檢測(cè)與控制技術(shù)課件

1、第2章 微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的耳目傳感器 2.1 檢測(cè)的基本知識(shí)2.2 傳感器思考題與習(xí)題第2章 微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的耳目傳感器 2.1 檢測(cè)的基本知識(shí)2.1 檢測(cè)的基本知識(shí) 2.1.1 檢測(cè)方法1. 按測(cè)量手段分類1） 直接測(cè)量將被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量直接比較， 或用預(yù)先經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)定好的測(cè)量儀器或儀表進(jìn)行測(cè)量，從而直接測(cè)得被測(cè)量的數(shù)值， 這種測(cè)量方式稱為直接測(cè)量。例如，用彈簧管式壓力表測(cè)量流體壓力就是直接測(cè)量。直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量過程簡單、迅速， 缺點(diǎn)是測(cè)量精度不是很高。該方法是工程上廣泛采用的方法。 2.1 檢測(cè)的基本知識(shí) 2.1.1 檢測(cè)方法2） 間接測(cè)量被測(cè)量本身不易直接測(cè)量， 但可以通過與被測(cè)量有一定函數(shù)

2、關(guān)系的其他量（一個(gè)或幾個(gè)）的測(cè)量結(jié)果求出（如用函數(shù)解析式的計(jì)算、查函數(shù)曲線或表格），這種測(cè)量方式稱為間接測(cè)量。例如，導(dǎo)線的電阻率的測(cè)量，只要利用直接測(cè)量得到導(dǎo)線的R，l，d的數(shù)值， 再代入=d2R/4l，就可得到值。 在這種測(cè)量過程中，手續(xù)較多，花費(fèi)時(shí)間較長， 但與直接測(cè)量相比，可以得到較高的精度。 2） 間接測(cè)量3） 組合測(cè)量如果被測(cè)量有多個(gè)，而且被測(cè)量又與某些可以通過直接或間接測(cè)量得到結(jié)果的其他量存在著一定的函數(shù)關(guān)系，則可先測(cè)量這幾個(gè)量，再求解由函數(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，這種測(cè)量方式稱為組合測(cè)量。 它是一種兼用直接測(cè)量和間接測(cè)量的方式。 3） 組合測(cè)量2. 按測(cè)

3、量方式分類1） 偏差式測(cè)量在測(cè)量過程中，被測(cè)量作用于測(cè)量儀表的比較裝置（指針），使比較裝置產(chǎn)生偏移，利用偏移位移直接表示被測(cè)量大小的測(cè)量方式稱為偏差式測(cè)量。應(yīng)用這種方式進(jìn)行測(cè)量時(shí)， 要用標(biāo)準(zhǔn)量具對(duì)儀表刻度進(jìn)行校準(zhǔn)，并按照儀表指針在標(biāo)度尺上的示值決定被測(cè)量的數(shù)值。它是以間接方式實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的比較。例如，彈簧秤、磁電式儀表就屬于偏差式測(cè)量。該測(cè)量方法過程比較簡單、迅速，但測(cè)量結(jié)果的精度低，因此廣泛用于工程測(cè)量。 2. 按測(cè)量方式分類2） 零位式測(cè)量在測(cè)量過程中，被測(cè)量作用于測(cè)量儀表的比較裝置，利用指零機(jī)構(gòu)的作用，使被測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)量兩者達(dá)到平衡，從而用已知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測(cè)量，這種測(cè)量方式稱為零位

4、式測(cè)量。 應(yīng)用這種方式進(jìn)行測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)量具裝在儀表內(nèi)，在測(cè)量過程中標(biāo)準(zhǔn)量具直接與被測(cè)量相比較，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量，一直到被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量相等，即指零儀表回零。例如，利用天平測(cè)量質(zhì)量和惠斯登電橋測(cè)量電阻（或電感、電容）就是這種方式的一個(gè)典型例子。對(duì)于零位式測(cè)量，只要零指示器的靈敏度足夠高，其測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎等同于標(biāo)準(zhǔn)量的準(zhǔn)確度，因而測(cè)量準(zhǔn)確度很高，所以常用在實(shí)驗(yàn)室作為精密測(cè)量。但由于在測(cè)量過程中為了獲得平衡狀態(tài)，需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)，即使采用一些自動(dòng)平衡技術(shù)，檢測(cè)速度仍然較慢， 這是零位式測(cè)量的不足之處。 2） 零位式測(cè)量3) 微差式測(cè)量偏差式測(cè)量和零位式測(cè)量相結(jié)合構(gòu)成微差式測(cè)量。 它通過測(cè)量待測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量之差

5、（通常該差值很?。﹣淼玫酱郎y(cè)量量值，如圖21所示。圖21中，P為量程不大但靈敏度很高的偏差式儀表，它指示的是待測(cè)量x與標(biāo)準(zhǔn)量s之間的差值x-s，即xs+。 只要足夠小，這種方法測(cè)量的準(zhǔn)確度基本上取決于標(biāo)準(zhǔn)量的準(zhǔn)確度，同時(shí)它又省去了零式測(cè)量中反復(fù)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量大小以求平衡的步驟。 3) 微差式測(cè)量圖2-1 微差式測(cè)量 圖2-1 微差式測(cè)量 3. 測(cè)量方法的選擇在選擇測(cè)量方法時(shí)， 要綜合考慮下列主要因素： （1） 從被測(cè)量本身的特點(diǎn)來考慮。被測(cè)量的性質(zhì)不同， 采用的測(cè)量儀器和測(cè)量方法當(dāng)然不同，因此，對(duì)被測(cè)對(duì)象的情況要了解清楚。例如，被測(cè)參數(shù)是否為線性、數(shù)量級(jí)如何、 對(duì)波形和頻率有何要求、對(duì)測(cè)量過程的穩(wěn)

6、定性有無要求、有無抗干擾要求以及其他要求等。 （2） 從測(cè)量的精確度和靈敏度來考慮。工程測(cè)量和精密測(cè)量對(duì)這兩者的要求有所不同，要注意選擇儀器、儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)，還要選擇滿足測(cè)量誤差要求的測(cè)量技術(shù)。如果屬于精密測(cè)量，還要按照誤差理論的要求進(jìn)行比較嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理。 3. 測(cè)量方法的選擇（3） 考慮測(cè)量環(huán)境是否符合測(cè)量設(shè)備和測(cè)量技術(shù)的要求，盡量減少儀器、儀表對(duì)被測(cè)電路狀態(tài)的影響。 （4） 測(cè)量方法簡單可靠，測(cè)量原理科學(xué)，盡量減少原理性誤差。 總之，在測(cè)量之前必須先綜合考慮以上諸方面的情況， 恰當(dāng)選擇測(cè)量儀器、 儀表及設(shè)備，采用合適的測(cè)量方法和測(cè)量技術(shù)， 才能較好地完成測(cè)量任務(wù)。 （3） 考慮測(cè)量環(huán)境

7、是否符合測(cè)量設(shè)備和測(cè)量技術(shù)的要求，盡2.1.2 測(cè)量誤差及其分類1. 按照表示方法分按照表示方法分， 測(cè)量誤差有絕對(duì)誤差、 相對(duì)誤差和容許誤差三種。 1） 絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差定義為示值與被測(cè)量真值之差， 即 x=Ax-A0 式中，x為絕對(duì)誤差；Ax為示值，具體應(yīng)用中可以用測(cè)量結(jié)果的測(cè)量值、標(biāo)準(zhǔn)量具的標(biāo)稱值代替；A0為被測(cè)量的真值。2.1.2 測(cè)量誤差及其分類x=Ax-A0 式中，x為真值A(chǔ)0一般很難得到，所以通常用實(shí)際值A(chǔ)代替被測(cè)量的真值A(chǔ)0 ， 因而絕對(duì)誤差更有實(shí)際意義的定義是x=Ax-A （2-2） 真值A(chǔ)0一般很難得到，所以通常用實(shí)際值A(chǔ)代替被測(cè)量的真值A(chǔ)02） 相對(duì)誤差相對(duì)誤差用來說明測(cè)

