传感器与检测技术全册配套完整教学课件.ppt

1、传感器与检测技术全册配套 完整教学课件 2020年年9月月17日星期四日星期四 第1 1章 检测技术基本知识 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.2 测量误差及其分类测量误差及其分类 2 1.1 测量概述测量概述 1 1.3 传感器基本知识传感器基本知识 3 1.4 检测系统的组成检测系统的组成 4 2020年年9月月17日星期四日星期四 知识目标：知识目标： （1）了解测量的基本概念和方法。）了解测量的基本概念和方法。 （2）掌握各种测量误差的使用。）掌握各种测量误差的使用。 （3）熟悉传感器的结构、组成及基本特性。）熟悉传感器的结构、组成及基本特性。 教学目标教学目标 技能目标：技

2、能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的传感器。）能够根据检测要求选择合适的传感器。 （2）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传 感器检测电路。感器检测电路。 （3）能够正确维护常用电子检测设备。）能够正确维护常用电子检测设备。 2020年年9月月17日星期四日星期四 情感目标：情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨 的工作作风。的工作作风。 （2）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。 教学重难点教学重难点 教学重点：教学重点： 检测和传感

3、器的含义及其基本内容检测和传感器的含义及其基本内容。 教学难点：教学难点： 传感器的特性。传感器的特性。 2020年年9月月17日星期四日星期四 利用各种物理、化学效应，选择合适的方利用各种物理、化学效应，选择合适的方 法与装置，将生产、科研、生活等各方面的法与装置，将生产、科研、生活等各方面的 有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性 或定量结果的过程称为检测技术。或定量结果的过程称为检测技术。 检测技术就是利用传感器，将生产科研需检测技术就是利用传感器，将生产科研需 要的电量和非电量信息转化成为易于测量、要的电量和非电量信息转化成为易于测量、 传输、显示

4、和处理的电信号的过程。传输、显示和处理的电信号的过程。 检测（检测（Detection）定义：）定义： 2020年年9月月17日星期四日星期四 例：曹冲称 象 方法方法：比较法；：比较法； 装置装置：船、石头、小秤；：船、石头、小秤； 测量测量，从而得到：，从而得到： 定量定量的结果。的结果。 2020年年9月月17日星期四日星期四 传感器技术是新技术革命呾信息社会癿重要技术基础，是现代科技癿开路先锋，也是当代科学技术収展 癿一个重要标志，它不通信技术、计算机技术构成信息产业癿三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑 癿扩展，那么传感器就是人类五官癿延伸，当集成电路、计算机技术飞速収展时，人们才逐

5、步认识信息 摄叏装置传感器没有跟上信息技术癿収展而惊呼“大脑収达、五官丌灵”。 2020年年9月月17日星期四日星期四 传感器处于研究对象不测控系统癿接口位置，是感知、获叏不检测信息癿窗口。在一切科学实验呾生产 过程中，特别是在自动检测呾自动控制系统中获叏癿信息，都要通过传感器轩换为易于传辒不处理癿电 信号。 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.1 测量概述测量概述 测量系统：测量系统： 在工程中，需要将传感器与多台仪表组合在一起，在工程中，需要将传感器与多台仪表组合在一起， 才能完成信号的检测，这样便形成了测量系统。才能完成信号的检测，这样便形成了测量系统。 信息采集的主要含义：信息

6、采集的主要含义： 测量以及取得结果测量以及取得结果 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.1.1 测量的定义测量的定义 测量：将被测量与同种性质的标准量进行比较，从测量：将被测量与同种性质的标准量进行比较，从 而确定被测量相对于标准量的倍数的过程。而确定被测量相对于标准量的倍数的过程。 （1-1） 式中，式中， x为被测量；为被测量；A为测量值；为测量值；x0为标准量。为标准量。 0 Axx 测量是检测技术的重要组成部分，是以确定被测量测量是检测技术的重要组成部分，是以确定被测量 值为目的的一系列操作。值为目的的一系列操作。 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.1.2 测量方法的

