第1章 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

傳感器與檢測(cè)技術(shù)主編宋雪臣單振清第1章檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)知識(shí)目標(biāo)

通過本章的學(xué)習(xí)，要求了解檢測(cè)技術(shù)在我們生活、生產(chǎn)、科研等方面的重要性；了解測(cè)量的概念，掌握測(cè)量誤差的特點(diǎn)；了解傳感器的作用和分類；掌握自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；了解自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。技能目標(biāo)

通過本章的學(xué)習(xí)，要求掌握誤差的表達(dá)方式，能正確選擇儀表進(jìn)行測(cè)量，了解測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和處理方法，熟悉傳感器的基本性能指標(biāo)。

1.1檢測(cè)技術(shù)與我們的生活息息相關(guān)檢測(cè)技術(shù)幾乎滲透到人類的一切活動(dòng)領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。它不僅給人們帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，改善人們的生活質(zhì)量，還不斷推動(dòng)著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，成為一些發(fā)達(dá)國家最重要的熱門技術(shù)之一。在工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中方面，為了保證生產(chǎn)過程能正常、高效、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，必須對(duì)生產(chǎn)過程的某些重要工藝參數(shù)(如溫度、壓力、流量等)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與優(yōu)化控制。例如陶瓷隧道窯溫度、壓力監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)如圖1-1所示；超聲波探傷如圖1-2所示；對(duì)容器液位的檢測(cè)如圖1-3所示等等。

圖1-1陶瓷隧道窯溫度、壓力圖1-2超聲波探傷圖1-3容器液位的檢測(cè)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

在交通運(yùn)輸方面，需要對(duì)車輛的速度、加速度、油料、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度等基本參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，為了保證行駛安全還要裝設(shè)安全氣囊、防滑控制系統(tǒng)、防盜、防抱死系統(tǒng)等等。如圖1-4和1-5所示。1-4安全氣囊1-5防側(cè)滑系統(tǒng)涉及到的傳感器在醫(yī)療衛(wèi)生方面，為了提高對(duì)病人病情的診斷水平，廣泛采用了先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，對(duì)人體溫度、血壓、心腦電波、內(nèi)臟器官等精確檢測(cè)。大大提高對(duì)疾病的檢查、診斷速度和準(zhǔn)確性，有利于爭(zhēng)取時(shí)間、對(duì)癥治療，增加患者戰(zhàn)勝疾病的機(jī)會(huì)。如圖1-6、1-7所示。

圖1-6超聲波檢測(cè)圖1-7大型醫(yī)療設(shè)備-C型臂

傳感器和檢測(cè)技術(shù)在日常生活中也有著廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代家庭中空調(diào)器、電冰箱、洗衣機(jī)、煤氣報(bào)警器、電飯煲、電磁爐等都離不開傳感器。利用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、空氣溫度、食物加熱溫度的控制，或通過對(duì)手的感測(cè)來實(shí)現(xiàn)對(duì)水龍頭的出水控制等等。如圖1-8所示。

圖1-8常見家用電器

（a）感應(yīng)水龍頭（b）電飯煲（c）電熱水器（d）電冰箱

在航天航空、遙感技術(shù)和軍事方面，需要傳感器對(duì)飛機(jī)、火箭等飛行器的飛行速度、加速度、方向和姿態(tài)等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)；利用紅外光電傳感器、微波傳感器探測(cè)氣象、地質(zhì)；利用壓電陶瓷制成導(dǎo)彈引爆裝置等。如圖1-9所示。

圖1-9常見航天器、導(dǎo)彈

（a）月球車（b）火箭（c）自引爆炸彈

1.2測(cè)量與測(cè)量誤差

1.2.1測(cè)量的概念

測(cè)量是人們借助專門的技術(shù)和設(shè)備，通過實(shí)驗(yàn)的方法，把被測(cè)量與單位標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，以確定出被測(cè)量是標(biāo)準(zhǔn)量的多少倍數(shù)的過程，所得的倍數(shù)就是測(cè)量值。測(cè)量過程的核心就是比較。

