電氣測(cè)量技術(shù)41

1、電氣測(cè)量技術(shù),信號(hào)的檢測(cè)與變換 傳感器,傳感器的定義,定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律再轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,即是一種以一定的精度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。 定義包含： 傳感器是一種裝置，它能完成檢測(cè)任務(wù)。 它的輸出量是與某一被測(cè)量有對(duì)應(yīng)關(guān)系的量，且具有一定的精度。 量包括物理量、光、電氣、化學(xué)量、生物量等,煙霧傳感器,超聲波傳感器,霍爾傳感器,壓力傳感器,溫度傳感器,光電傳感器,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。 功能：一種檢測(cè)

2、裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。 重要性：是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié),傳感器的組成,敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換電路,敏感元件的分類(lèi),物理類(lèi)，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。 化學(xué)類(lèi)，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。 生物類(lèi)，基于酶、抗體、和激素等分子識(shí)別功能。 通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(lèi),物理傳感器,物理傳感器是檢測(cè)物理量的傳感器。 工作原理：利用某些物理效應(yīng)，

3、把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號(hào)的裝置。其輸出的信號(hào)和輸入的信號(hào)有確定的關(guān)系。 常見(jiàn)物理傳感器：光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等,物理傳感器,舉例：光電式傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，它直接檢測(cè)來(lái)自物體的輻射信息，也可以轉(zhuǎn)換其他物理量成為光信號(hào)。 光電效應(yīng)：當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時(shí)候，物質(zhì)上的電效應(yīng)發(fā)生改變，這里的電效應(yīng)包括電子發(fā)射、電導(dǎo)率和電位電流等,返回,物理傳感器,能夠容易產(chǎn)生這樣效應(yīng)的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說(shuō)光敏電阻。 光電傳感器的主要工作流程就是接受相應(yīng)的光的照射，通過(guò)類(lèi)似光敏電阻這樣的器件把光能轉(zhuǎn)化成為電

4、能，然后通過(guò)放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號(hào)。 光電傳感器輸出電信號(hào)和原始的光信號(hào)有一定的關(guān)系，通常是接近線性的關(guān)系，這樣計(jì)算原始的光信號(hào)就不是很復(fù)雜了。 其它的物理傳感器的原理都可以類(lèi)比于光電式傳感器,化學(xué)傳感器,定義：對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。 對(duì)比于人的感覺(jué)器官，化學(xué)傳感器大體對(duì)應(yīng)于人的嗅覺(jué)和味覺(jué)器官。但并不是單純的人器官的模擬，還能感受人的器官不能感受的某些物質(zhì)，如H2、CO。 用途：化學(xué)傳感器必須具有對(duì)待測(cè)化學(xué)物質(zhì)的形狀或分子結(jié)構(gòu)選擇性俘獲的功能（接受器功能）和將俘獲的化學(xué)量有效轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能（轉(zhuǎn)換器功能,化學(xué)傳感器,氣體傳感器：傳感

5、元件多為氧化物半導(dǎo)體，有時(shí)在其中加入微量貴金屬作增敏劑，增加對(duì)氣體的活化作用。 對(duì)于電子給予性的還原性氣體如氫、一氧化碳、烴等，用N型半導(dǎo)體，對(duì)接受電子性的氧化性氣體如氧，用P型半導(dǎo)體。 將半導(dǎo)體以膜狀固定于絕緣基片或多孔燒結(jié)體上做成傳感元件,返回,生物傳感器,對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。 由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能 結(jié)構(gòu)器（如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等）及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。 生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。 對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的

6、儀器,返回,傳感器的組成,敏感元件：直接感受被測(cè)量；輸出與被測(cè)量有確定的關(guān)系。 轉(zhuǎn)換元件：磁芯與電感線圈,傳感器的組成,轉(zhuǎn)換電路 特例,傳感器的分類(lèi),從應(yīng)用角度出發(fā) 工作原理：物理型、化學(xué)型、生物型 構(gòu)成原理：結(jié)構(gòu)型（定理、數(shù)學(xué)公式）、物性型（與材料有關(guān)） 按能量轉(zhuǎn)換：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型,傳感器的分類(lèi),按物理形分類(lèi) 電參量 磁電式 壓電式 光電式 氣電式 熱電式 波式 射線式 半導(dǎo)體式,傳感器的分類(lèi),按用途分類(lèi) 位移 壓力 溫度 振動(dòng) 電流 電壓 功率,傳感器的一般特性,傳感器的一般特性 靜特性 動(dòng)特性 特性與參數(shù) 線性度以及線性化處理 遲滯 重復(fù)性 靈敏度與靈敏度誤差 分辨力與閾值 穩(wěn)定

