傳感器與檢測(cè)技術(shù)第一章的知識(shí)

1、1傳感器與檢測(cè)技術(shù)2電阻式遠(yuǎn)傳壓力表感應(yīng)式流量表稱重傳感器CCD傳感器3質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器壓阻式液位傳感器光敏傳感器溫度傳感器4風(fēng)力參數(shù)傳感器地震檢波器反射式光敏傳感器磁、氣、力敏傳感器超聲傳感器5基礎(chǔ)知識(shí)定義、分類發(fā)展趨勢(shì)選用原則一般特性傳感器原理檢測(cè)技術(shù)力、扭矩、壓力傳感器位移檢測(cè)傳感器速度、加速度傳感器視覺、觸覺傳感器溫度傳感器氣敏、濕度、水份傳感器傳感檢測(cè)系統(tǒng)組成信號(hào)分析傳感器在機(jī)電一體化中的應(yīng)用課程主要內(nèi)容傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、檢測(cè)電路及其典型應(yīng)用61傳感器資訊網(wǎng) 2儀表技術(shù)與傳感器 3傳感器世界 4中國(guó)傳感器 5傳感器技術(shù) 621IC中國(guó)電子網(wǎng) 7傳感技術(shù)學(xué)報(bào)網(wǎng) 參考

2、網(wǎng)站7第一章 概論檢測(cè)技術(shù)作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，與計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等一起構(gòu)成了信息技術(shù)的完整學(xué)科。在人類進(jìn)入信息時(shí)代的今天，人們的一切社會(huì)活動(dòng)都是以信息獲取與信息轉(zhuǎn)換為中心，傳感器作為信息獲取與信息轉(zhuǎn)換的重要手段，是信息科學(xué)最前端的一個(gè)陣地，是實(shí)現(xiàn)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一。8第一章 概論“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。以傳感器為核心的檢測(cè)系統(tǒng)就像神經(jīng)和感官一樣，源源不斷地向人類提供宏觀與微觀世界的種種信息，成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有利工具。9國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）中傳感器（Transducer/Sensor）的定義：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并

3、按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。 傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭V、I、F、P第一章 概論10第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器一、傳感器組成傳感器可視為人體五種感覺器官的延伸，主要用于檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)自身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)作提供信息。又稱之為電五官傳感器功用：一感二傳,即感受被測(cè)信息,并傳送出去。11

4、第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器一、傳感器組成輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。12第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器一、傳感器組成輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量實(shí)際上，有些傳感器很簡(jiǎn)單，有些則較復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。13第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器一、傳感器組成輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量最簡(jiǎn)單的傳感器由一個(gè)

5、敏感元件(兼轉(zhuǎn)換元件)組成，它感受被測(cè)量時(shí)直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質(zhì)量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是轉(zhuǎn)換元件。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。14第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器一、傳感器組成輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量由于空間的限制或者其他原因,轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。然而，因?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號(hào)，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。 15第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器一、傳感器組成敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量電量16第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感

6、器二、傳感器的分類1按被測(cè)量對(duì)象分類按其測(cè)量對(duì)象可分為檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的內(nèi)部信息傳感器及系統(tǒng)外部環(huán)境狀態(tài)的外部信息傳感器。內(nèi)部信息傳感器主要檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的位置、速度、力、力矩、溫度以及異常變化。外部信息傳感器主要檢測(cè)系統(tǒng)的外部環(huán)境狀態(tài)接觸式：觸覺傳感器、滑動(dòng)覺傳感器、壓覺傳感器非接觸式：視覺傳感器、超聲測(cè)距、激光測(cè)距17第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器二、傳感器的分類2按工作機(jī)理分類可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。物性型傳感器是利用某些物質(zhì)的某種性質(zhì)隨被測(cè)參數(shù)的變化而變化的原理制成的，如光電式傳感器、壓電式傳感器等。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律和運(yùn)動(dòng)定律等構(gòu)成的，其被測(cè)參數(shù)變化引起傳感器

7、的結(jié)構(gòu)變化，從而使輸出電量變化，電感式傳感器、電容式傳感器、光柵式傳感器就屬于該種類型。18第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器二、傳感器的分類2按工作機(jī)理分類可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。F FFF 19第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器二、傳感器的分類3按被測(cè)物理量分類這種分類方法明確地表明了傳感器的用途，便于使用者選擇。如位移傳感器用于測(cè)量位移，溫度傳感器用于測(cè)量溫度等。位移；力、扭矩和壓力；速度、加速度；視覺、觸覺；溫度；氣敏、濕度和水份。20第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器二、傳感器的分類4按照物理原理分類：十種 電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等； 磁電式傳感器：磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式