8、量精度的高低， 又可分為如下幾種： (1) 實(shí)際相對(duì)誤差。 實(shí)際相對(duì)誤差定義為絕對(duì)誤差x與實(shí)際值A(chǔ)的百分比值， 即 (2) 示值相對(duì)誤差。 示值相對(duì)誤差定義為絕對(duì)誤差x與示值x的百分比值， 即 （2-3） （2-4） 2） 相對(duì)誤差(2) 示值相對(duì)誤差。 示值相對(duì)誤差(3) 滿度相對(duì)誤差。滿度相對(duì)誤差定義為儀器量程內(nèi)最大絕對(duì)誤差xm與測(cè)量儀器滿度值xm的百分比值，即 （2-5） 滿度相對(duì)誤差也叫滿度誤差或引用誤差，滿度誤差實(shí)際上給出了儀表各量程內(nèi)絕對(duì)誤差的最大值， 即 x=rmxm （2-6） 我國電工儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)S就是按滿度相對(duì)誤差rm分級(jí)的， 依次劃分成0.1、0.2、0.5、1.0、

9、 1.5、 2.5及5.0七級(jí)。 例如，某電壓表S0.5，即表明它的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)，也就是它的滿度誤差不超過0.5%，即|rm|0.5%， 或習(xí)慣上寫成rm=0.5%。 (3) 滿度相對(duì)誤差。滿度相對(duì)誤差定義為儀器量程內(nèi)最大絕一般而言，測(cè)量儀器在同一量程不同示值處的絕對(duì)誤差實(shí)際上未必處處相等，但對(duì)使用者來講，在沒有修正值可利用的情況下，只能按最壞的情況處理，即認(rèn)為儀器在同一量程各處的絕對(duì)誤差為常數(shù)且等于xm，人們把這種處理叫做誤差的整量化。由示值相對(duì)誤差和滿度相對(duì)誤差表達(dá)式可以看出，為了減小測(cè)量中的示值誤差，在進(jìn)行量程選擇時(shí)應(yīng)盡可能使示值接近滿度值， 一般以示值不小于滿度值的2/3為宜。

10、 一般而言，測(cè)量儀器在同一量程不同示值處的絕對(duì)誤差實(shí)際上未上面由式（2-4）和式（2-6）得出的為減小示值誤差而使示值盡可能接近滿度值的結(jié)論， 只適合于正向刻度的一般電壓表、電流表等類型的儀表，而對(duì)于測(cè)量電阻的普通型歐姆表，上述結(jié)論并不成立，因?yàn)闅W姆表是反向刻度，且刻度是非線性的。可以證明此種情況下示值與刻度的中值接近時(shí)， 測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度最高。 在實(shí)際測(cè)量操作時(shí)，一般應(yīng)先在大量程下測(cè)得被測(cè)量的大致數(shù)值，而后選擇合適的量程再進(jìn)行測(cè)量，以盡可能減小相對(duì)誤差。 上面由式（2-4）和式（2-6）得出的為減小示值誤差而使3） 容許誤差容許誤差是指根據(jù)技術(shù)條件的要求，規(guī)定測(cè)量儀器誤差不應(yīng)超過的最大范圍，

11、 有時(shí)就稱為儀器誤差。 3） 容許誤差2. 按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律分1） 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是指在一定的測(cè)量條件下，測(cè)量值中含有固定不變或按一定規(guī)律變化的誤差。其主要由以下幾方面因素引起：材料、零部件及工藝缺陷；環(huán)境溫度、濕度、壓力的變化以及其他外界干擾等。其變化規(guī)律服從某種已知函數(shù)，它表明了一個(gè)測(cè)量結(jié)果偏離真值或?qū)嶋H值的程度，系統(tǒng)誤差越小，測(cè)量就越準(zhǔn)確，所以經(jīng)常用準(zhǔn)確度來表征系統(tǒng)誤差的大小。 2. 按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律分2） 隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差又稱偶然誤差，是由很多復(fù)雜因素的微小變化的總和所引起的，其變化規(guī)律未知，因此分析起來比較困難。 但是隨機(jī)誤差具有隨機(jī)變量的一切特點(diǎn)，在一定條件下服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因

12、此經(jīng)過多次測(cè)量后，對(duì)其總和可以用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來描述，可以從理論上估計(jì)它對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 2） 隨機(jī)誤差3） 粗大誤差粗大誤差是指在一定條件下測(cè)量結(jié)果顯著地偏離其實(shí)際值所對(duì)應(yīng)的誤差。在測(cè)量及數(shù)據(jù)處理中，如果發(fā)現(xiàn)某次測(cè)量結(jié)果所對(duì)應(yīng)的誤差特別大或特別小時(shí)，應(yīng)認(rèn)真判斷誤差是否屬于粗大誤差， 如果屬于粗大誤差， 該值應(yīng)舍去不用。 3） 粗大誤差3. 按照誤差來源分1） 工具誤差工具誤差是指由于因測(cè)量工具本身不完善而引起的誤差， 主要包括讀數(shù)誤差、 內(nèi)部噪聲引起的誤差兩方面。 2） 方法誤差方法誤差是指測(cè)量時(shí)方法不完善，所依據(jù)的理論不嚴(yán)密以及對(duì)被測(cè)量定義不明確等諸因素所產(chǎn)生的誤差，有時(shí)也稱為理論誤差。 3.

13、 按照誤差來源分4. 按照被測(cè)量隨時(shí)間變化的速度分1） 靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是指在被測(cè)量隨時(shí)間變化很緩慢或基本不變的情況下，測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的誤差。 2） 動(dòng)態(tài)誤差動(dòng)態(tài)誤差是指在被測(cè)量隨時(shí)間變化很快的情況下，測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的附加誤差。動(dòng)態(tài)誤差是由于慣性、純滯后的存在， 使得輸入信號(hào)的所有成分未能全部通過，或者輸入信號(hào)中不同頻率成分通過時(shí)受到不同程度的衰減而引起的。 4. 按照被測(cè)量隨時(shí)間變化的速度分5. 按照使用條件分1） 基本誤差基本誤差是指測(cè)量系統(tǒng)在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時(shí)所產(chǎn)生的誤差。 所謂標(biāo)準(zhǔn)條件，一般是測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定刻度時(shí)所保持的工作條件，如電源電壓為220(15%)V，溫度為205，濕度

14、小于80%，電源頻率為50 Hz等。測(cè)試系統(tǒng)的精確度是由基本誤差決定的。 5. 按照使用條件分2） 附加誤差當(dāng)使用條件偏離規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)， 除基本誤差外還會(huì)產(chǎn)生附加誤差。例如， 由于溫度超過標(biāo)準(zhǔn)引起的溫度附加誤差以及使用電壓不標(biāo)準(zhǔn)而引起的電源附加誤差等， 使用時(shí)這些附加誤差會(huì)疊加到基本誤差上去。 2） 附加誤差6. 按照誤差與被測(cè)量的關(guān)系分1） 定值誤差定值誤差是指誤差對(duì)被測(cè)量來說是一個(gè)定值，不隨被測(cè)量變化。這類誤差可以是系統(tǒng)誤差，如直流測(cè)量回路中存在熱電勢(shì)等；也可以是隨機(jī)誤差，如測(cè)試系統(tǒng)中執(zhí)行電機(jī)的啟動(dòng)引起的電壓誤差等。 6. 按照誤差與被測(cè)量的關(guān)系分2） 累積誤差在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)量程內(nèi)，誤