1.2.2測(cè)量方法

實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法，稱為測(cè)量方法。針對(duì)不同測(cè)量任務(wù)進(jìn)行具體分析以找出切實(shí)可行的測(cè)量方法，對(duì)測(cè)量工作是十分重要的。

下面介紹幾種常用的分類方法。

1.按測(cè)量手續(xù)分類

按測(cè)量手續(xù)不同可分為直接測(cè)量、間接測(cè)量和聯(lián)立測(cè)量。

（1）直接測(cè)量直接測(cè)量就是用預(yù)先標(biāo)定好的測(cè)量儀表直接讀取被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果。優(yōu)點(diǎn)是簡單而迅速，缺點(diǎn)是精度一般不高，但這種測(cè)量方法在工程上廣泛采用。

（2）間接測(cè)量間接測(cè)量就是利用被測(cè)量與某中間量的函數(shù)關(guān)系，先測(cè)出中間量，然后通過相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出被測(cè)量的數(shù)值。例如導(dǎo)線電阻率的測(cè)量就是間接測(cè)量，在這種測(cè)量過程中，手續(xù)較多，花費(fèi)時(shí)間較長，有時(shí)可以得到較高的測(cè)量精度。間接測(cè)量多用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。

（3）聯(lián)立測(cè)量聯(lián)立測(cè)量又叫組合測(cè)量。如果被測(cè)量有多個(gè)，而被測(cè)量又與其他量存在一定的函數(shù)關(guān)系，則可先測(cè)量這幾個(gè)量，再求解函數(shù)關(guān)系組成的聯(lián)立方程組，從而得到多個(gè)被測(cè)量的數(shù)值。例如：在研究熱電阻Rt隨溫度ｔ變化的規(guī)律時(shí)在一定的溫度范圍內(nèi)有下列關(guān)系式

Rt=R20+α（ｔ－20）＋β（ｔ－20）2

式中，R20、α、β是三個(gè)待測(cè)的量，R20是電阻在20℃時(shí)的數(shù)值，α、β是電阻的溫度系數(shù)。依據(jù)此關(guān)系式，測(cè)出在t1、t2、t3三個(gè)不同測(cè)試溫度時(shí)導(dǎo)體的電阻Rt1、Rt2、Rt3，得到聯(lián)立方程組，通過求解聯(lián)立方程組便可得到R20、α、β的數(shù)值。2.按測(cè)量時(shí)是否與被測(cè)對(duì)象接觸分類

（1）接觸式測(cè)量傳感器直接與被測(cè)對(duì)象接觸，承受被測(cè)參數(shù)的作用，感受其變化，從而獲得信號(hào)，并測(cè)量其信號(hào)大小的方法，稱為接觸測(cè)量法。例如用體溫計(jì)測(cè)體溫等。

（2）非接觸式測(cè)量傳感器不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是間接承受被測(cè)參數(shù)的作用，感受其變化，從而獲得信號(hào)，并測(cè)量其信號(hào)大小的方法，稱為非接觸測(cè)量法。例如用輻射式溫度計(jì)測(cè)量溫度，用光電轉(zhuǎn)速表測(cè)量轉(zhuǎn)速等。非接觸測(cè)量法不干擾被測(cè)對(duì)象，既可對(duì)局部點(diǎn)檢測(cè)，又可對(duì)整體掃描。特別是對(duì)于運(yùn)動(dòng)對(duì)象、腐蝕性介質(zhì)及危險(xiǎn)場(chǎng)合的參數(shù)檢測(cè)，它更方便、安全和準(zhǔn)確。

3.按被測(cè)信號(hào)的變化情況分類

根據(jù)被測(cè)信號(hào)的變化情況不同分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。

