测得值与被测量的真值之所谓误差就是测得值与被测量的真值之间的差，可用下式表示：误差间的差，可用下式表示：误差=测得值测得值-真真值值 测量误差的表示方法有以下三种：测量误差的表示方法有以下三种：绝对误差绝对误差某量值的测得值和真值之差为绝对误差，某量值的测得值和真值之差为绝对误差，通常简称为误差，即通常简称为误差，即 绝对误差绝对误差=测得值测得值-真值真值 测得值与实际值之差称为示值误差。
13、测得值与实际值之差称为示值误差。示值误差示值误差=测得值测得值-实际值实际值 为消除系统误差用代数法而加到测量为消除系统误差用代数法而加到测量结果上的值称为修正值。将测得值加上修结果上的值称为修正值。将测得值加上修正值后可视为近似的真值，即正值后可视为近似的真值，即 真值真值测得值测得值+修正值修正值2.12.1误差的基本概念及其分类误差的基本概念及其分类相对误差相对误差 绝对误差与被测量的真值之比称为相对误差。绝对误差与被测量的真值之比称为相对误差。因测得值与真值接近，故也可近似用绝对误差与因测得值与真值接近，故也可近似用绝对误差与测得值之比值作为相对误差，即测得值之比值作为相对误差，即%1
14、00%100测得值绝对误差真值绝对误差相对误差在实际中，相对误差有下列表示形式：1、实际相对误差：实际相对误差是用绝对误差与被测量的实际值的百分比值来表示的相对误差。2、示值相对误差：示值相对误差是用绝对误差与器具的示值的百分比值来表示的相对误差。%100实际值绝对误差实际相对误差%100示值绝对误差示值相对误差2.1误差的基本概念及其分类引用误差 用绝对误差与器具的满度值（全量程）的百分比值来表示的相对误差，称为满度相对误差，又称满度误差。%100全量程示值误差引用误差2.1误差的基本概念及其分类 检测仪器的精度等级 仪表的精度等级（准确度等级）就是用仪表的最大引用（满度）误差 来表示，并以
15、 的大小来划分仪表的精度等级G，其定义为：即maxmax%100%maxmaxLxG100maxLxG任何符合计量规范的检测仪器（系统）都满足 仪表的准确度等级只是从整体上反映仪表的误差情况，在使用仪表进行测量时，其测量准确度往往低于仪表的准确度，而且如果被测量的值离仪表的量限愈远，其测量的准确度愈低。因此，为了提高测量准确度，一方面要选择准确度等级G合适的仪表，更应该注意根据被测量x选择量限合适的仪表，一般应使被测量 ，最好使%maxG2Lx 32Lx 2.1误差的基本概念及其分类误差的分类 根据测量误差的性质及产生的原因，可分为三类：随机误差 在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，测量
16、误差的大小和正负符号以不可预知的方式变化，这种误差叫做随机误差，又称偶然误差。随机误差是由很多复杂因素的微小变化的总和所引起的，因此分析比较困难。系统误差 当在一定的相同条件下，对同一物理量进行多次测量时，误差的大小和正负总保持不变或者误差按一定的规律变化，这种误差叫做系统误差。引起系统误差的因素主要有：材料、零部件及工艺缺陷；环境温度、湿度、压力的变化以及其它外界干扰等。可以利用修正值来减小或消除系统误差。粗大误差 在相同的条件下，多次重复测量同一量时，明显地歪曲了测量结果的误差，称为粗大误差，简称粗差。粗差是由于疏忽大意，操作不当，或测量条件的超常变化而引起的。含有粗大误差的测量值称为坏值
17、，所有的坏值都应去除，但不是主观或随便去除，必须科学地舍弃。正确的实验结果不应该包含有粗大误差。2.22.2随机误差的处理随机误差的处理2.2.12.2.1随机误差的概率分布随机误差的概率分布 从测量实践可知，在排除了系统误差和粗大误差的情况下，对某一物理量进行等精度的多次测量时，其测得值中还会含有随机误差。对于测量列中的某一个测得值而言，这类误差的出现具有随机性，即误差的大小和符号是不能预先知道的；当测量次数增大，这类误差却又具有统计的规律性，测量次数愈多，这种规律性就表现得愈明显。随机误差的这种统计规律常称为误差分布律。设在重复条件下对某一被测量 x（真值为A0）进行无限多次测量，得到一系
18、列测得值 x1，x2，xn，若测量误差符合正态分布，则各值出现的概率密度分布可由下列正态分布的概率密度函数来表达 正态分布的测量值x的概率密度 为如果令误差为 ，则上式可改写为称之为概率方程或高斯误差方程。220221Axexf 2222exp212122ef)(xf0Ax图图2-1 2-1 随机误差的概率密度分布曲线随机误差的概率密度分布曲线2.2随机误差的处理随机误差的处理 在对大量的随机误差进行统计分析后，可以总结出在对大量的随机误差进行统计分析后，可以总结出随机误差分布的如下几点特点随机误差分布的如下几点特点：对称性。随机误差可正可负，但绝对值相等的正、负误差出现的次数相同，或者是概率