7、分类测量方法的分类 测量方法：指实现被测量与标准量比较得出比值的方法。测量方法：指实现被测量与标准量比较得出比值的方法。 按按 测测 量量 过过 程程 的的 特特 点点 直接测量法直接测量法 间接测量法间接测量法 组合测量法组合测量法 按按 测测 量量 仪仪 表表 的的 特特 点点 接触测量法接触测量法 非接触测量法非接触测量法 按按 测测 量量 对对 象象 的的 特特 点点 静态测量静态测量 动态测量动态测量 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.直接测量直接测量法 电子卡尺 2020年年9月月17日星期四日星期四 2.间接测量法间接测量法 用直接测量法测得与被测量有确定函数关系的一些

8、物理量，经过计算求用直接测量法测得与被测量有确定函数关系的一些物理量，经过计算求 得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。 2020年年9月月17日星期四日星期四 3.接触测量接触测量 法法 2020年年9月月17日星期四日星期四 4.非接触测量 法 例： 雷达测速 车载电子警察 2020年年9月月17日星期四日星期四 5.静态测量法 2020年年9月月17日星期四日星期四 2020/9/17 18 温度计 对缓慢变化的对象进行测对缓慢变化的对象进行测 量亦属于静态测量。量亦属于静态测量。 2020年年9月月17日星期四日星期四 6.动态测量法动态测量法 地震测

9、量 振动波形 2020年年9月月17日星期四日星期四 示波器 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.2 测量误差及其分类测量误差及其分类 1.2.1 测量误差的概念测量误差的概念 测量误差：测量误差： 测量值与被测量的真值之间的差异。测量值与被测量的真值之间的差异。 真值：真值： 是指在一定的时间及空间是指在一定的时间及空间(位置或状态位置或状态)条件下，被测条件下，被测 量所体现的真实数值。量所体现的真实数值。 真真 值值 理论真值理论真值 约定真值约定真值 相对真值相对真值 2020年年9月月17日星期四日星期四 1）理论真值）理论真值 理论真值又称为绝对真值，是指在严格的条件下，根

10、据一定理论真值又称为绝对真值，是指在严格的条件下，根据一定 的理论按定义确定的数值。如三角形的内角和恒为的理论按定义确定的数值。如三角形的内角和恒为180。 2）约定真值）约定真值 约定真值是指用约定的办法确定的最高基准值，它被认为充约定真值是指用约定的办法确定的最高基准值，它被认为充 分接近于真值，因而可以代替真值来使用。如基准“米”的分接近于真值，因而可以代替真值来使用。如基准“米”的 定义为光在真空中定义为光在真空中1/299 792 458 s的时间间隔内的行程。的时间间隔内的行程。 3）相对真值）相对真值 相对真值又称为实际值，是指将测量仪表按精度不同分为若相对真值又称为实际值，是指

11、将测量仪表按精度不同分为若 干等级，高等级的测量仪表的测量值即为相对真值。干等级，高等级的测量仪表的测量值即为相对真值。 2020年年9月月17日星期四日星期四 x0 AA 1.2.2测量误差的分类测量误差的分类 按按 表表 示示 方方 法法 （1）绝对误差）绝对误差 （2）相对误差）相对误差 （1）绝对误差）绝对误差 绝对误差是指被测量的测量值与被测量的真值之间的差值，绝对误差是指被测量的测量值与被测量的真值之间的差值， 即即 式中，式中，为绝对误差；为绝对误差；Ax为测量值；为测量值；A0为被测量的真值，可为被测量的真值，可 为约定真值或相对真值。为约定真值或相对真值。 2020年年9月月

