傳感器與檢測技術(shù)課件第一章

第1章傳感器理論基礎(chǔ)1.1傳感器基礎(chǔ)1.1.1傳感器的概念傳感器（Transducer/Sensor）是一種能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用量的器件和裝置。

傳感器就是把非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置。1第1章傳感器理論基礎(chǔ)1.1傳感器基礎(chǔ)11.1.2傳感器的組成和分類1．傳感器的組成傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路組成，如圖1-1所示。2022/11/2621.1.2傳感器的組成和分類1．傳感器的組成2022/1.1.2傳感器的組成與分類敏感元件(sensingelement)：直接感受被測量的變化，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件，它是傳感器的核心。轉(zhuǎn)換元件(transductionelement)：將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量電信號(hào)的元件。測量電路(measuringcircuit)：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換和處理的部分，如放大、濾波、線性化、補(bǔ)償?shù)?，以獲得更好的品質(zhì)特性，便于后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。2022/11/2631.1.2傳感器的組成與分類敏感元件(sensinge1.1.2傳感器的組成和分類（1）按照其工作原理，傳感器可分為電參數(shù)式(如電阻式、電感式和電容式)傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器及熱電式傳感器等。（2）按照其被測量對(duì)象，傳感器可分為力、位移、速度、加速度傳感器等。常見的被測物理量有機(jī)械量、聲、磁、溫度和光等。（3）按照其結(jié)構(gòu)，傳感器可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：水銀溫度計(jì)。結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：電容式傳感器。2．傳感器的分類2022/11/2641.1.2傳感器的組成和分類（1）按照其工作原理，傳感器1.1.3傳感器基本特性當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間變化時(shí)，其輸入輸出關(guān)系特性稱為靜態(tài)特性。傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系特性，即傳感器系統(tǒng)的輸出信號(hào)y(t)和輸入信號(hào)（被測量）x(t)之間的關(guān)系，傳感器系統(tǒng)示意圖如下圖所示。2022/11/2651.1.3傳感器基本特性當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間1.1.3傳感器基本特性傳感器的靜態(tài)特性：1.測量范圍：傳感器所能測量到的最小輸入量

與最大輸入量

之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。2.量程：傳感器測量范圍的上限值

與下限值

的代數(shù)差

-稱為量程。3.精度：傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。工程技術(shù)中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級(jí)的概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示，代表傳感器測量的最大允許誤差，即相對(duì)誤差。

4.靈敏度：靈敏度是指傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比，即

，如右圖所示。2022/11/2661.1.3傳感器基本特性傳感器的靜態(tài)特性：2022/11/1.1.3傳感器基本特性5.線性度：指其輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線偏離理想直線的程度。在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合的方法來線性化。這樣，線性度就用輸入-輸出關(guān)系曲線與擬合直線之間最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示。

式中，

為非線性最大誤差(最大偏差);為滿量程輸出值。常用的直線擬合方法有理論擬合、端點(diǎn)擬合和端點(diǎn)平移擬合等，如圖1-7所示。采取不同的方法選取擬合直線，可以得到不同的線性度。2022/11/2671.1.3傳感器基本特性5.線性度：指其輸出量與輸入量之1.1.3傳感器基本特性2022/11/2681.1.3傳感器基本特性2022/11/2681.1.3傳感器基本特性6.分辨率:分辨率是指檢測儀表能夠精確檢測出被測量最小變化值的能力。輸入量從某個(gè)任意值緩慢增加，直到可以測量到輸出的變化為止，此時(shí)的輸入量就是分辨率。它可以用絕對(duì)值，也可以用量程的百分?jǐn)?shù)來表示。該量說明了檢測儀表響應(yīng)與分辨輸入量微小變化的能力。靈敏度愈高，分辨率愈好。一般模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半。數(shù)字式儀表的分辨率是最后一位的一個(gè)字。2022/11/2691.1.3傳感器基本特性6.分辨率:2022/11/1.1.3傳感器基本特性7.重復(fù)性:重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線間不一致的程度.2022/11/26101.1.3傳感器基本特性7.重復(fù)性:2022/11/21.1.3傳感器基本特性8.遲滯:

遲滯特性表明傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出特性曲線不重合的程度，如圖所示為傳感器的遲滯特性特性曲線。