8、等； 壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器； 光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導(dǎo)纖維式、紅外式、攝像式等；氣電式傳感器：電位器式、應(yīng)變式； 熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻； 波式傳感器：超聲波式、微波式等；射線式傳感器：熱輻射式、射線式；半導(dǎo)體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；其他原理的傳感器：差動(dòng)變壓器、振弦式等。 有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復(fù)合形式,如不少半導(dǎo)體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。 21第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器二、傳感器的分類5按傳感器能量源分類無(wú)源型和有源型。無(wú)源型傳感器不需要外加電源，而是將被測(cè)量的相關(guān)能量轉(zhuǎn)換成電量輸出，故又稱能量

9、轉(zhuǎn)換型，如壓電式、磁電感應(yīng)式、熱電式、光電式等傳感器；有源型需要外加電源才能輸出電量，故又稱能量控制型。這類傳感器有電阻式、電容式、電感式、霍爾式等，電阻式中還有光敏電阻、熱敏電阻、濕敏電阻等形式。22第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器二、傳感器的分類6按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類 按輸出信號(hào)的性質(zhì)可將傳感器分為開關(guān)型(二值型)、模擬型和數(shù)字型 23第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器二、傳感器的分類6按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類 按輸出信號(hào)的性質(zhì)可將傳感器分為開關(guān)型(二值型)、模擬型和數(shù)字型 24第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器二、傳感器的分類6按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類 按輸出信號(hào)的性質(zhì)可將傳感器分為開關(guān)型(二值型)

10、、模擬型和數(shù)字型 25第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器二、傳感器的分類6按輸出信號(hào)的性質(zhì)分類 按輸出信號(hào)的性質(zhì)可將傳感器分為開關(guān)型(二值型)、模擬型和數(shù)字型 26第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器三、傳感器的特性傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性之分。1傳感器的靜態(tài)特性當(dāng)傳感器的輸入量為常量或隨時(shí)間作緩慢變化時(shí)，傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系稱為靜態(tài)特性，簡(jiǎn)稱靜特性。表征傳感器靜特性的指標(biāo)有線性度、靈敏度、重復(fù)性等。采用哪些指標(biāo)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定。27第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器三、傳感器的特性傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性之分。2傳

11、感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的輸出量對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性稱為傳感器的動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性簡(jiǎn)稱動(dòng)特性。28第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器三、傳感器的特性傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性之分。2傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)特性是指在測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，傳感器的輸出反映被測(cè)量大小和隨時(shí)間變化的特性。傳感器的動(dòng)特性取決于傳感器的本身及輸入信號(hào)的形式。動(dòng)特性的主要技術(shù)指標(biāo)：頻率特性、響應(yīng)時(shí)間、臨界速度。29第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器三、傳感器的特性傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性之分。2傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器按其傳遞、轉(zhuǎn)換信息的形式可分為接

12、觸式環(huán)節(jié)(即以剛性接觸形式傳遞信息)、模擬環(huán)節(jié)(多數(shù)是非剛性傳遞信息)和數(shù)字環(huán)節(jié)三類。要分別研究不同環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性。若兼有幾種環(huán)節(jié)，則應(yīng)綜合分析，其中最薄弱環(huán)節(jié)的動(dòng)特性對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)特性影響最大，不少情況下，它即為該傳感器的動(dòng)特性。30第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器三、傳感器的特性傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，有靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性之分。2傳感器的動(dòng)態(tài)特性在評(píng)定其動(dòng)態(tài)特性時(shí)，動(dòng)態(tài)測(cè)量輸入信號(hào)的形式，通常采用正弦周期信號(hào)和階躍信號(hào)。31第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)常用傳感器四、傳感器的主要性能指標(biāo)P5 表1-2主要性能要求：高精度、低成本。高靈敏度。工作可靠； 穩(wěn)定性好：應(yīng)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定，抗腐蝕

