第1章基本知識

第1章檢測技術基本知識1.1測量與測量誤差1.2傳感器的組成和特性2/2/202311.2傳感器的組成與特性1.2.1傳感器的定義、組成和分類1.傳感器的定義傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置。在有些學科領域，傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉換器等。這些不同提法，反映了在不同的技術領域中，只是根據器件用途對同一類型的器件使用著不同的技術術語而已。

2/2/20232傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產生可用信號輸出的轉換元件以及相應的轉換電路組成。如圖1—3示。傳感器組成框圖2/2/202332.傳感器分類（1）按被測量分類：可分為位移、力、力矩、轉速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。這種方法明確表明了傳感器的用途，便于使用者選用。如上圖所示為壓力傳感器，用于測量壓力信號。（2）按測量原理分類：可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導纖維等傳感器。這種方法表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器的設計和應用。如上圖所示為電阻式壓力傳感器。（3）按傳感器轉換能量供給形式分類：分為能量變換型（發(fā)電型）和能量控制型（參量型）兩種。2/2/202343.傳感器代號（1）主稱——傳感器代號C。（2）被測量—用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。（3）轉換原理——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記。（4）序號——用一個阿拉伯數字標記，廠家自定，用來表征產品設計特性、性能參數、產品系列等。例：CWY—YB—20傳感器。

C：傳感器主稱，WY：被測量是位移，YB：轉換原理是應變式，20，傳感器序號。2/2/202351.1.1測量方法

實現被測量與標準量比較得出比值的方法，稱為測量方法。分類：（1）直接測量：直接測量就是用預先標定好的測量儀表直接讀取被測量的測量結果。例如用萬用表測量電壓、電流、電阻等。這種測量方法的優(yōu)點是簡單而迅速，缺點是精度一般不高。但這種測量方法在工程上廣泛采用。（2）間接測量：間接測量就是利用被測量與某中間量的函數關系，先測出中間量，然后通過相應的函數關系計算出被測量的數值。例如導線電阻的測量就是間接測量。間接測量多用于科學實驗中的實驗室測量。2/2/20236（3）聯(lián)立測量：聯(lián)立測量又叫組合測量。如果被測量有多個，而且被測量又與某些可以通過直接或間接測量得到結果的其他量存在一定的函數關系，則可先測量這幾個量，再求解函數關系組成的聯(lián)立方程組，從而得到多個被測量的數值。例如：在研究熱電阻Rt隨溫度ｔ變化的規(guī)律時在一定的溫度范圍內有下列關系式2/2/20237Rt=R20+α(ｔ－20)＋β(ｔ－20)2

式中，R20、α、β是三個待測的量，R20是電阻在20℃時的數值，α、β是電阻的溫度系數。依據此關系式，測出在t1、t2、t3三個不同的測試溫度時導體的電阻Rt1、Rt2、Rt3，得到聯(lián)立方程組。求解方程組可得到R20、α、β。2/2/202382.按測量時是否與被測對象接觸分類（1）接觸式測量:傳感器直接與被測對象接觸，承受被測參數的作用，感受其變化，從而獲得信號，并測量其信號大小的方法，稱為接觸測量法。例如用體溫計測體溫等。（2）非接觸式測量:傳感器不與被測對象直接接觸，而是間接承受被測參數的作用，感受其變化，從而獲得信號，并測量其信號大小的方法，稱為非接觸測量法。例如用輻射式溫度計測量溫度，用光電轉速表測量轉速等。非接觸測量法不干擾被測對象，既可對局部點檢測，又可對整體掃描。特別是對于運動對象、腐蝕性介質及危險場合的參數檢測，它更方便、安全和準確。2/2/202393.按被測信號的變化情況分類（1）靜態(tài)測量:靜態(tài)測量是測量那些不隨時間變化或變化很緩慢的物理量。如超市中物品的稱重屬于靜態(tài)測量，溫度計測氣溫也屬于靜態(tài)測量。（2）動態(tài)測量:動態(tài)測量是測量那些隨時間而變化的物理量。如地震儀測量振動波形則屬于動態(tài)測量。2/2/2023104.按測量方式分類（1）偏差式測量:用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的量值，這種測量方法稱為偏差式測量。在測量時，輸入被測量，按照儀表指針在標尺上的示值，決定被測量的數值。如指針式電壓表測電壓，指針式電流表測電流。這種方法測量過程比較簡單、迅速，但測量結果精度較低。（2）零位式測量:用指零儀表的零位指示檢測測量系統(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，這種測量方法稱為零位式測量。在測量時，已知標準量直接與被測量相比較，已知量應連續(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。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，不適用于測量迅速變化的信號。2/2/202311（3）微差式測量: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。例如：設N為標準量，x為被測量，Δ為二者之差，則x=N+Δ。由于N是標準量，其誤差很小，因此可選用高靈敏度的偏差式儀表測量Δ，即使測量Δ的精度較低，但因Δx值較小，它對總測量值的影響較小，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的測量。2/2/2023121.1測量與測量誤差分類：根據獲得測量值的方法可分為直接測量、間接測量和組合測量；根據測量方式可分為偏差式測量、零位法測量；根據被測量變化快慢可分為靜態(tài)測量與動態(tài)測量；根據測量敏感元件是否與被測介質接觸可分為接觸測量與非接觸測量；2/2/2023131.1.2測量誤差及表達方式

