《傳感器技術(shù)與應(yīng)用》課件第一章-傳感器理論基礎(chǔ)

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(cè)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。1ppt課件1.1.2傳感器的組成和分類(lèi)1．傳感器的組成傳感器是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路組成，如圖1-1所示。2023/1/82ppt課件1.1.2傳感器的組成與分類(lèi)敏感元件(sensingelement)：直接感受被測(cè)量的變化，并輸出與被測(cè)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(cè)量電信號(hào)的元件。測(cè)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(xiàn)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。2023/1/83ppt課件1.1.2傳感器的組成和分類(lèi)（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(cè)量對(duì)象，傳感器可分為力、位移、速度、加速度傳感器等。常見(jiàn)的被測(cè)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(lái)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(lèi)2023/1/84ppt課件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(chēng)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(cè)量）x(t)之間的關(guān)系，傳感器系統(tǒng)示意圖如下圖所示。2023/1/85ppt課件1.1.3傳感器基本特性傳感器的靜態(tài)特性：1.測(cè)量范圍：傳感器所能測(cè)量到的最小輸入量

與最大輸入量

之間的范圍稱(chēng)為傳感器的測(cè)量范圍。2.量程：傳感器測(cè)量范圍的上限值

與下限值

的代數(shù)差

-稱(chēng)為量程。3.精度：傳感器的精度是指測(cè)量結(jié)果的可靠程度，是測(cè)量中各類(lèi)誤差的綜合反映。工程技術(shù)中為簡(jiǎn)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(cè)量的最大允許誤差，即相對(duì)誤差。

4.靈敏度：靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵龅淖兓颗c引起該變化量的輸入變化量之比，即

，如右圖所示。2023/1/86ppt課件1.1.3傳感器基本特性5.線(xiàn)性度：指其輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線(xiàn)偏離理想直線(xiàn)的程度。在非線(xiàn)性誤差不太大的情況下，通常采用直線(xiàn)擬合的方法來(lái)線(xiàn)性化。這樣，線(xiàn)性度就用輸入-輸出關(guān)系曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)之間最大偏差與滿(mǎn)量程輸出的百分比來(lái)表示。

式中，

為非線(xiàn)性最大誤差(最大偏差);為滿(mǎn)量程輸出值。常用的直線(xiàn)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(xiàn)，可以得到不同的線(xiàn)性度。2023/1/87ppt課件1.1.3傳感器基本特性2023/1/88ppt課件1.1.3傳感器基本特性6.分辨率:分辨率是指檢測(cè)儀表能夠精確檢測(cè)出被測(cè)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(cè)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(lái)表示。該量說(shuō)明了檢測(cè)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。2023/1/89ppt課件1.1.3傳感器基本特性7.重復(fù)性:重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線(xiàn)間不一致的程度.2023/1/810ppt課件1.1.3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(xiàn)不重合的程度，如圖所示為傳感器的遲滯特性特性曲線(xiàn)。

2023/1/811ppt課件1.1.3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(zhǎng)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(wú)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。2023/1/812ppt課件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(chēng)應(yīng)由“主題詞+四級(jí)修飾語(yǔ)”組成，即主題詞——

傳感器一級(jí)修飾語(yǔ)——

被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語(yǔ)。二級(jí)修飾語(yǔ)——

轉(zhuǎn)換原理，一般可后綴以“式”字。三級(jí)修飾語(yǔ)——

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(yǔ)——

主要技術(shù)指標(biāo)(如量程、精度、靈敏度等)。2023/1/813ppt課件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(chēng)(傳感器)；b——被測(cè)量；c——轉(zhuǎn)換原理；d——序號(hào)，如圖所示。2023/1/814ppt課件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。2023/1/815ppt課件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(kāi)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。

2023/1/816ppt課件1.2.1檢測(cè)技術(shù)

檢測(cè)技術(shù)是以研究檢測(cè)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(mén)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。檢測(cè)技術(shù)主要研究被測(cè)量的測(cè)量原理、測(cè)量方法、檢測(cè)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(cè)量要采用不同的原理去測(cè)量，測(cè)量同一性質(zhì)的被測(cè)量也可采用不同測(cè)量原理。1.2檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2023/1/817ppt課件1.2.2測(cè)量方法1)直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量(又稱(chēng)聯(lián)立測(cè)量)。經(jīng)過(guò)求解聯(lián)立方程組，才能得到被測(cè)物理量的最后結(jié)果，則稱(chēng)這樣的測(cè)量為組合測(cè)量。

2)偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量與微差式測(cè)量3)等精度測(cè)量與非等精度測(cè)量4)靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量1.2檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2023/1/818ppt課件1.2.3檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)是由被測(cè)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(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2023/1/819ppt課件1.2.3檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)又分：開(kāi)環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)與閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)1.2檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2023/1/820ppt課件1.2.4測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理

測(cè)量誤差

在檢測(cè)過(guò)程中，被測(cè)對(duì)象、檢測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)方法和檢測(cè)人員都會(huì)受到各種變動(dòng)因素的影響。而對(duì)被測(cè)量的轉(zhuǎn)換，有時(shí)也會(huì)改變被測(cè)對(duì)象原有的狀態(tài)。這就造成了檢測(cè)結(jié)果和被測(cè)量的客觀真值之間存在一定的差別，這個(gè)差值稱(chēng)為測(cè)量誤差。簡(jiǎn)言之，測(cè)量誤差就是測(cè)量值與真實(shí)值之間的差值，它反映了測(cè)量的精度。測(cè)量誤差的主要來(lái)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(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2023/1/821ppt課件1.2.4測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理

測(cè)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(cè)量時(shí)，真值A(chǔ)一般無(wú)法得到?？梢宰C明，隨著測(cè)量次數(shù)的增多，算術(shù)平均值越來(lái)越接近真值，當(dāng)無(wú)限大時(shí)，測(cè)量值的算術(shù)平均值就是真值。

（2）標(biāo)準(zhǔn)誤差(又稱(chēng)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(cè)量數(shù)據(jù)的分散范圍也越大，標(biāo)準(zhǔn)誤差可以描述測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)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(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)2023/1/822ppt課件1.2.4測(cè)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。