19、密度分布曲线 对称于纵轴。抵偿性。相同条件下，当测量次数 时，全体误差的代数和为0，亦即 ，或者说，正误差与负误差相互抵消。当测量次数无限多时，误差的算术平均值趋近于零，也就是数学期望为零。这是随机误差最本质的特性。fn01limniin单峰性。绝对值小的误差出现的次数多，绝对值大的误差出现的次数少。换言之，绝对值小的误差比绝对值大的误差的概率密度大，在 处概率最大，即 。有界性。绝对值很大的误差几乎不出现，故可认为随机误差有一定的界限。0 max0ff2.22.2随机误差的处理随机误差的处理图图2-2 2-2 随机误差的正态分布曲线随机误差的正态分布曲线2.2.22.2.2随机误差的数值特征
20、随机误差的数值特征对于离散型或连续型的随机误差，它在数轴上的分布规律，虽可采取分布函数或分布密度及其相应的分布曲线图形来表示，但在实际测量数据处理中，要确定误差的分布函数或分布密度函数是很困难的，一般也是不必要的，若知道了随机误差的数字特征，就能明确地说明随机误差分布的特征。用于描述随机误差分布特性的数值，叫做随机误差的数字特性。2.22.2随机误差的处理随机误差的处理随机误差的数值特征主要有：算术平均值对某一量进行一系列等精度测量，由于存在随机误差，其测得值皆不相同，应以全部测得值的算术平均值作为最后测量结果。设 x1，x2，xn 为 次测量所得的值，则算术平均值 为niinxnnxxxx1
21、2112.22.2随机误差的处理随机误差的处理标准误差 对于全体测量值（等精度的无限测量列）来说，其标准误差 是方差Dx的均方根值，可以表示为对于等精度的有限测量列，其标准误差的计算方法略有不同。当可知真值A0时，标准误差的计算公式与等精度的无限测量列情况类似，仅n为有限值而已。niinniinxnAxnD121201lim1limniin121算术平均值的标准偏差及其估计值如前所述，对于有限等精度测量，可以用有限个观测数据的算术平均值作为测量结果。尽管算术平均值是被测真值的最佳估计值，但由于实际的测量次数有限，算术平均值毕竟还不是真值，它本身也含有随机误差。假设各观测值遵从正态分布，则算术平
22、均值也是遵从正态分布的随机误差。可以证明，算术平均值的标准偏差为nxx)()(2.22.2随机误差的处理随机误差的处理2.2.3测量结果的置信度对于服从正态分布的测量误差，出现在区间a,b 内的概率是 由于正态分布密度函数的对称性，可求得测量误差 出现于区间-l,l 的概率为 dbaPba222exp21dlPllPl2202exp212置信区间定义为：随机变量取值的范围，用符号 l或-ll 表示。由于标准误差 是正态分布的重要特征，为此，置信区间常以 的倍数来表示，即 式中，Z为置信系数，或 （称为置信限）。置信概率定义为：随机变量 在置信区间 内取值的概率，用下列符号表示ZllZ Zl l
23、 dfZPZll置信区间定义置信区间定义图图2-3 2-3 置信区间与置信概率置信区间与置信概率置信系数 取不同典型值时，当Z=1时，置信区间为2倍的标准误差的宽度，即 ；置信概率为 ；置信水平为 。326827.0dfPZ 313173.01ZPZ2.22.2随机误差的处理随机误差的处理当Z=2时，置信区间为 ，置信概率为 ；置信水平为 。当Z=3时，置信区间为 ，置信概率为 ；置信水平为 。2322219545.02PZ2210455.02PZ3703699973.03PZ37010027.03PZ2.3.1系统误差的产生原因系差产生的原因是较复杂的，它可以是某个原因引起的，也可以是几个因
24、素综合影响的结果。主要有：由于测量设备、试验装置不完善，或安装、调整、使用不得当引起的误差。如测量仪表未经校准投入使用。由于外界环境影响而引起的误差。如温度漂移、测量现场电磁场的干扰等。由于测量方法不正确，或测量方法所赖以存在的理论本身不完善引起的误差。如使用大惯性仪表测量脉动气流的压力，则测量结果不可能是气流的实际压力，甚至也不是真正的均值。测量人员方面因素引起误差。如测量者在刻度上估计读数时，习惯偏于某一方向；动态测量时，记录某一信号有滞后的倾向。2.3.12.3.1系统误差的产生原因系统误差的产生原因2.3.22.3.2系统误差的分类系统误差的分类按系统误差的特点，可以分为恒定系统误差和
25、变化系统误差。图2-4所示为各种系统误差随测量过程 变化的特征。图图2-4 2-4 系统误差的变化特征系统误差的变化特征abe恒定系差恒定系差见图2-4中的a。恒定系统误差是指误差的大小和符号恒定不变的误差。例如，工业仪表校验时，标准表的误差会引起被校表的恒定误差；仪表零点的偏高或偏低，观察者读数时的角度不正确（对模拟式仪表而言）等所引起的误差也是恒定误差。变化系差变化系差它是一种按照一定规律变化的系差。根据变化特点又可分为 三种l累积性系差：累积系差是一种在测量过程中，随着时间的增长误差逐渐加大或减小的系差。它可以随时间作线性变化（称线性系差）（见图b），也可以是非线性变化的（见图c），其原
26、因往往是由于元件的老化、磨损以及工作电池的电压或电流随使用时间的加长而缓慢降低等引起的。l周期性系差：周期性系差是指测量过程中误差大小和符号均按一定周期发生变化的系差（见图d）。例如，秒表指针的回转中心偏离刻度盘中心时会产生周期性误差；冷端为室温的热电偶温度计会因室温的周期性变化而产生系差。l复杂变化系差：复杂变化的系差是一种变化规律仍未掌握的系差（见图e）。其上、下限值常常确定了系统不确定度。在某些条件下，它向随机误差转化，可按随机误差处理。例如，微安表的指针偏转角与偏转力矩不能严格保持线性关系，而表盘仍采用均匀刻度所产生的误差等。2.3.32.3.3判断系统误差的方法判断系统误差的方法在测
