《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課件第1章 檢測(cè)與傳感技術(shù)基礎(chǔ)

第1章檢測(cè)與傳感技術(shù)基礎(chǔ)本章內(nèi)容

1.1檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

1.2測(cè)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(cè)的定義和內(nèi)容。掌握測(cè)量的基本概念和測(cè)量方法，掌握測(cè)量誤差的分類和測(cè)量誤差的估計(jì)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(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。1.1檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

1.1.1檢測(cè)技術(shù)的概念與作用

1.概念檢測(cè)技術(shù)是人們?yōu)榱藢?duì)被測(cè)對(duì)象所包含的信息進(jìn)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(yàn)和質(zhì)量控制的重要手段。

2.作用對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)；保證大型設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；對(duì)多種參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，加強(qiáng)故障預(yù)防，達(dá)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(jì)效益；可采用計(jì)算機(jī)來(lái)處理檢測(cè)信息，進(jìn)行分析、判斷，及時(shí)診斷出故障并自動(dòng)報(bào)警或采取相應(yīng)的對(duì)策；也是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

1.1.2檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或裝置通常是由傳感器、測(cè)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(cè)系統(tǒng)組成框圖簡(jiǎn)單檢測(cè)系統(tǒng)(光電池)V復(fù)雜檢測(cè)系統(tǒng)(軸承缺陷檢測(cè))

加速度計(jì)帶通濾波器包絡(luò)檢波器

1．傳感器傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電化學(xué)量的裝置。顯然，傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)與被檢測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測(cè)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。檢測(cè)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?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)無(wú)法添加新的監(jiān)測(cè)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(hào)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(hào)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(dá)二百余只。

2．信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)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(dòng)和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號(hào)等，以推動(dòng)后級(jí)的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3．顯示器

顯示器是檢測(cè)人員和監(jiān)測(cè)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(cè)量的大小或變化的過(guò)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(duì)標(biāo)尺的相對(duì)位置來(lái)表示讀數(shù)的，常見(jiàn)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(lái)對(duì)測(cè)試所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、邏輯判斷、線性變換，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)。

5．執(zhí)行機(jī)構(gòu)

所謂執(zhí)行機(jī)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(dòng)機(jī)等，它們?cè)陔娐分惺瞧鹜〝?、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用的電器設(shè)備。許多檢測(cè)系統(tǒng)能輸出與被測(cè)量有關(guān)的電流或電壓信號(hào)，作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.1.3檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)代化創(chuàng)造了條件，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)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(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)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(cè)量概論

1.2.1測(cè)量方法測(cè)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(guò)實(shí)驗(yàn)和必要的數(shù)據(jù)處理，求得被測(cè)量的值。測(cè)量方法的正確與否十分重要，必須根據(jù)不同測(cè)量任務(wù)的要求，找出切實(shí)可行的測(cè)量方法，然后根據(jù)測(cè)量方法選擇合適的測(cè)量工具，組成測(cè)量裝置，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

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

1.直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量

1）直接測(cè)量用按已知標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定好的測(cè)量?jī)x器，對(duì)某一未知量直接進(jìn)行測(cè)量，這類測(cè)量稱為直接測(cè)量。直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單且迅速，是工程技術(shù)中采用較為廣泛的測(cè)量方法。

2）間接測(cè)量對(duì)幾個(gè)被測(cè)量有確切函數(shù)關(guān)系的物體物理量進(jìn)行直接測(cè)量，然后通過(guò)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(cè)量稱為間接測(cè)量。間接測(cè)量方法手段較麻煩，多用在實(shí)驗(yàn)室，工程中有時(shí)也用。

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

2.偏差式測(cè)量法、零位式測(cè)量和微差式測(cè)量法

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

2）零位式測(cè)量法零位式測(cè)量法是在測(cè)量過(guò)程中，用指零儀表的零位指示來(lái)檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，用已知的基準(zhǔn)量決定被測(cè)未知量的量值。例如用電位差計(jì)測(cè)量待測(cè)電勢(shì)。只適用于測(cè)量變化緩慢的信號(hào)。它在工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用很普遍。

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

圖1-2壓力表圖1-3直流電位差計(jì)原理電路圖

1—彈簧；2—被測(cè)介質(zhì)；3—活塞

1.2.2測(cè)量系統(tǒng)1.測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)被測(cè)對(duì)象的特征量進(jìn)行檢測(cè)、傳輸、處理及顯示等功能，一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)是傳感器、變送器（變換器）和其他轉(zhuǎn)換裝置等的有機(jī)組合。圖1-5所示為測(cè)量系統(tǒng)組成框圖。

圖1-5測(cè)量系統(tǒng)組成框圖

傳感器是感受被測(cè)量（物理量、化學(xué)量、生物量等）的大小，并輸出相對(duì)應(yīng)的可用輸出信號(hào)（一般多為電量）的器件或裝置。變送器將傳感器輸出的信號(hào)變換成便于傳輸和處理的信號(hào)。傳輸通道將測(cè)量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入、輸出信號(hào)連接起來(lái)，通常用電纜連接，或用光纖連接，以用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