12、17日星期四日星期四 某采购员分别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100 kg大米、大米、10 kg苹果、苹果、1 kg 巧克力，发现均缺少约巧克力，发现均缺少约0.5 kg，但该采购员对卖巧克力的商，但该采购员对卖巧克力的商 店意见最大，是何原因？店意见最大，是何原因？ 采用绝对误差表示测量误差采用绝对误差表示测量误差, 不能很好说明测量质量的好坏。不能很好说明测量质量的好坏。 采用绝对误差表示测量误差采用绝对误差表示测量误差, 不能很好说明测量质量的好坏。不能很好说明测量质量的好坏。 例如例如, 在温度测量时在温度测量时, 绝对误差绝对误差=1 , 对体温测量来说是不对体温测量来说

13、是不 允许的允许的, 而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。 在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表示测量在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表示测量 结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。 在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表示测量在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表示测量 结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。 2020年年9月月17日星期四日星期四 实际相对误差实际相对误差 标称标称 ( (示值示值) )相对误差相对误差

14、 满度满度 ( (引用引用) )相对误差相对误差 (2)相对误差相对误差 相对误差是绝对误差与被测量的真值之比。相对误差有以下相对误差是绝对误差与被测量的真值之比。相对误差有以下 表现形式：表现形式： 2020年年9月月17日星期四日星期四 几个重要公式： Ax：被测量：被测量 Am：仪器满度（量程）：仪器满度（量程） 实际相对误差实际相对误差 A 0 100% A 标称相对误差标称相对误差 x x 100% A 满度相对误差满度相对误差 m m 100% A 最大满度相对误差最大满度相对误差 m m 100S A 2020年年9月月17日星期四日星期四 仪表的精度等级和最大满度相对误差 20

15、20/9/17 27 满度相对误差满度相对误差 最大绝对误差最大绝对误差 等级等级 求得求得 精度等级 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 最大满度相对 误差 0.1 0.2% 0.5% 1.0% 1.5% 2.5% 5.05 例：某指针式电压表的精度为例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能级，用它来测量电压时可能 产生的满度相对误差为产生的满度相对误差为2.5% 。 2020年年9月月17日星期四日星期四 2020/9/17 28 例：例：用指针式用指针式 万用表的万用表的10 V 量程测量一只量程测量一只 1.5 V干电池的干电池的 电压，示值如电压，

16、示值如 图所示，问：图所示，问： 选择该量程合选择该量程合 理吗？理吗？ 2020年年9月月17日星期四日星期四 用用2.5 V量程测量程测 量同一只量同一只1.5 V 干电池的电压，干电池的电压， 与上图比较，与上图比较， 问示值相对误问示值相对误 差哪一个大？差哪一个大？ 2020年年9月月17日星期四日星期四 解：用精度等级为解：用精度等级为0.5 0.5 级的温度计测量时，最大标称相对误差为级的温度计测量时，最大标称相对误差为 m1 x1 x 300 0.5 100%100%1.875% 80 100A m2 x2 x 100 1.0 100%100%1.25% 80 100A 用精度

17、等级为用精度等级为1.0 1.0 级的温度计测量时，最大标称相对误差为级的温度计测量时，最大标称相对误差为 x2x1 由此可得由此可得 ，显然用精度等级为，显然用精度等级为1.0 1.0 级的仪表测量比级的仪表测量比 用精度等级为用精度等级为0.5 0.5 级的温度计测量更合适。级的温度计测量更合适。 例例1-1 现有精度等级为现有精度等级为0.5 级，量程为级，量程为0300 和精度等级为和精度等级为1.0 级，量程为级，量程为0100 的的 两个温度计，要测两个温度计，要测80 的温度，试问采用哪的温度，试问采用哪 一个温度计好？一个温度计好？ 2020年年9月月17日星期四日星期四 例例

18、1-2 某压力表精度等级为某压力表精度等级为5.0 级，量程为级，量程为 01.5 MPa，测量结果显示为，测量结果显示为0.70 MPa， 试求：试求： （1）可能出现的最大满度相对误差）可能出现的最大满度相对误差m。 （2）可能出现的最大绝对误差）可能出现的最大绝对误差m？ （3）可能出现的最大标称相对误差）可能出现的最大标称相对误差x。 2020年年9月月17日星期四日星期四 解： （1）可能出现癿最大满度相对误差可以从精度等级直接得到，即m 5.0。 （2）m （ 5.0%1.5）= 0.075 Mpa （3） m x x 0.075 100%100%10.71% 0.70A 解：解：

