《傳感器與檢測技術》胡向東ch00

1、1 緒論傳感器 感覺，感知 （Sensor、Transducer）人類有五大感覺器官，即眼、耳、鼻、舌、皮膚。通過這些感覺器官感知外界信息。機器系統(tǒng)中，傳感器是各種機械和電子設備的感覺器官。能感知光、色、溫度、壓力、聲音、濕度、氣味及輻射等。2Sensor、Transducer345678910111213141516171819202122232425 時時間間 內內容容 地地域域 影影響響 公公元元前前8000 年年 農農業(yè)業(yè)革革命命 非非洲洲尼尼羅羅河河流流域域 糧糧食食產產量量創(chuàng)創(chuàng)紀紀錄錄 增增長長，金金字字塔塔 公公元元前前 500 年年 材材料料革革命命 （鐵鐵的的冶冶煉煉和和應應

2、用用） 中中國國與與印印度度 農農業(yè)業(yè)生生產產效效率率 極極大大提提高高 18 世世紀紀 工工業(yè)業(yè)革革命命 歐歐洲洲 蒸蒸汽汽機機等等新新型型機機械械的的使使用用，使使工工業(yè)業(yè) 生生產產突突飛飛猛猛進進 20 世世紀紀末末 電電子子和和信信息息技技術術革革命命 美美國國和和日日本本 提提高高腦腦力力勞勞動動 的的效效率率 21 世世紀紀 生生活活革革命命 （生生活活環(huán)環(huán)境境的的解解放放） 美美、歐歐、日日聯(lián)聯(lián)合合地地球球上上所所有有成成員員國國 人人與與機機械械、人人與與 自自然然的的協(xié)協(xié)調調 26 黃賢武黃賢武 鄭筱霞鄭筱霞 電子科技大學出版社電子科技大學出版社 1999-5 郁有文郁有文

3、西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社 200127 沙占友 中國傳 感器網 傳感器網 3、期末成績 期末成績=平時成績+實驗成績+期末試卷成績 實驗項目、成績 （預習報告、操作、實驗報告）28檢測技術的理論基礎1. 測量概論測量概論 2. 測量數(shù)據(jù)的估計和處理測量數(shù)據(jù)的估計和處理 291、測量概論、測量概論一、測量一、測量 測量是以確定被測量的值或獲取測量結果為目的的一系列操作。 所以, 測量也就是將被測量與同種性質的標準量進行比較， 確定被測量對標準量的倍數(shù)。它可由下式表示： uxnnux式中：x被測量值； u標準量，即測量單位； n比值（純數(shù)），含有測量誤差。30 由測量所獲得的被

4、測量的量值叫測量結果，測量結果可用一定的數(shù)值表示，也可以用一條曲線或某種圖形表示，但無論其表現(xiàn)形式如何， 測量結果應包括數(shù)值和測量單位。 測量結果僅僅是被測量的最佳估計值，并非真值，所以還應給出測量結果的質量， 即測量結果的可信程度。這個可信程度用測量不確定度表示，測量不確定度表征測量值的分散程度。因此測量結果的完整表述應包括估計值、 測量單位及測量不確定度。 31二、測量方法二、測量方法 對于測量方法，從不同角度，有不同的分類方法。 根據(jù)獲得測量值的方法可分為直接測量、間接測量和組合測量； 根據(jù)測量方式可分為偏差式測量、零位式測量與微差式測量； 根據(jù)測量條件不同可分為等精度測量與不等精度測量

5、； 根據(jù)被測量變化快慢可分為靜態(tài)測量與動態(tài)測量； 根據(jù)測量敏感元件是否與被測介質接觸可分為接觸式測量與非接觸式測量； 根據(jù)測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量可分為主動式測量與被動式測量等。 32 1. 直接測量、直接測量、 間接測量與組合測量間接測量與組合測量 在使用儀表或傳感器進行測量時，測得值直接與標準量進行比較，不需要經過任何運算，直接得到被測量的數(shù)值，這種測量方法稱為直接測量。 被測量與測得值之間關系可用下式表示：y=x 式中： y被測量的值； x直接測得值。 磁電式電流表測量電路的某一支路電流，彈簧管壓力表測量壓力等，都屬于直接測量。直接測量的優(yōu)點是測量過程簡單而又迅速， 缺點是測量精度

6、不容易達到很高。33 間接測量：在使用儀表或傳感器進行測量時，首先對與被測量有確定函數(shù)關系的幾個量進行直接測量，將直接測得值代入函數(shù)關系式， 經過計算得到所需要的結果。間接測量與直接測量不同，被測量y是一個測得值x或幾個測得值x1，x2， xn的函數(shù)，即 y=f(x)或y=f(x1,x2, ,xn) 被測量y不能直接測量求得，必須有測得值x或xi（i=1，2， n）及與被測量y的函數(shù)關系確定。如直接測量電壓值U和電阻值R， 根據(jù)式P=U2/R求電功率P即為間接測量的實例。間接測量手續(xù)較多， 花費時間較長，一般用在直接測量不方便， 或者缺乏直接測量手段的場合。 34 若被測量必須經過求解聯(lián)立方程

7、組求得，如有若干個被測量y1，y2，ym，直接測得值為x1, x2, , xn, 把被測量與測得值之間的函數(shù)關系列成方程組，即 ),(),(),(2121222111mnnmmyyyfxyyyfxyyyfx 方程組中方程的個數(shù)n要大于被測量y的個數(shù)m，用最小二乘法求出被測量的數(shù)值，這種測量方法稱為組合測量。組合測量是一種特殊的精密測量方法，操作手續(xù)復雜，花費時間長，多適用于科學實驗或特殊場合。 35 2. 偏差式測量、偏差式測量、 零位式測量與微差式測量零位式測量與微差式測量 偏差式測量：用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的量值。應用這種方法測量時，儀表刻度事先用標準器具分度。在測量時，輸入