信號(hào)處理環(huán)節(jié)將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。也可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，以便對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行信息處理。顯示裝置是將測(cè)量信息變成人的器官能接收的形式，以完成監(jiān)視、控制或分析的目的。

2.開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)和閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)1）開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)的全部信息轉(zhuǎn)換只沿著一個(gè)方向進(jìn)行，如圖1-6所示。其中x是輸入量，y是輸出量，k1、k2、k3為各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)。輸出關(guān)系表示為

y

=

k1k2k3x

圖1-6開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)框圖

2）閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)有兩個(gè)通道，一個(gè)正向通道，一個(gè)反饋通道，其結(jié)構(gòu)如圖1-7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1-7閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)框圖

顯然，這時(shí)整個(gè)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(huì)造成測(cè)量誤差，或者造成的測(cè)量誤差很小。

1.2.3測(cè)量誤差

測(cè)量誤差是測(cè)得值減去被測(cè)量的真值。

1.測(cè)量誤差的表示方法測(cè)量誤差的表示方法有多種，含義各異。

1）絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差可定義為

式中：

——絕對(duì)誤差；

X——測(cè)量值；

L——真值。

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

2）實(shí)際相對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差的定義式為

式中：

——實(shí)際相對(duì)誤差，一般用百分?jǐn)?shù)給出；

——絕對(duì)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(duì)于儀表滿量程的一種誤差，即

式中：

——引用誤差；

——絕對(duì)誤差。儀表的精度等級(jí)是根據(jù)最大引用誤差來(lái)決定的。例如，0.5級(jí)表的引用誤差的最大值不超過(guò)

0.5%；1.0級(jí)表的引用誤差的最大值不超過(guò)

1%。

4）基本誤差基本誤差是指?jìng)鞲衅骰騼x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?jìng)鞲衅骰騼x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(dòng)附加誤差等。

2.測(cè)量誤差的性質(zhì)

根據(jù)測(cè)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(jī)誤差和粗大誤差。

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

式中：xi——被測(cè)量的某一個(gè)測(cè)量值；

——重復(fù)性條件下無(wú)限多次的測(cè)量值的平均值，即

由于重復(fù)測(cè)量實(shí)際上只能測(cè)量有限次，因此實(shí)用中的隨機(jī)誤差只是一個(gè)近似估計(jì)值。

2）系統(tǒng)誤差在同一測(cè)量條件下，多次測(cè)量被測(cè)量時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)，按一定規(guī)律（如線性、多項(xiàng)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。

它可表示為 系統(tǒng)誤差 式中：L——測(cè)量的真值。

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(jìn)行誤差分析時(shí)，要估計(jì)的誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩類。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?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分。轉(zhuǎn)換元件指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等，此外信號(hào)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

傳感器的種類很多，其分類方法如表1-1所示。

分類法型式說(shuō)明按基本效應(yīng)物理型、化學(xué)型、生物型分別以轉(zhuǎn)換中的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等命名按構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型以轉(zhuǎn)換原件結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換物性型以轉(zhuǎn)換元件物理特性變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換按輸入量位移、壓力、溫度、流量、加速度等以被測(cè)量（即按用途分類）按工作原理電阻式、熱電式、光電式等以傳感器轉(zhuǎn)換信號(hào)的工作原理命名按能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型（自然型）傳感器輸出量直接由被測(cè)量能量轉(zhuǎn)換而得能量轉(zhuǎn)換型（外源型）傳感器輸出量能量由外源供給，但受被測(cè)輸入量控制按輸出信號(hào)形式模擬式輸出為模擬信號(hào)數(shù)字式輸出為數(shù)字信號(hào)表1-1 傳感器的分類

1.3.3傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)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(lái)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1-9傳感器的靈敏度圖（a）線性；（b）非線性

2．線性度

傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c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(shí)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(cè)量范圍內(nèi)實(shí)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1-10線性度1—實(shí)際特性曲線；2—理想特性曲線

式中：

Lmax——最大非線性絕對(duì)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(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合、端殿連線擬合和端點(diǎn)平移擬合。作圖法求線性度演示

（1—擬合曲線2—實(shí)際特性曲線）（a）（b）（c）（d）圖1-11幾種直線擬合方法（a）理論擬合；（b）過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；（c）端點(diǎn)連線擬合；（d）端點(diǎn)平移擬合

3．遲滯

傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象為遲滯，對(duì)于同樣的輸入信號(hào)傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不等，這個(gè)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1-12遲滯特性

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。圖1-13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(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)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(píng)價(jià)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(cè)量值對(duì)于真值的偏離程度。精密度就是測(cè)量相同對(duì)象每次測(cè)量也會(huì)得到不同的值，即離散偏差。

1.3.4傳感器的選用原則根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型靈敏度的選擇頻率響應(yīng)特性線性范圍穩(wěn)定性精度

本章小結(jié)檢測(cè)就是對(duì)系統(tǒng)中各被測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)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(guò)檢查與測(cè)量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過(guò)程。一個(gè)完整的檢測(cè)控制系統(tǒng)通常由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、顯示器等幾部分組成。測(cè)量系統(tǒng)包括開(kāi)環(huán)測(cè)量系統(tǒng)和閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量方法有直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量