传感器与检测技术整册课件.ppt

1、第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 第第1 1章章 检测技术基本知识检测技术基本知识 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

2、器的结构、组成及基本特性。 教学目标教学目标 技能目标：技能目标： （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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

3、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

4、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： 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 传感器技术是新技术革命和信息社会的重传感器技术是新技术革命和信息社会的重 要技术基础，是现代科技的开路先

5、锋，也要技术基础，是现代科技的开路先锋，也 是当代科学技术发展的一个重要标志，它是当代科学技术发展的一个重要标志，它 与通信技术、计算机技术构成信息产业的与通信技术、计算机技术构成信息产业的 三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑 的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸， 当集成电路、计算机技术飞速发展时，人当集成电路、计算机技术飞速发展时，人 们才逐步认识信息摄取装置们才逐步认识信息摄取装置传感器没传感器没 有跟上信息技术的发展而惊呼有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、大脑发达、 五官不灵五官不灵”。 第1章 检测技术基

6、础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 传感器处于研究对象与测控系统的接口位传感器处于研究对象与测控系统的接口位 置，是感知、获取与检测信息的窗口。在置，是感知、获取与检测信息的窗口。在 一切科学实验和生产过程中，特别是在自一切科学实验和生产过程中，特别是在自 动检测和自动控制系统中获取的信息，都动检测和自动控制系统中获取的信息，都 要通过传感器转换为易于传输与处理的电要通过传感器转换为易于传输与处理的电 信号。信号。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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，

7、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：信息采集的主要含义： 测量以及取得结果测量以及取得结果 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

8、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 1.1.2 测量方法的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

9、测量动态测量 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 1.直接测量直接测量法法 电子卡尺 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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）。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 3.接触测量法接触测量法 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 4.非接触测量法 例：雷达测速 车

10、载电子警察车载电子警察 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 5.静态测量法静态测量法 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 2020/9/18 17 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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 6.动态测量法动态测量法 地震测量地震测量 振动波形振动波形 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 示波器 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 1.2 测量误差及其分类测量误差

11、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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

12、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

13、为相对真值。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 某采购员分别在三家商店购买某采购员

14、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

15、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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 满度满度 ( (引用引用)

16、)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： 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 几个重要公式：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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 仪

17、表的精度等级和最大满度相对误差 2020/9/18 26 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 精度等级精度等级 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 最大满度相对最大满度相对 误差误差 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% 。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 2020/9/18 27 例：例：用指针式用指针式 万用表的万用

18、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，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？ 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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？ 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

19、 0.5 100%100%1.875% 80 100A m2 x2 x 100 1.0 100%100%1.25% 80 100A 用精度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，

20、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？ 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 例例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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 解：解： （1）可能出现

21、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 解：解： （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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 按按 误误 差差 出出 现

22、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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 1 1）系统误差：）系统误差： 夏天摆钟变慢的原因是什么？夏天摆钟变慢的原因是什么？ 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，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

23、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 系统误差产生的原因大体上可分为以下几种：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

24、、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的读数误差等。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 2 2）随机误差）随机误差 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

25、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 随机误差的正态分布规律随机误差的

26、正态分布规律 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 随机事例的几个例子 彩票摇奖彩票摇奖 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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。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

27、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 产生粗大误差的一个例子产生粗大误差的一个例子 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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。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

28、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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，图却不精密的测量，图1.1(b)表示精密却不准确的测量，表示精

29、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

30、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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，如电

31、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、电源

32、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

33、间上不能与被测量的 变化精确吻合，这种误差称为动态误差。变化精确吻合，这种误差称为动态误差。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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：

34、 （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，）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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 1.3.2传感器的组成传感器的组成

35、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 非电量 非电量 电参量 电量 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

36、非电量。系、更易于转换的非电量。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 弹性敏感元件（弹簧管）弹性敏感元件（弹簧管） 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 弹性敏感元件（弹簧管） 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移在下图中，弹簧管将压力转换为角位移 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 弹簧管放大图弹簧管放大图 2020/9/18 52 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。 第

37、1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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） 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

38、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 。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

39、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

40、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

41、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

42、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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 1）线性度）线性度 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，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

43、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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 （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

44、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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 （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： 第

45、1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五

46、日星期五 迟滞误差是指对应同一输入量的正反行程输出迟滞误差是指对应同一输入量的正反行程输出 值间的最大差值与满量程输出值的百分比，通值间的最大差值与满量程输出值的百分比，通 常用常用H表示，即表示，即 式中，式中，Hmax为正反行程输出值间的最大差值。为正反行程输出值间的最大差值。 max H FS 100% H Y 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 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

47、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。特性曲线越重合，其重复性越好，误差越小。 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 重复性误差是指各测量值正反行程标准偏重复性误差是指各测量值正反行程标准偏 差的两倍或三倍与满量程输出值的百分比，差的两倍或三倍与满量程输出值的百分比， 通常用通常用R 表示，即表示，即 （1-10） 式中，式中， 为正反行程标准偏差。为正反行程标准偏差。 R FS (2 3) 100% Y 第1章 检测技术基础知识 2020年年9月月18日星期五日星期五 重复性误差也可用正反行程中的最大偏差重复性误差也可用正反行程中的最大偏差 Rmax表示，即表示，即 （1-11） 式中，式中，Rmax为正反行程中的最大偏差。为正反行程中的最大偏差。 %100 2 1 FS max R Y R 第1章 检测技术基