第一章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)知識講義課件

傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)第一章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)知識1.1傳感器的組成和分類1.2傳感器的基本特征1.3檢測技術(shù)的基礎(chǔ)知識第一章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)知識1.1傳感器的組成和分類第一節(jié)傳感器的組成和分類第一節(jié)傳感器的組成和分類廣義：傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。一、傳感器的組成廣義：一、傳感器的組成根據(jù)中華人民共和國國家標準（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：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和裝置。包含的概念：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。根據(jù)中華人民共和國國家標準（GB7665-87）傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應(yīng)由三部分組成，即：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路。敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路被測量電量輸出傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號調(diào)敏感元件能夠靈敏地感受被測量并作出響應(yīng)的元件，如金屬或半導體應(yīng)變片，能感受壓力的大小而引起形變，形變程度就是對壓力大小的響應(yīng)。鉑電阻能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對溫度升降的響應(yīng)，所以鉑電阻就是一種溫度敏感元件，而金屬或半導體應(yīng)變片，就是一種壓力敏感元件。敏感元件轉(zhuǎn)換元件上面介紹的敏感元件，其中有許多可兼做轉(zhuǎn)換元件。轉(zhuǎn)換元件實際上就是將敏感元件感受的被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的元件。如果敏感元件本身就能直接將被測量變成電路參數(shù)，那么，該敏感元件就是具有了敏感和轉(zhuǎn)換兩個功能。如熱敏電阻，它不僅能直接感受溫度的變化，而且能將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，也就是將非電路參數(shù)（溫度）直接變成了電路參數(shù)（電阻）。轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。由于輸出信號比較微弱，需要通過信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路進行放大和運算調(diào)制，同時必須有輔助電源。轉(zhuǎn)換電路1．根據(jù)被測物理量分類速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。(適用于實際使用者)2．按工作原理分類應(yīng)變式、電壓式、電容式、渦流式、差動變壓器式等。（適用于初學者）3．按能量的傳遞方式分類有源和無源傳感器。二、傳感器的分類二、傳感器的分類第二節(jié)傳感器的基本特性第二節(jié)傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系。其輸入量與輸出量之間的關(guān)系式中不含有時間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標線性度、靈敏度、遲滯性和重復性等一、傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定1．線性度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?？煞譃榫€性特性和非線性特性。用一個多項式表示： 式中：a0——輸入量x為零時的輸出量；

a1，a2，…，an——非線性項系數(shù)。實際使用中，希望得到線性關(guān)系，如非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段，如圖1-2所示，使傳感器輸出—輸入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線。

1．線性度線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度圖1-2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

即使是同類傳感器擬合直線不同其線性度也是不同的圖1-2幾種直線擬合方法(a)理論擬合；(b)實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度），通常用相對誤差γL表示：

式中：ΔLmax——最大非線性絕對誤差；

YFS—滿量程輸出。

用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。相對偏差γL

實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線2．靈敏度

靈敏度S：傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量的輸入量增量Δx的比值，即：

線性傳感器靈敏度是它的靜態(tài)特性的斜率，即S為常數(shù)。非線性傳感器它的靈敏度S為一變量，用下式表示。

2．靈敏度靈敏度S：傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量傳感器的靈敏度如圖1-3所示。a）線形傳感器b）非線形傳感器傳感器的靈敏度如圖1-3所示。a）線形傳感器b）非線形傳感器3．遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。結(jié)論：對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因：傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機械零部件的缺陷所造成的。遲滯大小通常由實驗確定3．遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間其輸遲滯誤差γH

式中：ΔHmax—正反行程輸出值間的最大差值。遲滯誤差γH式中：ΔHmax—正反行程輸出值間的最大差值。4．重復性重復性：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

重復性誤差γR屬于隨機誤差，常用標準偏差表示，也可用正反行程中的最大偏差表示，即：4．重復性重復性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變二、傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性：其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。當被測量隨時間變化，是時間的函數(shù)時，則傳感器的輸出量也是時間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動特性來表示。除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。二、傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性：動態(tài)測溫問題實例把一支溫度計從溫度為t0℃環(huán)境中迅速插入一個溫度為t℃的恒溫水槽中（插入時間忽略不計），這時溫度計溫度從t0℃突然上升到t，而溫度計反映出來的溫度從t0℃變化到t℃需要經(jīng)歷一段時間，即有一段過渡過程。溫度計反映出來的溫度與介質(zhì)溫度的差值就稱為動態(tài)誤差。動態(tài)測溫問題實例把一支溫度計從溫度為t0℃環(huán)境中迅速插入一個造成溫度計輸出波形失真和產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因，是溫度計有熱慣性（由傳感器的比熱容和質(zhì)量大小決定）和傳熱熱阻，使得在動態(tài)測溫時傳感器輸出總是滯后于被測介質(zhì)的溫度變化。這種熱慣性是溫度計固有的，決定了溫度計測量快速溫度變化時會產(chǎn)生動態(tài)誤差。動態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說，我們在研究傳感器動特性時，通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)律來考察傳感器的響應(yīng)的。