13、性好；抗干擾能力強(qiáng)；動(dòng)態(tài)特性良好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧，使用維護(hù)方便，通用性強(qiáng)，功耗低32第二節(jié) 傳感檢測(cè)技術(shù)的地位和作用傳感檢測(cè)技術(shù)是一種隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅猛發(fā)展的技術(shù)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳感檢測(cè)技術(shù)水平的高低在很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的功能。不僅在工程技術(shù)中如此，就是在基礎(chǔ)科學(xué)中，傳感檢測(cè)技術(shù)同樣具有獨(dú)特的作用和地位。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究，首先就是信息的獲取，新機(jī)理和高靈敏度檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)，將導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)上的突破。33第二節(jié) 傳感檢測(cè)技術(shù)的地位和作用34第二節(jié) 傳感檢測(cè)技術(shù)的地位和作用傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有

14、傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎(chǔ)。 傳感器是邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開各種各樣的傳感器?？梢?，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步等方面起著重要作用。35第二節(jié) 傳感檢測(cè)技術(shù)的地位和作用傳感檢測(cè)技術(shù)和裝置是產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制、生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)控檢測(cè)等各類機(jī)電一體化系統(tǒng)中必不可少的組成部分。任何一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)均具有信息獲取、信息轉(zhuǎn)換、信息傳送及信息處理等功能，在實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)行

15、過程中，只有較精確及時(shí)地將被控對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)通過傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號(hào)，更好地用于系統(tǒng)控制，才能使整個(gè)系統(tǒng)正常高效地工作。36第二節(jié) 傳感檢測(cè)技術(shù)的地位和作用神舟六號(hào)飛船返回艙從幾百公里外的茫茫宇宙準(zhǔn)確地在預(yù)定地點(diǎn)著陸，在它的主慣導(dǎo)系統(tǒng)中的精密慣性傳感器功不可沒。這個(gè)傳感器的研制單位是航天科工集團(tuán)三院33所。這個(gè)傳感器的精度非常高，地球重力加速度的百萬(wàn)分之一變化都能夠敏感察覺。傳感器隨時(shí)對(duì)返回艙的瞬時(shí)加速度進(jìn)行測(cè)量，通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算可以準(zhǔn)確知道艙體的飛行速度和準(zhǔn)確位置，從而控制艙體按照預(yù)定的指令飛行。37第二節(jié) 傳感檢測(cè)技術(shù)的地位和作用神七航天員“生理背心”:地面可監(jiān)控身體狀況

16、?！吧肀承挠珊教靻T貼身穿著，雖說是背心，但它更確切的稱呼應(yīng)該是傳感器的載體，因?yàn)樗厦娣植贾S許多多傳感器，是航天員自身與地面指控部門聯(lián)系的紐帶?！焙粑?、心跳、血壓，航天員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)身體的各項(xiàng)指標(biāo)隨時(shí)受地面指控中心監(jiān)控。38第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則選用時(shí)切忌盲目追求各主要參數(shù)都高指標(biāo)應(yīng)針對(duì)實(shí)際使用要求，在滿足量程的情況下，只保證其主要參數(shù)性能指標(biāo)，放寬對(duì)次要指標(biāo)的要求，以求得高的性能價(jià)格比。39第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則一、測(cè)量范圍及量程測(cè)量范圍是指?jìng)鞲衅髟谠试S誤差限內(nèi)，其被測(cè)量值的范圍量程則是指?jìng)鞲衅髟跍y(cè)量范圍內(nèi)的上限(最高)值和下限

17、(最低)值之差。在不致引起傳感器的規(guī)定性能指標(biāo)永久改變的條件下，傳感器允許超過其測(cè)量范圍的能力被稱為過載能力。過載能力通常用其允許超過測(cè)量上限(或下限)的被測(cè)量值與量程的百分比表示。40第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則二、靈敏度s=( K/K)100%由于某種原因，會(huì)引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對(duì)誤差表示，即可見，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。對(duì)線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度K是一常數(shù)，與輸入量大小無(wú)關(guān)。K=Y/X傳感器輸出的變化量Y與引起該變化量的輸入變化量X之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式為41第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)

18、價(jià)指標(biāo)與選用原則二、靈敏度當(dāng)傳感器或傳感檢測(cè)系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的靈敏度分別為是： 時(shí)，該傳感器或傳感檢測(cè)系統(tǒng)的總靈敏度 。 42第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則二、靈敏度靈敏度表示傳感器或傳感檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物理量變化的反應(yīng)能力。靈敏度越高，傳感器所能感知的變化量越小，即被測(cè)量稍有微小變化，傳感器就有較大輸出。靈敏度越高，與測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，并且噪聲也會(huì)被放大系統(tǒng)放大。為此，往往要求信噪比愈大愈好，即要求傳感器本身噪聲小，且魯棒性好即抗干擾能力強(qiáng)。 43第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則三、線性度在多數(shù)情況下，要求傳感器的理想輸入/輸出特性應(yīng)是線性的