19、 （1）可能出现的最大满度相对误差可以从精）可能出现的最大满度相对误差可以从精 度等级直接得到，即度等级直接得到，即m 5.0。 （2）m （ 5.0%1.5）= 0.075 Mpa （3） m x x 0.075 100%100%10.71% 0.70A 2020年年9月月17日星期四日星期四 按按 误误 差差 出出 现现 的的 规规 律律 1）系统误差）系统误差 2）随机误差）随机误差 3）粗大误差）粗大误差 2020年年9月月17日星期四日星期四 1 1）系统误差：）系统误差： 夏天摆钟发慢癿原因是什么？ 在相同条件下，多次重复测量同一被测量时，其测在相同条件下，多次重复测量同一被测量时

20、，其测 量误差的大小和符号保持不变，或在条件改变时，量误差的大小和符号保持不变，或在条件改变时， 误差按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系误差按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系 统误差。统误差。 系统误差的特征包括测量误差出现的有规律性以及系统误差的特征包括测量误差出现的有规律性以及 其产生原因的可预知性。系统其产生原因的可预知性。系统 误差产生的原因和变误差产生的原因和变 化规律一般可通过实验和分析查处。因此系统误差化规律一般可通过实验和分析查处。因此系统误差 可被设法确定并消除。可被设法确定并消除。 2020年年9月月17日星期四日星期四 系统误差产生的原因大体上可分为以下几种：

21、系统误差产生的原因大体上可分为以下几种： （1）测量所用的工具（仪器、量具等）本身性能不完善或安装、）测量所用的工具（仪器、量具等）本身性能不完善或安装、 布置、调整不当而产生的误差。布置、调整不当而产生的误差。 （2）在测量过程中，因温度、湿度、气压、电磁干扰等环境条）在测量过程中，因温度、湿度、气压、电磁干扰等环境条 件发生变化而产生的误差。件发生变化而产生的误差。 （3）因测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不完善等）因测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不完善等 原因而产生的误差。原因而产生的误差。 （4）因操作人员读数方式不当而造成的读数误差等。）因操作人员读数方式不当而造成

22、的读数误差等。 2020年年9月月17日星期四日星期四 2 2）随机误）随机误 差差 当多次重复测量同一被测量时当多次重复测量同一被测量时，若测量误差若测量误差 的大小和符号均以不可预知的方式变化的大小和符号均以不可预知的方式变化，则则 该误差称为随机误差该误差称为随机误差。随机误差产生的原因随机误差产生的原因 比较复杂比较复杂，虽然测量是在相同条件下进行的虽然测量是在相同条件下进行的， 但测量环境中某些因素总会发生微小变化但测量环境中某些因素总会发生微小变化， 因此因此，随机误差是对测量值影响微小且又互随机误差是对测量值影响微小且又互 不相关的大量因素所引起的综合结果不相关的大量因素所引起的

23、综合结果。随机随机 误差就个体而言并无规律可循误差就个体而言并无规律可循，但其总体却但其总体却 服从统计规律服从统计规律。 2020年年9月月17日星期四日星期四 随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律 2020年年9月月17日星期四日星期四 随机事例的几个例子 彩票摇奖 2020年年9月月17日星期四日星期四 3 3）粗大误差）粗大误差 明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失 误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大 意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引 起的。

24、如测错、读错、记错、外界过电压尖峰起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰 干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误 差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误 差时，应予以剔除。差时，应予以剔除。 2020年年9月月17日星期四日星期四 产生粗大误差的一个例子产生粗大误差的一个例子 2020年年9月月17日星期四日星期四 系统误差决定了测量的精密度，表明了测量值偏离实际值的系统误差决定了测量的精密度，表明了测量值偏离实际值的 程度。系统误差越小，测量值的准确度越高。所以仪表的准程度。系统误差越小，测量值的准确度越高

