傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)

傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)第一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五第1章傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)1.1傳感器簡述

1.2測量誤差與準(zhǔn)確度

1.3彈性敏感元件第二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述1.1.1傳感器的組成與分類

1.傳感器的定義我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T7665—2005)中對傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。

傳感器的這一定義包含了以下幾方面的意義：

1)傳感器是測量裝置，能夠完成檢測任務(wù)。

2)它的輸入量是某一被測量，可以是物理量、化學(xué)量、生物量等。

3)它的輸出量是某一物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，它可以是氣、光、電量，但主要是電量。

4)輸出量與輸入量應(yīng)有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的準(zhǔn)確度。第三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述2.傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三部分組成，有時還需外加輔助電源提供轉(zhuǎn)換能量，其組成框圖如圖1-1所示。圖1-1傳感器的組成框圖(1)敏感元件它是直接感受被測量(如溫度、壓力等)，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件(如彈性敏感元件)。第四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述(2)轉(zhuǎn)換元件它是將敏感元件輸出的非電信號直接轉(zhuǎn)換為電信號，或直接將被測非電信號轉(zhuǎn)換為電信號(如應(yīng)變式壓力傳感器的電阻應(yīng)變片，它作為轉(zhuǎn)換元件將彈性敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為電阻)。

(3)轉(zhuǎn)換電路它能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、處理和傳輸?shù)挠杏眯盘枴?/p>

3.傳感器的分類傳感器技術(shù)是一門知識密集型技術(shù)。第五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述表1-1傳感器的分類第六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述表1-1傳感器的分類第七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述1.1.2傳感器的基本特性

傳感器是實(shí)現(xiàn)傳感功能的基本部件，傳感器的輸入?輸出關(guān)系特性是傳感器的基本特性。傳感器的各種性能指標(biāo)都是根據(jù)傳感器輸入與輸出對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行描述的。傳感器的輸入?輸出特性是其外部特性，但卻是由其內(nèi)部參數(shù)決定的，不同的傳感器的內(nèi)部參數(shù)決定了它具有不同的外部特性。

1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入量為不隨時間變化的恒定信號時的輸入-輸出特性關(guān)系。

(1)線性度檢測系統(tǒng)的線性度是指系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度。第八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述圖1-2各種直線的擬合方法

a)理論直線擬合b)過零旋轉(zhuǎn)擬合c)端點(diǎn)連線擬合d)端點(diǎn)平移擬合第九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述(2)靈敏度圖1-3傳感器的靈敏度

a)線性傳感器b)非線性傳感器第十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述(3)遲滯遲滯是指在滿量程范圍內(nèi)，傳感器在升行程(輸入量增大)和降行程(輸入量減小)測量過程中，輸入-輸出特性曲線不重合的程度，如圖1-4所示。圖1-4遲滯特性第十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述(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多次測試時，所得輸入-輸出特性曲線不一致性的程度，如圖1-5所示。圖1-5重復(fù)性第十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述(5)漂移漂移是指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化，它包括零點(diǎn)漂移和溫度漂移。

1)零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。

2)溫度漂移，簡稱溫漂。

(6)分辨率分辨率是指在規(guī)定測量范圍內(nèi)傳感器能檢測到的輸入量的最小變化量，表示檢測系統(tǒng)分辨輸入量微小變化的能力，用絕對值表示。

2.傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸入對輸出的相應(yīng)特性，即其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。第十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間變化的規(guī)律與輸入對時間變化的規(guī)律相同，即具有相同的時間函數(shù)。但在實(shí)際工作中，輸出信號與輸入信號具有不同的時間函數(shù)，這種輸入與輸出間的差異稱為動態(tài)誤差，動態(tài)誤差反映的是慣性延遲所引起的附加誤差。

(1)瞬態(tài)響應(yīng)法在研究傳感器的動態(tài)特性時，在時域中傳感器對所加激勵信號的響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。圖1-6階躍響應(yīng)特性第十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.1傳感器簡述1)超調(diào)量σ：傳感器輸出超出穩(wěn)定值而出現(xiàn)的最大偏差，常用相對于最終穩(wěn)定值的百分比來表示。

2)延滯時間td：階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50%所需要的時間。

3)上升時間tr：傳感器的輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。

4)峰值時間tp：傳感器從階躍輸入開始到輸出值達(dá)到第一個峰值所需的時間。

5)響應(yīng)時間ts：傳感器從階躍輸入開始到輸出值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需的時間。

(2)頻率響應(yīng)法頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。第十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度1.2.1測量誤差的基本概念