27、量过程中产生系统误差的原因是复杂的，发现它和判断它的方法也有多种，下面介绍几种常用方法。实验对比法实验对比法这种方法是改变测量条件及测量仪器或测量方法。只适用于发现恒定系差。剩余误差观察法剩余误差观察法根据测量列的各个剩余误差大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。这种方法主要适用于发现变值系差。2.3 系统误差图2-5 剩余误差散点图n马利科夫判据这个判据用于发现累积性系差。首先把剩余误差（残差）Vi按测量列先后顺序排列，并将其前后两部分分别求和，然后取其差值。当n为偶数时 当n为奇数时 nniiniiM1221nniiniiM232112.3 2.3 系统误差
28、系统误差n阿卑赫梅特判据这个判据用以发现周期性系差。首先把残差 按测量列先后顺序排列，并将其依次两两相乘，然后取和的绝对值 若 ，则可认为测量列中存在周期性系差。对于存在变值系差的测量数据，原则上应舍弃不用。但是，其残差的最大值明显地小于测量允许的误差范围或仪器规定的系统误差范围，其测量数据可以考虑使用。若继续测量，则需密切注意误差变化情况。111niiiA21nA2.3 系统误差一、从产生误差根源上消除系统误差 从产生误差根源上消除系统误差是最根本的方法，它要求测量人员对测量过程中可能产生的系统误差的环节作仔细分析，并在测量前就将误差从产生根源上加以消除。首先，应检查测量仪器本身的性能是否符
29、合要求。其次，测量前应仔细检查仪表是否处于正常工作条件。2.3.4系统误差的减小和消除二、用修正方法消除系统误差 在测量之前，应对仪器仪表进行校准或定期进行检定。通过检定，可以用上一级标准（或基准）对仪器仪表进行检定,取得受检仪器的修正值。将修正值 加入测量值x中，即可消除系统误差，求出实际值 由于修正值本身也包含有一定误差，因此用修正值消除系统误差的方法，不可能将全部系统误差修正掉，总要残留少量系统误差，对这种残留的系统误差则应按随机误差进行处理。CxA三、恒定系统误差消除法代替法代替法 代替法的实质是在测量装置上对被测量测量后不改变测量条件，立即用一个标准量代替被测量，放到测量装置上再次进
30、行测量，从而求出被测量与标准量的差值，即 被测量=标准量+差值抵消法抵消法 这种方法要求进行两次测量，以便使两次读数时出现的系统误差大小相等，符号相反，取两次测得值的平均值，作为测量结果，即可消除系统误差。交换法交换法 这种方法是根据误差产生原因，将某些条件交换，以消除系统误差。四、线性系统误差消除法对称法对称法是消除随时间成比例变化的线性系统误差的有效方法，假设误差按照如图2-6所示的斜线规律变化，只要测量时间的各个时间间隔相等则有 3221图图2-6 2-6 对称法对称法五、周期性系统误差消除法半周期法对周期性误差，可以相隔半个周期进行两次测量，取两次读数平均值，即可有效地消除周期性系统误
31、差。周期性系统误差一般可表示为 设=1时，误差为 当2=1+时，即相差半周期的误差为TA2sin112sinTA11122sin2sinTATA取两次读数平均值则有 由此可知半周期法能消除周期性误差。02221212.3 系统误差系统误差2.4.1粗大误差的产生原因u测量人员的主观原因：在测量时不小心、不耐心、不仔细等，从而造成了错误的读数或错误的记录，这是产生粗大误差的主要原因。u客观外界条件的原因：由于测量条件意外地改变（如机械冲击、外界振动等），引起仪器示值或被测对象位置的改变而产生粗大误差。2.4.22.4.2判别粗大误差的准确判别粗大误差的准确在判别某个测得值是否含有粗大误差时，要特
32、别慎重，应作充分的分析和研究，并根据判别准则予以确定。拉依达准则拉依达准则表达式为：（2-27）3 xxb格拉布斯准则格拉布斯准则表达式为：（2-28）式中的判别值 是和测量次数n、超差概率 相关的数值，可通过查表2-1获得。(,)bbbGxxKKn),(nKG表2-1 格拉布斯系数nn0.050.010.050.0131.151.16172.482.7841.461.49182.50 2.8251.671.75192.532.8561.821.94202.562.8871.942.10 212.582.9182.032.22222.60 2.9492.112.32232.622.96102.
33、182.41242.642.99112.232.48252.663.01122.282.55302.743.10 132.332.61352.813.18142.372.66402.873.24152.412.70 502.963.34162.442.751003.173.592.4 2.4 粗大误差粗大误差3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类3.1.1传感器的定义及组成传感器的定义及组成传感器的国家标准定义为能感受（或响应）规定的传感器的国家标准定义为能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信
