傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)（第二版）傳感器與檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

傳感器與檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：1.1傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)1.2檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)1.3檢測(cè)系統(tǒng)中的彈性敏感元件1.4傳感器的標(biāo)定與選擇1.1傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1.1傳感器的組成與分類傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成有用輸出電信號(hào)的器件或裝置。敏感元件

轉(zhuǎn)換元件

信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路

被測(cè)量非電量電參量電量傳感器組成框圖敏感元件：直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的部分。信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路：對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。敏感元件

轉(zhuǎn)換元件

信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路

被測(cè)量非電量電參量電量膜盒電位器式壓力傳感器被測(cè)壓力P電橋敏感元件電壓或電流轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路

目前一般采用兩種分類方法。一是按傳感器的工作原理進(jìn)行分類，如應(yīng)變式、電容式、壓變式、磁電式等；二是按被測(cè)參數(shù)分類，如溫度、壓力、位移、速度等被測(cè)量。1.1.2傳感器的基本特性

在生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸出-輸入特性。1.傳感器的靜態(tài)特性指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。傳感器的輸出與輸入關(guān)系：（1）線性度——被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出-輸入關(guān)系。如果傳感器非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小，則可用一條直線（切線或割線）近似地代表實(shí)際曲線的一段，使傳感器的輸出-輸入特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。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)平移擬合理論擬合：擬合直線為傳感器的理論特性，與實(shí)際測(cè)試值無(wú)關(guān)。端點(diǎn)連線擬合：把輸出曲線兩端點(diǎn)的連線作為擬合直線。

線性度概念動(dòng)畫演示線性度表達(dá)式為哪一種直線擬合方法？端點(diǎn)連線擬合（2）靈敏度

指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化量與輸入變化量的比值。線性傳感器的靈敏度S是個(gè)常數(shù)（3）遲滯現(xiàn)象

傳感器在正行程（輸入量增大）和反行程（輸入量減?。┢陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯現(xiàn)象。遲滯誤差：

產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的主要原因：傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷（彈性滯后、摩擦、間隙及松動(dòng)等）。（4）重復(fù)性

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。

重復(fù)性誤差：

2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性階躍響應(yīng)法：

給傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)：

——在測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)傳感器的輸出反映被測(cè)量的大小和隨時(shí)間變化的能力其輸出特性稱為階躍響應(yīng)特性。

(a)一階系統(tǒng)(b)二階系統(tǒng)傳感器階躍響應(yīng)特性1.2檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

1.2.1檢測(cè)系統(tǒng)的組成與功能現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖被測(cè)量傳感器信號(hào)處理模擬信號(hào)處理模數(shù)轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)顯示記錄

數(shù)模轉(zhuǎn)換

數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)顯示記錄1.2.2測(cè)量的方法

實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較，并得出比值的方法，稱為測(cè)量方法。1.根據(jù)測(cè)量過(guò)程的特點(diǎn)分

直接測(cè)量間接測(cè)量組合測(cè)量2.根據(jù)測(cè)量的精度因素分

等精度測(cè)量非等精度測(cè)量3.根據(jù)測(cè)量?jī)x器的特點(diǎn)分

4.根據(jù)測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)分

非接觸測(cè)量接觸測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量靜態(tài)測(cè)量1.2.3測(cè)量誤差的分類真值：在一定條件下，被測(cè)量客觀存在的實(shí)際值。

測(cè)量誤差：測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的實(shí)際值之間存在的一定的偏差。按誤差的性質(zhì)分

系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差粗大誤差夏天擺鐘變慢的原因是什么？εδ（a）準(zhǔn)確度高而精密度低（b）準(zhǔn)確度低而精密度高（c）精確度高常用準(zhǔn)確度來(lái)表征系統(tǒng)誤差大小。常用精密度來(lái)表征隨機(jī)誤差的大小。用精準(zhǔn)度（精度）反映精密度和準(zhǔn)確度的綜合結(jié)果。1.絕對(duì)誤差

某采購(gòu)員分別在A

、B

、C

三家商店購(gòu)買100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購(gòu)員對(duì)C家賣牛肉干的商店意見(jiàn)最大，是何原因？