（1）靜態(tài)測(cè)量靜態(tài)測(cè)量是測(cè)量那些不隨時(shí)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(cè)量，溫度計(jì)測(cè)氣溫也屬于靜態(tài)測(cè)量。

（2）動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量是測(cè)量那些隨時(shí)間而變化的物理量。如地震儀測(cè)量振動(dòng)波形則屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量。4.按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類

根據(jù)輸出信號(hào)的性質(zhì)不同分為模擬式測(cè)量和數(shù)字式測(cè)量。

（1）模擬式測(cè)量模擬式測(cè)量是指測(cè)量結(jié)果可根據(jù)儀表指針在標(biāo)尺上的定位進(jìn)行連續(xù)讀取的測(cè)量方式，如指針式電壓表測(cè)電壓。

（2）數(shù)字式測(cè)量數(shù)字式測(cè)量是指以數(shù)字的形式直接給出測(cè)量結(jié)果的測(cè)量方式，如數(shù)字式萬用表的測(cè)量。

5.按測(cè)量方式分類

按測(cè)量方式不同可分為偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量與微差式測(cè)量。

（1）偏差式測(cè)量用儀表指針的位移（即偏差）決定被測(cè)量的量值，這種測(cè)量方法稱為偏差式測(cè)量.如指針式電壓表測(cè)電壓，指針式電流表測(cè)電流。這種方法測(cè)量過程比較簡單、迅速，但測(cè)量結(jié)果精度較低。

（2）零位式測(cè)量用指零儀表的零位指示檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測(cè)量系統(tǒng)平衡時(shí)，用已知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測(cè)量的量值，這種測(cè)量方法稱為零位式測(cè)量。例如物理天平、電位差計(jì)等。零位式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得比較高的測(cè)量精度，但測(cè)量過程比較復(fù)雜，費(fèi)時(shí)較長，不適用于測(cè)量迅速變化的信號(hào)。

（3）微差式測(cè)量微差式測(cè)量是綜合了偏差式測(cè)量與零位式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種測(cè)量方法。它將被測(cè)量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，取得差值后，再用偏差法測(cè)得此差值。例如：設(shè)N為標(biāo)準(zhǔn)量，x為被測(cè)量，Δ為二者之差，則x=N+Δ。由于N是標(biāo)準(zhǔn)量，其誤差很小，因此可選用高靈敏度的偏差式儀表測(cè)量Δ，即使測(cè)量Δ的精度較低，但因Δx值較小，它對(duì)總測(cè)量值的影響較小，故總的測(cè)量精度仍很高。微差式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，而且測(cè)量精度高，特別適用于在線控制參數(shù)的測(cè)量。

1.2.3測(cè)量誤差及表達(dá)方式

在一定條件下被測(cè)物理量客觀存在的實(shí)際值，稱為真值，真值是一個(gè)理想的概念。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不完善、周圍環(huán)境的影響以及人們認(rèn)識(shí)能力所限等因素，使得測(cè)量值與其真值之間不可避免地存在著差異。測(cè)量值與真值之間的差值稱為測(cè)量誤差。

測(cè)量誤差可用絕對(duì)誤差表示，也可用相對(duì)誤差表示。絕對(duì)誤差

絕對(duì)誤差是指測(cè)量值與真值之間的差值，它反映了測(cè)量值偏離真值的多少，即

式（1-1）中A0為被測(cè)量真值，為被測(cè)量實(shí)際值。由于真值的不可知性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常用實(shí)際真值A(chǔ)代替，即用被測(cè)量多次測(cè)量的平均值或上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)得的示值作為實(shí)際真值，故有

2.相對(duì)誤差

相對(duì)誤差能夠反映測(cè)量值偏離真值的程度，它有以下三種常用形式：

（1）實(shí)際相對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與被測(cè)真值的百分比，用表示，即

﹪（1-3）

（2）示值（標(biāo)稱）相對(duì)誤差示值相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與被測(cè)量值的百分比，用表示，即