34、号输出的器件或装被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。置。传感器的通常定义为传感器的通常定义为“能把外界非电信息转换成能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置电信号输出的器件或装置”或或“能把非电量转换成电量能把非电量转换成电量的器件或装置的器件或装置”。传感器由敏感元件、转换元件和测量电路三部分传感器由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图组成，如图3-1所示。所示。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类图图3-1 传感器组成框图传感器组成框图3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类我们所要测量的非电量并不是我们所持有的转我们所要测量的非电量并不是我们所持有的转
35、换元件所能转换的那种非电量，这就需要在转换元换元件所能转换的那种非电量，这就需要在转换元件前面增加一个能把被测非电量转换为该转换元件件前面增加一个能把被测非电量转换为该转换元件能够接受和转换的非电量的装置或器件。这种能把能够接受和转换的非电量的装置或器件。这种能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏感元件。感元件。转换元件所转换得到的电量并不是后面的显示转换元件所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直接利用的。例如，电阻式应变传感记录电路所能直接利用的。例如，电阻式应变传感器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不器把应变转换为电阻变
36、化，电阻虽然属电量，但不能被电压显示仪表所接受。能被电压显示仪表所接受。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类接在转换元件后面具有这种功能的电路，称之为测接在转换元件后面具有这种功能的电路，称之为测量电路或传感器接口电路。例如，电阻应变片接入电桥，量电路或传感器接口电路。例如，电阻应变片接入电桥，将电阻变化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常将电阻变化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。用的测量电路。有些国家和有些学科领域，也将传感器称为变换器、有些国家和有些学科领域，也将传感器称为变换器、检测器或探测器。检测器或探测器。凡能输出标准信号的传感器称为变送器。也就是说，
37、凡能输出标准信号的传感器称为变送器。也就是说，变送器是传感器配接能输出标准信号的接口电路后构成的变送器是传感器配接能输出标准信号的接口电路后构成的将非电量转换为标准信号的器件或装置。将非电量转换为标准信号的器件或装置。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类 国际电工委员会将国际电工委员会将420mA直流电流信直流电流信号和号和15V直流电压信号确定为过程控制系直流电压信号确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。所以变送器通统电模拟信号的统一标准。所以变送器通常就是指将非电量转换为常就是指将非电量转换为420mA直流电直流电流信号的器件或装置。流信号的器件或装置。3.1传感器的定义及分类传感
38、器的定义及分类3.1.2传感器的分类传感器的分类按基本效应按基本效应 传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。分、浓度等转换为电信号的传感器。生物型传感器是利用生物活性物质选择性，识别和测定生物和化学生物型传感器是利用生物活性物质选择性，识别和测定生物和化学物质的传感器。物质
39、的传感器。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类按构成原理按构成原理 按照构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感按照构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。器。物性型传感器是利用其物理特性变化实现信号转换，例如，水银温物性型传感器是利用其物理特性变化实现信号转换，例如，水银温度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化转换成水银柱的高低，实度计是利用水银的热胀冷缩现象把温度的变化转换成水银柱的高低，实现温度的测量。现温度的测量。结构型传感器是利用其结构参数变化实现信号转换，例如变极距型结构型传感器是利用其结构参数变化实现信号转换，例如变极距型电容式传感器是利用