1.測量誤差的有關(guān)術(shù)語

(1)真值真值即真實(shí)值，是指在一定時間及空間條件下，被測物理量本身所具有的真實(shí)數(shù)值。

(2)標(biāo)稱值標(biāo)稱值是指測量儀器或測量器具上標(biāo)示的量值，如標(biāo)準(zhǔn)砝碼上標(biāo)出的1kg。

(3)測量誤差測量誤差是指用儀器測量出來的結(jié)果與被測量的真值之差，即測量誤差=測量結(jié)果－真值。

(4)測量準(zhǔn)確度測量準(zhǔn)確度即測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，反映測量結(jié)果與真值接近程度的量。

(5)等準(zhǔn)確度測量等準(zhǔn)確度測量是指在同一條件下所進(jìn)行的一系列重復(fù)測量。第十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度(6)非等準(zhǔn)確度測量非等準(zhǔn)確度測量是指在多次測量中，對測量結(jié)果準(zhǔn)確度有影響的一切條件不能維持完全不變的測量。

(7)測量不確定度測量不確定度是表征被測量的真值在某數(shù)值范圍內(nèi)不能肯定的程度，就是對測量誤差極限估計值的評價。

2.測量誤差的表示方法

(1)絕對誤差

(2)相對誤差

(3)引用誤差

例1-1一個電壓表的滿量程為100V，校準(zhǔn)該表時得到最大絕對誤差為0.15V，試確定該電壓表的準(zhǔn)確度等級。

解：由式(1-11)可知，該電壓表的最大引用誤差為第十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度例1-2現(xiàn)需選擇一臺測溫范圍為0~500℃的測溫儀表。根據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過±4℃，試問應(yīng)選哪一級準(zhǔn)確度等級的測溫儀表？

解：工藝允許的最大引用誤差為

1.2.2誤差的分類方法

在測量過程中，由于被測量千差萬別，產(chǎn)生誤差的原因也不相同，所以，誤差的種類也很多。若按照誤差產(chǎn)生的原因及其性質(zhì)來分，誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。

1.系統(tǒng)誤差在相同的測量條件下，對同一被測量進(jìn)行多次測量時，誤差的大小和符號保持不變或按照一定規(guī)律出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差(systemerror)。第十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度系統(tǒng)誤差可分為定值系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差。定值系統(tǒng)誤差是指數(shù)值和符號都保持不變的系統(tǒng)誤差。變值系統(tǒng)誤差是指數(shù)值和符號按照一定規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。變值系統(tǒng)誤差按照其變化規(guī)律的不同，又可分為線性系統(tǒng)誤差、周期性系統(tǒng)誤差和復(fù)雜規(guī)律系統(tǒng)誤差。

2.隨機(jī)誤差在相同的測量條件下，對同一被測量進(jìn)行多次測量時，其誤差的大小和符號以不可預(yù)知的方式變化著，把這種誤差稱為隨機(jī)誤差(randomerror)。第十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度隨機(jī)誤差按其概率分布的特點(diǎn)，可分為正態(tài)分布隨機(jī)誤差和非正態(tài)分布隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是獨(dú)立的、微小的、偶然的，因此，隨機(jī)誤差的大小表明測量結(jié)果的分散性。通常用精密度表示隨機(jī)誤差的大小。隨機(jī)誤差大，測量結(jié)果分散，精密度低；隨機(jī)誤差小，測量結(jié)果的重復(fù)性好，精密度高。

3.粗大誤差在相同的測量條件下，對同一被測量進(jìn)行多次測量時，顯著偏離測量結(jié)果的誤差，稱為粗大誤差(abnormalerror)。

1.2.3誤差的分析方法

1.系統(tǒng)誤差的分析系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是在一定條件下對同一被測量的多次測量中誤差保持恒定，而當(dāng)條件改變時誤差按一定規(guī)律變化。第二十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度(1)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的方法發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的根本方法應(yīng)從系統(tǒng)誤差來源上去研究，分析實(shí)驗(yàn)條件，注意每一個因素的影響。

1)實(shí)驗(yàn)對比法。

2)殘余誤差觀察法。

3)計算數(shù)據(jù)比較法。

(2)系統(tǒng)誤差的減小與消除分析和研究系統(tǒng)誤差的最終目的是減小和消除系統(tǒng)誤差，常用的方法有以下幾種。

1)從產(chǎn)生誤差的根源上消除系統(tǒng)誤差，如采用符合實(shí)際的理論公式,正確地安裝和調(diào)整儀器裝置,實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格保證儀器裝置的測量條件,防止外界的各種干擾等。

2)修正測量結(jié)果。

3)抵消系統(tǒng)誤差。第二十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度(3)系統(tǒng)誤差分析的特點(diǎn)系統(tǒng)誤差具有確定的規(guī)律性，發(fā)現(xiàn)了就能消除，針對性強(qiáng)。