﹪（1-4）

（3）引用（滿度）相對(duì)誤差引用相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與儀表滿度值A(chǔ)m的百分比，用表示，即

﹪（1-5）

實(shí)際上給出的是絕對(duì)誤差。當(dāng)取最大值時(shí)，其滿度相對(duì)誤差常用來確定儀表的精度等級(jí)S，精度等級(jí)數(shù)值就是取絕對(duì)值并省略百分號(hào)得到的。例如，若=1.5﹪,則精度等級(jí)S=1.5級(jí)。測(cè)量指示儀表的精度等級(jí)S分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七個(gè)等級(jí)，這也是工業(yè)檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）常用的精度等級(jí)。例如5.0級(jí)的儀表其滿度相對(duì)誤差的正值不會(huì)超過儀表量程的+5％，負(fù)值不會(huì)低于儀表量程的-5％。

【例1-1】某溫度計(jì)的量程范圍為0～500℃，校驗(yàn)時(shí)該表的最大絕對(duì)誤差為6℃，試確定該儀表的精度等級(jí)。

解：根據(jù)題意知6℃，500℃，代入1-5式中可得

該溫度計(jì)的基本誤差介于1.0%與1.5%之間，因此該表的精度等級(jí)應(yīng)定為1.5級(jí)。

【例1-2】現(xiàn)有0.5級(jí)的0～300℃和1.0級(jí)的0～100℃的兩個(gè)溫度計(jì)，欲測(cè)量80℃的溫度，試問選用哪一個(gè)溫度計(jì)好？為什么？

解：0.5級(jí)溫度計(jì)測(cè)量時(shí)可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差、測(cè)量80℃可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差分別為

（℃）

1.0級(jí)溫度計(jì)測(cè)量時(shí)可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差、測(cè)量80℃時(shí)可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差分別為

（℃）

計(jì)算結(jié)果，顯然用1.0級(jí)溫度計(jì)比0.5級(jí)溫度計(jì)測(cè)量時(shí)，示值相對(duì)誤差反而小。因此在選用儀表時(shí)，不能單純追求高精度，而是應(yīng)兼顧精度等級(jí)和量程。

1.2.4測(cè)量誤差的分類

1.按誤差表現(xiàn)的規(guī)律劃分

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律，將誤差分為三種，即系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。（1）系統(tǒng)誤差對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，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)誤差是有規(guī)律性的。按其表現(xiàn)的特點(diǎn)可分為固定不變的恒值系差和遵循一定規(guī)律變化的變值系差。例如，標(biāo)準(zhǔn)量值的不準(zhǔn)確及儀表刻度的不準(zhǔn)確而引起的誤差。（2）隨機(jī)誤差對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，若誤差的大小隨機(jī)變化、不可預(yù)知，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是測(cè)量過程中，許多獨(dú)立的、微小的，偶然的因素引起的綜合結(jié)果。

對(duì)隨機(jī)誤差的某個(gè)單值來說，是沒有規(guī)律、不可預(yù)料的，但從多次測(cè)量的總體上看，隨機(jī)誤差又服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，大多數(shù)服從正態(tài)分布規(guī)律。因此可以用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，從理論上估計(jì)其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

（3）粗大誤差：測(cè)量結(jié)果明顯地偏離其實(shí)際值所對(duì)應(yīng)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(cè)量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。例如，測(cè)量人員工作時(shí)疏忽大意，出現(xiàn)了讀數(shù)錯(cuò)誤、記錄錯(cuò)誤、計(jì)算錯(cuò)誤或操作不當(dāng)?shù)?。另外，測(cè)量方法不恰當(dāng)，測(cè)量條件意外的突然變化，也可能造成粗大誤差。

含有粗大誤差的測(cè)量值稱為壞值或異常值。壞值應(yīng)從測(cè)量結(jié)果中剔除。

2.按被測(cè)量與時(shí)間關(guān)系劃分

（1）靜態(tài)誤差被測(cè)量穩(wěn)定不變時(shí)所產(chǎn)生的測(cè)量誤差稱為靜態(tài)誤差。

（2）動(dòng)態(tài)誤差被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上卻跟不上輸入的變化，這時(shí)所產(chǎn)生的誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。