15、差值x與被測(cè)量x成比例地變化，即 x=Sx （2-7） 式中，S為比例常數(shù)。由上式可知，x隨x的增大而逐步累積，故稱累積誤差。 2） 累積誤差x=Sx （2-7） 式中，S為2.1.3 誤差的處理1. 系統(tǒng)誤差的消除或減小產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的來源多種多樣，因此要減小系統(tǒng)誤差只能根據(jù)不同的目的，對(duì)測(cè)量儀器儀表、測(cè)量條件、測(cè)量方法及步驟進(jìn)行全面分析，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差，進(jìn)而分析產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因，然后采用相應(yīng)的措施將系統(tǒng)誤差消除或減弱到與測(cè)量要求相適應(yīng)的程度。 2.1.3 誤差的處理（1） 從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的來源上考慮。這是減小系統(tǒng)誤差的最基本的方法，該方法要求測(cè)量者對(duì)整個(gè)測(cè)量過程要有一個(gè)全面仔細(xì)的分析，弄清

16、楚可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的各種因素， 然后在測(cè)量過程中予以消除。由于產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的來源多種多樣，因此其消除或減小方法也不盡相同，應(yīng)根據(jù)測(cè)量目的與測(cè)量儀器而定，主要有：選擇準(zhǔn)確度等級(jí)高的儀器設(shè)備以消除儀器的基本誤差； 使儀器設(shè)備工作在規(guī)定環(huán)境條件下并正確調(diào)零、預(yù)熱以消除儀器設(shè)備的附加誤差；選擇合理的測(cè)量方法，設(shè)計(jì)正確的測(cè)量步驟以消除方法誤差和理論誤差； 提高測(cè)量人員的測(cè)量素質(zhì)，改善測(cè)量條件（選用智能化、數(shù)字化儀器儀表等）以消除人員誤差。 （1） 從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的來源上考慮。這是減小系統(tǒng)誤差的最（2） 利用修正法消除系統(tǒng)誤差。修正法是消除或減弱系統(tǒng)誤差的常用方法，該方法在智能化儀表中得到了廣泛的應(yīng)用。所

17、謂修正法就是在測(cè)量前或測(cè)量過程中，求取某類誤差的修正值，然后在測(cè)量數(shù)據(jù)的處理過程中手動(dòng)或自動(dòng)地將測(cè)量讀數(shù)或結(jié)果與修正值相加，從而達(dá)到消除或減弱系統(tǒng)誤差的目的。 （2） 利用修正法消除系統(tǒng)誤差。修正法是消除或減弱系統(tǒng)誤（3） 利用特殊的測(cè)量方法消除系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是大小、方向恒定不變，具有預(yù)見性，所以可選用以下特殊的測(cè)量方法予以消除。 替代法：是比較測(cè)量法的一種，它是先將被測(cè)量Ax接在測(cè)量裝置上，調(diào)節(jié)測(cè)量裝置處于某一狀態(tài)，然后用與被測(cè)量相同的同類標(biāo)準(zhǔn)量AN代替Ax，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量AN，使測(cè)量裝置恢復(fù)原來的狀態(tài)，于是被測(cè)量就等于調(diào)整后的標(biāo)準(zhǔn)量，即AxAN。 （3） 利用特殊的測(cè)量方法消除系統(tǒng)誤

18、差。系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是 差值法：是測(cè)量出被測(cè)量Ax與標(biāo)準(zhǔn)量AN的差值，即= Ax-AN ，利用AxAN求出被測(cè)量。 顯然，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度由標(biāo)準(zhǔn)量具的準(zhǔn)確度和測(cè)量差值的準(zhǔn)確度決定，且差值越小，測(cè)量差值的儀表之誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響就越小。當(dāng)差值等于零時(shí)，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度與測(cè)量儀表的準(zhǔn)確度無關(guān)，而僅和標(biāo)準(zhǔn)量具的準(zhǔn)確度有關(guān)。 正負(fù)誤差補(bǔ)償法：是在不同的測(cè)量條件下，對(duì)被測(cè)量測(cè)量兩次，使其中一次測(cè)量結(jié)果的誤差為正，而使另一次測(cè)量結(jié)果的誤差為負(fù)，取兩次測(cè)量結(jié)果的平均值作為測(cè)量結(jié)果。 顯然， 對(duì)于大小恒定的系統(tǒng)誤差經(jīng)這樣的處理即可消除。 差值法：是測(cè)量出被測(cè)量Ax與標(biāo)準(zhǔn)量AN的差值，即 對(duì)稱觀測(cè)法：是在測(cè)量過

19、程中合理設(shè)計(jì)測(cè)量步驟以獲取對(duì)稱的數(shù)據(jù)，配以相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，以得到與某影響（干擾正確測(cè)量的因素）無關(guān)的測(cè)量結(jié)果，從而消除系統(tǒng)誤差。消除或減小系統(tǒng)誤差的方法還有很多，如疊代比較法等，這里就不再一一列舉了。 對(duì)稱觀測(cè)法：是在測(cè)量過程中合理設(shè)計(jì)測(cè)量步驟以獲取對(duì)稱2. 隨機(jī)誤差的消除或減小隨機(jī)誤差就單次測(cè)量而言是無規(guī)律的，其大小、方向不可預(yù)知。 但當(dāng)測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí)， 隨機(jī)誤差的總體服從統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律中的正態(tài)分布。對(duì)某量進(jìn)行無系統(tǒng)誤差、等精度重復(fù)測(cè)量n次， 其測(cè)量讀數(shù)分別為A1、A2、An，則隨機(jī)誤差分別為 1=A1-A0, 2=A2-A0, , i=Ai-A0, ，n=An-A0 2. 隨機(jī)誤差的消除

20、或減小1=A1-A0, 2=A2根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，隨機(jī)誤差具有下列特性： （1）有界性，即隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不超過一定的界限。 （2） 單峰性，即絕對(duì)值小的隨機(jī)誤差比絕對(duì)值大的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率大。 （3）對(duì)稱性，等值反號(hào)的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率接近相等。 （4） 抵償性，當(dāng)n時(shí)，隨機(jī)誤差的代數(shù)和為零。 根據(jù)隨機(jī)誤差的特性，經(jīng)過多次測(cè)量后，其總和可用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來描述，可從理論上估計(jì)它對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，隨機(jī)誤差具有下列特性： 3. 粗大誤差的剔除含有粗大誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)屬于可疑值或異常值，不能參加測(cè)量值的數(shù)據(jù)處理，應(yīng)該予以剔除。 其消除方法是：盡可能地提高測(cè)量人員高度的工作責(zé)任心和嚴(yán)格的科