下面分析以正弦信號和階躍信號作為標準輸入信號。對于正弦輸入信號，傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；對于階躍輸入信號，則稱為傳感器的階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)。造成溫度計輸出波形失真和產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因，是溫度計有熱慣性1．瞬態(tài)響應(yīng)特性傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時間響應(yīng)。在研究傳感器的動態(tài)特性時，有時需要從時域中對傳感器的響應(yīng)和過渡過程進行分析。這種分析方法是時域分析法，傳感器對所加激勵信號響應(yīng)稱瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵信號有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)等。傳感器的動態(tài)性能指標有以下幾個方面：（1）一階傳感器的單位階躍響應(yīng)一階傳感器單位階躍響應(yīng)的通式：x(t)、y(t)分別為傳感器的輸入量和輸出量。它們都是時間的函數(shù)，表征傳感器的時間常數(shù)，具有時間“秒”的量綱。1．瞬態(tài)響應(yīng)特性傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時間響應(yīng)。在研究傳感器的動一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號為：相應(yīng)的響應(yīng)曲線：傳感器存在慣性，它的輸出不能立即復現(xiàn)輸入信號，而是從零開始，按指數(shù)規(guī)律上升，最終達到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于無窮大時才達到穩(wěn)態(tài)值，但實際上當t=4τ時其輸出達到穩(wěn)態(tài)值的98.2%，可以認為已達到穩(wěn)態(tài)。τ越小，響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線，因此，τ值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號為：相應(yīng)的響應(yīng)曲線：傳感器存在（2）二階傳感器的單位階躍響應(yīng)

固有頻率ωn由傳感器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。

ωn越高，傳感器的響應(yīng)越快。當ωn為常數(shù)時，傳感器的響應(yīng)取決于阻尼比ξ。阻尼比ξ直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)。二階傳感器的單位階躍響應(yīng)的通式為：

ωn——傳感器的固有頻ξ——傳感器的阻尼ξ=0，為臨界阻尼，超調(diào)量為100%，產(chǎn)生等幅振蕩，達不到穩(wěn)態(tài)。ξ>1，為過阻尼，無超調(diào)也無振蕩，但達到穩(wěn)態(tài)所需時間較長。ξ<1，為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨ξ的減小而加長。ξ=1時響應(yīng)時間最短。但實際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整，ξ取0.7～0.8為最好。（2）二階傳感器的單位階躍響應(yīng)（3）瞬態(tài)響應(yīng)特性指標①時間常數(shù)τ：一階傳感器時間常數(shù)τ越小，響應(yīng)速度越快。②延時時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的50%所需時間。③上升時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的90%所需時間。④超調(diào)量：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。（3）瞬態(tài)響應(yīng)特性指標①時間常數(shù)τ：2．頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)特性指標包括：頻帶：傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍為傳感器頻帶或通頻帶，對應(yīng)有上、下截止頻率。時間常數(shù)：用時間常數(shù)τ來表征一階傳感器的動態(tài)特性。τ越小，頻帶越寬。固有頻率：二階傳感器的固有頻率ωn表征了其動態(tài)特性。2．頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)傳感器的選用原則與測量條件有關(guān)的因素

(1)測量的目的

(2)被測試量的選擇

(3)測量范圍

(4)輸入信號的幅值，頻帶寬度

(5)精度要求

(6)測量所需要的時間傳感器的選用原則與測量條件有關(guān)的因素與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標(1)精度

(2)穩(wěn)定度

(3)響應(yīng)特性

(4)模擬量與數(shù)字量

(5)輸出幅值(6)對被測物體產(chǎn)生的負載效應(yīng)

(7)校正周期

(8)超標準過大的輸入信號保護與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標(1)精度(6)對被測物體產(chǎn)生的負載與使用環(huán)境條件有關(guān)(1)安裝現(xiàn)場條件及情況(2)環(huán)境條件(3)信號傳輸距離(4)所需現(xiàn)場提供的功率容量與購買和維修有關(guān)