7、性 靜態(tài)精度 動(dòng)態(tài)特性,測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量系統(tǒng)定義1：指眾多環(huán)節(jié)組成的對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行檢測(cè)、調(diào)理、變換、顯示或記錄的完整系統(tǒng)。 如含有傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、微處理器或測(cè)試儀器。 測(cè)量系統(tǒng)定義2：指組成完整測(cè)量系統(tǒng)中的某一環(huán)節(jié)或單元 如：傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)試儀器； 可以是更簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)，如放大器、電阻分壓器、RC濾波器等,測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用,測(cè)量系統(tǒng)的基本特性是指測(cè)量系統(tǒng)與其輸入、輸出的關(guān)系 應(yīng)用1：已知測(cè)量的特性，輸出可測(cè)，那么通過(guò)該特性和輸出來(lái)推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。 應(yīng)用2：已知測(cè)量系統(tǒng)特性和輸入，推斷和估計(jì)系統(tǒng)的輸出量。 應(yīng)用3：有已知或觀測(cè)系統(tǒng)的輸入、輸出，推斷系統(tǒng)的特性,測(cè)

8、量系統(tǒng)的靜態(tài)特性,測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性又稱刻度特性、標(biāo)準(zhǔn)曲線或校準(zhǔn)曲線,當(dāng)被測(cè)對(duì)象對(duì)于靜態(tài)時(shí)，也就是測(cè)量系統(tǒng)的輸入為不隨時(shí)間變化的恒定信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)的輸入與輸出之間呈現(xiàn)的關(guān)系就是靜態(tài)特性,對(duì)于實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)，其輸入與輸出往往不是理想直線，可用多項(xiàng)式表示靜態(tài)特性,傳感器的一般特性,線性度以及線性化處理,線性度是表示測(cè)量系統(tǒng)靜態(tài)特性對(duì)選定擬合直線y=b+kx的接近程度,表達(dá)形式:非線性應(yīng)用誤差形式,常用方法 理論線性度 平均選點(diǎn)線性度 端基線線性度 最小二乘線性度,靜態(tài)特性與選定擬合直線的最大擬合偏差,測(cè)量系統(tǒng)的滿度值,擬合直線確定的方法不同,導(dǎo)致用非線性引用誤差表示的線性度數(shù)值也不同,傳感器的一般

9、特性,最小二乘法線性度擬合直線方程的確定。設(shè)擬合直線方程通式為,第j個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的標(biāo)定值yj與擬合直線上相應(yīng)值的偏差為,最小二乘法擬合直線的擬合原則是使N個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的均方差,為最小值，由一偏求導(dǎo)等于零,傳感器的一般特性,理論線性度，又稱絕對(duì)線性度。 擬合直線的起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)（x=0,y=0），終止點(diǎn)為滿量程(XFS,YFS)兩點(diǎn)所決定的直線,線性度以及線性化處理,最小二乘法線性度與理論線性度的擬合曲線,傳感器的一般特性,遲滯,定義:遲滯又稱滯后量、滯后或滯環(huán)，表征測(cè)量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量由小到大（正行程）或輸入量由大到小（反行程）兩者靜態(tài)特性不一致的程度,表示方法：引用誤差形式,測(cè)量系統(tǒng)的滿