2022/11/26111.1.3傳感器基本特性8.遲滯:2022/11/261.1.3傳感器基本特性9.穩(wěn)定性:穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。10.漂移:

漂移是指在外界的干擾下，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的或不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等，如圖所示。2022/11/26121.1.3傳感器基本特性9.穩(wěn)定性:2022/11/1.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)傳感器的命名傳感器的全稱應(yīng)由“主題詞+四級(jí)修飾語”組成，即主題詞——

傳感器一級(jí)修飾語——

被測量，包括修飾被測量的定語。二級(jí)修飾語——

轉(zhuǎn)換原理，一般可后綴以“式”字。三級(jí)修飾語——

特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后綴以“型”字。四級(jí)修飾語——

主要技術(shù)指標(biāo)(如量程、精度、靈敏度等)。2022/11/26131.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)傳感器的命名1.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)2．傳感器的代號(hào)

一種傳感器的代號(hào)應(yīng)包括以下四部分：a——主稱(傳感器)；b——被測量；c——轉(zhuǎn)換原理；d——序號(hào)，如圖所示。2022/11/26141.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)2．傳感器的代1.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)3．傳感器的圖形符號(hào)

傳感器的圖形符號(hào)是電氣圖用圖形符號(hào)的一個(gè)組成部分。按GB/T14479—93《傳感器圖用圖形符號(hào)》規(guī)定，傳感器的圖形符號(hào)由符號(hào)要素正方形和等邊三角形組成，如圖所示。2022/11/26151.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)3．傳感器的圖形1.1.5傳感器的發(fā)展趨勢(shì)（1）發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應(yīng)；（2）開發(fā)新材料；（3）采用高新技術(shù)；（4）拓展應(yīng)用領(lǐng)域；（5）提高傳感器的性能；（6）傳感器的微型化與低功耗；

（7）傳感器的集成化與多功能化；

（8）傳感器的智能化與數(shù)字化；

（9）傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。

2022/11/26161.1.5傳感器的發(fā)展趨勢(shì)（1）發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效1.2.1檢測技術(shù)

檢測技術(shù)是以研究檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理的理論與技術(shù)為主要內(nèi)容的一門應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。檢測技術(shù)主要研究被測量的測量原理、測量方法、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等方面的內(nèi)容。不同性質(zhì)的被測量要采用不同的原理去測量，測量同一性質(zhì)的被測量也可采用不同測量原理。1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26171.2.1檢測技術(shù)1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/1.2.2測量方法1)直接測量、間接測量和組合測量(又稱聯(lián)立測量)。經(jīng)過求解聯(lián)立方程組，才能得到被測物理量的最后結(jié)果，則稱這樣的測量為組合測量。

2)偏差式測量、零位式測量與微差式測量3)等精度測量與非等精度測量4)靜態(tài)測量與動(dòng)態(tài)測量1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26181.2.2測量方法1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/111.2.3檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)是由被測對(duì)象、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)構(gòu)成，

1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26191.2.3檢測系統(tǒng)1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/111.2.3檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)又分：開環(huán)檢測系統(tǒng)與閉環(huán)檢測系統(tǒng)1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26201.2.3檢測系統(tǒng)1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/111.2.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理

測量誤差

在檢測過程中，被測對(duì)象、檢測系統(tǒng)、檢測方法和檢測人員都會(huì)受到各種變動(dòng)因素的影響。而對(duì)被測量的轉(zhuǎn)換，有時(shí)也會(huì)改變被測對(duì)象原有的狀態(tài)。這就造成了檢測結(jié)果和被測量的客觀真值之間存在一定的差別，這個(gè)差值稱為測量誤差。簡言之，測量誤差就是測量值與真實(shí)值之間的差值，它反映了測量的精度。測量誤差的主要來源可以概括為工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差等。1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26211.2.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)21.2.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理

測量數(shù)據(jù)的估計(jì)和處理1)隨機(jī)誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)（1）算術(shù)平均值。在實(shí)際測量時(shí)，真值A(chǔ)一般無法得到?？梢宰C明，隨著測量次數(shù)的增多，算術(shù)平均值越來越接近真值，當(dāng)無限大時(shí)，測量值的算術(shù)平均值就是真值。