【例1】1.2.4測(cè)量誤差的表示方法約定真值：被測(cè)量用基準(zhǔn)器測(cè)量出來(lái)的值。（真值的替身）測(cè)量值：由測(cè)量器具讀數(shù)裝置所指示出來(lái)的被測(cè)量的數(shù)值。

——反映測(cè)量值偏離真值的情況

（2）相對(duì)誤差①實(shí)際相對(duì)誤差②示值相對(duì)誤差③滿度相對(duì)誤差——反映測(cè)量值的精度儀器滿度值當(dāng)ΔX取為ΔXm時(shí)，最大滿度相對(duì)誤差就被用來(lái)確定儀表的精度等級(jí)S：——反映儀表綜合誤差的大小或（儀表下限刻度值不為零時(shí)）我國(guó)電工儀表等級(jí)分為七級(jí)，即：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0級(jí)

若已知儀表的精度等級(jí)和量程，則最大絕對(duì)誤差為？【思考題】有一數(shù)字溫度計(jì)，它的測(cè)量范圍為-50℃～+150℃，精度為0.5級(jí)。求當(dāng)示值分別為-20℃和+

100℃時(shí)的絕對(duì)誤差和示值相對(duì)誤差。示值相對(duì)誤差為：絕對(duì)誤差為：【例】今有0.5級(jí)的0～500℃和1.0級(jí)的0

～100℃兩個(gè)溫度計(jì)，要測(cè)80℃的溫度，試問(wèn)采用哪一個(gè)溫度計(jì)好？為什么？解：用0.5級(jí)儀表測(cè)量時(shí)，最大示值相對(duì)誤差為：

用1.0級(jí)儀表測(cè)量時(shí)，最大示值相對(duì)誤差為：

用1.0級(jí)儀表比用0.5級(jí)儀表好，測(cè)量精度更高。

測(cè)量的精度越？?jī)x表精度等級(jí)S越大，滿度相對(duì)誤差越？大低與儀表精度等級(jí)和量程都有關(guān)量程的選擇：對(duì)于精度等級(jí)確定的儀表，量程越大，則最大絕對(duì)誤差越大，對(duì)應(yīng)的最大相對(duì)誤差（實(shí)際或示值相對(duì)誤差）也就越大，即測(cè)量的精度越低。

一般測(cè)量時(shí)，應(yīng)使指針落在滿量程的2/3以外。1.2.5測(cè)量誤差的處理1.剔除粗大誤差

一般將稱為測(cè)量結(jié)果的極限誤差。當(dāng)有測(cè)量數(shù)據(jù)的剩余誤差較極限誤差大，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)有粗大誤差存在，必須剔除。2.估算隨機(jī)誤差

指出：系統(tǒng)誤差可以修正或在測(cè)量中設(shè)法消除。

（1）計(jì)算n次測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值

（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差（3）檢查有無(wú)粗大誤差數(shù)據(jù)3.數(shù)據(jù)處理的一般步驟

（4）計(jì)算算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差（5）寫出測(cè)量結(jié)果的表達(dá)式【例3】現(xiàn)對(duì)某液體測(cè)量溫度11次，測(cè)量序號(hào)與測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)下表所示：測(cè)量序號(hào)i1234567891011測(cè)量數(shù)據(jù)（℃）20.7220.7520.6520.7120.6220.4520.6220.7020.6720.7320.741.3檢測(cè)系統(tǒng)中的彈性敏感元件

形變：物體因外力作用而改變?cè)瓉?lái)的尺寸或形狀彈性形變：外力去掉后能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀的變形彈性元件：具有彈性形變這類特性的物體彈性敏感元件：在傳感器中用于測(cè)量的彈性元件1.3.1彈性敏感元件的基本特性1．剛度

F：作用于彈性元件上的外力x：彈性元件產(chǎn)生的形變例：木塊剛度小，鐵塊剛度大彈性特性曲線圖

——輸入量與輸出量之間的關(guān)系

2．靈敏度若靈敏度為常數(shù)，則此彈性特性為線性，即彈性特性曲線圖

——?jiǎng)偠鹊牡箶?shù)