8、被測量按照儀表指針在標尺上的示值， 決定被測量的數(shù)值。偏差式測量, 其測量過程簡單、迅速， 但測量結果的精度較低。 零位式測量：用指零儀表的零位反映測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測量系統(tǒng)平衡時，用已知的標準量決定被測量的量值。在零位測量時，已知標準量直接與被測量相比較，已知標準量應連續(xù)可調，指零儀表指零時，被測量與已知標準量相等。例如天平測量物體的質量、電位差計測量電壓等都屬于零位式測量。 零位式測量的優(yōu)點是可以獲得比較高的測量精度，但測量過程比較復雜，費時較長，不適用于測量變化迅速的信號。 36 微差式測量是綜合了偏差式測量與零位式測量的優(yōu)點而提出的一種測量方法。它將被測量與已知的標準量相比較，取得

9、差值后，再用偏差法測得此差值。應用這種方法測量時，不需要調整標準量，而只需測量兩者的差值。設：N為標準量，x為被測量，為二者之差，則x=N+。由于N是標準量，其誤差很小，且N，因此可選用高靈敏度的偏差式儀表測量，即使測量的精度不高，但因x，故總的測量精度仍很高。微差式測量的優(yōu)點是反應快，而且測量精度高，特別適用于在線控制參數(shù)的測量。 37 3. 等精度測量與不等精度測量等精度測量與不等精度測量 等精度測量在整個測量過程中，若影響和決定誤差大小的全部因素（條件）始終保持不變，如由同一個測量者，用同一臺儀器，用同樣的方法， 在同樣的環(huán)境條件下，對同一被測量進行多次重復測量。在實際中，極難做到影響和

10、決定誤差大小的全部因素（條件）始終保持不變，所以一般情況下只是近似認為是等精度測量。 有時在科學研究或高精度測量中，往往在不同的測量條件下， 用不同精度的儀表，不同的測量方法，不同的測量次數(shù)以及不同的測量者進行測量和對比，這種測量稱為不等精度測量。 384. 靜態(tài)測量與動態(tài)測量靜態(tài)測量與動態(tài)測量 被測量在測量過程中認為是固定不變的，對這種被測量進行的測量稱為靜態(tài)測量。靜態(tài)測量不需要考慮時間因素對測量的影響。 若被測量在測量過程中是隨時間不斷變化的，對這種被測量進行的測量稱為動態(tài)測量。 39三三 測量系統(tǒng)測量系統(tǒng) 1. 測量系統(tǒng)構成測量系統(tǒng)構成 測量系統(tǒng)應具有對被測對象的特征量進行檢測、傳輸、處

11、理及顯示等功能，一個測量系統(tǒng)是傳感器、變送器（變換器）和其它變換裝置等的有機組合。下圖表示測量系統(tǒng)組成結構框圖。 測量系統(tǒng)組成框圖 被 測 量被 測 對 象傳 感 器變 送 器傳 輸 通 道信 號 處 理 環(huán) 節(jié)顯 示 裝 置40 傳感器是感受被測量（物理量、化學量、生物量等）的大小， 并輸出相對應的可用輸出信號（一般多為電量）的器件或裝置。 變送器將傳感器輸出的信號變換成便于傳輸和處理的信號， 大多數(shù)變送器的輸出信號是統(tǒng)一的標準信號（目前多為420 mA直流電流），信號標準是系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間的通信協(xié)議。 當測量系統(tǒng)的幾個功能環(huán)節(jié)獨立地分隔開時，必須由一個地方向另一個地方傳輸信號，傳輸環(huán)節(jié)就是完

12、成這種傳輸功能的。傳輸通道將測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)間的輸入、輸出信號連接起來， 通常用電纜連接，或用光導纖維連接，以用來傳輸數(shù)據(jù)。 41 信號處理環(huán)節(jié)將傳感器輸出信號進行處理和變換。如對信號進行放大、運算、線性化、數(shù)?；蚰?shù)轉換，使其輸出信號便于顯示、 記錄。 這種信號處理環(huán)節(jié)可用于自動控制系統(tǒng)， 也可與計算機系統(tǒng)連接， 以便對測量信號進行信息處理。 顯示裝置是將被測量信息變成人的感官能接受的形式，以完成監(jiān)視、控制或分析的目的。測量結果可以采用模擬顯示， 也可采用數(shù)字顯示或圖形顯示，也可以由記錄裝置進行自動記錄或由打印機將數(shù)據(jù)打印出來。 42 2. 開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)

13、 （1） 開環(huán)測量系統(tǒng) 開環(huán)測量系統(tǒng)全部信息變換只沿著一個方向進行，如圖所示。其中x為輸入量，y為輸出量，k1、k2、 k3為各個環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)。輸入輸出關系表示如下： y=k1k2k3x 因為開環(huán)測量系統(tǒng)是由多個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的，因此系統(tǒng)的相對誤差等于各環(huán)節(jié)相對誤差之和。即 niin121被 測 對 象x傳 感 、 變 送k1x1放 大k2x2顯 示k3y開環(huán)測量系統(tǒng)框圖43式中，系統(tǒng)的相對誤差； i各環(huán)節(jié)的相對誤差。 采用開環(huán)方式構成的測量系統(tǒng)，結構較簡單，但各環(huán)節(jié)特性的變化都會造成測量誤差。 （2） 閉環(huán)測量系統(tǒng)閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道，一為正向通道，一為反饋通道，其結構如圖1-3所示。其中x為正向通道的輸入量，為反饋環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)，正向通道的總傳遞系數(shù)k=k1k2。由圖1 -