1.2.5測(cè)量誤差的分析與處理

1.隨機(jī)誤差的分析與處理

在測(cè)量中，當(dāng)系統(tǒng)誤差已設(shè)法消除或減小到可以忽略的程度時(shí)，如果測(cè)量數(shù)據(jù)仍有不穩(wěn)定的現(xiàn)象，說明存在隨機(jī)誤差。在等精度測(cè)量情況下，得n個(gè)測(cè)量值x1，x2，……，xn，設(shè)只含有隨機(jī)誤差δ1＼δ2＼……δn。這組測(cè)量值或隨機(jī)誤差都是隨機(jī)事件，可以用概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來研究。隨機(jī)誤差的處理任務(wù)是從隨機(jī)數(shù)據(jù)中求出最接近真值的值（或稱真值的最佳估計(jì)值），對(duì)數(shù)據(jù)精密度的高低（或稱可信賴的程度）進(jìn)行評(píng)定并給出測(cè)量結(jié)果。

具有正態(tài)分布的隨機(jī)誤差如圖1-10所示具有以下四個(gè)特征：

（1）對(duì)稱性絕對(duì)值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)大致相等。

（2）單峰性絕對(duì)值越小的誤差在測(cè)量中出現(xiàn)的概率越大。

（3）有界性在一定的測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過一定的界限。

（4）抵償性在相同的測(cè)量條件下，當(dāng)測(cè)量次數(shù)增加時(shí)，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨向于零。圖1-10隨機(jī)誤差的正態(tài)分布曲線

2.系統(tǒng)誤差的分析與處理

我們可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析考慮。

（1）所用傳感器、測(cè)量儀表或組成元件是否準(zhǔn)確可靠。比如傳感器或儀表靈敏度不足，儀表刻度不準(zhǔn)確，變換器、放大器等性能不太優(yōu)良，由這些引起的誤差是常見的誤差。

（2）測(cè)量方法是否完善。如用電壓表測(cè)量電壓，電壓表的內(nèi)阻對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。

（3）傳感器或儀表安裝、調(diào)整或放置是否正確合理。例如：沒有調(diào)好儀表水平位置，安裝時(shí)儀表指針偏心等都會(huì)引起誤差。

（4）傳感器或儀表工作場(chǎng)所的環(huán)境條件是否符合規(guī)定條件。例如環(huán)境、溫度、濕度、氣壓等的變化也會(huì)引起誤差。

（5）測(cè)量者的操作是否正確。例如讀數(shù)時(shí)的視差、視力疲勞等都會(huì)引起系統(tǒng)誤差。

發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差一般比較困難，下面只介紹幾種發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的一般方法。

（1）實(shí)驗(yàn)對(duì)比法方法是通過改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件從而進(jìn)行不同條件的測(cè)量，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。這種方法適用于發(fā)現(xiàn)固定的系統(tǒng)誤差。例如，一臺(tái)測(cè)量儀表本身存在固定的系統(tǒng)誤差，即使進(jìn)行多次測(cè)量也不能發(fā)現(xiàn)，只有用精度更高一級(jí)的測(cè)量儀表測(cè)量，才能發(fā)現(xiàn)這臺(tái)測(cè)量儀表的系統(tǒng)誤差（2）殘余誤差觀察法這種方法是根據(jù)測(cè)量值的殘余誤差的大小和符號(hào)的變化規(guī)律，直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線圖形判斷有無變化的系統(tǒng)誤差。圖1-11把殘余誤差按測(cè)量值先后順序排列，圖1-11殘余誤差變化規(guī)律