19、。實(shí)際上，由于種種原因，傳感器總是具有不同程度的非線性，若按線性處理和分析會(huì)帶來(lái)非線性誤差，反映非線性誤差的程度即是線性度。44第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則三、線性度線性度是以一定的擬合直線作基準(zhǔn)與校準(zhǔn)曲線作比較，用其不一致的最大偏差 與理論滿量程輸出值Y（ )的百分比進(jìn)行計(jì)算45直線擬合方法 a)理論擬合 b)過零旋轉(zhuǎn)擬合 c)端點(diǎn)連線擬合 d)端點(diǎn)連線平移擬合46設(shè)擬合直線方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合y=kx+b若實(shí)際校準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)有n個(gè)，則第i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為最小二乘法擬合直線的原理就是使 為最小值，即i=yi-

20、(kxi+b) 對(duì)k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出b和k的表達(dá)式47即得到k和b的表達(dá)式將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。48第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則四、遲滯0yxHmaxyFS遲滯特性傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，它一般是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即49第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則五、重復(fù)性重復(fù)性是衡量在同一工作條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次連續(xù)測(cè)量所得結(jié)果之間的不一致程度的指標(biāo)。所得結(jié)果分散范圍越小，重

21、復(fù)性越好。50第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則五、重復(fù)性yx0Rmax2Rmax1Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差， Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即51第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則五、穩(wěn)定性穩(wěn)定性即在相同條件、相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，其輸入/輸出特性不發(fā)生變化的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一定的時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)輸出的差異來(lái)表示。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間和環(huán)境。52第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則五、穩(wěn)定性為了保證穩(wěn)定性，在選定傳感器之前，應(yīng)對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇較合

22、適的傳感器類型。例如電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會(huì)影響其絕緣性；溫度會(huì)影響其零漂；長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。光電式傳感器的感光表面有塵?；蛩畾鈺r(shí)，會(huì)改變感光性質(zhì)。53第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則五、穩(wěn)定性在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，往往要求傳感器能長(zhǎng)期使用而不需經(jīng)常更換或校準(zhǔn)。在這種情況下應(yīng)對(duì)傳感器的穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求。54第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則六、精確度精確度有時(shí)簡(jiǎn)稱精度。它表示傳感器的輸出結(jié)果與被測(cè)量的實(shí)際值(真值或約定真值)之間的符合程度，是測(cè)量值的精密程度與準(zhǔn)確程度的綜合反映。傳感器處于測(cè)試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實(shí)地反映被測(cè)量值，對(duì)整個(gè)測(cè)試

23、系統(tǒng)具有直接影響。55第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則六、精確度準(zhǔn)確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如,某流量傳感器的準(zhǔn)確度為0.3m3/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m3/s。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準(zhǔn)確度高不一定精密度高。精密度：說明測(cè)量傳感器輸出值的分散性，即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量，由同一個(gè)測(cè)量者，用同一個(gè)傳感器，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，其測(cè)量結(jié)果的分散程度。例如，某測(cè)溫傳感器的精密度為0.5。精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機(jī)誤差小。注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。56第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本

24、特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則六、精確度精確度：是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高。在最簡(jiǎn)單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機(jī)器的常以測(cè)量誤差的相對(duì)值表示。 （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57第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則六、精確度然而，也并非要求傳感器的精確度愈高愈好，因?yàn)檫€應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性。傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴，因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來(lái)選擇。選擇傳感器時(shí)，應(yīng)首先了解測(cè)試目的，判定是定性分析還是定量分析。如果屬于相對(duì)比較性的試驗(yàn)研究，只需獲得相對(duì)比較值即可，則應(yīng)要求傳感器的精密度高，而無(wú)需求絕對(duì)量值。如果是定量分析，就

25、必須獲得精確量值，故應(yīng)要求傳感器具有足夠高的精確度。58第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則七、動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性反映了傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)量的響應(yīng)特性。傳感器的響應(yīng)特性必須在所測(cè)頻率范圍內(nèi)努力保持不失真測(cè)量條件。此外，實(shí)際傳感器的響應(yīng)總有一定遲延，但總希望遲延時(shí)間越短越好。一般地，利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感器，響應(yīng)時(shí)間短，工作頻率范圍寬。而結(jié)構(gòu)型，如電感、電容、磁電式傳感器等，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，往往由于機(jī)電一體化系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻率低。59第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則七、動(dòng)態(tài)特性在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，傳感器的響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)