(1)價格

(2)零配件的儲備

(3)服務(wù)與維修制度，保修時間

(4)交貨日期。與使用環(huán)境條件有關(guān)與購買和維修有關(guān)第三節(jié)檢測技術(shù)的基本知識第三節(jié)檢測技術(shù)的基本知識1.3.1測量概論在工程實踐和科學實驗中，要對信息資源進行開發(fā)、獲取、傳輸和處理。檢測任務(wù)：正確及時地掌握各種信息，即要獲取被測對象信息的大小。信息采集：測量和取得測量數(shù)據(jù)。1.3.1測量概論

測量是指人們用實驗的方法，借助于一定的儀器或設(shè)備，將被測量與同性質(zhì)的單位標準量進行比較，并確定被測量對標準量的倍數(shù)，從而獲得關(guān)于被測量的定量信息。或x——被測量值；u——標準量，即測量單位；n——比值，含有測量誤差。測量測量測量過程傳感器從被測對象獲取被測量的信息，建立起測量信號，經(jīng)過變換、傳輸、處理，從而獲得被測量量值的過程。包含比較、示差、平衡和讀數(shù)等四個步驟。測量過程傳感器從被測對象獲取被測量的信息，建立起測量信號，經(jīng)例如：用鋼卷尺測量桿件長度時，首先將卷尺拉出與桿件緊靠在一起，進行“比較”；找出卷尺與桿件的長度差別，即“示差”；調(diào)整卷尺長度使二者長度相等，達到“平衡”；從卷尺刻度上讀出桿件的長度，即“讀數(shù)”。例如：測量結(jié)果由測量所獲得的被測量的量值。包括：估計值、測量單位、測量不確定度；表示方法：數(shù)值、曲線或圖形；注意：測量結(jié)果中必須注明單位。測量結(jié)果由測量所獲得的被測量的量值。1.3.2測量方法實現(xiàn)被測量與標準量比較得出比值的方法。根據(jù)獲得測量值的方法：直接測量、間接測量、組合測量；根據(jù)測量方式：偏差式測量、零位式測量、微差式測量；根據(jù)測量條件：等精度測量、不等精度測量；根據(jù)被測量變換快慢：靜態(tài)測量、動態(tài)測量；1.3.2測量方法實現(xiàn)被測量與標準量比較得出比值的方法。1.直接測量、間接測量與組合測量直接測量：測得值直接與標準量進行比較，不需要經(jīng)過任何運算，直接得到被測量的數(shù)值。

y＝x間接測量：將與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個量直接測量后代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過計算得到所需要的結(jié)果。

y＝f(x)組合測量：被測量必須經(jīng)過求解其與測得值之間的函數(shù)關(guān)系方程式組得到。1.直接測量、間接測量與組合測量直接測量：測得值直接與標準量2.偏差式測量、零位式測量與微差式測量偏差式測量：用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的量值；零位式測量：用零位反映測量系統(tǒng)的平衡，在測量系統(tǒng)平衡時，用已知的標準量決定被測量的量值；微差式測量：綜合上述兩種方法優(yōu)點，先將被測量與已知的標準量相比較，取得差值后再用偏差法測得差值。2.偏差式測量、零位式測量與微差式測量偏差式測量：用儀表指針3.等精度測量與不等精度測量等精度測量：測量的過程中，認為當會影響和決定誤差大小的全部因素始終保持不變時，重復測量被測量；不等精度測量：測量過程中，改變了測量同一被測量時的條件。4.靜態(tài)測量與動態(tài)測量3.等精度測量與不等精度測量等精度測量：測量的過程中，認為當1.3.3測量系統(tǒng)檢測技術(shù)是研究自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換及信息處理的理論和技術(shù)，是自動化技術(shù)四個支柱之一。從信息科學角度考察，檢測技術(shù)任務(wù)：尋找與自然信息具有對應(yīng)關(guān)系的種種表現(xiàn)形式的信號，以及確定二者間的定性/定量關(guān)系；從反映某一信息的多種信號表現(xiàn)中挑選出在所處條件下最為合適的表現(xiàn)形式，以及尋求最佳的采集、變換、處理、傳輸、存儲、顯示等的方法和相應(yīng)的設(shè)備。1.3.3測量系統(tǒng)檢測技術(shù)是研究自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、檢測技術(shù)：按照被測量的特點，選用合適的檢測裝置與實驗方法，通過測量和數(shù)據(jù)處理及誤差分析，準確得到被測量的數(shù)值，并為進一步提高測量精度，改進實驗方法及測量裝置性能提供可靠的依據(jù)。檢測技術(shù)：按照被測量的特點，選用合適的檢測裝置與實驗方法，通一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等功能。當然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。