(a)遞減的變值系統(tǒng)誤差(b)周期性系統(tǒng)誤差

（3）準(zhǔn)則檢查法多種準(zhǔn)則供人們檢驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)中是否含有系統(tǒng)誤差。不過這些準(zhǔn)則都有一定的適用范圍。如馬利科夫判據(jù)是將殘余誤差前后各半分兩組，若“Σvi前”與“Σvi后”之差明顯不為零，則可能含有線性系統(tǒng)誤差。

時(shí)進(jìn)行讀數(shù)等。系統(tǒng)誤差的消除：

（1）在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行修正對(duì)于已知的系統(tǒng)誤差，可以用修正值對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正；對(duì)于變值系統(tǒng)誤差，設(shè)法找出誤差的變化規(guī)律，用修正公式或修正曲線對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正；對(duì)未知系統(tǒng)誤差，則按隨機(jī)誤差進(jìn)行處理。

（2）消除系統(tǒng)誤差的根源在測(cè)量之前，應(yīng)仔細(xì)檢查儀表，正確調(diào)整和安裝；防止外界干擾影響；選好觀測(cè)位置，消除視差；選擇環(huán)境條件比較穩(wěn)定

（3）在測(cè)量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償措施找出系統(tǒng)誤差的規(guī)律，在測(cè)量過程中自動(dòng)消除系統(tǒng)誤差。如用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，熱電偶參考端溫度變化會(huì)引起系統(tǒng)誤差，消除此誤差的辦法之一是在熱電偶回路中加一個(gè)冷端補(bǔ)償器，從而進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

（4）實(shí)時(shí)反饋修正由于自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)及微機(jī)的應(yīng)用，可用實(shí)時(shí)反饋修正的辦法來消除復(fù)雜的變化系統(tǒng)誤差。當(dāng)查明某種誤差因素的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯的復(fù)雜影響時(shí)，應(yīng)盡可能找出其影響測(cè)量結(jié)果的函數(shù)關(guān)系或近似的函數(shù)關(guān)系。在測(cè)量過程中，用傳感器將這些誤差因素的變化轉(zhuǎn)換成某種物理量形式（一般為電量），及時(shí)按照其函數(shù)關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)算出影響測(cè)量結(jié)果的誤差值，對(duì)測(cè)量結(jié)果作實(shí)時(shí)的自動(dòng)修正。3.粗大誤差的分析與處理

如前所述，在對(duì)重復(fù)測(cè)量所得一組測(cè)量值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，首先應(yīng)將具有粗大誤差的可疑數(shù)據(jù)找出來加以剔除。人們絕對(duì)不能憑主觀意愿對(duì)數(shù)據(jù)任意進(jìn)行取舍，而是要有一定的根據(jù)。原則就是要看這個(gè)可疑值的誤差是否仍處于隨機(jī)誤差的范圍之內(nèi)，是則留，不是則棄。因此要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的檢驗(yàn)。

為了獲得比較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，通常要對(duì)一個(gè)量的多次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。其處理步驟如下：

①列出測(cè)量數(shù)據(jù)x1，x2，x3，……，xn。

②求算術(shù)平均值（測(cè)量值）。

③求剩余誤差（殘差）pi=xi–。

④用貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值σ。

⑤利用萊特準(zhǔn)則（3σ準(zhǔn)則）判別是否存在粗差。若，則該次測(cè)量值xi為壞值，剔除xi后再按上述步驟重新計(jì)算，直到不存在壞值并且剔除壞值后的測(cè)量次數(shù)不少于10次為止，如果不滿10次應(yīng)重新測(cè)量。

【例1-3】用溫度傳感器對(duì)某溫度進(jìn)行12次等精度測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)（℃）如下