26、果有直接影響，選用時(shí)，應(yīng)充分考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn)(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等)。60第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則七、動(dòng)態(tài)特性隨著機(jī)電一體化技術(shù)革命的深入發(fā)展，對(duì)隨時(shí)間快速變化的動(dòng)態(tài)量的傳感檢測(cè)的機(jī)會(huì)越來(lái)越多。因此，除滿足對(duì)傳感器的靜態(tài)特性要求之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性要求。在實(shí)際工作中，可以根據(jù)傳感檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)一標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)評(píng)定它的動(dòng)態(tài)特性。因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的響應(yīng)和它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，知道了前者，就可以推算后者。61第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則七、動(dòng)態(tài)特性在時(shí)域內(nèi)，研究動(dòng)態(tài)特性時(shí)常用階躍信號(hào)分析傳感檢測(cè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響

27、應(yīng)(如超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、上升時(shí)間等)。在頻域內(nèi)，采用正弦輸入信號(hào)分析傳感檢測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，包括幅頻特性和相頻特性。62第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則七、動(dòng)態(tài)特性對(duì)傳感檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的理論研究，通常應(yīng)先建立傳感檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過拉氏變換找出其傳遞函數(shù)的表達(dá)式，再根據(jù)輸入條件得到相應(yīng)的頻率特性，并以此來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。大部分傳感檢測(cè)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為一階或二階系統(tǒng)。因此，可以方便地應(yīng)用機(jī)械控制工程中的分析方法和結(jié)論。63第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則八、環(huán)境參數(shù)環(huán)境參數(shù)主要是指?jìng)鞲衅髟试S使用的工作溫度范圍以及環(huán)境壓力、環(huán)境振動(dòng)和沖擊等引起的環(huán)境壓

28、力誤差、環(huán)境振動(dòng)誤差和沖擊誤差等等。選用傳感器時(shí)應(yīng)充分考慮抗環(huán)境干擾的能力。此外，傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的工作方式，也是選用傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量；在線測(cè)量與離線測(cè)量等。工作方式不同對(duì)傳感器要求也不同。64第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則八、環(huán)境參數(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)參數(shù)(例如位移、速度、加速度、振動(dòng)、力、力矩)，往往需要非接觸測(cè)量。因?yàn)閷?duì)部件的接觸式測(cè)量不僅造成對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響，且有許多實(shí)際困難，諸如測(cè)量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動(dòng)，信號(hào)的采集都不易妥善解決，也易于造成測(cè)量誤差。采用非接觸式傳感器，會(huì)有很大方便。在線檢測(cè)是與實(shí)際情況更

29、接近一致的檢測(cè)方法，特別是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程的控制與檢測(cè)往往要求真實(shí)性與可靠性。65第三節(jié) 傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與選用原則八、環(huán)境參數(shù)因此必須在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)條件下才能達(dá)到傳感檢測(cè)要求。實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的新型傳感器的研制，也是當(dāng)前檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。66第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)在明確傳感器輸入輸出變換關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具產(chǎn)生已知的標(biāo)準(zhǔn)非電量(或其它標(biāo)準(zhǔn)量)輸入，確定其輸出電量與其輸入量之間關(guān)系的過程，稱為標(biāo)定(計(jì)量學(xué)稱之為定度)。傳感器在使用前或使用過程中或擱置一段時(shí)間再使用時(shí)，必須對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)或作必要的調(diào)整與修正，以確保傳感器的測(cè)量精度。這個(gè)復(fù)測(cè)調(diào)整過程稱為校準(zhǔn)。

30、67第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)校準(zhǔn)與標(biāo)定的內(nèi)容基本相同，目的也基本相同。有時(shí)輸入的標(biāo)準(zhǔn)量是利用一標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測(cè)信號(hào)，這時(shí)的標(biāo)定實(shí)質(zhì)上是待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較。 68第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器(如量塊、砝碼、恒溫源)或被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)(如標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)等)；待標(biāo)定傳感器；它所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)器及顯示、記錄器等，所配接的儀器設(shè)備亦作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備使用，其精度已知。 69第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)70第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)任何一種傳感器在裝配完后都必須按設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行全面嚴(yán)格的性能鑒定。使用一段

