第1章 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

第1章

傳感器技術(shù)基礎(chǔ)測量的概念和測量方法1.1測量誤差及分類1.2傳感器與自動測控系統(tǒng)1.3傳感器的特性與技術(shù)指標(biāo)1.4【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握測量的概念及測量的方法掌握測量的誤差及分類掌握傳感器與自動檢測系統(tǒng)的構(gòu)成【技能目標(biāo)】具備對相關(guān)事物測量的能力認識傳感器應(yīng)用電路的能力1.1測量的概念和測量方法1.1.1測量的概念

測量是人們借助于專門的設(shè)備，通過實驗的方法，對被測對象收集信息、取得數(shù)量概念的過程。

測量的實質(zhì)是一個比較的過程，即將被測量與和它同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，獲得被測量為標(biāo)準(zhǔn)量的若干倍的數(shù)量概念。

檢測是意義更為廣泛的測量，它包含測量和檢驗的雙重含義。

上述定義用數(shù)學(xué)公式表示，則為

式中：A—被測量； [A]—所選被測量的單位； {X}—在所選單位下被測量的數(shù)值。

測量的結(jié)果可以表現(xiàn)為一定的數(shù)字，也可以表現(xiàn)為一條曲線或顯示成某種圖形等。

但無論其表現(xiàn)形式如何，測量結(jié)果總包含有兩個部分：其一是數(shù)值的大小極其符號；其二是相應(yīng)的單位。

表示測量結(jié)果時，不注明單位，該結(jié)果將無意義。1.1.2測量方法

對于測量方法，從不同的角度出發(fā)，有不同的分類方法。 1．靜態(tài)測量和動態(tài)測量 2．直接測量和間接測量3．模擬式測量和數(shù)字式測量4．接觸式測量和非接觸式測量5．在線測量和離線測量6．偏差法、零位法和微差法測量1.2測量誤差及分類1.2.1測量誤差的概念1.2.2測量誤差的分類1．按誤差的表示方法分類（1）絕對誤差

（2）相對誤差

①實際相對誤差δA：實際相對誤差是用絕對誤差x與被測量實際值Ａ的百分比來表示的相對誤差，即

②示值相對誤差δX：示值相對誤差是用絕對誤差x與儀器示值Ｘ的百分比值來表示的相對誤差，即

③滿度（或引用）相對誤差δｍ：滿度相對誤差是用絕對誤差x與儀器的滿度值xm的百分比值表示的相對誤差，即

④儀表精度等級S：當(dāng)公式（1.7）中x取最大值m時稱為允許相對百分誤差，并常被用來確定儀表的準(zhǔn)確度等級S，即

儀表在正常工作條件下使用時，各等級儀表的基本誤差不超過表1.1所規(guī)定的值。等

級0.10.20.51.01.52.55.0基本誤差0.1%0.2%0.5%1.0%

1.5%

2.5%

5.0%表1.1 儀表的準(zhǔn)確度等級和基本誤差2．按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類

①系統(tǒng)誤差：其變化規(guī)律服從某種已知函數(shù)。

②隨機誤差：也稱偶然誤差，其變化規(guī)律未知。

③粗大誤差：是指在一定條件下測量結(jié)果顯著地偏離其實際值所對應(yīng)的誤差。3．按誤差是否隨時間變化分類

①靜態(tài)誤差：是指被測量不隨時間變化時所產(chǎn)生的誤差。

②動態(tài)誤差：是指被測量隨時間變化時所產(chǎn)生的誤差，即被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合。1.3傳感器與自動測控系統(tǒng)1.3.1傳感器的定義及組成

傳感器是一種能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。

常用傳感器的輸出信號多為易于處理的電量，如電壓、電流、頻率等。

傳感器由敏感元件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路3部分組成，如圖l.1所示。圖1.1傳感器組成框圖

圖1.2所示為一臺測量壓力用的電位器式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖。l—彈簧管（敏感元件）2—電位器（傳感元件、測量轉(zhuǎn)換電路）3—電刷4—傳動機構(gòu)（齒輪—齒條）

圖1.2電位器式壓力傳感器1.3.2傳感器的分類1．按被測物理量分類

表1-2所示為常見的非電基本被測量和衍生被測量。基本被測量衍生被測量基本被測量衍生被測量位移線位移長度、厚度、應(yīng)變、振動、磨損、平面度力壓力重量、應(yīng)力、力矩角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動時間頻率周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布速度線速度速度、振動、流量、動量溫度熱容、氣體速度、渦流角速度轉(zhuǎn)速、角振動光光通量與密度、光譜分布加速度線加速度振動、沖擊、質(zhì)量濕度水汽、水分、露點角加速度角振動、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量表1.2 常見的非電基本被測量及衍生被測量2．按傳感器工作原理分類（1）電學(xué)式傳感器

