傳感器與檢測技術(shù)-課件第二章

第二章

傳感器理論基礎(chǔ)2.1傳感器基礎(chǔ)2.1.1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。22.1.2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。2.1.2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的元件。測量電路(measuringcircuit)：將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進行進一步轉(zhuǎn)換和處理的部分，如放大、濾波、線性化、補償?shù)?，以獲得更好的品質(zhì)特性，便于后續(xù)電路實現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。2023/7/2832023/7/2842.1.2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)的變化來實現(xiàn)信號變換，如：水銀溫度計。結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號變換，如：電容式傳感器。2．傳感器的分類2.1.3傳感器基本特性當傳感器的輸入信號是常量，不隨時間變化時，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y(t)和輸入信號（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。2023/7/2852.1.3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，引用了精度等級的概念。精度等級以一系列標準百分比數(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。2023/7/2862.1.3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、端點擬合和端點平移擬合等，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。2023/7/2872.1.3傳感器基本特性2023/7/2882.1.3傳感器基本特性2023/7/2896.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。輸入量從某個任意值緩慢增加，直到可以測量到輸出的變化為止，此時的輸入量就是分辨率。它可以用絕對值，也可以用量程的百分數(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字。2.1.3傳感器基本特性2023/7/28107.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)多次變動時所得特性曲線間不一致的程度.2.1.3傳感器基本特性2023/7/28118.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。

2.1.3傳感器基本特性2023/7/28129.穩(wěn)定性:穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(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。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等，如圖所示。2.1.4傳感器的命名、代號和圖形符號2023/7/2813傳感器的命名傳感器的全稱應(yīng)由“主題詞+四級修飾語”組成，即主題詞——

傳感器一級修飾語——

被測量，包括修飾被測量的定語。二級修飾語——

轉(zhuǎn)換原理，一般可后綴以“式”字。三級修飾語——

特征描述，指必須強調(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。四級修飾語——

主要技術(shù)指標(如量程、精度、靈敏度等)。2.1.4傳感器的命名、代號和圖形符號2023/7/28142．傳感器的代號

一種傳感器的代號應(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，如圖所示。2.1.4傳感器的命名、代號和圖形符號2023/7/28153．傳感器的圖形符號

傳感器的圖形符號是電氣圖用圖形符號的一個組成部分。按GB/T14479—93《傳感器圖用圖形符號》規(guī)定，傳感器的圖形符號由符號要素正方形和等邊三角形組成，如圖所示。2.1.5傳感器的發(fā)展趨勢2023/7/2816（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。

2023/7/28171.2.1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)2023/7/28181.2.2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)測量與動態(tài)測量1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2023/7/28191.2.3檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)是由被測對象、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)2023/7/28201.2.3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)2023/7/28211.2.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理

測量誤差

在檢測過程中，被測對象、檢測系統(tǒng)、檢測方法和檢測人員都會受到各種變動因素的影響。而對被測量的轉(zhuǎn)換，有時也會改變被測對象原有的狀態(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，這個差值稱為測量誤差。簡言之，測量誤差就是測量值與真實值之間的差值，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)2023/7/28221.2.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理

測量數(shù)據(jù)的估計和處理1)隨機誤差的評價指標（1）算術(shù)平均值。在實際測量時，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，當無限大時，測量值的算術(shù)平均值就是真值。

（2）標準誤差(又稱均方根誤差)。算術(shù)平均值是反映隨機誤差的分布中心，而標準誤差則反映隨機誤差的分布范圍。標準誤差越大，測量數(shù)據(jù)的分散范圍也越大，標準誤差可以描述測量數(shù)據(jù)和測量結(jié)果的精度，是評價隨機誤差的重要指標。1.2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)2023