20.46，20.52，20.50，20.52，20.48，20.47，

20.50，20.49，20.47，20.49，20.51，20.51

要求對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，并寫出最后結(jié)果。

解:數(shù)據(jù)處理步驟如下

（1）記錄填表

將測(cè)量數(shù)據(jù)xi(i=1、2、3、……12)按測(cè)量序號(hào)依次列在表格中。（2）計(jì)算

①求出測(cè)量數(shù)據(jù)列的算術(shù)平均值。

②計(jì)算各測(cè)量值的殘余誤差

當(dāng)計(jì)算無誤時(shí)，理論上有，但實(shí)際上，由于計(jì)算過程中四舍五入所引入的誤差，此關(guān)系式往往不能滿足。

③計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差。

（3）判別壞值

本例采用拉依達(dá)準(zhǔn)則檢查壞值，因?yàn)椋袦y(cè)量值的剩余誤差均滿足，顯然數(shù)據(jù)中無壞值。

（4）寫出測(cè)量結(jié)果

=0.006

所以，測(cè)量結(jié)果可表示為（℃）

1.3傳感器的基本知識(shí)

1.3.1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(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。一般也稱傳感器為變換器、換能器和探測(cè)器，其輸出的電信號(hào)陸續(xù)輸送給后續(xù)配套的測(cè)量電路及終端裝置，以便進(jìn)行電信號(hào)的調(diào)理、分析、記錄或顯示等

傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路組成圖1-12傳感器組成框圖

敏感元件是傳感器的核心，它在傳感器中直接感受被測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。如圖1-13中彈簧管就屬于敏感元件。當(dāng)被測(cè)壓力p增大時(shí)，彈簧管撐直，通過齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)電位器的電刷產(chǎn)生角位移。

圖1-13測(cè)量壓力的電位器式壓力傳感器

1-—彈簧管2—電位器3—指針4—齒輪

被測(cè)量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成電參量，如1-13圖中的電位器，通過機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將角位移轉(zhuǎn)化成電阻的變化。

測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。在圖1-13中，當(dāng)電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓Uo。2．傳感器分類

（1）按被測(cè)量分類：可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、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。如圖1-13所示為壓力傳感器，用于測(cè)量壓力信號(hào)。

（2）按測(cè)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(dǎo)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(shè)計(jì)和應(yīng)用。如圖1-13所示傳感器又稱為電阻式壓力傳感器。

（3）按傳感器轉(zhuǎn)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。

（4）按傳感器工作機(jī)理分類：分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器。

結(jié)構(gòu)型傳感器是指被測(cè)量變化時(shí)引起了傳感器結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而引起輸出電量變化。3.傳感器的命名和代號(hào)

（1）傳感器的命名

傳感器的命名由主題詞加四級(jí)修飾語構(gòu)成。

主題詞——傳感器；

第一級(jí)修飾語——被測(cè)量，包括修飾被測(cè)量的定語；

第二級(jí)修飾語——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字；

第三級(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、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字；

第四級(jí)修飾語——主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。

（2）傳感器的代號(hào)

傳感器的代號(hào)依次為主稱（傳感器）－被測(cè)量—轉(zhuǎn)換原理—序號(hào)

主稱—傳感器，代號(hào)C；

被測(cè)量—用一個(gè)或兩個(gè)漢語拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。

轉(zhuǎn)換原理—用一個(gè)或兩個(gè)漢語拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。

序號(hào)—用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。

例：CWY—YB—20傳感器

C：傳感器主稱，WY：被測(cè)量是位移，YB：轉(zhuǎn)換原理是應(yīng)變式，20，傳感器序號(hào)。

1.3.2傳感器的基本特性

1.線性度

傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間關(guān)系的線性程度。輸出與輸入關(guān)系可分為線性特性和非線性特性。從傳感器的性能看，希望具有線性關(guān)系，即具有理想的輸出輸入關(guān)系。但如果傳感器非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時(shí)，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實(shí)際曲線的一段，使傳感器輸出—輸入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線。圖1-19所示是常用的幾種直線擬合方法。圖1-19幾種直線擬合方法