21、學(xué)態(tài)度， 以減少和避免粗大誤差的出現(xiàn)；正確判斷粗大誤差，若發(fā)現(xiàn)粗大誤差， 則將相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)劃掉，且必須注明其原因。 判斷粗大誤差可以從定性和定量兩方面來考慮。 3. 粗大誤差的剔除定性判斷就是對(duì)測(cè)量條件、測(cè)量設(shè)備、測(cè)量步驟進(jìn)行分析，看是否有差錯(cuò)或有引起粗大誤差的因素，也可將測(cè)量數(shù)據(jù)同其他人員用別的方法或由不同儀器所測(cè)量得到的結(jié)果進(jìn)行核對(duì)，以發(fā)現(xiàn)粗大誤差。這種判斷屬于定性判斷，無嚴(yán)格的原則，應(yīng)慎重從事。 定量判斷就是以統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和有關(guān)專業(yè)知識(shí)建立起來的粗差準(zhǔn)則為依據(jù)，對(duì)異常值或壞值進(jìn)行剔除。這里所謂的定量是相對(duì)前面的定性而言的，它是建立在一定的分布規(guī)律和置信概率基礎(chǔ)上的， 并不是絕對(duì)的。 定性

22、判斷就是對(duì)測(cè)量條件、測(cè)量設(shè)備、測(cè)量步驟進(jìn)行分析，看是2.1.4 測(cè)量系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)測(cè)量系統(tǒng)是由眾多環(huán)節(jié)組成的對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行檢測(cè)、 調(diào)理、變換、顯示或記錄的完整系統(tǒng)。 測(cè)量系統(tǒng)的基本特性是指測(cè)量系統(tǒng)的輸出與輸入的關(guān)系，有靜態(tài)與動(dòng)態(tài)之分。動(dòng)態(tài)特性的研究與控制理論中介紹的相似。測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性是指測(cè)量系統(tǒng)的輸入為不隨時(shí)間變化的恒定信號(hào)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)輸入與輸出之間呈現(xiàn)的關(guān)系。靜態(tài)特性主要包含精確度、 穩(wěn)定性、 靜態(tài)輸入輸出特性等指標(biāo)。 在測(cè)量系統(tǒng)中，傳感器是采集信號(hào)的直接器件，傳感器性能的好壞直接影響到測(cè)量系統(tǒng)的性能。 2.1.4 測(cè)量系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)2.2 傳 感 器 2.2.1 傳感器基礎(chǔ)知識(shí)1.

23、 傳感器的定義與分類傳感器的英文是“Sensor”，來源于拉丁語“Sense”，意思是“感覺”、“知覺”等。傳感器的通俗定義可表述為“信息拾取的器件或裝置”。 其嚴(yán)格定義在國家標(biāo)準(zhǔn)GB 766587中的表述是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。 2.2 傳 感 器 2.2.1 傳感器基礎(chǔ)知識(shí)從量值變換這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)每一種（物理

24、）效應(yīng)都可在理論上或原理上構(gòu)成一類傳感器，因此，傳感器的種類繁多。在對(duì)非電量的測(cè)試中，有的傳感器可以同時(shí)測(cè)量多種參量，而有時(shí)對(duì)一種物理量又可用多種不同類型的傳感器進(jìn)行測(cè)量。下面根據(jù)被測(cè)量、測(cè)量原理、傳感基理、輸出形式和電源形式等進(jìn)行分類，如表2-1所示。 從量值變換這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)每一種（物理）效應(yīng)都可在理論上表2-1 傳 感 器 分 類 表2-1 傳 感 器 分 類 2. 傳感器的構(gòu)成傳感器一般由敏感元件、傳感元件和其他輔助件組成， 有時(shí)也將信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。 如圖2-2所示。 圖2-2 傳感器組成的結(jié)構(gòu)框圖 2. 傳感器的構(gòu)成圖2-2 傳感器組成的結(jié)構(gòu)框圖

25、敏感元件是直接感受被測(cè)量（一般為非電量），并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他量（一般為電量）的元件。 敏感元件是傳感器的核心部件，它不僅拾取外界信息，還必須把變換后的量值傳輸出去。 傳感元件又稱變換器或轉(zhuǎn)換器，一般來說，它不直接感受被測(cè)量，而是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換為電量輸出的元件。 信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路的作用是把傳感元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、加工處理，輸出有利于顯示、記錄、檢測(cè)或控制的電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路或簡或繁，視傳感元件的類型而定， 常見的電路有電橋電路、放大器、阻抗變換器等。 敏感元件是直接感受被測(cè)量（一般為非電量），并輸出與被測(cè)量3. 傳感器的基本性能1） 精確度與精確度有關(guān)的指標(biāo)有

26、三個(gè)：精密度、正確度和精確度。 (1) 精密度：說明測(cè)量結(jié)果的分散性。 即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量，由同一個(gè)測(cè)量者用同一傳感器在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次（等精度測(cè)量）時(shí)其測(cè)量結(jié)果的分散程度。精密度越小，測(cè)量就越精密。 (2) 正確度：說明測(cè)量結(jié)果偏離真值的程度。 (3) 精確度：是精密度與正確度的綜合，也簡稱精度。 3. 傳感器的基本性能2） 穩(wěn)定性穩(wěn)定性一般用穩(wěn)定度和影響量這兩個(gè)指標(biāo)來衡量。 (1) 穩(wěn)定度：是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)量條件不變的情況下， 由于傳感器的隨機(jī)性變動(dòng)、周期性變動(dòng)、漂移等引起的測(cè)量結(jié)果的變化程度，一般用精度和時(shí)間長短一起表示。例如電壓波動(dòng)引起每2小時(shí)變化1.3 mV，則其穩(wěn)

27、定度可表示為 1.3 mV/2 h。 (2) 影響量：是指外界環(huán)境變化對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果的影響程度，一般用影響系數(shù)（示值變化量/環(huán)境變化量）表示。 例如，電源電壓每變化10%引起示值變化0.02 mV，則影響量可表示為0.02 mV/10%。 2） 穩(wěn)定性3） 輸入/輸出特性傳感器的靜態(tài)輸入/輸出特性包括靈敏度、 線性度、 遲滯性和重復(fù)性四個(gè)指標(biāo)。 (1) 靈敏度：是指傳感器到達(dá)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比，即Kdy/dx。它是傳感器靜態(tài)特性曲線上各點(diǎn)的斜率。傳感器的靈敏度是一個(gè)有單位的量。當(dāng)討論某一傳感器的靈敏度時(shí)，必須確切地說明它的單位。例如，壓力傳感器的靈敏度用K

28、P表示，單位是mV/Pa。 3） 輸入/輸出特性(2) 線性度：又稱非線性誤差，說明了輸出量與輸入量的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論直線的程度，定義為實(shí)際特性曲線與理論直線之間的最大偏差和滿量程輸出的百分比，即 （2-8） 式中，rL為線性度；Lmax為實(shí)際特性曲線與理論直線之間的最大偏差；YFS為滿量程輸出。 (2) 線性度：又稱非線性誤差，說明了輸出量與輸入量的實(shí)(3) 遲滯性：是指傳感器的正向（上升）特性和反向（下降）特性不一致的程度，即對(duì)于同樣大小的輸入量， 當(dāng)所采用的行程方向不同時(shí)，其輸出值之間的差值大小。 (4) 重復(fù)性：是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測(cè)量范圍內(nèi)連續(xù)重復(fù)多次所得到

29、的特性曲線的重合程度。重復(fù)性反映的是測(cè)量結(jié)果的偶然誤差的大小，不能用來表示測(cè)量結(jié)果與真值之間的偏離程度。 (5) 分辨率：是指傳感器示值（輸出值）發(fā)生極微小的變化時(shí)所需被測(cè)量的最小變化值。 (3) 遲滯性：是指傳感器的正向（上升）特性和反向（下降(6) 動(dòng)態(tài)特性：是指傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器所檢測(cè)的非電量信號(hào)大多數(shù)是時(shí)間函數(shù)， 為了使傳感器輸出信號(hào)和輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線一致或相近，就要求傳感器不僅具有良好的靜態(tài)特性， 而且還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。 在構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，不應(yīng)片面追求其線性度要好、靈敏度要高、遲滯要小、重復(fù)性要優(yōu)、分辨力要強(qiáng)，而是要根據(jù)檢測(cè)的具體要求，首先保