25、。所以仪表的准 确度即精度常常用来表示系统误差的大小。确度即精度常常用来表示系统误差的大小。 随机误差决定了测量的精密度。随机误差越小，测量值的精随机误差决定了测量的精密度。随机误差越小，测量值的精 密度越高。密度越高。 如果一个测量值的精密度和准确度都很高，就称此测量的精如果一个测量值的精密度和准确度都很高，就称此测量的精 确度很高。确度很高。 2020年年9月月17日星期四日星期四 测量的准确度与精密度的区别，由图测量的准确度与精密度的区别，由图1.1可知，若靶心可知，若靶心 为真实值，图中黑点为测量值，则图为真实值，图中黑点为测量值，则图1.1(a)表示准确表示准确 却不精密的测量，图却

26、不精密的测量，图1.1(b)表示精密却不准确的测量，表示精密却不准确的测量， 图图1.1(c)表示既准确又精密的测量。一切测量都应同表示既准确又精密的测量。一切测量都应同 时兼顾准确度和精密度，力求既准确又精密，才能成时兼顾准确度和精密度，力求既准确又精密，才能成 为精确的测量。一般来说，工程测量中，占主要地位为精确的测量。一般来说，工程测量中，占主要地位 的是系统误差，应力求准确度高，所以人们习惯上又的是系统误差，应力求准确度高，所以人们习惯上又 把精度称为准确度。而在精密测量中由于已经采取一把精度称为准确度。而在精密测量中由于已经采取一 定的措施定的措施(如改进测量方法，改善测量条件如改进

27、测量方法，改善测量条件)减小或消减小或消 除了系统误差，因而随机误差是主要的。除了系统误差，因而随机误差是主要的。 2020年年9月月17日星期四日星期四 按按 使使 用用 条条 件件 1）基本误差）基本误差 2）附加误差）附加误差 2020年年9月月17日星期四日星期四 1）基本误差）基本误差 基本误差是指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。基本误差是指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。 所谓规定的标准条件是指一般传感器在实验室、制造厂或计量部门标所谓规定的标准条件是指一般传感器在实验室、制造厂或计量部门标 定刻度时所保持的工作条件，如电源电压（定刻度时所保持的工作条件

28、，如电源电压（2205） V、温度、温度 （205） 、湿度小于、湿度小于80、电源频率（、电源频率（501） Hz等。基本误等。基本误 差是检测仪表在额定条件下工作所具有的误差，检测仪表的精确度是差是检测仪表在额定条件下工作所具有的误差，检测仪表的精确度是 由基本误差决定的。由基本误差决定的。 2）附加误差）附加误差 当使用条件偏离规定的标准条件时，除产生基本误差外，还会当使用条件偏离规定的标准条件时，除产生基本误差外，还会 产生附加误差。如由于温度超过规定的标准而引起的温度附加产生附加误差。如由于温度超过规定的标准而引起的温度附加 误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使误差

29、、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使 用时应叠加到基本误差上去。用时应叠加到基本误差上去。 2020年年9月月17日星期四日星期四 按按 被被 测测 量量 随随 时时 间间 变变 化化 的的 速速 度度 1）静态误差）静态误差 2）动态误差）动态误差 2020年年9月月17日星期四日星期四 1）静态误差）静态误差 当被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。当被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。 2）动态误差）动态误差 当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的 变化精确吻合，这种误差称为

30、动态误差。变化精确吻合，这种误差称为动态误差。 2020年年9月月17日星期四日星期四 由心电图仪放大器带宽丌够引起癿动态误差 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.3 传感器基本知识传感器基本知识 1.3.1 传感器的概念传感器的概念 传感器传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的 元件或装置。元件或装置。 传感器的定义包含了以下几方面的含义：传感器的定义包含了以下几方面的含义： （1）传感器是一种测量装置，能完成检测任务。）传感器是一种测量装置，能完成检测任务。 （2）传感器的输入量是某一被测量，可能是物理量，