1．彈性敏感元件的形式1.3.2彈性敏感元件的形式及應(yīng)用范圍應(yīng)變位移（線位移或角位移）力（力矩）壓力彈性敏感元件單位面積上所受的力的大小。壓強(qiáng)應(yīng)力流體力學(xué)固體力學(xué)應(yīng)力或壓強(qiáng)的單位：帕（帕斯卡）應(yīng)變：彈性元件發(fā)生形變時(shí)尺寸的相對(duì)變化量。應(yīng)力彈性敏感元件應(yīng)變反映彈性形變的程度應(yīng)變：彈性元件發(fā)生形變時(shí)尺寸的相對(duì)變化量。例如：用力拉一根長(zhǎng)度一米的鐵絲，結(jié)果鐵絲伸長(zhǎng)了一毫米，則應(yīng)變應(yīng)變有正負(fù)嗎？拉應(yīng)變?yōu)檎龎簯?yīng)變?yōu)樨?fù)彈性敏感元件的形式變換力變換壓力等截面軸環(huán)狀彈性敏感元件懸臂梁扭轉(zhuǎn)軸彈簧管波紋管等截面薄板波紋膜片和膜盒薄壁圓筒和薄壁半球

2．變換力的彈性敏感元件（1）等截面軸（柱式彈性敏感元件）力F應(yīng)變?chǔ)?/p>

等截面軸受力動(dòng)畫演示等截面軸示意圖應(yīng)變片：能檢測(cè)應(yīng)變的傳感元件當(dāng)?shù)冉孛孑S承受軸向拉力或壓力時(shí)，軸向的應(yīng)變即縱向應(yīng)變?yōu)椋篈——軸的橫截面積；E——彈性模量。彈性模量：材料在彈性變形階段內(nèi)，正應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的正應(yīng)變的比值。

——描述物質(zhì)彈性的物理量包括楊氏模量、剪切模量和體積模量。

——泊松比。與軸線垂直方向上的應(yīng)變即橫向應(yīng)變?yōu)椋翰此杀龋翰牧蠙M向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，也叫橫向變形系數(shù)。

——反映材料橫向變形的彈性常數(shù)應(yīng)變片如何粘貼可以得到大小符號(hào)都相同的兩個(gè)應(yīng)變？應(yīng)變片如何粘貼可以得到大小相同、符號(hào)相反的兩個(gè)應(yīng)變？（2）環(huán)狀彈性敏感元件

較小力F應(yīng)變?chǔ)?/p>

環(huán)狀彈性敏感元件受力動(dòng)畫演示——靈敏度較高

（3）懸臂梁懸臂梁是一端固定、另一端自由的彈性敏感元件。懸臂梁受力動(dòng)畫演示懸臂梁示意圖力F應(yīng)變?chǔ)?/p>

或力F位移

x

上表面為拉應(yīng)變，下表面為壓應(yīng)變；對(duì)應(yīng)位置的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變大小相等、符號(hào)相反（4）扭轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩T

應(yīng)變?chǔ)?/p>

扭轉(zhuǎn)軸受力動(dòng)畫演示扭轉(zhuǎn)軸示意圖3．變換壓力的彈性敏感元件（1）彈簧管（波登管）

壓力p

中心角角位移△γ

彈簧管受力動(dòng)畫演示（2）波紋管壓力p

自由端的位移x波紋管受力動(dòng)畫演示波紋管示意圖（3）等截面薄板（平膜片）（4）波紋膜片和膜盒壓力p

位移x壓力差p

位移x等截面薄板示意圖膜盒示意圖應(yīng)變?chǔ)艍毫

或者

1.4傳感器的標(biāo)定與選擇

1.4.1傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)

標(biāo)定實(shí)際上就是利用某種標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行刻度。標(biāo)定工作不僅在傳感器出廠時(shí)或安裝時(shí)要進(jìn)行，而且在傳感器的使用過(guò)程中還需定期檢驗(yàn)。對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，必須有一個(gè)長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的和高精度的基準(zhǔn)。（1）與測(cè)