第一章 傳感器與檢測技術(shù)課件

機電類本科

《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》

第一章檢測技術(shù)的基本概念

多媒體課件

統(tǒng)一書號：ISBN978-7-111-19926-X

作者：梁森，歐陽三泰，王侃夫

附帶光盤第一章傳感器與檢測技術(shù)《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》目錄第一章檢測技術(shù)的基本概念第一節(jié)測量的基本概念及方法，第二節(jié)測量誤差及數(shù)據(jù)處理，第三節(jié)測量不確定度，第四節(jié)傳感器及其基本特性第二章電阻傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變傳感器，第二節(jié)測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?，第三?jié)氣敏電阻傳感器，第四節(jié)濕敏電阻傳感器，第五節(jié)磁敏電阻傳感器，第六節(jié)工程項目設(shè)計實例——利用鉑熱電阻測控電烘箱溫度第三章電感傳感器第一節(jié)自感傳感器，第二節(jié)差動變壓器傳感器，第三節(jié)電感傳感器的應(yīng)用，第四節(jié)工程項目設(shè)計實例——電感傳感器在軸承滾子直徑分選中的應(yīng)用第一章傳感器與檢測技術(shù)《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》目錄第四章電渦流傳感器第一節(jié)電渦流傳感器的工作原理，第二節(jié)電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)及特性，第三節(jié)電渦流傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路，第四節(jié)電渦流傳感器的應(yīng)用，第五節(jié)接近開關(guān)及應(yīng)用，第六節(jié)工程項目設(shè)計實例——電渦流傳感器在棉包金屬檢測中的應(yīng)用第五章電容傳感器第一節(jié)電容傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式，第二節(jié)電容傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路，第三節(jié)電容傳感器的應(yīng)用，第四節(jié)壓力、液位和流量的測量，第五節(jié)工程項目設(shè)計實例——利用電容壓力傳感器測量地面沉降第六章壓電傳感器第一節(jié)壓電傳感器的工作原理，第二節(jié)壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路，第三節(jié)壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，第四節(jié)振動測量及頻譜分析，第五節(jié)工程項目設(shè)計實例——壓電傳感器在齒輪箱故障診斷中的應(yīng)用第一章傳感器與檢測技術(shù)《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》目錄第七章超聲波傳感器第一節(jié)超聲波物理基礎(chǔ)，第二節(jié)超聲波換能器及耦合技術(shù)，第三節(jié)超聲波傳感器的應(yīng)用，第四節(jié)無損探傷，第五節(jié)工程項目設(shè)計實例——超聲波傳感器在鐵路鋼軌探傷中的應(yīng)用第八章霍爾傳感器第一節(jié)霍爾元件的工作原理及特性，第二節(jié)霍爾集成電路，第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用，第四節(jié)工程項目設(shè)計實例——霍爾傳感器在油氣管道無損探傷中的應(yīng)用第九章熱電偶傳感器第一節(jié)溫度測量的基本概念，第二節(jié)熱電偶傳感器的工作原理，第三節(jié)熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)，第四節(jié)熱電偶冷端的延長，第五節(jié)熱電偶的冷端溫度補償與集成溫度傳感器第六節(jié)熱電偶的應(yīng)用及配套儀表，第七節(jié)工程項目設(shè)計實例——熱電偶在熱力學(xué)測量水泵效率中的應(yīng)用第一章傳感器與檢測技術(shù)《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》目錄第十章光電傳感器第一節(jié)光電效應(yīng)與光電元件，第二節(jié)光電元件的基本應(yīng)用電路，第三節(jié)光電傳感器的應(yīng)用，第四節(jié)光電開關(guān)及光電斷續(xù)器，第五節(jié)CCD圖像傳感器及應(yīng)用，第六節(jié)工程項目設(shè)計實例——光電傳感器在帶鋼開卷機糾偏中的應(yīng)用第十一章數(shù)字式位置傳感器第一節(jié)位置測量方式，第二節(jié)角編碼器，第三節(jié)光柵傳感器，第四節(jié)磁柵傳感器，第五節(jié)容柵傳感器，第六節(jié)工程項目設(shè)計實例——鞋楦機的數(shù)字化逆向制造系統(tǒng)第十二章檢測系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)第一節(jié)噪聲及防護，第二節(jié)檢測技術(shù)中的電磁兼容原理，第三節(jié)幾種電磁兼容控制技術(shù)，第四節(jié)工程項目設(shè)計實例——K型熱電偶抗干擾放大器的設(shè)計第一章傳感器與檢測技術(shù)《自動檢測技術(shù)及應(yīng)用》目錄第十三章傳感器在現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用第一節(jié)現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，第二節(jié)現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的接口總線，第三節(jié)基于虛擬儀器的檢測系統(tǒng)，第四節(jié)傳感器在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用，第五節(jié)傳感器在數(shù)控機床中的應(yīng)用，第六節(jié)傳感器在機器人中的應(yīng)用，第七節(jié)傳感器在智能樓宇中的應(yīng)用附錄附錄A常用傳感器的性能及選擇，附錄B壓力單位及換算，附錄C工業(yè)熱電阻分度表，附錄D鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）K熱電偶分度表習(xí)題參考答案第一章傳感器與檢測技術(shù)主講教師：