2.隨機(jī)誤差的分析就某一次測量來說，隨機(jī)誤差的大小和方向是不可預(yù)知的，但對同一量進(jìn)行多次重復(fù)測量就會發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)誤差是按一定的統(tǒng)計規(guī)律分布的，可以利用這種規(guī)律對測量結(jié)果做出隨機(jī)誤差的估計。

(1)隨機(jī)誤差的概率無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和統(tǒng)計理論都證明，大部分測量中的隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。

1)單峰性。

2)有界性。

3)對稱性。

4)抵償性。第二十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度(2)隨機(jī)誤差的處理

3.粗大誤差的分析方法粗大誤差是由于測量者的粗心大意導(dǎo)致測量結(jié)果明顯偏離真值的誤差，含有粗大誤差的數(shù)據(jù)必須被剔除。

對于粗大誤差的判斷最常用的準(zhǔn)則為拉依達(dá)準(zhǔn)則——3σ準(zhǔn)則。

1.2.4有效數(shù)字與測量數(shù)據(jù)的處理

1.有效數(shù)字因?yàn)樵跍y量中不可避免地存在誤差，所以測量數(shù)據(jù)只能是一個近似數(shù)。

(1)數(shù)字的舍入規(guī)則當(dāng)需要n位有效數(shù)字時，對超過n位的數(shù)字要根據(jù)舍入規(guī)則進(jìn)行處理。

1)小于第n位單位數(shù)字的0.5就舍掉。

2)大于第n位單位數(shù)字的0.5，則第n位加1。第二十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度3)恰為第n位單位數(shù)字的0.5，則第n位為偶數(shù)或零時就舍去，為奇數(shù)時則進(jìn)1。

(2)參加中間運(yùn)算的有效數(shù)字的處理

1)加法運(yùn)算：運(yùn)算結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)應(yīng)與參與運(yùn)算的各數(shù)中小數(shù)點(diǎn)后面的有效位數(shù)相同。

2)乘除運(yùn)算：運(yùn)算結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)，應(yīng)與參與運(yùn)算的各數(shù)中有效位數(shù)最小的相同。

3)乘方及開方運(yùn)算：運(yùn)算結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)比原數(shù)據(jù)多保留一位。

4)對數(shù)運(yùn)算：取對數(shù)前后有效數(shù)字位數(shù)應(yīng)相同。

2.測量數(shù)據(jù)的處理常用的數(shù)據(jù)處理方法有列表法、圖示法、最小二乘法線性擬合。第二十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.2測量誤差與準(zhǔn)確度(1)列表法列表法是把被測量的數(shù)據(jù)列成表格，可以簡明地表示有關(guān)物理量之間的對應(yīng)關(guān)系，便于隨時檢查測量結(jié)果是否合理，及時發(fā)現(xiàn)和分析問題。

(2)圖示法圖示法是用圖形或曲線表示物理量之間的關(guān)系，它能更直觀地表示物理量之間的變化規(guī)律，如遞增或遞減。

(3)最小二乘法線性擬合圖示法雖然能很直觀方便地將測量中的各種物理量之間的關(guān)系、變化規(guī)律用圖像表示出來，但是，在圖像的繪制上往往會引起一些附加的誤差。第二十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件1.3.1彈性敏感元件的特性

物體因外力作用而改變原來的尺寸或形狀，稱為變形。如果外力去掉后物體能夠完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀，這種變形稱之為彈性形變。彈性敏感元件直接感受力、壓力、力矩等物理量，其輸出為彈性元件本身的變形（應(yīng)變、位移、轉(zhuǎn)角）。作用在彈性敏感元件上的外力與該外力引起的相應(yīng)的變形之間的關(guān)系稱之為彈性敏感元件的特性。彈性敏感元件是很多傳感器的核心部分，它能夠?qū)⒏鞣N形式的非電量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變或位移量，然后由傳感元件將這些量轉(zhuǎn)換成電量。

1.彈性敏感元件的特性

(1)剛度第二十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件(2)靈敏度靈敏度表示彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小。

(3)彈性滯后彈性滯后是指在彈性敏感元件彈性變形范圍內(nèi)，對彈性敏感元件進(jìn)行加、卸載的升、降行程測量中曲線不重合的現(xiàn)象。第二十七頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件圖1-7剛度特性第二十八頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件圖1-8彈性滯后現(xiàn)象(4)彈性后效當(dāng)彈性敏感元件上載荷從一個值變化到另一個值時第二十九頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件，相應(yīng)的變形不能立即完成，而要經(jīng)過一定的時間間隔逐漸完成，這種現(xiàn)象稱之為彈性后效。圖1-9彈性后效第三十頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件(5)溫度特性周圍環(huán)境溫度的變化會引起彈性敏感元件材料的彈性模量E的變化，變化的大小用溫度系數(shù)βt表示。