40、极板间距离的变化来实现测量的。电容式传感器是利用极板间距离的变化来实现测量的。按能量转换原理按能量转换原理 根据能量转换原理可分为有源传感器和无源传感器。有根据能量转换原理可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量（如电动势、电荷式传感源传感器将非电量转换为电能量（如电动势、电荷式传感器等），也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和器等），也称为能量转换型传感器。通常配有电压测量和放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属于此类传放大电路，如光电式传感器、热电式传感器均属于此类传感器；感器；无源传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换无源传感器不起能量转换作用，只是将被
41、测非电量转换为电参数的量，也称为能量控制型传感器。如电阻式、电为电参数的量，也称为能量控制型传感器。如电阻式、电感式及电容式传感器等感式及电容式传感器等。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类按输出信号的性质按输出信号的性质 根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器。根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器输出连续变化的模拟信号，数字式传感器输出数即模拟式传感器输出连续变化的模拟信号，数字式传感器输出数字信号。字信号。按输入物理量按输入物理量 根据输入物理量可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、根据输入物理量
42、可分为位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器及流量传感器等。温度传感器及流量传感器等。按工作原理按工作原理 根据工作原理可分为电阻式、电感式、电容式及光电式等。根据工作原理可分为电阻式、电感式、电容式及光电式等。3.1传感器的定义及分类传感器的定义及分类按测量方式按测量方式 分为接触式传感器和非接触式传感器。分为接触式传感器和非接触式传感器。接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感接触式传感器与被测物体接触，如电阻应变式传感器和压电式传感器。器和压电式传感器。非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感非接触式传感器与被测物体不接触，如光电式传感器、红外线传感器、涡流传感器和超声波
43、传感器等。器、红外线传感器、涡流传感器和超声波传感器等。3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性检测系统（传感器）特性主要是指输出与检测系统（传感器）特性主要是指输出与输入之间的关系。输入之间的关系。一个测量系统（仪表或装置），由于输入一个测量系统（仪表或装置），由于输入信号的这种不同性质，就有所谓静态特性和动信号的这种不同性质，就有所谓静态特性和动态特性。态特性。3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.2.1传感器的静态特性传感器的静态特性一、静态测量和静态特性一、静态测量和静态特性 静态测量是指测量过程中被测量保持恒定不变（即静态测量是指测量过程中被测量保持恒定不变（即 系系统处于稳定
44、状态）时的测量。统处于稳定状态）时的测量。静态特性表示测量仪表在被测物理量处于稳定状态时静态特性表示测量仪表在被测物理量处于稳定状态时的输入的输入输出关系。输出关系。输出信号输出信号 与输入信号之间的函数关系，一般用代数方程多与输入信号之间的函数关系，一般用代数方程多项式表示：项式表示：nnxaxaxaxaay332210(3-1)3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性式中，式中，输出量；输出量；输入量（被测量）；输入量（被测量）；零点输出（检测系统的零位零点输出（检测系统的零位值）；值）；理论灵敏度；理论灵敏度；、非线性项系数；非线性项系数；、标定系数，它决定静标定系数，它决定静态特性曲线