上海電機學(xué)院

測控教研室梁森教授聯(lián)系方法：

自動檢測技術(shù)課程網(wǎng)“梁老師答疑網(wǎng)”（)

2011.1.1第一章傳感器與檢測技術(shù)第一章檢測技術(shù)的基本概念

本章學(xué)習(xí)測量的基本概念、測量方法、誤差分類、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理、測量不確定度，以及傳感器的基本特性等，是檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

第一章傳感器與檢測技術(shù)第一節(jié)檢測技術(shù)的基本概念及方法

靜態(tài)測量

第一章傳感器與檢測技術(shù)

對緩慢變化的對象進行測量亦屬于靜態(tài)測量。

最高、最低溫度計第一章傳感器與檢測技術(shù)

動態(tài)測量

地震測量振動波形第一章傳感器與檢測技術(shù)便攜式儀表

可以顯示波形的手持示波器第一章傳感器與檢測技術(shù)直接測量

電子卡尺第一章傳感器與檢測技術(shù)間接測量

對多個被測量進行測量，經(jīng)過計算求得被測量。

（阿基米德測量皇冠的比重）第一章傳感器與檢測技術(shù)接觸式測量

第一章傳感器與檢測技術(shù)非接觸式測量

例：雷達測速車載電子警察第一章傳感器與檢測技術(shù)離線測量

產(chǎn)品質(zhì)量檢驗第一章傳感器與檢測技術(shù)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。第一章傳感器與檢測技術(shù)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買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？第一章傳感器與檢測技術(shù)相對誤差及精度等級

幾個重要公式：示值相對誤差滿度相對誤差準確度(精度)第一章傳感器與檢測技術(shù)例：用同一臺磅秤測量三個不同重量物體的示值相對誤差的比較，請得出結(jié)論！第一章傳感器與檢測技術(shù)儀表的準確度等級和基本誤差

例：某指針式電壓表的準確度為2.5級，用它來測量電壓時可能產(chǎn)生的最大滿度相對誤差為2.5%。

某公司生產(chǎn)測量溫度的儀表，滿度誤差均在1.1~1.6％之間，該系列產(chǎn)品屬于哪一級溫度表？

某車間希望測量溫度的儀表滿度相對誤差控制在1.1~1.6％之間，應(yīng)購買哪一級溫度表？第一章傳感器與檢測技術(shù)例：某指針式萬用表的面板如圖所示，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？第一章傳感器與檢測技術(shù)

例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？第一章傳感器與檢測技術(shù)

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？第一章傳感器與檢測技術(shù)作業(yè)講評“第三節(jié)測量不確定度”的關(guān)鍵詞

關(guān)鍵詞是用來描述文獻資料主題和給出檢索文獻資料的一種新型的情報檢索語言詞匯。正是由于它的出現(xiàn)和發(fā)展，才使得情報檢索（計算機檢索）成為可能。關(guān)鍵詞一定是實詞，一般是用來概括你的論文所涉及的領(lǐng)域，以及你認為重要的研究方法。比如，一篇關(guān)于水處理的論文關(guān)鍵詞可以是：飲用水、紫外消毒、有機物、氯化物等。一篇論文可選取3~8個詞作為關(guān)鍵詞。第一章傳感器與檢測技術(shù)作業(yè)講評“第三節(jié)測量不確定度”的關(guān)鍵詞錯誤的選?。赫J為本章學(xué)習(xí)中，對學(xué)生較為關(guān)鍵的內(nèi)容，如：“重要”、“概念”、“定義”、“區(qū)別”、“分類”、“評定”、“報告”等一般性的單詞。正確的選?。簻y量不確定度，不確定度評定，置信水平，約定概率，分布密度，不確定度合成，儀器誤差，真值，等等。第一章傳感器與檢測技術(shù)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。當發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應(yīng)予以剔除。

第一章傳感器與檢測技術(shù)產(chǎn)生粗大誤差的一個例子

第一章傳感器與檢測技術(shù)

在重復(fù)性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。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。

2.系統(tǒng)誤差：夏天擺鐘變慢的原因是什么？第一章傳感器與檢測技術(shù)3.隨機誤差

測量結(jié)果與在重復(fù)條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差稱為隨機誤差。也可以采用如下的表達：在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差。

存在隨機誤差的測量結(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)隨機誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。第一章傳感器與檢測技術(shù)

隨機事件與隨機誤差有區(qū)別，并不一定符合正態(tài)分布規(guī)律。

彩票搖獎第一章傳感器與檢測技術(shù)隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計第一章傳感器與檢測技術(shù)隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計第一章傳感器與檢測技術(shù)