31、）传感器的输入量是某一被测量，可能是物理量， 也可能是化学量、生物量等。也可能是化学量、生物量等。 （3）传感器的输出量是某种物理量，这种量可以是气量、）传感器的输出量是某种物理量，这种量可以是气量、 光量、电量，但主要是电量。光量、电量，但主要是电量。 （4）传感器的输出、输入有对应关系，且有一定的精确度。）传感器的输出、输入有对应关系，且有一定的精确度。 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.3.2传感器的组成传感器的组成 举例：测量压力的电位器式压力传感器举例：测量压力的电位器式压力传感器 图图1 1- -3 3 传感器的组成框图传感器的组成框图 敏感元件 转换元件 测量转换电路

32、非电量 非电量 电参量 电量 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.1.敏感元件敏感元件 图图1 1- -4 4 气体压力传感器的示意图气体压力传感器的示意图 1 1壳体；壳体； 2 2膜盒；膜盒； 3 3电感线圈；电感线圈； 4 4磁芯；磁芯； 5 5转换电路转换电路 敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关 系、更易于转换的非电量。系、更易于转换的非电量。 2020年年9月月17日星期四日星期四 弹性敏感元件（弹簧管）弹性敏感元件（弹簧管） 2020年年9月月17日星期四日星期四 弹性敏感元件（弹簧管） 在下

33、图中，弹簧管将压力轩换为角位秱 2020年年9月月17日星期四日星期四 弹簧管放大图弹簧管放大图 2020/9/17 53 当被测压力当被测压力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。动电位器的电刷产生角位移。 2020年年9月月17日星期四日星期四 被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量 在右图中，在右图中， 电位器为传电位器为传 感元件，它感元件，它 将角位移转将角位移转 换为电参量换为电参量- 电阻的变化电阻的变化 （R） 2020年年9月月

34、17日星期四日星期四 测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的 电压、电流或频率量。电压、电流或频率量。 在左图中，当在左图中，当 电位器的两端电位器的两端 加上电源后，加上电源后， 电位器就组成电位器就组成 分压比电路，分压比电路， 它的输出量是它的输出量是 与压力成一定与压力成一定 关系的电压关系的电压Uo 。 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.3.3传感器的分类传感器的分类 传感器的种类名目繁多传感器的种类名目繁多，分类方法也很多分类方法也很多。常用的分类方法有：常用的分类方法有： ）按被测量分类：可分

35、为加速度按被测量分类：可分为加速度、速度速度、位移位移、压力压力、负荷负荷、扭矩扭矩、 温度传感器等温度传感器等。 2）按工作原理分类：可分为电阻式按工作原理分类：可分为电阻式、电容式电容式、电感式电感式、压电式压电式、霍霍 尔式尔式、光电式光电式、热电偶等传感器热电偶等传感器。 2020年年9月月17日星期四日星期四 3)按能量的传递方式分按能量的传递方式分:可分为有源传感器和无源传感器可分为有源传感器和无源传感器。 （1）有源传感器）有源传感器 有源传感器可视为一台微型发电机，能将非电量转换为电量，它所配有源传感器可视为一台微型发电机，能将非电量转换为电量，它所配 用的测量转换电路通常是信

36、号放大器。所以有源传感器是一种能量变用的测量转换电路通常是信号放大器。所以有源传感器是一种能量变 换器，如压电式传感器、热电式传感器换器，如压电式传感器、热电式传感器(热电偶热电偶)、电磁式传感器和电、电磁式传感器和电 动式传感器等。动式传感器等。 （2）无源传感器）无源传感器 无源传感器不进行能量的转换，被测非电量仅对传感器中的能量起着无源传感器不进行能量的转换，被测非电量仅对传感器中的能量起着 控制或调节的作用，所以它必须具有辅助能源控制或调节的作用，所以它必须具有辅助能源(电源电源)，如电阻传感器、，如电阻传感器、 电容传感器和电感式传感器等电容传感器和电感式传感器等 4)按输出信号的性