（2）標(biāo)準(zhǔn)誤差(又稱均方根誤差)。算術(shù)平均值是反映隨機(jī)誤差的分布中心，而標(biāo)準(zhǔn)誤差則反映隨機(jī)誤差的分布范圍。標(biāo)準(zhǔn)誤差越大，測量數(shù)據(jù)的分散范圍也越大，標(biāo)準(zhǔn)誤差可以描述測量數(shù)據(jù)和測量結(jié)果的精度，是評(píng)價(jià)隨機(jī)誤差的重要指標(biāo)。1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26221.2.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)21.2.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)誤差的檢查及消除1）系統(tǒng)誤差的檢查方法

（1）實(shí)驗(yàn)對(duì)比法。

（2）殘余誤差法。2)系統(tǒng)誤差的消除方法

（1）交換法。

（2）抵消法。

（3）代替法。

（4）對(duì)稱測量法。

（5）補(bǔ)償法。1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26231.2.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2休息一下2022/11/2624休息一下2022/11/2624第1章傳感器理論基礎(chǔ)1.1傳感器基礎(chǔ)1.1.1傳感器的概念傳感器（Transducer/Sensor）是一種能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用量的器件和裝置。

傳感器就是把非電量轉(zhuǎn)換成電量的裝置。25第1章傳感器理論基礎(chǔ)1.1傳感器基礎(chǔ)11.1.2傳感器的組成和分類1．傳感器的組成傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路組成，如圖1-1所示。2022/11/26261.1.2傳感器的組成和分類1．傳感器的組成2022/1.1.2傳感器的組成與分類敏感元件(sensingelement)：直接感受被測量的變化，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件，它是傳感器的核心。轉(zhuǎn)換元件(transductionelement)：將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量電信號(hào)的元件。測量電路(measuringcircuit)：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換和處理的部分，如放大、濾波、線性化、補(bǔ)償?shù)?，以獲得更好的品質(zhì)特性，便于后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。2022/11/26271.1.2傳感器的組成與分類敏感元件(sensinge1.1.2傳感器的組成和分類（1）按照其工作原理，傳感器可分為電參數(shù)式(如電阻式、電感式和電容式)傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器及熱電式傳感器等。（2）按照其被測量對(duì)象，傳感器可分為力、位移、速度、加速度傳感器等。常見的被測物理量有機(jī)械量、聲、磁、溫度和光等。（3）按照其結(jié)構(gòu)，傳感器可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：水銀溫度計(jì)。結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：電容式傳感器。2．傳感器的分類2022/11/26281.1.2傳感器的組成和分類（1）按照其工作原理，傳感器1.1.3傳感器基本特性當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間變化時(shí)，其輸入輸出關(guān)系特性稱為靜態(tài)特性。傳感器的基本特性是指系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系特性，即傳感器系統(tǒng)的輸出信號(hào)y(t)和輸入信號(hào)（被測量）x(t)之間的關(guān)系，傳感器系統(tǒng)示意圖如下圖所示。2022/11/26291.1.3傳感器基本特性當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是常量，不隨時(shí)間1.1.3傳感器基本特性傳感器的靜態(tài)特性：1.測量范圍：傳感器所能測量到的最小輸入量

與最大輸入量

之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。2.量程：傳感器測量范圍的上限值

與下限值

的代數(shù)差

-稱為量程。3.精度：傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映。工程技術(shù)中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級(jí)的概念。精度等級(jí)以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示，代表傳感器測量的最大允許誤差，即相對(duì)誤差。

4.靈敏度：靈敏度是指傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比，即

，如右圖所示。2022/11/26301.1.3傳感器基本特性傳感器的靜態(tài)特性：2022/11/1.1.3傳感器基本特性5.線性度：指其輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線偏離理想直線的程度。在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合的方法來線性化。這樣，線性度就用輸入-輸出關(guān)系曲線與擬合直線之間最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示。