1）集中性：大量的測量值集中分布于算術(shù)平均值附近。隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律2）對稱性：測量值大致對稱地分布于兩側(cè)。３）有界性：在一定的條件下，測量值有一定的分布范圍，超過這個范圍的可能性非常小，即出現(xiàn)絕對誤差很大的情況很少。粗大誤差的測量值應(yīng)予以剔除。第一章傳感器與檢測技術(shù)nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98例1：用核輻射式測厚儀對鋼板的厚度進行6次等精度測量，所得數(shù)據(jù)如下表（單位為mm），請指出哪幾個數(shù)值為粗大誤差？在剔除粗大誤差后，用算術(shù)平均值公式求出鋼板厚度。

第一章傳感器與檢測技術(shù)根據(jù)P13的例1-3，經(jīng)計算可知，5.99以及9.33為粗大誤差，予以剔除，剩余4個測量值計算算術(shù)平均值：nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98第一章傳感器與檢測技術(shù)4.動態(tài)誤差

由心電圖儀放大器帶寬不夠引起的動態(tài)誤差

當被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態(tài)誤差。

第一章傳感器與檢測技術(shù)誤差的合成（1）絕對值合成法（2）方均根合成法

第一章傳感器與檢測技術(shù)例1-4用圖1-2核輻射鋼板測厚儀測鋼板厚度，已知PIN型γ射線二極管的測量誤差為±5%，微電流放大器誤差為±2%，指針表誤差為±1%，求測量的總誤差。結(jié)論：測量系統(tǒng)中的γ射線二極管的測量誤差最大，應(yīng)提高其精度等級。第一章傳感器與檢測技術(shù)第三節(jié)測量不確定度

表征合理地賦予被測量之值的分散性的參數(shù)稱為不確定度。測量不確定度是對測量結(jié)果的不可信程度或?qū)y量結(jié)果有效性的懷疑程度。不確定度表征被測量的真值在某個量程范圍內(nèi)的一個估計，是測量結(jié)果的一個重要參數(shù)，用以表征被測量的分散程度。

不確定度越小，測量結(jié)果越可信。

第一章傳感器與檢測技術(shù)測量不確定度的分類

為了正確地評定測量結(jié)果的不確定度，應(yīng)全面分析影響測量結(jié)果的各種因素，仔細列出測量結(jié)果的所有不確定度來源。不確定度評定得太大，會造成資源浪費，評定得太小，將影響工程質(zhì)量。在完成不確定度的分析和評定后，應(yīng)給出不確定度報告。第一章傳感器與檢測技術(shù)測量不確定度的來源

①對被測量的定義不完善；②被測量定義復(fù)現(xiàn)的不理想；③被測量的樣本不能代表定義的被測量；④環(huán)境條件對測量過程的影響考慮不周，或環(huán)境條件的測量不完善；⑤模擬儀表讀數(shù)時人為的偏差；⑥儀器分辯力或鑒別閾不夠；⑦賦予測量標準或標準物質(zhì)的值不準；⑧從外部來源獲得并用以數(shù)據(jù)計算的常數(shù)及其他參數(shù)不準；⑨測量方法和測量過程中引入的近似值及假設(shè)；⑩在相同條件下被測量重復(fù)觀測值的變化等。第一章傳感器與檢測技術(shù)第四節(jié)傳感器及基本特性

一、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

請畫出右圖所示傳感器的組成框圖第一章傳感器與檢測技術(shù)電位器式壓力傳感器原理框圖第一章傳感器與檢測技術(shù)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。第一章傳感器與檢測技術(shù)彈性敏感元件（彈簧管）

在下圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移α第一章傳感器與檢測技術(shù)彈簧管放大圖

當被測壓力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。第一章傳感器與檢測技術(shù)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。第一章傳感器與檢測技術(shù)壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)第一章傳感器與檢測技術(shù)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）第一章傳感器與檢測技術(shù)

360度圓盤形電位器傳感器(測量角位移)

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。

接地第一章傳感器與檢測技術(shù)

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

。

第一章傳感器與檢測技術(shù)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：第一章傳感器與檢測技術(shù)二、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。

本教材采用哪一種分類法？

第一章傳感器與檢測技術(shù)三、傳感器基本特性

傳感器的特性一般指輸入、輸出特性，包括：靈敏度、分辨力、分辨率、線性度、穩(wěn)定度、電磁兼容性、可靠性等。

第一章傳感器與檢測技術(shù)靈敏度：

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示：

第一章傳感器與檢測技術(shù)作圖法求靈敏度過程xyx1ΔxΔy0切點傳感器特性曲線xmax第一章傳感器與檢測技術(shù)分辨力：指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。右表的分辨力為多少？

第一章傳感器與檢測技術(shù)分辨率：將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。

右表的滿量程為199.9A，問：該表的分辨率為多少？

第一章傳感器與檢測技術(shù)線性度：

線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。將傳感器輸出起始點與滿量程點連接起來的直線作為擬合直線，這條直線稱為端基理論直線，按上述方法得出的線性度稱為端基線性度，非線性誤差越小越好。線性度的計算公式如下：第一章傳感器與檢測技術(shù)作圖法求端基線性度演示

首先作一根理論直線——將儀表輸出起始點