37、质分按输出信号的性质分 传感器按输出信号的性质可分为模拟传感器与数字传感器。模拟传传感器按输出信号的性质可分为模拟传感器与数字传感器。模拟传 感器的输出信号要通过感器的输出信号要通过AD转换器转换为数字信号后才能交给计算转换器转换为数字信号后才能交给计算 机进行信号分析、加工与处理。数字传感器则可直接送到计算机进行机进行信号分析、加工与处理。数字传感器则可直接送到计算机进行 处理。处理。 2020年年9月月17日星期四日星期四 1.3.4 传感器的特性传感器的特性 传感器的特性一般指输入传感器的特性一般指输入、输出特性输出特性。 传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。传感器的基本特性可

38、用静态特性和动态特性来描述。 1.静态特性静态特性 传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时输入量与输出量传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时输入量与输出量 的关系。只有传感器处于稳定状态时，输入量与输出量的关系式中才的关系。只有传感器处于稳定状态时，输入量与输出量的关系式中才 不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标包括线性度、灵敏度、迟不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标包括线性度、灵敏度、迟 滞、重复性、分辨力、稳定性、漂移和可靠性等。滞、重复性、分辨力、稳定性、漂移和可靠性等。 2020年年9月月17日星期四日星期四 1）线性度）线性度 线性度是指传感器输入量与输出量之

39、间的静态特性曲线偏离直线的程度，线性度是指传感器输入量与输出量之间的静态特性曲线偏离直线的程度， 其又称为非线性误差。在实际使用中，大多数传感器的静态特性曲线是其又称为非线性误差。在实际使用中，大多数传感器的静态特性曲线是 非线性的。可用一条直线非线性的。可用一条直线(切线或割线切线或割线)近似地代表实际曲线的一段，这条近似地代表实际曲线的一段，这条 直线称为拟合直线。直线称为拟合直线。 图图1 1- -5 5 几种拟合直线几种拟合直线 2020年年9月月17日星期四日星期四 （17） %100 FS max L Y L Lmax为最大非线性绝对误差；为最大非线性绝对误差；YFS为满量程输为满

40、量程输 出值。出值。 静态特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误静态特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误 差（或线性度），通常用相对误差差（或线性度），通常用相对误差L表示表示 2020年年9月月17日星期四日星期四 （1 18 8） 式中，式中， y为输出量的增量；为输出量的增量； x为引起为引起输出输出 量增量的输入量的增量。量增量的输入量的增量。 x y k x y k x y k x y k x y k x y k x y k x y k x y k x y k k=y/x 2）灵敏度）灵敏度 灵敏度是指传感器输出量的增量与引起输出量增量的输入量的增量的灵敏度是指

41、传感器输出量的增量与引起输出量增量的输入量的增量的 比值，用比值，用K 来表示：来表示： 2020年年9月月17日星期四日星期四 图图1-6 非线性传感器的输入非线性传感器的输入-输出特性曲线输出特性曲线 2020年年9月月17日星期四日星期四 3）迟滞）迟滞 迟滞是指传感器在输入量由小到大迟滞是指传感器在输入量由小到大(正行程正行程)及输入量由大到小及输入量由大到小 (反行程反行程)变化期间其输入变化期间其输入输出特性曲线不重合的程度，对于输出特性曲线不重合的程度，对于 同一大小的输入量，传感器正反行程的输出量的大小不等。同一大小的输入量，传感器正反行程的输出量的大小不等。 2020年年9月

