傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第二版）檢測與傳感技術(shù)基礎(chǔ)

檢測與傳感技術(shù)基礎(chǔ)本章內(nèi)容

1.1檢測技術(shù)基礎(chǔ)

1.2測量概論

1.3傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解工業(yè)檢測的定義和內(nèi)容。掌握測量的基本概念和測量方法，掌握測量誤差的分類和測量誤差的估計以及校正方法。掌握傳感器的定義、組成和作用，了解傳感器的分類。了解傳感器的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。1.1檢測技術(shù)基礎(chǔ)

1.1.1檢測技術(shù)在國民經(jīng)濟中的地位和作用

1.概念檢測技術(shù)是人們?yōu)榱藢Ρ粶y對象所包含的信息進行定性了解和定量掌握所采取的一系列技術(shù)措施，它是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段。

2.作用對產(chǎn)品進行質(zhì)量評價；保證大型設(shè)備安全經(jīng)濟運行；對多種參數(shù)進行長期動態(tài)檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況，加強故障預(yù)防，達到早期診斷的目的，可以避免嚴(yán)重的突發(fā)事故，保證設(shè)備和人員的安全，提高經(jīng)濟效益；可采用計算機來處理檢測信息，進行分析、判斷，及時診斷出故障并自動報警或采取相應(yīng)的對策；也是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位….檢測技術(shù)在軍事上的應(yīng)用美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器---OICW夜視瞄準(zhǔn)機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測距儀：可精確的定位目標(biāo)。在發(fā)射20毫米高爆彈時，激光測距儀可將目標(biāo)的距離信息自動傳輸至高爆彈的爆炸引信，以便精確的設(shè)定引爆時間。“阿波羅10”：火箭部分---2077個傳感器飛船部分---1218個傳感器，檢測參數(shù)---加速度、溫度、壓力、振動、流量、應(yīng)變、聲學(xué)、神州飛船：185臺（套）儀器裝置檢測技術(shù)在航天領(lǐng)域舉足輕重

1.1.2檢測系統(tǒng)的基本組成一個完整的檢測系統(tǒng)或裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。

圖1-1檢測系統(tǒng)組成框圖簡單檢測系統(tǒng)(光電池)V復(fù)雜檢測系統(tǒng)(軸承缺陷檢測)

加速度計帶通濾波器包絡(luò)檢波器

1．傳感器傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電化學(xué)量的裝置。顯然，傳感器是檢測系統(tǒng)與被檢測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。檢測系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能決定的，因為檢測系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)無法添加新的監(jiān)測信息，并且不易消除傳感器所引入的誤差。傳感器通常以電信號的形式輸出，以便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示。輸出電量的形式多種多樣，如電壓、電流等。輸出信號的形式一般由傳感器的原理確定。普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達二百余只。

2．信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路包括放大（衰減）電路、濾波電路、隔離電路等。其中的放大電路的作用是把傳感器輸出的電量變成具有一定驅(qū)動和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號等，以推動后級的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機構(gòu)。

3．顯示器

顯示器是檢測人員和監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，其主要作用是使人們了解被測量的大小或變化的過程。目前常用的顯示記錄裝置有四類：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示及記錄儀等。模擬量是指連續(xù)變化量。模擬顯示是利用指針對標(biāo)尺的相對位置來表示讀數(shù)的，常見的有毫伏表、微安表、模擬光柱等。

4．?dāng)?shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)處理裝置用來對測試所得的實驗數(shù)據(jù)進行處理、運算、邏輯判斷、線性變換，對動態(tài)測試結(jié)果作頻譜分析（幅值譜分析、功率譜分析）、相關(guān)分析等，完成這些工作必須采用計算機技術(shù)。

5．執(zhí)行機構(gòu)

所謂執(zhí)行機構(gòu)通常是指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥門、電磁調(diào)節(jié)閥、伺服電動機等，它們在電路中是起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護等作用的電器設(shè)備。許多檢測系統(tǒng)能輸出與被測量有關(guān)的電流或電壓信號，作為自動控制系統(tǒng)的控制信號，去驅(qū)動這些執(zhí)行機構(gòu)。

