《傳感器檢測技術(shù)》

第一章檢測技術(shù)的根本概念本章學(xué)習(xí)測量的根本概念、測量方法、誤差分類、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理，以及傳感器的根本特性等，他們是檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的理論根底。.第一節(jié)檢測技術(shù)的根本概念及方法靜態(tài)測量

.對緩慢變化的對象進(jìn)行測量亦屬于靜態(tài)測量。

最高、最低溫度計.動態(tài)測量

地震測量振動波形.便攜式儀表可以顯示波形的便攜式儀表.直接測量

電子卡尺.間接測量

對多個被測量進(jìn)行測量，經(jīng)過計算求得被測量〔阿基米德測量皇冠的比重〕。.接觸式測量

.非接觸式測量例：雷達(dá)測速車載電子警察.離線測量

產(chǎn)品質(zhì)量檢驗.在線測量

在流水線上，邊加工，邊檢驗，可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。.第二節(jié)測量誤差及分類

絕對誤差：

Δ=Ax－Ａ0某采購員分別在三家商店購置100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？(1-1).相對誤差及精度等級

幾個重要公式：.儀表的準(zhǔn)確度等級和根本誤差例：某指針式電壓表的精度為2.5級，用它來測量電壓時可能產(chǎn)生的滿度相對誤差為2.5%。.例：某指針式萬用表的面板如下圖，問：用它來測量直流、交流〔~〕電壓時，可能產(chǎn)生的滿度相對誤差分別為多少？.例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如下圖，問：選擇該量程合理嗎？.用2.5V量程測量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問示值相對誤差哪一個大？.用2.5V量程測量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問示值相對誤差哪一個大？.1、某壓力表準(zhǔn)確度為2.5級，量程為0-1.5MPa，求：1〕可能出現(xiàn)的最大滿度相對誤差。2〕可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為多少KPa？3〕測量結(jié)果顯示為0.70MPa時，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差?例題：2、現(xiàn)有準(zhǔn)確度為0.5級的0-300°C的和準(zhǔn)確度為1.0級的0-100°C的兩個溫度計，要測量80°C的溫度，試問采用哪一個溫度計好？.誤差產(chǎn)生的因素：1.粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應(yīng)予以剔除。

.2.系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差也稱裝置誤差，它反映了測量值偏離真值的程度。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。

.3.隨機(jī)誤差

在同一條件下，屢次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差，也稱偶然誤差，它反映了測量值離散性的大小。隨機(jī)誤差是測量過程中許多獨立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果。存在隨機(jī)誤差的測量結(jié)果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。.隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計.隨機(jī)事例的幾個例子

彩票搖獎.第三節(jié)傳感器的定義、組成和分類方法第2章傳感器概述根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)〔GB7665-1987〕，傳感器的定義是：指能感受規(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或裝置。狹義上說：傳感器就是將被測非電量轉(zhuǎn)換成便于處理和傳輸?shù)碾娦盘柕钠骷蜓b置。

有時也會被稱為換能器、變換器、探測器、測量頭或一次儀表等。1、傳感器定義.傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路三局部組成：敏感元件輔助電源轉(zhuǎn)換元件被測非電量有用非電量有用電量轉(zhuǎn)換電路電量第2章傳感器概述2、傳感器的組成.三、傳感器的組成舉例：測量壓力的電位器式壓力傳感器1-彈簧管2-電位器傳感器組成框圖.彈性敏感元件〔彈簧管〕

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。.彈性敏感元件〔彈簧管〕在以下圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移α.彈簧管放大圖

當(dāng)被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。.其他各種彈性敏感元件

在上圖中的各種彈性元件也能將壓力轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移。.壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu).被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)傳感元件轉(zhuǎn)換成電參量

在右圖中，電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量-----電阻的變化〔ΔR〕.