45、的形状和位置。态特性曲线的形状和位置。yx0a1a2a3a0a1ana2a3ana3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性这种多项式代数方程可能有多种情况：这种多项式代数方程可能有多种情况：u 理想线性，在这种情况下，理想线性，在这种情况下，因此得，因此得到：到：因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为的灵敏度为 u在坐标原点附近相当范围内输出在坐标原点附近相当范围内输出输入特性基本呈线性。在输入特性基本呈线性。在这种情况下，这种情况下，(3-1)中除线性项外只存在奇次非线性项，即：中除线性项外只存在奇次非线性项，即：对应的曲线为对应的曲线为
46、0320naaaaxay1常数kxya155331xaxaxay xyxy3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u输出输出输入特性曲线不对称，这时输入特性曲线不对称，这时(3-1)中，除线中，除线性项外非线性项只是偶次项，即：性项外非线性项只是偶次项，即：u普遍情况下的表达式是普遍情况下的表达式是(3-1)所对应的特性。所对应的特性。由上可知，传感器的输出不可能丝毫不差地反映被由上可知，传感器的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化，总存在着一定的误差。测量的变化，总存在着一定的误差。44221xaxaxay3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性二、静态特性的校准（标定）条件二、静态特性的校
47、准（标定）条件静态标准条件。静态标准条件。检测系统检测系统(传感器传感器)的静态特性是在静态标准条件下进行的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。静态标准条件是指没有加速度、振校准（标定）的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）；环境温动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）；环境温度一般为室温度一般为室温 ；相对湿度不大于；相对湿度不大于 85%；大气；大气压力为压力为 ()的情况。的情况。C520Pa32.799972.101324mmHg60760 3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u测量范围和量程测量范围和量程1、测量范围：（、测量范围：（、
48、）检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）检测系统所能测量到的最大被测输入量（上限）检测系统所能测量到的最大被测输入量（上限）测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）至最大被测输入量（上限）至最大被测输入量（上限）之间的范围，即（之间的范围，即（、）2、量程：、量程：检测系统测量上限检测系统测量上限 和测量下限和测量下限 之代数差，即之代数差，即 例如：例如：-40100的温度检测系统，其量程为的温度检测系统，其量程为140；又如；又如10g20g的加速度检测系统，其量程为的加速度检
49、测系统，其量程为10g。minxmaxxminxmaxxminxmaxxmaxxminmaxxxLminmaxxxL3.2.2检测系统检测系统(传感器传感器)的静态性能指标的静态性能指标3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u灵敏度灵敏度灵敏度是检测系统在稳态下的输出变化与输入变化比灵敏度是检测系统在稳态下的输出变化与输入变化比值，用值，用K来表示，来表示，即即 由由n个串联环节组成的开环系统如图个串联环节组成的开环系统如图3-2所示。所示。输入量的变化量输出量的变化量dxdyK3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性图图3-2 串联环节组成的开环系统方框图串联环节组成的开环系统方框图若检测
50、系统是由灵敏度不同的若检测系统是由灵敏度不同的 多个相互独立的环节串联而成时，该检测系多个相互独立的环节串联而成时，该检测系统的总灵敏度为各组成环节的灵敏度的乘积。统的总灵敏度为各组成环节的灵敏度的乘积。nKKKKK 321(3-2)3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性u分辨力与分辨率分辨力与分辨率1、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量量 。2、分辨率：全量程中最大的、分辨率：全量程中最大的 即即 与满量程与满量程L之比的之比的百分数。百分数。3、阙值：即零位附近的分辨力、阙值：即零位附近