測量誤差可用絕對誤差表示，也可用相對誤差表示。1.絕對誤差絕對誤差是指測量值與真值之間的差值，它反映了測量值偏離真值的多少，即（1—1）

式（1—1）中L0為被測量真值，x為被測量實際值。由于真值的不可知性，在實際應用時，常用實際真值L代替，即用被測量多次測量的平均值或上一級標準儀器測得的示值作為實際真值，故有（1—2）2/2/2023142.相對誤差相對誤差反映了測量值偏離真值的程度。（1）實際相對誤差實際相對誤差是指絕對誤差與被測真值的百分比，用表示，即﹪（1—3）（2）示值（標稱）相對誤差示值相對誤差是指絕對誤差與被測量值的百分比，用表示，即﹪（1—4）2/2/202315（3）引用（滿度）相對誤差:引用相對誤差是指絕對誤差與儀表滿度值Am的百分比，用表示，即﹪1—5）2/2/202316【實例1】某溫度計的量程范圍為0～500℃，校驗時該表的最大絕對誤差為6℃，試確定該儀表的精度等級。解：根據題意知6℃，500℃，代入式中該溫度計的基本誤差介于1.0%與1.5%之間，因此該表的精度等級應定為1.5級。2/2/202317【實例2】現有0.5級的0～300℃和1.0級的0～100℃的兩個溫度計，欲測量80℃的溫度，試問選用哪一個溫度計好？為什么？解：0.5級溫度計測量時可能出現的最大絕對誤差、測量80℃可能出現的最大示值相對誤差分別為1.0級溫度計測量時可能出現的最大絕對誤差、測量80℃時可能出現的最大示值相對誤差分別為

1.0﹪*（100－0）=1計算結果，顯然用1.0級溫度計比0.5級溫度計測量時示值相對誤差反而小。因此在選用儀表時，不能單純追求高精度，而是應兼顧精度等級和量程。2/2/2023181.1.3測量誤差的分類1.按誤差表現的規(guī)律劃分

根據測量數據中的誤差所呈現的規(guī)律，將誤差分為三種，即系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。這種分類方法便于測量數據處理。（1）系統(tǒng)誤差:對同一被測量進行多次重復測量時，若誤差固定不變或者按照一定規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。

系統(tǒng)誤差一般可通過實驗或分析的方法，查明其變化的規(guī)律及產生的原因，因此它是可以預測的，也是可以消除的。例如，標準量值的不準確及儀表刻度的不準確而引起的誤差。2/2/202319（2）隨機誤差:對同一被測量進行多次重復測量時，若誤差的大小隨機變化、不可預知，這種誤差稱為隨機誤差。

對隨機誤差的某個單值來說，是沒有規(guī)律、不可預料的，但從多次測量的總體上看，隨機誤差又服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，大多數服從正態(tài)分布規(guī)律。因此可以用概率論和數理統(tǒng)計的方法，從理論上估計其對測量結果的影響。（3）粗大誤差:測量結果明顯地偏離其實際值所對應的誤差，稱為粗大誤差或疏忽誤差，又叫過失誤差。這類誤差是由于測量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。含有粗大誤差的測量值稱為壞值。2/2/2023202.按被測量與時間關系劃分（1）靜態(tài)誤差:被測量穩(wěn)定不變時所產生的測量誤差稱為靜態(tài)誤差。（2）動態(tài)誤差:被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)的輸出量在時間上卻跟不上輸入的變化，這時所產生的誤差稱為動態(tài)誤差。