30、證主要性能指標(biāo)。 (6) 動(dòng)態(tài)特性：是指傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)2.2.2 溫度傳感器1. 熱電偶溫度傳感器熱電偶是溫度測(cè)量中使用最廣泛的傳感器之一，其溫度范圍寬，一般在-1802800的溫度范圍內(nèi)均可使用。其測(cè)量的精確度和靈敏度都較高，尤其在高溫范圍內(nèi)，有較高的精度。 因此，國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，在630.741064.43的溫區(qū)范圍內(nèi)，用熱電偶作為復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的基準(zhǔn)儀器，熱電偶在一般的測(cè)量和控制系統(tǒng)中，常用于高溫區(qū)的溫度檢測(cè)。 2.2.2 溫度傳感器熱電偶的結(jié)構(gòu)簡單，僅由兩根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料焊接或絞接而成，如圖2-3所示。焊接的一端為工作端（或熱端），與導(dǎo)線連接的一端為自由端

31、（或冷端），導(dǎo)體A、B稱為熱電極，總稱熱電偶。若使兩個(gè)結(jié)點(diǎn)保持不同溫度時(shí)，將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，即塞貝克（Seebeck）效應(yīng)。熱電偶的符號(hào)如圖2-4所示，有時(shí)簡稱TC。 熱電偶的結(jié)構(gòu)簡單，僅由兩根不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料焊接或絞圖2-3 熱電偶的工作原理 圖2-3 熱電偶的工作原理 圖2-4熱電偶的符號(hào)圖2-4熱電偶的符號(hào)熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)與溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成，因溫差電動(dòng)勢(shì)很小，可忽略不計(jì)，因此，圖2-3中A、B兩端的熱電動(dòng)勢(shì)可表示為：EAB（t,t0）eAB（t）-eAB（t0）。 接觸電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是：當(dāng)兩種導(dǎo)體接觸時(shí)， 由于二者電子密度不同，電子密度大的導(dǎo)體的電子向另一導(dǎo)體擴(kuò)散的速率高，

32、結(jié)果丟失電子多的導(dǎo)體帶正電荷，得到電子的導(dǎo)體帶負(fù)電荷， 這樣就形成接觸電動(dòng)勢(shì)，其大小取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度。溫差電動(dòng)勢(shì)是由于同一導(dǎo)體兩端因溫度不同（tt0）而產(chǎn)生的。 熱電動(dòng)勢(shì)由接觸電動(dòng)勢(shì)與溫差電動(dòng)勢(shì)兩部分組成，因溫差電動(dòng)勢(shì)當(dāng)t0維持一定時(shí)，eAB（t0）等于常數(shù)C，則對(duì)于確定的熱電偶，其熱電動(dòng)勢(shì)只與溫度t成單值函數(shù)關(guān)系，即 EAB（t, t0）eAB（t）-C 根據(jù)熱電偶測(cè)溫的基本原理，原則上任意兩種金屬都可以用于構(gòu)成熱電偶，但能滿足實(shí)用化要求（如物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、 電阻溫度系數(shù)小、電導(dǎo)率高、組成的熱電偶的熱電勢(shì)高等）的材料不多。目前這些材料在國內(nèi)外已標(biāo)準(zhǔn)化，可大致分為貴金屬材

33、料和普通金屬材料兩大類。貴金屬材料有鉑和鉑銠合金； 普通金屬材料有鐵、銅、康銅、鎳鉻合金等，還有銥、鎢、 錸等耐高溫材料。另外非金屬材料，如碳、石墨和碳化硅等也可以作為熱電偶材料。 當(dāng)t0維持一定時(shí)，eAB（t0）等于常數(shù)C，則對(duì)于確定的表2-2 熱電偶的分類及性能 表2-2 熱電偶的分類及性能 圖2-5 熱電偶的結(jié)構(gòu) 圖2-5 熱電偶的結(jié)構(gòu) 1） 補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線是一對(duì)與熱電偶配用的導(dǎo)線，在工作范圍內(nèi)與被補(bǔ)償?shù)臒犭娕季哂邢嗤碾妱?shì)-溫度關(guān)系。補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接，使熱電偶的冷端遠(yuǎn)離熱源，從而使冷端溫度穩(wěn)定。 補(bǔ)償導(dǎo)線分延長型和補(bǔ)償型兩種。延長型導(dǎo)線的化學(xué)成分與被補(bǔ)償?shù)臒犭娕枷嗤a(bǔ)償型導(dǎo)線

34、的化學(xué)成分與被補(bǔ)償?shù)臒犭娕疾煌Ｊ褂醚a(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)要注意型號(hào)且極性不能接反，還要注意補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶相連的接點(diǎn)溫度要相同，以免造成不必要的誤差。 1） 補(bǔ)償導(dǎo)線法2） 冷端溫度測(cè)量計(jì)算法采用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶冷端溫度移到t0處，但是t0通常為環(huán)境溫度而不是0，需要測(cè)量冷端溫度并根據(jù)如下關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算修正： E（t, 0）E（t, t0）E（t0, 0） 式中，E(t, t0)為測(cè)出的回路電勢(shì)；t0為已知溫度，可查分度表求得E（t0，0）?？梢杂缮鲜角蟪隹傠妱?shì)E（t,0），再查分度表求出被測(cè)溫度t。由于熱電偶的熱電特性是非線性的，因此切不可簡單地用溫度直接相加。 2） 冷端溫度測(cè)量計(jì)算法E（t, 0）

35、E（t, t03） 冷端恒溫法冷端恒溫法需要保持冷端溫度恒定。在實(shí)驗(yàn)室情況及精密測(cè)量中，是把冷端置于能保持恒溫的冰點(diǎn)槽中，冷端溫度為0，測(cè)得熱電勢(shì)后，直接查分度表得知被測(cè)溫度。工業(yè)應(yīng)用時(shí)，一般把冷端放在電加熱的恒溫器中， 使其維持在某一恒定的溫度。 3） 冷端恒溫法4） 補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償電橋法利用不平衡電橋產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)，以補(bǔ)償熱電偶由于冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化。如圖2-6所示，補(bǔ)償電橋串接在熱電偶回路中，與熱電偶的冷端處于同一溫度t0。不平衡電橋的三個(gè)橋臂電阻為錳銅電阻，其電阻值不隨溫度而變化，另一個(gè)橋臂電阻由銅絲繞制。在選定的t0情況下， R1R2R3RCu，電橋平衡無信號(hào)輸出。當(dāng)t0

36、變化時(shí)，RCu的阻值改變，電橋?qū)⑤敵霾黄胶怆妷?。選擇適當(dāng)?shù)拇?lián)電阻，使電橋的輸出電壓可以補(bǔ)償因t0變化而引起的回路熱電勢(shì)變化量。 通常，補(bǔ)償電橋是按t0 20時(shí)電橋平衡而設(shè)計(jì)的，即當(dāng)t0 20時(shí)，補(bǔ)償電橋無電壓輸出。 4） 補(bǔ)償電橋法圖2-6 補(bǔ)償電橋 圖2-6 補(bǔ)償電橋 2. 熱電阻溫度傳感器如果使用熱電偶測(cè)500以下的中、低溫，則會(huì)存在以下兩個(gè)問題：第一，熱電偶輸出的熱電勢(shì)很小，這時(shí)對(duì)電子電位差計(jì)的放大器和抗干擾措施要求都很高，儀表維修也困難；第二，由于冷端（自由端）溫度變化而引起的相對(duì)誤差突出， 不易得到全補(bǔ)償。因此，工業(yè)上廣泛應(yīng)用熱電阻溫度計(jì)來測(cè)量-200500范圍的溫度。 2. 熱電