360度圓盤形電位器右圖所示的360度圓盤形電位器的中間焊片為滑動片，右邊焊片接地，左邊焊片接電源。

接地.測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。

在左圖中，當(dāng)電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓Uo。

.分壓比電路的計算公式如下：

直滑電位器式傳感器的輸出電壓Uo與滑動觸點C的位移量x成正比：對圓盤式電位器來說，Uo與滑動臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比：.敏感元件轉(zhuǎn)換元件壓力傳感器例如..四、傳感器分類傳感器的種類名目繁多，分類不盡相同。常用的分類方法有：１〕按被測量分類：可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。2〕按測量原理分類：可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。本教材采用第二種分類法。.作業(yè)：1、某壓力表準(zhǔn)確度為2.5級，量程為0-1.5MPa，求：1〕可能出現(xiàn)的最大滿度相對誤差。2〕可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為多少KPa？3〕測量結(jié)果顯示為0.70MPa時，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差?.第三節(jié)傳感器的根本特性傳感器一般要變換各種信息量為電量，描述這種變換的輸入與輸出關(guān)系表達(dá)了傳感器的根本特性。對不同的輸入信號，輸出特性是不同的，對快變信號與慢變信號，由于受傳感器內(nèi)部儲能元件〔電感、電容、質(zhì)量塊、彈簧等〕的影響，反響大不相同。快變信號考慮輸出的動態(tài)特性即隨時間變化的特性；慢變信號研究靜態(tài)特性，即不隨時間變化的特性。第2章傳感器概述.2.3傳感器靜態(tài)特性當(dāng)輸入量〔X〕為靜態(tài)〔常量〕或變化緩慢的信號時〔如溫度、壓力〕，討論傳感器的靜態(tài)特性，輸入輸出關(guān)系稱靜態(tài)特性。一般情況下，輸入與輸出特性不完全符合要求的線性關(guān)系或某種特定的函數(shù)關(guān)系。靜態(tài)特性可以用函數(shù)式表示為靜態(tài)特性包括：線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度、穩(wěn)定性等

第2章傳感器概述.〔1〕線性度傳感器靜態(tài)特性和輸入輸出關(guān)系可以用多項式表示：其中：X—輸入量，Y—輸出量；a0—x=0時的輸出值a1—理想靈敏度a2,a3…..an——非線性項系數(shù)第2章傳感器概述.傳感器的非線性誤差〔線性度〕通常用相對誤差表示：

——最大非線性絕對誤差——滿量程輸出——線性度

YXYiXiLmaxY=kx+b第2章傳感器概述.各種直線擬合方法第2章傳感器概述.〔2〕靈敏度在穩(wěn)定條件下輸出微小增量與輸入微小增量的比值對線性傳感器靈敏度是直線的斜率：S=ΔY/ΔX

對非線性傳感器靈敏度為一變量：S=dy/dx第2章傳感器概述.〔3〕遲滯傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯。

第2章傳感器概述.遲滯誤差一般由滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示：

例：一電子秤增加砝碼10g——50g——100g——200g電橋輸出0.5mv---2mv---4mv---10mv減砝碼輸出1mv---5mv---8mv---10mv為正、反

行程輸出值間的最大差值

產(chǎn)生原因：由于傳感器敏感元件材料的物理改制和機(jī)械另部件的缺陷所造成的，例如彈性敏感元件彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動等。第2章傳感器概述.〔4〕重復(fù)性傳感器輸入量按同一方向作屢次測量時，輸出特性不一致的程度。屬于隨機(jī)誤差可用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示：第2章傳感器概述.〔5〕穩(wěn)定性包含穩(wěn)定度和環(huán)境影響量兩個方面。穩(wěn)定度指的是儀表在所有條件都恒定不變的情況下，在規(guī)定的時間內(nèi)能維持其示值不變的能力。閃爍探測器8小時長期穩(wěn)定性測量散點圖

第2章傳感器概述.穩(wěn)定度一般以儀表的示值變化量和時間的長短之比表示。例：某儀表輸出電壓值在8h內(nèi)的最大變化量為1.2mV，那么表示為1.2mV/(8h)環(huán)境影響量指由外界壞境變化而引起的示值變化量。由兩個因素構(gòu)成，一個是零漂、二是靈敏度漂移。表示環(huán)境影響量時，必須同時寫出示值偏差及造成這一偏差的影響因素。例：表示電源電壓變化5%時，將引起示值變化0.1uA.例：某數(shù)字式液位計的使用說明書上注明該產(chǎn)品為數(shù)字面板表，它的量程為0-10m〔從面板表上可以看到，事實上只能顯示9.99m,屬于3位表〕，非線性訓(xùn)差為1.5%，使用環(huán)境溫度為0-30度，溫漂為0.001m/度，請確定該產(chǎn)品是否能滿足滿度相對誤差不大于2.0%的要求。.〔6〕分辨力和分辨率分辨力——傳感器能夠檢測信號的最小變化量，是有量綱的數(shù)。對數(shù)字儀表而言，一般可以認(rèn)為最后一位表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般情況下，不能把儀表的分辨力當(dāng)作儀表的最大絕對誤差。分辨率——將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率。常以百分比或幾分之一表示。

第2章傳感器概述.2.4傳感器動態(tài)特性當(dāng)輸入量隨時間變化時,如:加速度、振動等，討論傳感器的動態(tài)特性。這時被測量是時間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)。用時域法表示成：