10、度值,同一輸入量對(duì)應(yīng)正、反行程輸出量的最大差值,傳感器的一般特性,遲滯示意圖,傳感器的一般特性,重復(fù)性 定義：表征測(cè)量系統(tǒng)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)，靜態(tài)特性不一定的程度,傳感器的一般特性,重復(fù)性,表示方式：引用誤差,相關(guān)參數(shù)的求取：標(biāo)準(zhǔn)偏差法,R同一輸入量對(duì)應(yīng)多次循環(huán)的同向輸出量的絕對(duì)誤差,S子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差 K置信因子,K=2置信度95% K=3置信度99.73,標(biāo)準(zhǔn)差S的計(jì)算方法 標(biāo)準(zhǔn)法 極差法,標(biāo)準(zhǔn)偏差S的計(jì)算方法-標(biāo)準(zhǔn)法,貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差S,正、反行程各標(biāo)定點(diǎn)輸出量的標(biāo)準(zhǔn)偏差,正、反行程各標(biāo)定點(diǎn)輸出量的平均值,標(biāo)定點(diǎn)序號(hào)，j=1，2，3，4，m,標(biāo)定點(diǎn)的循環(huán)次數(shù)，i=1

11、，2，3，4，n,正、反行程各標(biāo)定點(diǎn)輸出值，yjiD，yjiI,標(biāo)準(zhǔn)偏差S的計(jì)算方法-極差法,取SjD，SjI的平均值為子樣的標(biāo)準(zhǔn)偏差S，又平均值 的標(biāo)準(zhǔn)偏差 為,極差法-極差是測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)最大值與最小值之差,極差法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差,正、反行程標(biāo)定值極差的平均值,極差系數(shù),標(biāo)準(zhǔn)偏差S的計(jì)算方法-極差法,式中，jD-第j個(gè)標(biāo)定點(diǎn)正行程標(biāo)定值的極差（j=1,2.n,式中，jI-第j個(gè)標(biāo)定點(diǎn)反行程標(biāo)定值的極差（j=1,2.n,極差系數(shù)dn的大小和標(biāo)定點(diǎn)次數(shù)（或測(cè)量次數(shù)）n有關(guān),傳感器的一般特性,靈敏度與靈敏度誤差 定義：描述測(cè)量系統(tǒng)對(duì)輸入量變化反應(yīng)的能力。 表達(dá)式：S,當(dāng)輸出量與輸入量采用相對(duì)變化量y/

12、y，x/x形式時(shí)，靈敏度,傳感器的一般特性,當(dāng)靜態(tài)特性為一直線時(shí)，直線的斜率即為靈敏度，且為一常數(shù),當(dāng)靜態(tài)特性為非線性時(shí)，靈敏度不是常數(shù),如果輸入與輸出量綱相同，則靈敏度無(wú)量綱,傳感器的一般特性,分辨力 分辨力又稱靈敏度閾，它表征測(cè)量系統(tǒng)有效辨別輸入量最小變化量的能力。 一般為最小分度值的1/21/5。 具有數(shù)字顯示的測(cè)量系統(tǒng)，其分辨力是當(dāng)最小有效數(shù)字增加一個(gè)字時(shí)相應(yīng)示值的改變量，也即相當(dāng)于一個(gè)分度值,傳感器的一般特性-穩(wěn)定性,測(cè)量系統(tǒng)或儀器的穩(wěn)定性是指在規(guī)定工作條件范圍之內(nèi)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)或儀器性能保持不變的能力。 一般以重復(fù)性的數(shù)值和觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短表示。 時(shí)間間隔的選擇根據(jù)使用要求的不同可以有很大的差別 舉例1：2.1mV/8h 舉例2：一個(gè)月不超過(guò)1%滿量程輸出,傳感器的一般特性-穩(wěn)定性,環(huán)境溫度、大電壓、振動(dòng)等外部狀態(tài)變化給予測(cè)量系統(tǒng)或儀器示值的影響，以及電源電壓、頻率等工作條件給予指示值的影響，統(tǒng)稱環(huán)境影響。 影響系數(shù)表示環(huán)境影響的程度。 標(biāo)準(zhǔn)工作條件：環(huán)境溫度20、相對(duì)濕度65%、大氣壓力101.33kPa，電源電壓220V等 標(biāo)準(zhǔn)工作條件允許變化范圍：環(huán)境溫度（205）、相對(duì)濕度65%5%、大氣壓力101.33kPa，電源電壓（2201