被測對象傳感器變送器傳輸通道信號處理環(huán)節(jié)顯示裝置被測量一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記檢測系統(tǒng)各部分的特點1.為便于有效測量，需要給被測對象施加激勵信號，這樣可使被測對象處于預定狀態(tài)，并將其有關(guān)方向的內(nèi)在聯(lián)系充分顯示出來。2.傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電學量的裝置，它是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(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)各部分的特點3.變送器的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸和處理的電壓或電流信號。通常需要將傳感器輸出的微弱信號加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。4.信號處理環(huán)節(jié)一般有兩個作用，一是信號轉(zhuǎn)換和放大，二是信號處理，即濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減運算、數(shù)字化處理等。3.變送器的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸和處理的電5.顯示裝置是將被測量信息變成人的感官能接受的形式，其是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，使人們了解檢測數(shù)值的大小或變化的過程。目前常用的有模擬顯示、數(shù)字顯示和圖像顯示三種。為保證測量結(jié)果的準確性、穩(wěn)定性，上述環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間應(yīng)保持一一對應(yīng)和盡量不失真關(guān)系。5.顯示裝置是將被測量信息變成人的感官能接受的形式，其是檢測開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)1.開環(huán)測量系統(tǒng)全部信息變換沿一個方向進行，由于系統(tǒng)是由多個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的，故系統(tǒng)的相對誤差等于各環(huán)節(jié)相對誤差的和。被測對象傳感、變送k1放大k2顯示k3xx1x2y開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)1.開環(huán)測量系統(tǒng)全部信息變換沿一個2.閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道：正向和反饋。被測對象傳感、變送k1放大k2輸出、顯示k3xx1x2y反饋β△xxf＋－2.閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道：正向和反饋。被測對象傳感、變送放1.3.4測量誤差由于測量手段，外界因素等干擾，造成檢測結(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。測量誤差是測得值減去被測量的真值。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。真值是未知的，常用或者理論真值，精度高的儀器的量值來代替真值相對真值。1.3.4測量誤差由于測量手段，外界因素等干擾，造成檢測結(jié)1.絕對誤差絕對誤差是示值（或稱測量值）與被測量真值之間的差值。設(shè)被測量的真值為L，測量值為x，則絕對誤差為由于一般無法求得真值L，在實際應(yīng)用時常用精度高級的儀器的示值，約定為實際值x’代替真值L。x與x’之差稱為測量器具的示值誤差，記為通常以此值來代表絕對誤差。1.絕對誤差

修正值為了消除系統(tǒng)誤差用代數(shù)法加到測量結(jié)果上的值稱為修正值，常用C表示。將測得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即在實際工作中，用實際值x’近似真值L修正值與誤差值大小相等、符號相反。修正值2.相對誤差由于絕對誤差不能確切地反映出測量的準確度，所以引出相對誤差的概念。相對誤差是絕對誤差與真值（或?qū)嶋H值）之比。相對誤差有以下表現(xiàn)形式：①實際相對誤差②示值相對誤差（標稱相對誤差）2.相對誤差③滿度相對誤差(引用誤差)測量下限不為零的儀表，滿量程Am=Amax－Amin④準確度準確度是最大滿度誤差，即：

準確度習慣上稱為精度，儀表的精度有7個等級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0，可從儀表面板標志上判斷儀表的等級。等級越大，精度越高，儀表越貴。③滿度相對誤差(引用誤差)準確度習慣上稱為例：有一臺測量儀表，測量范圍為-200~800度，準確度為0.5級，現(xiàn)用它測量500度的溫度，求儀表引起的最大絕對誤差和示值相對誤差。解：

示值相對誤差：最大絕對誤差：例：有一臺測量儀表，測量范圍為-200~800度，準確度為0例：已知待測拉力為70N?，F(xiàn)有兩只測力計，一只為0.5級，測量范圍為0~500N；另一只為1.0級，測量范圍為0~100N。問選用哪一只測力計較好，為什么？解：選擇正確的儀表，要求示值相對誤差要小。1.0級儀表測量時，最大示值相對誤差：0.5級儀表測量時，最大示值相對誤差：例：已知待測拉力為70N。現(xiàn)有兩只測力計，一只為0.5級，測如果按使用條件來劃分，可將誤差分為基本誤差和附加誤差。1.基本誤差測量儀表在額定條件下工作所具有的誤差即為基本誤差。2.附加誤差當使用條件偏離標準條件時，傳感器和儀表就會在基本誤差的基礎(chǔ)上增加新的系統(tǒng)誤差，稱為附加誤差。如果按使用條件來劃分，可將誤差分為基本誤差和附加誤差。