2/2/2023211.1.4測量誤差的分析與處理1.隨機誤差的分析與處理具有正態(tài)分布的隨機誤差如圖所示具有以下四個特征：（1）對稱性:絕對值相等的正、負誤差出現的機會大致相等。（2）單峰性:絕對值越小的誤差在測量中出現的概率越大。（3）有界性:在一定的測量條件下，隨機誤差的絕對值不會超過一定的界限。（4）抵償性:在相同的測量條件下，當測量次數增加時，隨機誤差的算術平均值趨向于零。2/2/202322算術平均值在實際測量時，真值L不可能得到。但如果隨機誤差服從正態(tài)分布，則算術平均值處隨機誤差的概率密度最大。對被測量進行等精度的n次測量，得n個測量值x1，x2，…，xn，它們的算術平均值為2/2/2023232．系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差（1）系統(tǒng)誤差產生原因如下：檢測裝置本身性能不完善、測量方法不當、對儀器的使用不當、環(huán)境條件的變化等原因都可能產生系統(tǒng)誤差。2/2/2023241.2.2、系統(tǒng)誤差的判別和確定1.原理分析與理論計算：對一些因轉換原理、檢測方法或設計制造方面存在不足而產生的恒差型系統(tǒng)誤差可通過原理分析與理論計算來加以修正。2.采用修正方法減小恒差系統(tǒng)誤差

2/2/202325（2）隨機誤差是用精密度表示隨機誤差的大小。隨機誤差大，測量結果分散，精密度低；反之，測量結果的重復性好，精密度高。（a）準確度高而精密度低（b）準確度低而精密度高（c）精確度高在測量中我們希望得到精確度高的結果。

2/2/202326（3）粗大誤差是測量人員工作時的疏忽大意，出現了讀數錯誤、記錄錯誤、計算錯誤或操作不當等。另外，測量方法不恰當，測量條件意外地突然變化，也可能造成粗大誤差。2/2/202327直線擬合方法a)原點擬合b)過零旋轉擬合c)端點連線擬合d)端點連線平移擬合2/2/2023281.2.2、傳感器測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性1.線性度：傳感器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的實際關系曲線(即靜特性曲線)偏離直線的程度，又稱非線性誤差。大多數傳感器為非線性的，為了得到線性關系，常引入各種非線性補償環(huán)節(jié)。使傳感器輸出，輸入線性化。2.采用的直線稱為擬合直線。實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差(或線性度)，通常用相對誤差γL表示，即：式中，ΔLmax是最大非線性絕對誤差；γFS是滿量程輸出。2/2/2023292．靈敏度靈敏度S是指傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的輸入量Δx的比值，即：

(1-15)對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即S為常數；而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用S=dy/dx表示。傳感器的靈敏度如圖所示。圖：傳感器的靈敏度2/2/2023303．遲滯(回差滯環(huán)現象)傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輸出。輸入特性曲線不重合的現象稱為遲滯，如圖所示。主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質和機械零部件的缺陷所造成的，例如，彈性敏感元件的彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機構的間隙、緊固件松動等，具有一定的隨機性。遲滯誤差γH可由下式計算：式中，ΔHmax是正、反行程輸出值間的最大差值。圖：傳感器遲滯特性2/2/2023313．重復性:yx0⊿Rmax2⊿Rmax1重復性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度?！鱎max1正行程的最大重復性偏差，△Rmax2反行程的最大重復性偏差。2/2/2023325．分辨率:傳感器的分辨率是指在規(guī)定測量范圍內所能檢測輸入量的最小變化量ΔXmin。有時也用該值相對滿量程輸入值的百分數(ΔXmin／XFS×100％)表示。6．穩(wěn)定性:傳感器的穩(wěn)定性一般是指長期穩(wěn)定性，是在室溫條件下，經過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異，因此通常又用其不穩(wěn)定度來表征傳感器輸出的穩(wěn)定程度。7．漂移:傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關的變化，包括