式中，

為非線性最大誤差(最大偏差);為滿量程輸出值。常用的直線擬合方法有理論擬合、端點(diǎn)擬合和端點(diǎn)平移擬合等，如圖1-7所示。采取不同的方法選取擬合直線，可以得到不同的線性度。2022/11/26311.1.3傳感器基本特性5.線性度：指其輸出量與輸入量之1.1.3傳感器基本特性2022/11/26321.1.3傳感器基本特性2022/11/2681.1.3傳感器基本特性6.分辨率:分辨率是指檢測儀表能夠精確檢測出被測量最小變化值的能力。輸入量從某個(gè)任意值緩慢增加，直到可以測量到輸出的變化為止，此時(shí)的輸入量就是分辨率。它可以用絕對(duì)值，也可以用量程的百分?jǐn)?shù)來表示。該量說明了檢測儀表響應(yīng)與分辨輸入量微小變化的能力。靈敏度愈高，分辨率愈好。一般模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半。數(shù)字式儀表的分辨率是最后一位的一個(gè)字。2022/11/26331.1.3傳感器基本特性6.分辨率:2022/11/1.1.3傳感器基本特性7.重復(fù)性:重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線間不一致的程度.2022/11/26341.1.3傳感器基本特性7.重復(fù)性:2022/11/21.1.3傳感器基本特性8.遲滯:

遲滯特性表明傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中輸出特性曲線不重合的程度，如圖所示為傳感器的遲滯特性特性曲線。

2022/11/26351.1.3傳感器基本特性8.遲滯:2022/11/261.1.3傳感器基本特性9.穩(wěn)定性:穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。10.漂移:

漂移是指在外界的干擾下，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的或不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等，如圖所示。2022/11/26361.1.3傳感器基本特性9.穩(wěn)定性:2022/11/1.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)傳感器的命名傳感器的全稱應(yīng)由“主題詞+四級(jí)修飾語”組成，即主題詞——

傳感器一級(jí)修飾語——

被測量，包括修飾被測量的定語。二級(jí)修飾語——

轉(zhuǎn)換原理，一般可后綴以“式”字。三級(jí)修飾語——

特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后綴以“型”字。四級(jí)修飾語——

主要技術(shù)指標(biāo)(如量程、精度、靈敏度等)。2022/11/26371.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)傳感器的命名1.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)2．傳感器的代號(hào)

一種傳感器的代號(hào)應(yīng)包括以下四部分：a——主稱(傳感器)；b——被測量；c——轉(zhuǎn)換原理；d——序號(hào)，如圖所示。2022/11/26381.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)2．傳感器的代1.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)3．傳感器的圖形符號(hào)

傳感器的圖形符號(hào)是電氣圖用圖形符號(hào)的一個(gè)組成部分。按GB/T14479—93《傳感器圖用圖形符號(hào)》規(guī)定，傳感器的圖形符號(hào)由符號(hào)要素正方形和等邊三角形組成，如圖所示。2022/11/26391.1.4傳感器的命名、代號(hào)和圖形符號(hào)3．傳感器的圖形1.1.5傳感器的發(fā)展趨勢(shì)（1）發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效應(yīng)；（2）開發(fā)新材料；（3）采用高新技術(shù)；（4）拓展應(yīng)用領(lǐng)域；（5）提高傳感器的性能；（6）傳感器的微型化與低功耗；

（7）傳感器的集成化與多功能化；

（8）傳感器的智能化與數(shù)字化；

（9）傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。

2022/11/26401.1.5傳感器的發(fā)展趨勢(shì)（1）發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象、新效1.2.1檢測技術(shù)

檢測技術(shù)是以研究檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理的理論與技術(shù)為主要內(nèi)容的一門應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。檢測技術(shù)主要研究被測量的測量原理、測量方法、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等方面的內(nèi)容。不同性質(zhì)的被測量要采用不同的原理去測量，測量同一性質(zhì)的被測量也可采用不同測量原理。1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26411.2.1檢測技術(shù)1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/1.2.2測量方法1)直接測量、間接測量和組合測量(又稱聯(lián)立測量)。經(jīng)過求解聯(lián)立方程組，才能得到被測物理量的最后結(jié)果，則稱這樣的測量為組合測量。

2)偏差式測量、零位式測量與微差式測量3)等精度測量與非等精度測量4)靜態(tài)測量與動(dòng)態(tài)測量1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26421.2.2測量方法1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/111.2.3檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)是由被測對(duì)象、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)構(gòu)成，

1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2022/11/26431.2.3檢測系統(tǒng)