根據(jù)誤差出現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生的原因可將誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。1.系統(tǒng)誤差在相同條件下，多次測量同一量時，誤差的絕對值和符號保持恒定，或在條件改變時，按一定規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差。在重復性條件下對同一被測量進行無限多次測量所得的結(jié)果的平均值與被測量的真值之差。根據(jù)誤差出現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生的原因可將誤差分2.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定的方式變化著的誤差稱為隨機誤差。表示為將測量結(jié)果與在重復性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差。3.粗大誤差超出在規(guī)定條件下預期的誤差稱為粗大誤差。粗大誤差是一種明顯與實際值不符的誤差。2.隨機誤差作業(yè)與思考題1.某線性位移測量儀，當被測位移由4.5mm變到5.0mm時，位移測量儀的輸出電壓由3.5V減至2.5V，求該儀器的靈敏度。2.某測溫系統(tǒng)由以下四個環(huán)節(jié)組成，各自的靈敏度如下：鉑電阻溫度傳感器：0.35Ω/℃；電橋：0.01V/Ω；放大器：100（放大倍數(shù)）；筆式記錄儀：0.1cm/V

求：（1）測溫系統(tǒng)的總靈敏度；（2）紀錄儀筆尖位移4cm時。所對應(yīng)的溫度變化值。3.有三臺測溫儀表，量程均為0_600℃，精度等級分別為2.5級、2.0級和1.5級，現(xiàn)要測量500℃的溫度，要求相對誤差不超過2.5%，選哪臺儀表合理？作業(yè)與思考題1.某線性位移測量儀，當被測位移由4.5mm傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)第一章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)知識1.1傳感器的組成和分類1.2傳感器的基本特征1.3檢測技術(shù)的基礎(chǔ)知識第一章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)知識1.1傳感器的組成和分類第一節(jié)傳感器的組成和分類第一節(jié)傳感器的組成和分類廣義：傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出的器件。一、傳感器的組成廣義：一、傳感器的組成根據(jù)中華人民共和國國家標準（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：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和裝置。包含的概念：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。根據(jù)中華人民共和國國家標準（GB7665-87）傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應(yīng)由三部分組成，即：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路。敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路被測量電量輸出傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號調(diào)敏感元件能夠靈敏地感受被測量并作出響應(yīng)的元件，如金屬或半導體應(yīng)變片，能感受壓力的大小而引起形變，形變程度就是對壓力大小的響應(yīng)。鉑電阻能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對溫度升降的響應(yīng)，所以鉑電阻就是一種溫度敏感元件，而金屬或半導體應(yīng)變片，就是一種壓力敏感元件。敏感元件轉(zhuǎn)換元件上面介紹的敏感元件，其中有許多可兼做轉(zhuǎn)換元件。轉(zhuǎn)換元件實際上就是將敏感元件感受的被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的元件。如果敏感元件本身就能直接將被測量變成電路參數(shù)，那么，該敏感元件就是具有了敏感和轉(zhuǎn)換兩個功能。如熱敏電阻，它不僅能直接感受溫度的變化，而且能將溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，也就是將非電路參數(shù)（溫度）直接變成了電路參數(shù)（電阻）。轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換元件輸出的電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。由于輸出信號比較微弱，需要通過信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路進行放大和運算調(diào)制，同時必須有輔助電源。轉(zhuǎn)換電路1．根據(jù)被測物理量分類速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。(適用于實際使用者)2．按工作原理分類應(yīng)變式、電壓式、電容式、渦流式、差動變壓器式等。（適用于初學者）3．按能量的傳遞方式分類有源和無源傳感器。二、傳感器的分類二、傳感器的分類第二節(jié)傳感器的基本特性第二節(jié)傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系。其輸入量與輸出量之間的關(guān)系式中不含有時間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標線性度、靈敏度、遲滯性和重復性等一、傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定1．線性度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?？煞譃榫€性特性和非線性特性。用一個多項式表示： 式中：a0——輸入量x為零時的輸出量；

a1，a2，…，an——非線性項系數(shù)。實際使用中，希望得到線性關(guān)系，如非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段，如圖1-2所示，使傳感器輸出—輸入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線。