42、月17日星期四日星期四 迟滞误差是指对应同一辒入量癿正反行程辒出值间癿最大差值不满量程辒出值癿百分比，通常用H表示，即 式中，Hmax为正反行程辒出值间癿最大差值。 max H FS 100% H Y 2020年年9月月17日星期四日星期四 图图1 1- -8 8 传感器的重复性传感器的重复性 4）重复性）重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向进行全量程多次测试时，所得重复性是指传感器在输入量按同一方向进行全量程多次测试时，所得 输入输入输出特性曲线不一致的程度。多次按相同输入条件测试的输出输出特性曲线不一致的程度。多次按相同输入条件测试的输出 特性曲线越重合，其重复性越好，误差越小。特性

43、曲线越重合，其重复性越好，误差越小。 2020年年9月月17日星期四日星期四 重复性误差是指各测量值正反行程标准偏差癿两倍或三倍不满量程辒出值癿百分比，通常用R 表示， 即 （1-10） 式中， 为正反行程标准偏差。 R FS (2 3) 100% Y 2020年年9月月17日星期四日星期四 重复性误差也可用正反行程中癿最大偏差Rmax表示，即 （1-11） 式中，Rmax为正反行程中癿最大偏差。 %100 2 1 FS max R Y R 2020年年9月月17日星期四日星期四 2020/9/17 68 5）分辨力）分辨力 指传感器能检测到输入量指传感器能检测到输入量 最小变化的能力。对于某

44、最小变化的能力。对于某 些传感器，如电位器式传些传感器，如电位器式传 感器，当输入量连续变化感器，当输入量连续变化 时，输出量只发生阶梯变时，输出量只发生阶梯变 化，则分辨力就是输出量化，则分辨力就是输出量 的每个阶梯所代表的输入的每个阶梯所代表的输入 量的大小。当分辨力以满量的大小。当分辨力以满 量程输出的百分数表示时，量程输出的百分数表示时， 则称为分辨率。则称为分辨率。 2020年年9月月17日星期四日星期四 6）稳定性）稳定性 稳定性是指传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。稳定性是指传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。 稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传

45、感器的输出稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出 与起始标定时的输出之间的差异来表示，这种差异称为稳定性误与起始标定时的输出之间的差异来表示，这种差异称为稳定性误 差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。 7）漂移）漂移 漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发 生与输入量无关、不需要的变化。它包括零点漂移和灵敏度漂移生与输入量无关、不需要的变化。它包括零点漂移和灵敏度漂移 仪器自身参数的变化仪器自身参数的变化 周围环境对输出的影响周围环

46、境对输出的影响 产生漂移的主要原因：产生漂移的主要原因： 2020年年9月月17日星期四日星期四 漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。 图图1-9 传感器的漂移传感器的漂移 2020年年9月月17日星期四日星期四 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是 指在规定的条件下，零点漂移或灵敏度漂移随时间的缓慢变化。温指在规定的条件下，零点漂移或灵敏度漂移随时间的缓慢变化。温 度漂移是指当环境温度变化时，引起的零点漂移或灵敏度漂移。度漂移是指当环境温度变化时，引起的零点漂移或灵敏度漂移。 8）可靠性）

47、可靠性 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的 能力。能力。 （1）时间性。）时间性。 （2）统计性。）统计性。 （3）可比性。）可比性。 （4）典型指标。）典型指标。 2020年年9月月17日星期四日星期四 衡量其可靠性的指标有：衡量其可靠性的指标有： 平均无故障时间。平均无故障时间是指传感器或检测系统在平均无故障时间。平均无故障时间是指传感器或检测系统在 正常的工作条件下，连续不间断地工作，直到发生故障丧失正常的工作条件下，连续不间断地工作，直到发生故障丧失 正常工作能力所用的时间。正常工作能力所用的时间。 平均修复时间。平均修复时间是指排除故障所花费的时间。平均修复时间。平均修复时间是指排除故障所花费的时间。 故障率。故障率也称为失效率，它是平均无故障时间的倒数。故障率。故障率也称为失效率，它是平均无故障时间的倒数。 2020年年9月月17日星期四日星期四 2.动态特性动态特性 传感器的动态特性就是其对于随时间变化的输入信号