用頻域法表示為：第2章傳感器概述.動態(tài)特性是指傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應(yīng)特性：除理想狀態(tài)，多數(shù)傳感器的輸入信號是隨時間變化的，輸出信號一定不會與輸入信號有相同的時間函數(shù)，這種輸入輸出之間的差異就是動態(tài)誤差；傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應(yīng)既反映了傳感器的動態(tài)特性。

一般用傳感器對于標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)輸入信號的響應(yīng)來衡量傳感器的動態(tài)特性。標(biāo)準(zhǔn)動信號為正弦信號、階躍信號和單位脈沖信號。第2章傳感器概述.例：動態(tài)測溫

設(shè)環(huán)境溫度為T0,水槽中水的溫度為T,而且T＞T0

傳感器突然插入被測介質(zhì)中；用熱電偶測溫,理想情況測試曲線T是階躍變化的；實際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個過渡過程水溫T℃熱電偶環(huán)境溫度To℃T＞To第2章傳感器概述.〔1〕

傳遞函數(shù)傳感器系統(tǒng)輸入激勵X（t)輸出響應(yīng)Y（t)當(dāng)輸入量隨時間變化時，略去影響小的因素，假設(shè)傳感器輸入、輸出在線性范圍變化，它們的關(guān)系可用高階常系數(shù)線性微分方程表示：

式中：Y—輸出；X—輸入；ai、bi為常數(shù)第2章傳感器概述.時第2章傳感器概述拉氏變換的性質(zhì)：1、線性組合定理L[af1(t)

bf2(t)]=aL[f1(t)]

bL[f2(t)]2、微分定理.對微分方程兩邊取拉氏變換，將實函數(shù)變換到復(fù)變函數(shù)

..傳感器的傳遞函數(shù)：

第2章傳感器概述傳遞函數(shù)的特點是：〔1〕H〔S〕與輸入無關(guān)，不因x(t)而異，只反響系統(tǒng)的特性?！?〕H〔S〕只反響系統(tǒng)的響應(yīng)特性，而與具體的物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。〔3〕S的冪次n表示系統(tǒng)的階次，如n=1或n=2，分別稱為一階系統(tǒng)或二階系統(tǒng)。.〔2〕一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)〔慣性系統(tǒng)〕一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)靜態(tài)靈敏度時間常數(shù)傳遞函數(shù)可簡化為：

第2章傳感器概述如：熱電偶測溫系統(tǒng)、RC電路均為一階系統(tǒng)。.一階傳感器的階躍響應(yīng)〔瞬態(tài)響應(yīng)〕

由拉氏變換得到單位階躍響應(yīng)信號為：

一階系統(tǒng)第2章傳感器概述.討論：瞬態(tài)響應(yīng)是指數(shù)函數(shù)，輸出曲線逐漸到達(dá)穩(wěn)定；理論上t—∞時才能到達(dá)穩(wěn)定，當(dāng)t=τ時即到達(dá)穩(wěn)定值的63.2%，可見時間常數(shù)τ越小越好，是反映一階傳感器的重要參數(shù)；實際運用時t=4τ時工程上認(rèn)為已到達(dá)穩(wěn)定；由曲線看出它與動態(tài)測溫相似，所以動態(tài)測溫是典型的一階系統(tǒng)。第2章傳感器概述.一階傳感器的階躍響應(yīng)第2章傳感器概述.輸入正弦信號

拉氏變換后一階系統(tǒng)第2章傳感器概述一階傳感器的頻率響應(yīng)〔頻率響應(yīng)特性〕.反變換后得出輸出的振幅和頻率變化特性輸出y(t)有個兩局部，瞬態(tài)響應(yīng)成分、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分，瞬態(tài)響應(yīng)隨時間t逐漸消失。第2章傳感器概述.忽略瞬態(tài)響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)整理后為：幅—頻特性：相—頻特性：第2章傳感器概述.討論：

一階系統(tǒng)在時間常數(shù)ωτ<<1才近似零階系統(tǒng)特性，A〔ω〕≈k,φ〔ω〕≈0;輸出y(t)反映輸入x(t);當(dāng)ωτ=1時，傳感器靈敏度下降了3dB，如果靈敏度下降到3db時的頻率為工作頻率上限，那么：上限頻率為WH=1/τ，所以時間常數(shù)τ越小，WH越高工作頻率越寬，響應(yīng)越好；另外，ωτ<<1時，輸入輸出關(guān)系接近線性，輸出較真實反映輸入變化。第2章傳感器概述.〔2〕二階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)〔振動系統(tǒng)〕二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)無阻尼固有頻率靜態(tài)靈敏度阻尼比第2章傳感器概述.二階傳感器的階躍響應(yīng)輸入階躍信號時拉氏變換為輸出拉氏變換二價系統(tǒng)

第2章傳感器概述.二階傳感器的階躍響