1．線性度線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度圖1-2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

即使是同類傳感器擬合直線不同其線性度也是不同的圖1-2幾種直線擬合方法(a)理論擬合；(b)實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度），通常用相對誤差γL表示：

式中：ΔLmax——最大非線性絕對誤差；

YFS—滿量程輸出。

用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。相對偏差γL

實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線2．靈敏度

靈敏度S：傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量的輸入量增量Δx的比值，即：

線性傳感器靈敏度是它的靜態(tài)特性的斜率，即S為常數(shù)。非線性傳感器它的靈敏度S為一變量，用下式表示。

2．靈敏度靈敏度S：傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量傳感器的靈敏度如圖1-3所示。a）線形傳感器b）非線形傳感器傳感器的靈敏度如圖1-3所示。a）線形傳感器b）非線形傳感器3．遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。結(jié)論：對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因：傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機械零部件的缺陷所造成的。遲滯大小通常由實驗確定3．遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸遲滯誤差γH

式中：ΔHmax—正反行程輸出值間的最大差值。遲滯誤差γH式中：ΔHmax—正反行程輸出值間的最大差值。4．重復性重復性：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

重復性誤差γR屬于隨機誤差，常用標準偏差表示，也可用正反行程中的最大偏差表示，即：4．重復性重復性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變二、傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性：其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。當被測量隨時間變化，是時間的函數(shù)時，則傳感器的輸出量也是時間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動特性來表示。除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。二、傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性：動態(tài)測溫問題實例把一支溫度計從溫度為t0℃環(huán)境中迅速插入一個溫度為t℃的恒溫水槽中（插入時間忽略不計），這時溫度計溫度從t0℃突然上升到t，而溫度計反映出來的溫度從t0℃變化到t℃需要經(jīng)歷一段時間，即有一段過渡過程。溫度計反映出來的溫度與介質(zhì)溫度的差值就稱為動態(tài)誤差。動態(tài)測溫問題實例把一支溫度計從溫度為t0℃環(huán)境中迅速插入一個造成溫度計輸出波形失真和產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因，是溫度計有熱慣性（由傳感器的比熱容和質(zhì)量大小決定）和傳熱熱阻，使得在動態(tài)測溫時傳感器輸出總是滯后于被測介質(zhì)的溫度變化。這種熱慣性是溫度計固有的，決定了溫度計測量快速溫度變化時會產(chǎn)生動態(tài)誤差。動態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說，我們在研究傳感器動特性時，通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)律來考察傳感器的響應(yīng)的。

下面分析以正弦信號和階躍信號作為標準輸入信號。對于正弦輸入信號，傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；對于階躍輸入信號，則稱為傳感器的階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)。造成溫度計輸出波形失真和產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因，是溫度計有熱慣性1．瞬態(tài)響應(yīng)特性傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時間響應(yīng)。在研究傳感器的動態(tài)特性時，有時需要從時域中對傳感器的響應(yīng)和過渡過程進行分析。這種分析方法是時域分析法，傳感器對所加激勵信號響應(yīng)稱瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵信號有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)等。傳感器的動態(tài)性能指標有以下幾個方面：（1）一階傳感器的單位階躍響應(yīng)一階傳感器單位階躍響應(yīng)的通式：x(t)、y(t)分別為傳感器的輸入量和輸出量。它們都是時間的函數(shù)，表征傳感器的時間常數(shù)，具有時間“秒”的量綱。1．瞬態(tài)響應(yīng)特性傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是時間響應(yīng)。在研究傳感器的動一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號為：相應(yīng)的響應(yīng)曲線：傳感器存在慣性，它的輸出不能立即復現(xiàn)輸入信號，而是從零開始，按指數(shù)規(guī)律上升，最終達到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應(yīng)只在t趨于無窮大時才達到穩(wěn)態(tài)值，但實際上當t=4τ時其輸出達到穩(wěn)態(tài)值的98.2%，可以認為已達到穩(wěn)態(tài)。τ越小，響應(yīng)曲線越接近于輸入階躍曲線，因此，τ值是一階傳感器重要的性能參數(shù)。一階傳感器的單位階躍響應(yīng)信號為：相應(yīng)的響應(yīng)曲線：傳感器存在（2）二階傳感器的單位階躍響應(yīng)