37、阻溫度傳感器1） 熱電阻的測(cè)溫原理利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來測(cè)量溫度的感溫元件叫熱電阻。大多數(shù)金屬在溫度每升高1時(shí)， 其電阻值要增加0.4%0.6%。電阻溫度計(jì)就是利用熱電阻這一感溫元件將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，通過測(cè)量橋路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后送至顯示儀表指示或記錄被測(cè)溫度。 1） 熱電阻的測(cè)溫原理1） 熱電阻的測(cè)溫原理利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來測(cè)量溫度的感溫元件叫熱電阻。大多數(shù)金屬在溫度每升高1時(shí)，其電阻值要增加0.4%0.6%。電阻溫度計(jì)就是利用熱電阻這一感溫元件將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化， 通過測(cè)量橋路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后送至顯示儀表

38、指示或記錄被測(cè)溫度。 1） 熱電阻的測(cè)溫原理3） 鉑電阻鉑是一種貴金屬，易于提純，物理和化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定， 耐氧化，并在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，因此， 有極好的復(fù)現(xiàn)特性。在1927年就把鉑電阻作為復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的基準(zhǔn)器，至今它仍被作為精密溫度計(jì)的一種主要傳感器。 目前，國內(nèi)主要生產(chǎn)兩種型號(hào)的鉑電阻，分別是R0(100.01)和R0(1000.10)，分度號(hào)分別為Pt10和Pt100， 適用的溫度范圍是-200850。 3） 鉑電阻當(dāng)溫度t0850時(shí)， 鉑電阻的電阻Rt與溫度t的關(guān)系接近于線性， 即 Rt=R0(1+At+Bt2) （2-11） 當(dāng)溫度t-2000時(shí)，有 Rt=R01+At

39、+Bt2+C(t-100)t3 （2-12） 式中，Rt是溫度為t時(shí)鉑電阻的電阻值；R0是溫度為0時(shí)鉑電阻的電阻值；A=3.908 0210-3-1，B=-5.80210-1 -2，C=-4.273 5010-12 -4。 當(dāng)溫度t0850時(shí)， 鉑電阻的電阻Rt與溫度t的關(guān)用鉑電阻測(cè)溫的基本誤差為 -2000時(shí)，t（0.3610-3t）； 0850時(shí)， t（0.34.510-3t）。 用鉑電阻測(cè)溫的基本誤差為 -2000時(shí)，t（0.4） 銅電阻由于鉑電阻價(jià)格高，因此在測(cè)量精確度要求不太高和測(cè)溫范圍較小時(shí)，通常采用銅電阻作為測(cè)量元件。與鉑電阻相比， 銅電阻的顯著優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相當(dāng)?shù)?，也易于提純。但?/p>

40、電阻率較小，機(jī)械強(qiáng)度低，而且穩(wěn)定性較差。 工程上常用的銅電阻有兩種，一種是R0=50 ，其對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Cu50；另一種是R0 =100 ，其對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Cu 100。其適用的溫度范圍是-50150。 4） 銅電阻在-50150之間， 有 Rt=R0（1+t）（2-13） 式中，Rt為銅電阻在t時(shí)的電阻值；R0為銅電阻在0時(shí)的電阻值；為銅電阻的電阻溫度系數(shù)，（4.254.28）10-3 -1。 在-50150之間， 有 Rt=R0（1+t）（2-1工業(yè)熱電阻安裝在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，其引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響。 熱電阻的引線方式有二線制、三線制和四線制三種， 如圖2-7所示。二線制方式是在熱電阻兩

41、端各連一根導(dǎo)線， 這種引線方式簡單、費(fèi)用低，但是引線電阻隨環(huán)境溫度的變化會(huì)帶來附加誤差。只有當(dāng)外接引線電阻r與元件電阻值R滿足2rR10-3時(shí)，外接引線電阻的影響才可以忽略。三線制方式是在熱電阻的一端連接兩根導(dǎo)線，另一端連接一根導(dǎo)線。當(dāng)熱電阻與測(cè)量電橋配用時(shí)，分別將引線接入兩個(gè)橋臂，可以較好地消除引線電阻的影響，提高測(cè)量精度，工業(yè)熱電阻測(cè)溫多用此種接法。 四線制方式是在熱電阻兩端各連兩根導(dǎo)線，其中兩根引線為熱電阻提供恒流源，在熱電阻上產(chǎn)生的壓降通過另外兩根導(dǎo)線接入電勢(shì)測(cè)量儀表進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)電勢(shì)測(cè)量端的電流很小時(shí)，可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，這種引線方式主要用于高精度的溫度檢測(cè)。 工業(yè)熱電阻

42、安裝在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，其引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響圖2-7 熱電阻的引線方式（a） 二線制； （b） 三線制； （c） 四線制 圖2-7 熱電阻的引線方式3. 熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的溫敏元件。目前使用的熱敏電阻大多數(shù)屬于陶瓷熱敏電阻。 按其阻值隨溫度變化的特性可分為三類：正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻和臨界溫度（CTR）熱敏電阻。它們的溫度特性曲線如圖28所示。 3. 熱敏電阻圖2-8 熱敏電阻的溫度特性曲線 圖2-8 熱敏電阻的溫度特性曲線 1） NTC熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是用一種或一種以上的錳、鈷、鎳、 鐵等過渡金屬氧化物按一定

43、配比混合，采用陶瓷工藝制備而成的。NTC熱敏電阻的特點(diǎn)是體積小，熱慣性小，輸出電阻變化大，適合于長距離傳輸。 2） CTR熱敏電阻CTR也是一種具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，它與NTC不同的是，在某一溫度范圍內(nèi)，電阻急劇發(fā)生變化。CTR熱敏電阻主要用作溫度開關(guān)。 1） NTC熱敏電阻3） PTC熱敏電阻PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成的半導(dǎo)體陶瓷元件，具有正溫度系數(shù)。其特性曲線且有斜率最大的區(qū)段， 通過改變配比和添加劑，可使其斜率最大的區(qū)段處于不同的溫度范圍內(nèi)。PTC熱敏電阻既可用作溫度傳感元件，也可用作恒溫發(fā)熱元件、電路自動(dòng)調(diào)節(jié)元件等。PTC突變型熱敏電阻主要用作溫度開關(guān)，PTC緩變

44、型熱敏電阻主要用于較寬溫度范圍內(nèi)的溫度補(bǔ)償或溫度測(cè)量。當(dāng)PTC熱敏電阻用于電路自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，為克服或減小其分布電容較大的缺點(diǎn)，應(yīng)選用直流或60 Hz以下的工頻電源。 3） PTC熱敏電阻4. 集成溫度傳感器集成溫度傳感器是一種將感溫元件、放大電路、溫度補(bǔ)償電路等功能集成在一塊極小芯片上的溫度傳感器。它是目前傳感器發(fā)展的方向，跟傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶相比，它具有線性度好、靈敏度高、體積小、穩(wěn)定性好、 輸出信號(hào)大且規(guī)范化等優(yōu)點(diǎn)，尤其線性度好、輸出信號(hào)大且規(guī)范化是其他溫度傳感器無法比擬的。 集成溫度傳感器的測(cè)溫范圍一般為-55150，其具體數(shù)值因型號(hào)和封裝形式不同而異，主要用于環(huán)境空間溫度的檢測(cè)、 控制

