傳感器與自動檢測技術(shù)（第二版）傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)知識

傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ)知識本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：1.1傳感器的基礎(chǔ)知識1.2檢測技術(shù)的基礎(chǔ)知識1.3檢測系統(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

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

轉(zhuǎn)換元件

信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路

被測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)被測量的部分。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號的部分。信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路：對輸出信號進(jìn)行放大、運算調(diào)制等。敏感元件

轉(zhuǎn)換元件

信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路

被測量非電量電參量電量膜盒電位器式壓力傳感器被測壓力P電橋敏感元件電壓或電流轉(zhuǎn)換元件信號調(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；二是按被測參數(shù)分類，如溫度、壓力、位移、速度等被測量。1.1.2傳感器的基本特性

在生產(chǎn)過程和科學(xué)實驗中，要對各種參數(shù)進(jìn)行檢測和控制，就要求傳感器能感受被測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)特性指傳感器的輸出與輸入之間數(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——被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出-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)過零旋轉(zhuǎn)擬合(c)端點連線擬合(d)端點平移擬合理論擬合：擬合直線為傳感器的理論特性，與實際測試值無關(guān)。端點連線擬合：把輸出曲線兩端點的連線作為擬合直線。

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

指傳感器在穩(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（輸入量減小）期間其輸出-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、間隙及松動等）。（4）重復(fù)性

指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(fù)性誤差：

2.傳感器的動態(tài)特性階躍響應(yīng)法：

給傳感器輸入一個單位階躍函數(shù)信號：

——在測量動態(tài)信號時傳感器的輸出反映被測量的大小和隨時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檢測技術(shù)的基礎(chǔ)知識

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

數(shù)模轉(zhuǎn)換

數(shù)字信號處理數(shù)字信號顯示記錄1.2.2測量的方法

實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較，并得出比值的方法，稱為測量方法。1.根據(jù)測量過程的特點分

直接測量間接測量組合測量2.根據(jù)測量的精度因素分

等精度測量非等精度測量3.根據(jù)測量儀器的特點分

4.根據(jù)測量對象的特點分

非接觸測量接觸測量動態(tài)測量靜態(tài)測量1.2.3測量誤差的分類真值：在一定條件下，被測量客觀存在的實際值。

測量誤差：測量結(jié)果與被測量的實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)確度來表征系統(tǒng)誤差大小。常用精密度來表征隨機(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.絕對誤差

某采購員分別在A

、B

、C

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

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

——反映測量值偏離真值的情況

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

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0級

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

100℃時的絕對誤差和示值相對誤差。示值相對誤差為：絕對誤差為：【例】今有0.5級的0～500℃和1.0級的0

～100℃兩個溫度計，要測80℃的溫度，試問采用哪一個溫度計好？為什么？解：用0.5級儀表測量時，最大示值相對誤差為：

用1.0級儀表測量時，最大示值相對誤差為：

用1.0級儀表比用0.5級儀表好，測量精度更高。

測量的精度越？儀表精度等級S越大，滿度相對誤差越？大低與儀表精度等級和量程都有關(guān)量程的選擇：對于精度等級確定的儀表，量程越大，則最大絕對誤差越大，對應(yīng)的最大相對誤差（實際或示值相對誤差）也就越大，即測量的精度越低。

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

一般將稱為測量結(jié)果的極限誤差。當(dāng)有測量數(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量中設(shè)法消除。

（1）計算n次測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值

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

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

形變：物體因外力作用而改變原來的尺寸或形狀彈性形變：外力去掉后能完全恢復(fù)其原來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

——剛度的倒數(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)生形變時尺寸的相對變化量。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)生形變時尺寸的相對變化量。例如：用力拉一根長度一米的鐵絲，結(jié)果鐵絲伸長了一毫米，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ε

等截面軸受力動畫演示等截面軸示意圖應(yīng)變片：能檢測應(yīng)變的傳感元件當(dāng)?shù)冉孛孑S承受軸向拉力或壓力時，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都相同的兩個應(yīng)變？應(yīng)變片如何粘貼可以得到大小相同、符號相反的兩個應(yīng)變？（2）環(huán)狀彈性敏感元件

較小力F應(yīng)變ε

環(huán)狀彈性敏感元件受力動畫演示——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。懸臂梁受力動畫演示懸臂梁示意圖力F應(yīng)變ε

或力F位移

x

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

應(yīng)變ε

扭轉(zhuǎn)軸受力動畫演示扭轉(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

彈簧管受力動畫演示（2）波紋管壓力p

自由端的位移x波紋管受力動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ε壓力p

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