固有頻率ωn由傳感器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。

ωn越高，傳感器的響應(yīng)越快。當ωn為常數(shù)時，傳感器的響應(yīng)取決于阻尼比ξ。阻尼比ξ直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)。二階傳感器的單位階躍響應(yīng)的通式為：

ωn——傳感器的固有頻ξ——傳感器的阻尼ξ=0，為臨界阻尼，超調(diào)量為100%，產(chǎn)生等幅振蕩，達不到穩(wěn)態(tài)。ξ>1，為過阻尼，無超調(diào)也無振蕩，但達到穩(wěn)態(tài)所需時間較長。ξ<1，為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨ξ的減小而加長。ξ=1時響應(yīng)時間最短。但實際使用中常按稍欠阻尼調(diào)整，ξ取0.7～0.8為最好。（2）二階傳感器的單位階躍響應(yīng)（3）瞬態(tài)響應(yīng)特性指標①時間常數(shù)τ：一階傳感器時間常數(shù)τ越小，響應(yīng)速度越快。②延時時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的50%所需時間。③上升時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的90%所需時間。④超調(diào)量：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。（3）瞬態(tài)響應(yīng)特性指標①時間常數(shù)τ：2．頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)特性指標包括：頻帶：傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍為傳感器頻帶或通頻帶，對應(yīng)有上、下截止頻率。時間常數(shù)：用時間常數(shù)τ來表征一階傳感器的動態(tài)特性。τ越小，頻帶越寬。固有頻率：二階傳感器的固有頻率ωn表征了其動態(tài)特性。2．頻率響應(yīng)特性傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)傳感器的選用原則與測量條件有關(guān)的因素

(1)測量的目的

(2)被測試量的選擇

(3)測量范圍

(4)輸入信號的幅值，頻帶寬度

(5)精度要求

(6)測量所需要的時間傳感器的選用原則與測量條件有關(guān)的因素與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標(1)精度

(2)穩(wěn)定度

(3)響應(yīng)特性

(4)模擬量與數(shù)字量

(5)輸出幅值(6)對被測物體產(chǎn)生的負載效應(yīng)

(7)校正周期

(8)超標準過大的輸入信號保護與傳感器有關(guān)的技術(shù)指標(1)精度(6)對被測物體產(chǎn)生的負載與使用環(huán)境條件有關(guān)(1)安裝現(xiàn)場條件及情況(2)環(huán)境條件(3)信號傳輸距離(4)所需現(xiàn)場提供的功率容量與購買和維修有關(guān)

(1)價格

(2)零配件的儲備

(3)服務(wù)與維修制度，保修時間

(4)交貨日期。與使用環(huán)境條件有關(guān)與購買和維修有關(guān)第三節(jié)檢測技術(shù)的基本知識第三節(jié)檢測技術(shù)的基本知識1.3.1測量概論在工程實踐和科學實驗中，要對信息資源進行開發(fā)、獲取、傳輸和處理。檢測任務(wù)：正確及時地掌握各種信息，即要獲取被測對象信息的大小。信息采集：測量和取得測量數(shù)據(jù)。1.3.1測量概論

測量是指人們用實驗的方法，借助于一定的儀器或設(shè)備，將被測量與同性質(zhì)的單位標準量進行比較，并確定被測量對標準量的倍數(shù)，從而獲得關(guān)于被測量的定量信息?；騲——被測量值；u——標準量，即測量單位；n——比值，含有測量誤差。測量測量測量過程傳感器從被測對象獲取被測量的信息，建立起測量信號，經(jīng)過變換、傳輸、處理，從而獲得被測量量值的過程。包含比較、示差、平衡和讀數(shù)等四個步驟。測量過程傳感器從被測對象獲取被測量的信息，建立起測量信號，經(jīng)例如：用鋼卷尺測量桿件長度時，首先將卷尺拉出與桿件緊靠在一起，進行“比較”；找出卷尺與桿件的長度差別，即“示差”；調(diào)整卷尺長度使二者長度相等，達到“平衡”；從卷尺刻度上讀出桿件的長度，即“讀數(shù)”。例如：測量結(jié)果由測量所獲得的被測量的量值。包括：估計值、測量單位、測量不確定度；表示方法：數(shù)值、曲線或圖形；注意：測量結(jié)果中必須注明單位。測量結(jié)果由測量所獲得的被測量的量值。1.3.2測量方法實現(xiàn)被測量與標準量比較得出比值的方法。根據(jù)獲得測量值的方法：直接測量、間接測量、組合測量；根據(jù)測量方式：偏差式測量、零位式測量、微差式測量；根據(jù)測量條件：等精度測量、不等精度測量；根據(jù)被測量變換快慢：靜態(tài)測量、動態(tài)測量；1.3.2測量方法實現(xiàn)被測量與標準量比較得出比值的方法。1.直接測量、間接測量與組合測量直接測量：測得值直接與標準量進行比較，不需要經(jīng)過任何運算，直接得到被測量的數(shù)值。