(a)理論擬合(b)過零旋轉(zhuǎn)擬合(c)端點(diǎn)連線擬合(d)端點(diǎn)平移擬合

2.靈敏度

靈敏度S是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽吭隽喀與引起輸出量增量Δy的輸入量增量Δx的比值，即

S=Δy/Δx

（1-13）

3.遲滯

傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出—輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯，如圖1-21所示。4.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)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度，如圖1-22所示。

5．分辨力與閥值圖1-22傳感器重復(fù)性

分辨力是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)到被測(cè)量的最小增量。分辨力可用絕對(duì)值表示，也可用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。

在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。

對(duì)數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明的，一般可認(rèn)為該儀表的最末位的數(shù)值就是該儀表的分辨力。

6．穩(wěn)定性

穩(wěn)定性包括穩(wěn)定度和環(huán)境影響量兩方面。

穩(wěn)定度是指?jìng)鞲衅髟谒袟l件均不變情況下，能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)維持其示值不變的能力。穩(wěn)定度是以示值的變化量與時(shí)間長短的比值來表示。例如，某傳感器中儀表輸出電壓在4h內(nèi)的最大變化量為1.2mV，則用1.2mV/(4h)表示為穩(wěn)定度。

環(huán)境影響量是指由于外界環(huán)境變化而引起的示值的變化量。示值變化由兩個(gè)因素組成：零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移是指在受外界環(huán)境影響后，已調(diào)零的儀表的輸出不再為零。一定漂移的現(xiàn)象，在測(cè)量前是可以發(fā)現(xiàn)的，應(yīng)重新調(diào)零，但在不間斷測(cè)量過程中，零點(diǎn)漂移是在附加在讀數(shù)上的，因而很難發(fā)現(xiàn)。

1.4檢測(cè)系統(tǒng)

1.4.1檢測(cè)的基本概念

所謂檢測(cè)就是人們借助于儀器、設(shè)備，利用各種物理效應(yīng)，采用一定的方法，將客觀世界的有關(guān)信息通過檢查與測(cè)量獲取定性或定量信息的認(rèn)識(shí)過程。這些儀器和設(shè)備的核心部件就是傳感器，傳感器是感知被測(cè)量（多為非電量），并把它轉(zhuǎn)化為電量的一種器件或裝置。檢測(cè)包含檢查與測(cè)量兩個(gè)方面，檢查往往是獲取定性信息，而測(cè)量則是獲取定量信息。

1.4.2自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

在現(xiàn)代的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，各個(gè)組成部分常常以信息流的過程來劃分，一般可分為信息的獲得、信息的轉(zhuǎn)換、信息的處理和信息的輸出等幾個(gè)部分。作為一個(gè)完整的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，首先應(yīng)獲得被測(cè)量的信息，并通過信息的轉(zhuǎn)換把獲得的信息變換為電量，然后進(jìn)行一系列的處理，再用指示儀或顯示儀將信息輸出，或有計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等。

（1）傳感器

傳感器是獲得信息的重要手段。圖0—1中a部分為電阻應(yīng)變式傳感器，它將汽車的重量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。

（2）信號(hào)處理電路

傳感器輸出的信號(hào)常常需要加工和處理，如放大、調(diào)制、解調(diào)、濾波、運(yùn)算以及數(shù)字化等，通常由信號(hào)處理電路來完成。它的主要作用是把傳感器輸出的電學(xué)量變成具有一定功率的模擬電壓（電流）信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，以推動(dòng)后級(jí)的輸出顯示或記錄設(shè)備、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖0—1中b部分為信號(hào)處理電路。

（3）顯示裝置

測(cè)量的目的是使人們了解被測(cè)量的數(shù)值，所以必須有顯示裝置。目前常用的顯示裝置有四種：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示和記錄儀。模擬顯示是指利用指針對(duì)標(biāo)尺的相對(duì)位置來表示讀數(shù)，如毫伏表、毫安表等；數(shù)字顯示是指用數(shù)字形式來顯示讀數(shù)，目前大多用LED或LCD數(shù)碼管