31、時(shí)間后（中國(guó)計(jì)量法規(guī)定一般為一年）或經(jīng)過修理，也必須對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，以便確保傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到要求。傳感器標(biāo)定就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確立器輸出量和輸入量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)的用途輸入可以是靜態(tài)的也可以是動(dòng)態(tài)的。因此傳感器的標(biāo)定有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)定二種。71第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)一、傳感器的靜態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定是給傳感器輸入已知不變的標(biāo)準(zhǔn)非電量，測(cè)出其輸出，給出標(biāo)定曲線、標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計(jì)算其靈敏度、線性度、滯差、重復(fù)性等傳感器的靜態(tài)指標(biāo)。傳感器的靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備(標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生器)有力標(biāo)定設(shè)備(如測(cè)力砝碼、拉壓

32、式測(cè)力計(jì)等)、壓力標(biāo)定設(shè)備(如水銀壓力計(jì)、麥?zhǔn)险婵沼?jì)、活塞式壓力計(jì)等)、溫度標(biāo)定設(shè)備(如鉑電阻溫度計(jì)、鉑銠鉑熱電偶、基準(zhǔn)光電高溫比較儀等)等。 72第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)一、傳感器的靜態(tài)標(biāo)定73第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)一、傳感器的靜態(tài)標(biāo)定74第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)一、傳感器的靜態(tài)標(biāo)定對(duì)標(biāo)定設(shè)備的要求是：具有足夠的精度，至少應(yīng)比被標(biāo)定的傳感器高一個(gè)精度等級(jí)，并且應(yīng)符合國(guó)家計(jì)量值傳遞的規(guī)定，或經(jīng)計(jì)量部門檢定合格；量程范圍應(yīng)與被標(biāo)定傳感器的量程相適應(yīng)；性能穩(wěn)定可靠，使用方便，能適應(yīng)多種環(huán)境。75第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)二、傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是檢驗(yàn)測(cè)試傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。通過

33、確定其線性工作范圍(用同一頻率輸入不同幅值的正弦信號(hào)，測(cè)量傳感器的輸出)、頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性和相頻特性曲線、階躍響應(yīng)曲線，來(lái)確定傳感器的頻率響應(yīng)范圍、幅值誤差和相位誤差、時(shí)間常數(shù)、阻尼比、固有頻率等。76第四節(jié) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)二、傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定時(shí)，需有一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)它激勵(lì)，常用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)有二類：一是周期函數(shù)，如正弦波等；另一是瞬變函數(shù)，如階躍波等。用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)激勵(lì)后得到傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)分析計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、便可決定其頻率特性，即幅頻特性、阻尼和動(dòng)態(tài)靈敏度等。77第五節(jié) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向科學(xué)技術(shù)特別是微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展與普及，為傳感器與檢測(cè)技

34、術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。目前，在研究最大限度地提高現(xiàn)有傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)的精確度、靈敏度、性能/價(jià)格比、可靠性，擴(kuò)大測(cè)量范圍、縮小體積的同時(shí)，還應(yīng)尋求傳感檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的新途徑。78第五節(jié) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向一、開發(fā)新型傳感器1.新材料傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，由于材料科學(xué)的進(jìn)步，人們?cè)谥圃鞎r(shí)，可任意控制它們的成分，從而設(shè)計(jì)制造出用于各種傳感器的功能材料。用復(fù)雜材料來(lái)制造性能更加良好的傳感器是今后的發(fā)展方向之一。（1）半導(dǎo)體敏感材料（2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料79第五節(jié) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向一、開發(fā)新型傳感器1.新材料如，半導(dǎo)體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶

35、瓷傳感器工作溫度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體，光導(dǎo)纖維的應(yīng)用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統(tǒng)的相比有突出的特點(diǎn)。有機(jī)材料作為傳感器材料的研究，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。80第五節(jié) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向一、開發(fā)新型傳感器2.新工藝在發(fā)展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發(fā)展新型傳感器聯(lián)系特別密切的微細(xì)加工技術(shù)。該技術(shù)又稱微機(jī)械加工技術(shù)，是近年來(lái)隨著集成電路工藝發(fā)展起來(lái)的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù)，目前已越來(lái)越多地用于傳感器領(lǐng)域。81第五節(jié) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向一、開發(fā)新型傳感器2.新工藝?yán)缋冒雽?dǎo)體技術(shù)制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應(yīng)的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術(shù)進(jìn)行高精度三維加工，在硅片上構(gòu)成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。82第五節(jié) 傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向一、開發(fā)新型傳感器3.新原理傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索