y＝x間接測量：將與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個量直接測量后代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過計算得到所需要的結(jié)果。

y＝f(x)組合測量：被測量必須經(jīng)過求解其與測得值之間的函數(shù)關(guān)系方程式組得到。1.直接測量、間接測量與組合測量直接測量：測得值直接與標準量2.偏差式測量、零位式測量與微差式測量偏差式測量：用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的量值；零位式測量：用零位反映測量系統(tǒng)的平衡，在測量系統(tǒng)平衡時，用已知的標準量決定被測量的量值；微差式測量：綜合上述兩種方法優(yōu)點，先將被測量與已知的標準量相比較，取得差值后再用偏差法測得差值。2.偏差式測量、零位式測量與微差式測量偏差式測量：用儀表指針3.等精度測量與不等精度測量等精度測量：測量的過程中，認為當會影響和決定誤差大小的全部因素始終保持不變時，重復測量被測量；不等精度測量：測量過程中，改變了測量同一被測量時的條件。4.靜態(tài)測量與動態(tài)測量3.等精度測量與不等精度測量等精度測量：測量的過程中，認為當1.3.3測量系統(tǒng)檢測技術(shù)是研究自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換及信息處理的理論和技術(shù)，是自動化技術(shù)四個支柱之一。從信息科學角度考察，檢測技術(shù)任務(wù)：尋找與自然信息具有對應(yīng)關(guān)系的種種表現(xiàn)形式的信號，以及確定二者間的定性/定量關(guān)系；從反映某一信息的多種信號表現(xiàn)中挑選出在所處條件下最為合適的表現(xiàn)形式，以及尋求最佳的采集、變換、處理、傳輸、存儲、顯示等的方法和相應(yīng)的設(shè)備。1.3.3測量系統(tǒng)檢測技術(shù)是研究自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、檢測技術(shù)：按照被測量的特點，選用合適的檢測裝置與實驗方法，通過測量和數(shù)據(jù)處理及誤差分析，準確得到被測量的數(shù)值，并為進一步提高測量精度，改進實驗方法及測量裝置性能提供可靠的依據(jù)。檢測技術(shù)：按照被測量的特點，選用合適的檢測裝置與實驗方法，通一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等功能。當然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。

被測對象傳感器變送器傳輸通道信號處理環(huán)節(jié)顯示裝置被測量一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記檢測系統(tǒng)各部分的特點1.為便于有效測量，需要給被測對象施加激勵信號，這樣可使被測對象處于預定狀態(tài)，并將其有關(guān)方向的內(nèi)在聯(lián)系充分顯示出來。2.傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成電學量的裝置，它是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(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)各部分的特點3.變送器的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸和處理的電壓或電流信號。通常需要將傳感器輸出的微弱信號加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。4.信號處理環(huán)節(jié)一般有兩個作用，一是信號轉(zhuǎn)換和放大，二是信號處理，即濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減運算、數(shù)字化處理等。3.變送器的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于傳輸和處理的電5.顯示裝置是將被測量信息變成人的感官能接受的形式，其是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，使人們了解檢測數(shù)值的大小或變化的過程。目前常用的有模擬顯示、數(shù)字顯示和圖像顯示三種。為保證測量結(jié)果的準確性、穩(wěn)定性，上述環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間應(yīng)保持一一對應(yīng)和盡量不失真關(guān)系。5.顯示裝置是將被測量信息變成人的感官能接受的形式，其是檢測開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)1.開環(huán)測量系統(tǒng)全部信息變換沿一個方向進行，由于系統(tǒng)是由多個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的，故系統(tǒng)的相對誤差等于各環(huán)節(jié)相對誤差的和。被測對象傳感、變送k1放大k2顯示k3xx1x2y開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)1.開環(huán)測量系統(tǒng)全部信息變換沿一個2.閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道：正向和反饋。被測對象傳感、變送k1放大k2輸出、顯示k3xx1x2y反饋β△xxf＋－2.閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道：正向和反饋。被測對象傳感、變送放1.3.4測量誤差由于測量手段，外界因素等干擾，造成檢測結(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。測量誤差是測得值減