(6)固有頻率彈性敏感元件的動態(tài)特性和變換被測載荷時的滯后現(xiàn)象，都由彈性敏感元件的固有頻率所決定。

2.彈性敏感元件的材料彈性敏感元件直接參與傳感器中的變換和測量，因此對于材料的選用十分重要。

1)彈性極限和強(qiáng)度極限要高。

2)彈性模量的溫度系數(shù)要小且要穩(wěn)定。

3)彈性滯后和彈性后效要小。

4)線膨脹系數(shù)要小且要穩(wěn)定。

5)有良好的抗氧化性。

6)有良好的機(jī)械加工和熱處理性能。第三十一頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件7)在特殊條件下，要有良好的耐腐蝕性，并且具有良好的導(dǎo)電性或較高的絕緣性。表1-2常用彈性敏感元件的材料性能1.3.2彈性敏感元件的類型第三十二頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件傳感器中的彈性敏感元件的輸入量通常是力、力矩或流體的壓力，其輸出量為應(yīng)變或位移，即彈性敏感元件是將力或壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的器件。因此彈性敏感元件有兩種基本形式：一是將力或力矩轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的變換力的彈性敏感元件；二是將壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移的變換壓力的彈性敏感元件。

1.變換力的彈性敏感元件常用變換力的彈性敏感元件有實(shí)心圓柱或空心圓柱、等截面圓環(huán)、等截面懸臂梁、等強(qiáng)度懸臂梁和扭轉(zhuǎn)軸等，如圖1-10所示。圖1-10變換力的彈性敏感元件

a)實(shí)心軸b)空心軸c)、d)等截面圓環(huán)e)變形的圓環(huán)

f)等截面懸臂梁g)等強(qiáng)度懸臂梁h)雙孔梁i)扭轉(zhuǎn)軸第三十三頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件(1)圓柱式彈性敏感元件圓柱式彈性敏感元件的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可承受很大的載荷。

例1-3有一橫截面直徑為12mm的45鋼質(zhì)圓柱體，受到拉力F=2940N，分別求出圓柱體受拉后的徑向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。(μ=0.3)

解：查表1-2可知，45鋼的彈性模量E=2.00×105MPa=2.00×1011Pa

(2)環(huán)式彈性敏感元件環(huán)式彈性敏感元件一般分為等截面圓環(huán)和變截面圓環(huán)兩種，大多做成等截面圓環(huán)，如圖1-10c所示。

(3)懸臂梁懸臂梁是一端固定一端自由的彈性敏感元件，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。

1)等截面懸臂梁。

2)等強(qiáng)度懸臂梁。第三十四頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件2.變換壓力的彈性敏感元件常見的變換壓力的彈性敏感元件有彈簧管、波紋管、平膜片、波紋膜片、膜盒和薄壁圓筒等，如圖1-11所示。圖1-11變換壓力的彈性敏感元件

a)彈簧管b)波紋管c)平膜片d)膜盒e)薄壁圓筒f)薄壁半球第三十五頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件(1)彈簧管彈簧管又稱為波登管，它是一個彎成圓弧形的空心管，一端固定一端自由，大多數(shù)是C形彈簧管。

(2)波紋管波紋管是一種表面上有許多同心環(huán)狀波紋的薄壁圓管，如圖1-11b所示。

(3)平膜片圓形膜片分為平膜片和波紋膜片，用來測量介質(zhì)的壓力。

(4)波紋膜片波紋膜片是一種壓有環(huán)狀同心波紋的薄板。

(5)膜盒為了增加膜片中心的位移，即提高靈敏度，可把兩個波紋膜片焊在一起，制作成具有腔體的盒狀元件，如圖1-11d所示。

(6)薄壁圓筒薄壁圓筒彈性敏感元件一般用于較大壓力的測量，如圖1-11e所示。

1.簡述傳感器的組成及其各部分的基本功能。第三十六頁，共三十九頁，編輯于2023年，星期五1.3彈性敏感元件2.傳感器的靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)及其各自的意義是什么？

3.傳感器的動態(tài)特性常用什么方法進(jìn)行描述？

4.測量誤差按其性質(zhì)和特點(diǎn)可分為哪三類？各有何特點(diǎn)？

5.用測量范圍為100~500℃的溫度檢測儀表測量200℃時，儀表的顯示值為202.5℃，求儀表在該測量點(diǎn)處的絕對誤差、相對