電學(xué)式傳感器是應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、電渦流式傳感器等。（2）磁學(xué)式傳感器

磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的。

磁學(xué)式傳感器主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。（3）光電式傳感器

光電式傳感器在非電量電測及自動控制技術(shù)中占有重要的地位。

它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理而制成。

光電式傳感器主要用于光強、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測量。（4）電勢型傳感器

電勢型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)及霍耳效應(yīng)等原理而制成的。

電勢型傳感器主要用于溫度、磁通量、電流、速度、光通量、熱輻射等參數(shù)的測量。（5）電荷型傳感器

電荷型傳感器是利用壓電效應(yīng)原理而制成的，主要用于力及加速度的測量。（6）半導(dǎo)體型傳感器

半導(dǎo)體型傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)及半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成。（7）諧振式傳感器

諧振式傳感器是利用改變電或機械的固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理而制成的，主要用來測量壓力。（8）電化學(xué)式傳感器

電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成的。

根據(jù)其電特性的形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜（極化）式傳感器、電解式傳感器等。1.3.3自動測控系統(tǒng)

自動測控系統(tǒng)通常可分為開環(huán)與閉環(huán)兩種，分別如圖1.3和圖1.4所示。圖1.3開環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖1.4閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 1．系統(tǒng)框圖 2．被控對象 3．傳感器 4．?dāng)?shù)據(jù)處理裝置（包括測量電路和信息處理） 5．給定元件6．比較機構(gòu)7．調(diào)節(jié)機構(gòu)8．顯示器9．執(zhí)行機構(gòu)圖1.5非電量檢測原理框圖1.4傳感器的特性與技術(shù)指標(biāo)1.4.1靈敏度

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示，即式中：Δx—輸入量的變化值；

Δy—輸出量的變化值。

可以通過作該曲線的切線的方法（作圖法）來求得曲線上任一點的靈敏度，如圖1.6所示。

由切線的斜率可以看出，x2點的靈敏度比x1的高。圖1.6用作圖法求取傳感器的靈敏度1.4.2分辨力1.4.3線性度

線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。

如圖1.7所示，它可用下式表示，且多取其正值。1—擬合直線y=ax+b2—實際特性曲線圖1.7傳感器線性度示意圖

式中：ΔLmax—最大非線性誤差； ymax-ymin—輸出范圍。1.4.4穩(wěn)定性

穩(wěn)定性包含穩(wěn)定度和環(huán)境影響量兩個方面。

穩(wěn)定度是指儀表在所有條件都恒定不變的情況下，在規(guī)定的時間內(nèi)能維持其示值不變的能力。

穩(wěn)定度一般以儀表的示值變化量和時間的長短之比來表示。

例如，某儀表輸出電壓值在10h內(nèi)的最大變化量為1.3mV，則表示為1.3rnV/10h。1.4.5電磁兼容性

所謂電磁兼容是指電子設(shè)備在規(guī)定的電磁干擾環(huán)境中能按照原設(shè)計要求而正常工作的能力，而且也不向處于同一環(huán)境中的其他設(shè)備釋放超過允許范圍的電磁干擾。1.4.6可靠性

可靠性是反映檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)是否耐用的一種綜合性的質(zhì)量指標(biāo)。

常用的可靠性指標(biāo)有以下幾種。

①故障平均間隔時間：它是指兩次故障間隔的時間。

②平均修復(fù)時間：它是指排除故障所花費的時間。

③故障率或失效率：它可用圖l.8所示的故障率變化曲線來說明。故障率的變化大體上可分成如下3個階段。初期失效期：這期間開始階段故障率很高，失效的可能性很大，但隨著使用時間的增加而迅速降低。偶然失效期：這期間的故障率較低，是構(gòu)成檢測系統(tǒng)使用壽命的主要部分。衰老失效期：這期間的故障率隨時間的增加而迅速增大，經(jīng)常損壞和維修。原因是元器件老化，隨時都有可能損壞。圖1.8故障率變化曲線1.5技能實訓(xùn)1．要求

觀察了解圖1.9中所示傳感器的應(yīng)用，舉例說明生活中傳感器的應(yīng)用。圖1.9傳感器應(yīng)用圖2．實訓(xùn)步驟

①通過多媒體、實物等方式讓學(xué)生觀察、分析生活中應(yīng)用的傳感器。

②將學(xué)生分組，組織學(xué)生討論。

③讓學(xué)生列舉生活中傳感器應(yīng)用的實例。

④讓學(xué)生繪圖解釋自己認識的傳感器。3．評價總結(jié)

請學(xué)生根據(jù)小組討論結(jié)果寫一份調(diào)研報告。本章小