1.1.3檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為檢測技術(shù)的現(xiàn)代化創(chuàng)造了條件，主要表現(xiàn)在以下兩個方面。（1）人們研究新原理、新材料和新工藝所取得得的成果，將產(chǎn)生更多品質(zhì)優(yōu)良的新型傳感器。（2）檢測系統(tǒng)或檢測裝置目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式向智能化方向發(fā)展。1.2測量概論

1.2.1測量方法測量是在有關(guān)理論的指導(dǎo)下，用專門的儀器或設(shè)備，通過實驗和必要的數(shù)據(jù)處理，求得被測量的值。測量方法的正確與否十分重要，必須根據(jù)不同測量任務(wù)的要求，找出切實可行的測量方法，然后根據(jù)測量方法選擇合適的測量工具，組成測量裝置，進行實際測量。

測量方法的分類多種多樣，例如，根據(jù)在測量過程中，被測量是否隨時間變化，可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量；根據(jù)測量手段分類，可分為直接測量、間接測量和組合測量；按測量方式分類，可分為偏差式測量、零位式測量和微差式測量等。

1.直接測量、間接測量和組合測量

1）直接測量用按已知標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定好的測量儀器，對某一未知量直接進行測量，這類測量稱為直接測量。直接測量的優(yōu)點是測量過程簡單且迅速，是工程技術(shù)中采用較為廣泛的測量方法。直接測量：

電子卡尺

2）間接測量對幾個被測量有確切函數(shù)關(guān)系的物體物理量進行直接測量，然后通過已知函數(shù)關(guān)系的公式、曲線或表格，求出該未知量，這類測量稱為間接測量。間接測量方法手段較麻煩，多用在實驗室，工程中有時也用。間接測量

對多個被測量進行測量，經(jīng)過計算求得被測量（阿基米德測量皇冠的比重）。

3）組合測量在測量中，使各個未知量以不同的組合形式出現(xiàn)，根據(jù)直接測量和間接測量所得到的數(shù)據(jù)，通過解一組聯(lián)立方程而求出未知量的數(shù)值，這類測量稱為組合測量，又稱聯(lián)立測量。組合測量的測量過程比較復(fù)雜，但易達到較高的精度，一般適用于科學(xué)實驗和特殊場合。

2.偏差式測量法、零位式測量和微差式測量法

1）偏差式測量法在測量過程中，用儀表指針相對于刻度線的位移（偏差）來直接表示被測量，這種方法稱為偏差式測量法，廣泛應(yīng)用于工程測量。

2）零位式測量法零位式測量法是在測量過程中，用指零儀表的零位指示來檢測測量系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)，當(dāng)測量系統(tǒng)達到平衡時，用已知的基準(zhǔn)量決定被測未知量的量值。例如用電位差計測量待測電勢。只適用于測量變化緩慢的信號。它在工程實踐和實驗室中應(yīng)用很普遍。

3）微差式測量法微差式測量法是綜合了偏差式測量法和零位式測量法的優(yōu)點而提出的一種測量方法，它將被測未知量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，并取出差值，然后用偏差式測量法求出此偏差值。微差式測量法反應(yīng)快、測量精度高，所以工程測量中已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

1.2.2測量系統(tǒng)的分類1.開環(huán)測量系統(tǒng)開環(huán)測量系統(tǒng)的全部信息轉(zhuǎn)換只沿著一個方向進行，如圖1-2所示。其中x是輸入量，y是輸出量，k1、k2、k3為各個環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)。輸出關(guān)系表示為

y

=

k1k2k3x

圖1-2開環(huán)測量系統(tǒng)框圖

2.閉環(huán)測量系統(tǒng)閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道，一個正向通道，一個反饋通道，其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。其中

x為正向通道的輸入量，

為反饋環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)，正向通道的總傳遞系數(shù)k

=

k2k3。由圖1-7得系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為

圖1-3閉環(huán)測量系統(tǒng)框圖

顯然，這時整個系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系由反饋環(huán)節(jié)的特性決定，放大器等環(huán)節(jié)特性的變化不會造成測量誤差，或者造成的測量誤差很小。