45、， 以及家用電器中溫度的檢測(cè)、 控制和補(bǔ)償。 4. 集成溫度傳感器集成溫度傳感器按輸出量不同可分為電壓型和電流型兩種，其中電壓型的靈敏度一般為10 mV/， 電流型的靈敏度為1 A/。這種傳感器還具有絕對(duì)零度時(shí)輸出電量為零的特性，利用這一特性可制作絕對(duì)溫度測(cè)量儀。表2-3給出了幾種集成溫度傳感器的一些基本性能參數(shù)。 集成溫度傳感器按輸出量不同可分為電壓型和電流型兩種，其中表2-3 幾種集成溫度傳感器的一些基本性能參數(shù) 表2-3 幾種集成溫度傳感器的一些基本性能參數(shù) 電壓型集成溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的線性度，輸出阻抗低，易于定標(biāo)，易于和控制電路接口。它可用于溫度檢測(cè)，也可用于熱電偶的冷端溫度

46、補(bǔ)償和空氣流速檢測(cè)。 電流型集成溫度傳感器在一定溫度下相當(dāng)于一個(gè)恒流源， 因此，它具有不易受接觸電阻、引線電阻和噪聲的干擾， 能實(shí)現(xiàn)長距離（200 m）傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，同樣具有很好的線性特性。 美國AD公司的AD590就是電流型集成溫度傳感器的典型代表產(chǎn)品。 電壓型集成溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有良好的線性度，輸出阻抗低5. 溫度傳感器的選用要確保傳感器指示的溫度即為所測(cè)對(duì)象的溫度，常常是很困難的。在大多數(shù)情況下，對(duì)溫度傳感器的選用，需考慮以下幾個(gè)方面的問題： （1） 被測(cè)對(duì)象的溫度是否需記錄、 報(bào)警和自動(dòng)控制， 是否需要遠(yuǎn)距離測(cè)量和傳送。 （2） 測(cè)溫范圍的大小和精度要求。 （3） 測(cè)溫元件大小是否適

47、當(dāng)。 （4） 在被測(cè)對(duì)象溫度隨時(shí)間變化的場(chǎng)合， 測(cè)溫元件的滯后能否適應(yīng)測(cè)溫要求。 （5） 被測(cè)對(duì)象的環(huán)境條件對(duì)測(cè)溫元件是否有損害。 （6） 價(jià)格如何，使用是否方便。 5. 溫度傳感器的選用圖2-9 一般工業(yè)用溫度傳感器的選型原則 圖2-9 一般工業(yè)用溫度傳感器的選型原則 2.2.3 壓力傳感器1. 彈性式壓力傳感器彈性式壓力傳感器的原理是：在壓力作用下流體的容器將產(chǎn)生微小的變形， 可用機(jī)械的方法將這種形變放大， 然后進(jìn)行檢測(cè)。這種方式與電學(xué)式的應(yīng)變片所用方法在基本結(jié)構(gòu)上是相同的。這種彈性壓力傳感器占整個(gè)機(jī)械式壓力傳感器的90以上。彈性式壓力傳感器就是基于彈性元件（彈簧管、 膜盒、膜片、波紋管等

48、）壓后產(chǎn)生的位移與被測(cè)壓力呈一定函數(shù)關(guān)系的原理制成的。其典型產(chǎn)品有彈簧管式壓力表和霍爾片式遠(yuǎn)傳壓力傳感器。 2.2.3 壓力傳感器2. 液柱式壓力傳感器這是一種傳統(tǒng)的壓力計(jì)，其原理是：使壓力與液柱所產(chǎn)生的力相平衡， 用此時(shí)的液柱高度測(cè)量壓力。常用的液柱式壓力傳感器有U型管式、 單管式等多種，主要用于表壓、差壓及壓力電傳送或壓力標(biāo)準(zhǔn)等場(chǎng)合， 如風(fēng)壓表、水壓表等。 2. 液柱式壓力傳感器3. 電學(xué)式壓力傳感器電學(xué)式壓力傳感器的主要工作原理是：利用某種方法， 將受力的彈性體的變形變換成電信號(hào)（或再加以放大等處理），從而輸出一個(gè)與壓力相對(duì)應(yīng)的電學(xué)量。 電學(xué)式壓力傳感器按其工作原理來分主要有： 電阻式（

49、應(yīng)變片式）金屬箔、 金屬絲、 半導(dǎo)體式、 磁式、電容式、 差動(dòng)變壓器式、 壓電式、 表面彈性波式和光電式等多種. 3. 電學(xué)式壓力傳感器1）應(yīng)變片式壓力傳感器應(yīng)變片式壓力傳感器是基于金屬電阻片在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，從而導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化的電阻應(yīng)變效應(yīng)而制成，可測(cè)范圍為0.5kPa10MPa，精度為0.52。應(yīng)用應(yīng)變片式壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要和電橋電路一起使用。因?yàn)閼?yīng)變片電橋電路的輸出信號(hào)微弱，采用直流放大器又容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，多采用交流放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。所以應(yīng)變片電橋電路一般都采用交流電源供電，組成交流電橋。電橋又分為平衡電橋和不平衡電橋兩種。平衡電橋僅適用于測(cè)量靜態(tài)參數(shù)，而不

50、平衡電橋則適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)。在實(shí)際的應(yīng)變檢測(cè)中，可根據(jù)情況在電橋電路中使用單應(yīng)變片（單臂橋）、雙應(yīng)變片（雙臂橋）和四應(yīng)變片法（全橋），其靈敏度后者是前者的兩倍。 1）應(yīng)變片式壓力傳感器2）半導(dǎo)體式壓力傳感器此類傳感器的應(yīng)變片主要用硅半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制作而成。如果在半導(dǎo)體晶體上施加作用力，晶體除產(chǎn)生應(yīng)變外，其電阻率也會(huì)發(fā)生變化。這種由外力引起半導(dǎo)體材料電阻率變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體壓力傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，可測(cè)范圍在10kPa60MPa。 2）半導(dǎo)體式壓力傳感器3）壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器是用集成電路工藝技術(shù)，在硅片上做出四個(gè)等值的

51、薄膜電阻，并組成電橋電路。當(dāng)不受壓力作用時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出；當(dāng)受到壓力作用時(shí)，電橋失去平衡，電橋輸出電壓。電橋輸出的電壓與壓力成比例。壓阻式壓力傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片式壓力傳感器的靈敏度系數(shù)要大5001000倍；由于采用了集成電路工藝加工，因而結(jié)構(gòu)尺寸小，質(zhì)量輕；壓力分辨率高，它可以檢測(cè)出像血壓那么小的微壓；頻率響應(yīng)好，可以測(cè)量幾十千赫的脈動(dòng)壓力；由于傳感器的力敏元件及檢測(cè)元件制在同一塊硅片上，因此它的工作可靠，綜合精度高，且使用壽命長。但是由于它采用半導(dǎo)體材料硅制成，對(duì)溫度較敏感，若不采用溫度補(bǔ)償，則溫度誤差較大。 3）壓阻式壓力傳感器4）壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器

52、被廣泛用于力、壓力、加速度等非電量的測(cè)量。其工作原理是以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。某些物質(zhì)（如石英、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等）在特定方向上受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其相應(yīng)的兩表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷而形成電場(chǎng)。當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新恢復(fù)到原來的不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。由于壓電式壓力傳感器輸出信號(hào)是很微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微。為此，通常把傳感器信號(hào)先送到高輸入阻抗的前置放大器，經(jīng)過阻抗變換以后，方可用一般的放大和檢波電路將信號(hào)傳輸給指示儀表或記錄儀。目前多采用電荷放大器作為前置放大器。 4）壓電式壓力傳感器5）電容式壓力傳感器以