1.2.3測量誤差

測量誤差是測得值減去被測量的真值。

1.測量誤差的表示方法測量誤差的表示方法有多種，含義各異。

1）絕對誤差絕對誤差可定義為

式中：

——絕對誤差；

X——測量值；

L——真值。

絕對誤差可正可負(fù)并有量綱。采用絕對誤差表示測量誤差，不能很好說明被測質(zhì)量的好壞。所以用相對誤差可以客觀的反映測量的準(zhǔn)確性。

2）實際相對誤差實際相對誤差的定義式為

式中：

——實際相對誤差，一般用百分?jǐn)?shù)給出；

——絕對誤差；L——真值。

3）引用誤差引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法。它是相對于儀表滿量程的一種誤差，即

式中：

——引用誤差；

——絕對誤差。

儀表的精度等級是根據(jù)最大引用誤差來決定的。例如，0.5級表的引用誤差的最大值不超過

0.5%；1.0級表的引用誤差的最大值不超過

1%。表1-2儀表的精度等級和基本誤差精度等級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%

例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？

4）基本誤差基本誤差是指傳感器或儀表在規(guī)定的條件下所具有的誤差。例如，某傳感器是在電源電壓(220

5)V，電網(wǎng)頻率(50

2)Hz，環(huán)境溫度(20

5)℃，溫度65%

5%的條件下標(biāo)定的。

5）附加誤差附加誤差是指傳感器或儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。例如，溫度附加誤差，頻率附加誤差，電源電壓波動附加誤差等。

2.測量誤差的性質(zhì)

根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生的原因可將其分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。

1）隨機誤差在同一測量條件下，多次測量被測量時，其絕對值和符號以不可預(yù)定方式變化著的誤差稱隨機誤差。隨機誤差表示為隨機誤差

式中：xi——被測量的某一個測量值；

——重復(fù)性條件下無限多次的測量值的平均值，即

由于重復(fù)測量實際上只能測量有限次，因此實用中的隨機誤差只是一個近似估計值。隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計隨機事例的例子

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2）系統(tǒng)誤差在同一測量條件下，多次測量被測量時，絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，按一定規(guī)律（如線性、多項式、周期性等函數(shù)規(guī)律）變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。前者為恒值系統(tǒng)誤差，后者為變值系統(tǒng)誤差。夏天擺鐘變慢的原因是什么？

系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。

3）粗大誤差超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差，粗大誤差又稱為疏忽誤差。所以進行誤差分析時，要估計的誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩類。產(chǎn)生粗大誤差的一個例子

1.3傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

1.3.1傳感器的組成傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，

敏感元件指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對信號進行放大、運算調(diào)制等，此外信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助電源。1.3.2傳感器的分類

1．按外界輸入的信號變換為電信號采用的效應(yīng)分類按外界輸入的信號變換為電信號采用的效應(yīng)分類，傳感器可分為物理型傳感器、化學(xué)型傳感器和生物型傳感器三大類

2．按工作原理分類按工作原理分類是以傳感器對信號轉(zhuǎn)換的作用原理命名的，如應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器、電感式傳感器、霍爾傳感器、熱電式傳感器等。這種分類方法較清楚地反映出了傳感器的工作原理，有利于對傳感器研究的深入分析。本書后面各章就是按傳感器的工作原理分類進行編寫的。

3．按被測量對象分類按傳感器的被測量對象――輸入信號分類，能夠很方便地表示傳感器的功能，也便于用戶選用。按這種分類方法，傳感器可以分為溫度、壓力、流量、物位、加速度、速度、位移、轉(zhuǎn)速、力矩、濕度、粘度、濃度等傳感器。生產(chǎn)廠家和用戶都習(xí)慣于這種分類方法。同時，這種方法還將種類繁多的物理量分為兩大類，即基本量和派生量。例如，將“力”視為基本物理量，可派生出壓力、重量、應(yīng)力、力矩等派生物理量，當(dāng)我們需要測量這些派生物理量時，只要采用基本物理量傳感器就可以了。表1-4基本物理量和派生物理量基本物理量派生物理量位移線位移長度、厚度、應(yīng)變、振幅等角位移旋轉(zhuǎn)角、偏振角、角振幅等速度線速度速度、動量、振動等角速度速度、角振動等加速度線加速度振動、沖擊、質(zhì)量等角加速度角振動、扭矩、轉(zhuǎn)動慣量等力壓力重量、應(yīng)力、力矩等時間頻率計數(shù)、統(tǒng)計分布等溫度熱容量、氣體速度等光光通量與密度、光譜分布等

1.3.3傳感器的主要性能指標(biāo)

傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入與輸出的關(guān)系。傳感器的靜態(tài)特性可用一組性能指標(biāo)來描述，如靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性、精度和漂移等。

1．靈敏度靈敏度是輸入量

y與引起輸出量增量

y的相應(yīng)輸入量增量

x之比。用S表示靈敏度，即

很顯然，靈敏度值越大表示傳感器越靈敏。

（a）（b）圖1-6傳感器的靈敏度圖（a）線性；（b）非線性yx△x△y

2．線性度

傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度?？捎脭M合直線近似地代表實際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性變化。

傳感器的線性度是指在全程測量范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值

Lmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用

L表示，即圖1-7線性度1—實際特性曲線；2—理想特性曲線

式中：

Lmax——最大非線性絕對誤差；YFS——滿量程輸出值。選取擬合直線的方法很多：理論擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、端殿連線擬合和端點平移擬合。yxB作圖法求線性度演示

（1—擬合曲線2—實際特性曲線）（a）（b）（c）（d）圖1-8幾種直線擬合方法（a）理論擬合；（b）過零旋轉(zhuǎn)擬合；（c）端點連線擬合；（d）端點平移擬合

3．遲滯

傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象為遲滯，對于同樣的輸入信號傳感器的正反行程輸出信號大小不等，這個差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內(nèi)最大遲滯差值與滿量程輸出值之比稱為遲滯誤差，用

H表示，即圖1-9遲滯特性y

4．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)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。圖1-10重復(fù)性

5．漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器的自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。

6．精度精度是評價系統(tǒng)的優(yōu)良程度。精度分為準(zhǔn)確度和精密度。準(zhǔn)確度就是測量值對于真值的偏離程度。精密度就是測量相同對象每次測量也會得到不同的值，即離散偏差。

1.3.4傳感器和儀表的精度精度是用來評價系統(tǒng)的優(yōu)良程度。精度分為精密度、準(zhǔn)確度和精確度。精密度表示一組測量值的偏離程度。或者說，多次測量時，表示測得值重復(fù)性的高低。如果多次測量的值都互相很接近，即隨機誤差小，則為精密度高?？梢娋芏扰c隨機誤差相聯(lián)系。準(zhǔn)確度表示一組測量值對于真值的偏離程度，測量值與真值越接近，或者說系統(tǒng)誤差越小，其準(zhǔn)確度越高。所以準(zhǔn)確度與系統(tǒng)誤差相聯(lián)系。精確度反應(yīng)系統(tǒng)誤差與隨機誤差合成大小的程度。在實驗測量中，精密度高的，準(zhǔn)確度不一定高；準(zhǔn)確度高的精密度不一定高，但準(zhǔn)確度高的，則精密度和準(zhǔn)確度都高。

本章小結(jié)檢測就是對系統(tǒng)中各被測對象的信息進行提取、轉(zhuǎn)換以及處理，即利用各種物理效應(yīng)，將物質(zhì)世界的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。一個完整的檢測控制系統(tǒng)通常由傳感器、信號調(diào)理電路、顯示器等幾部分組成。測量系統(tǒng)包括開環(huán)測量系統(tǒng)和閉環(huán)測量系統(tǒng)。測量方法有直接測量、間接測量和組合測量；測