53、電容器作為敏感元件，將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容式傳感器在力學(xué)量的測(cè)量中占有重要地位，它可以對(duì)荷重、壓力、位移、振動(dòng)、加速度等進(jìn)行測(cè)量。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)特性好等許多優(yōu)點(diǎn)，因此在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中得到普遍的應(yīng)用。在電容式壓力傳感器中常使用變間隙式電容傳感器，通過檢測(cè)兩個(gè)物體之間的靜電容變化，測(cè)量出它們之間的距離變化，從而得到對(duì)應(yīng)的壓力值，可測(cè)量范圍為0.09898kPa，精度在0.2左右。 5）電容式壓力傳感器6）表面彈性波式壓力傳感器該傳感器利用頻率隨石英晶振應(yīng)力變化而變化這一特性進(jìn)行壓力測(cè)量，一般用于0.15MPa范圍內(nèi)表壓的測(cè)量。 6

54、）表面彈性波式壓力傳感器4.壓力傳感器的選擇壓力傳感器的種類繁多，其性能也有較大的差異，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的使用場(chǎng)合、條件和要求，選擇較為適用的傳感器，做到經(jīng)濟(jì)、合理。壓力傳感器的選擇應(yīng)考慮以下主要參數(shù)。（1）額定壓力范圍：是指滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍，也就是在最高和最低溫度之間，傳感器輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，傳感器所測(cè)壓力應(yīng)在該范圍之內(nèi)。4.壓力傳感器的選擇（2）最大壓力范圍：是指傳感器能長時(shí)間承受的最大壓力，且不引起輸出特性永久性改變。特別是半導(dǎo)體式壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍，因此，即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會(huì)被損壞。一般

55、最大壓力是額定壓力最高值的23倍。 （3）損壞壓力：是指能夠加在傳感器上且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。 （2）最大壓力范圍：是指傳感器能長時(shí)間承受的最大壓力，且（4）線性度：是指在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關(guān)系的最大偏離。（5）壓力延遲：是指在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時(shí)，傳感器輸出之差。（6）溫度范圍：分為補(bǔ)償溫度范圍和工作溫度范圍。補(bǔ)償溫度范圍是由于施加了溫度補(bǔ)償，精度進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍。 （4）線性度：是指在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間2.2.4物位傳感器1.

56、電容式物位傳感器電容式物位傳感器是利用被測(cè)介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容傳感器。其基本原理是：當(dāng)被測(cè)液面高度發(fā)生變化時(shí)，兩同軸電極間的介電常數(shù)將隨之發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。電容量C與物位的升降關(guān)系為 式中，為空氣的介電常數(shù)；0為物料的介電常數(shù)；H為液面深度；D為外電極內(nèi)徑，d為內(nèi)電極外徑。 2.2.4物位傳感器式中，為空氣的介電常數(shù)；0為物料的介電容式物位傳感器的可測(cè)量范圍在02.0m，測(cè)量精度為0.12。其應(yīng)用范圍包括：限位點(diǎn)設(shè)置的控制和報(bào)警，連續(xù)測(cè)量物位及儲(chǔ)量，用于各種同性質(zhì)的液體及固體散粒，用于易爆區(qū)及粉塵易爆區(qū)。 電容式物位傳感器的可測(cè)量范圍在02.0m，測(cè)量精度為

57、02.靜壓式物位傳感器靜壓式物位傳感器是利用壓力傳感器，配用陶瓷或薄膜傳感元件作為探頭，將容器或儲(chǔ)罐中的物位變化產(chǎn)生的壓力變化，經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，通過檢測(cè)電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，從而檢測(cè)出物位。靜壓式物位傳感器的探頭種類較多。如膜片型傳感器，它的結(jié)構(gòu)形式是在感壓膜上粘貼應(yīng)變片，由應(yīng)變片組成惠斯登電橋，將物位變化引起的壓力變化以應(yīng)變片電阻值變化的形式檢測(cè)出來。其檢測(cè)方法與應(yīng)變片式壓力傳感器的相同，此處不再闡述。 2.靜壓式物位傳感器靜壓式物位傳感器可用裝有液體、糊狀物以及漿料容器的物位及儲(chǔ)量測(cè)量，有多種封裝形式。不同的封裝形式有如下不同用途：（1）緊湊型用于標(biāo)準(zhǔn)用途，例如用于攪拌的容

58、器。（2）衛(wèi)生型用于液體食品。（3）法蘭型用于易爆區(qū)域。（4）繩索型用于水井，深度可達(dá)25m。（5）棒型用于從頂部安裝。 靜壓式物位傳感器可用裝有液體、糊狀物以及漿料容器的物位及3.超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是利用超聲波在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播的回聲測(cè)距原理檢測(cè)物位。所以超聲波物位傳感器有氣介式、液介式和固介式三類。按照探頭形式又分為單探頭形式（探頭既發(fā)射超聲波又接收超聲波）和雙探頭形式（發(fā)射和接收超聲波各由一個(gè)探頭承擔(dān)）。 3.超聲波物位傳感器利用超聲波物位傳感器測(cè)量物位有許多優(yōu)越性。超聲波物位傳感器可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所非接觸檢測(cè)物位；可以測(cè)量所有液體和固體的物位，它不僅可以定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)

59、量，而且能夠很方便地提供遙測(cè)或遙控所需要的信號(hào)；測(cè)量精度高，探頭（換能器）壽命長；傳感器與物料不直接接觸；安裝、維護(hù)方便，價(jià)格便宜。由于超聲波不受光線、料度的影響，其傳播速度并不直接與媒質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率有關(guān)，因而超聲波物位傳感器被廣泛應(yīng)用于測(cè)量腐蝕性和侵蝕性物粒及性質(zhì)易變的物位。 利用超聲波物位傳感器測(cè)量物位有許多優(yōu)越性。超聲波物位傳感超聲波物位傳感器測(cè)量物位也有其缺點(diǎn)，它不能測(cè)量有汽泡和有懸浮物的液位；當(dāng)被測(cè)量液面有很大波浪時(shí)，會(huì)引起聲波反射混亂，產(chǎn)生測(cè)量誤差。單探頭式不能檢測(cè)小于盲區(qū)的距離，雙探頭式雖然理論上無盲區(qū)，但由于電路耦合和探頭側(cè)向超聲輻射對(duì)接收器的作用，會(huì)使接收電路有

60、微弱輸出。超聲波物位傳感器的檢測(cè)范圍為102104m，精度為0.1。 超聲波物位傳感器測(cè)量物位也有其缺點(diǎn)，它不能測(cè)量有汽泡和有4.微波物位傳感器微波是波長為0.011m的電磁波。它能在各種障礙物上產(chǎn)生良好的反射；在傳播過程中定向輻射性好；待測(cè)介質(zhì)對(duì)微波的吸收量跟介質(zhì)的介電系數(shù)成正比例，水吸收微波最多；微波繞過障礙物的本領(lǐng)較??；微波在傳輸過程中受煙、火焰、灰塵和強(qiáng)光的影響較小。由于微波有以上特性，可用微波檢測(cè)物位。 4.微波物位傳感器微波物位傳感器有檢測(cè)范圍寬和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可用于測(cè)量有旋渦的液體（如在帶攪拌器的容器里）和有毒的、完全無菌的或特別腐蝕的介質(zhì)的物位。微波物位傳感器的缺點(diǎn)是精度不高