第一章傳感器技術基礎知識講義課件

傳感器與檢測技術傳感器與檢測技術第一章傳感器技術基礎知識1.1傳感器的組成和分類1.2傳感器的基本特征1.3檢測技術的基礎知識第一章傳感器技術基礎知識1.1傳感器的組成和分類第一節(jié)傳感器的組成和分類第一節(jié)傳感器的組成和分類廣義：傳感器是一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規(guī)律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置。狹義：能把外界非電信息轉換成電信號輸出的器件。一、傳感器的組成廣義：一、傳感器的組成根據中華人民共和國國家標準（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件和裝置。包含的概念：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；②它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；③它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；④輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。根據中華人民共和國國家標準（GB7665-87）傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據傳感器的功能要求，它一般應由三部分組成，即：敏感元件、轉換元件、轉換電路。敏感元件轉換元件輔助電源信號調理轉換電路被測量電量輸出傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)。敏感元件轉換元件輔助電源信號調敏感元件能夠靈敏地感受被測量并作出響應的元件，如金屬或半導體應變片，能感受壓力的大小而引起形變，形變程度就是對壓力大小的響應。鉑電阻能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對溫度升降的響應，所以鉑電阻就是一種溫度敏感元件，而金屬或半導體應變片，就是一種壓力敏感元件。敏感元件轉換元件上面介紹的敏感元件，其中有許多可兼做轉換元件。轉換元件實際上就是將敏感元件感受的被測量轉換成電路參數的元件。如果敏感元件本身就能直接將被測量變成電路參數，那么，該敏感元件就是具有了敏感和轉換兩個功能。如熱敏電阻，它不僅能直接感受溫度的變化，而且能將溫度變化轉換成電阻的變化，也就是將非電路參數（溫度）直接變成了電路參數（電阻）。轉換元件轉換電路轉換元件輸出的電路參數接入基本轉換電路便可轉換成電量輸出。由于輸出信號比較微弱，需要通過信號調理和轉換電路進行放大和運算調制，同時必須有輔助電源。轉換電路1．根據被測物理量分類速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等。(適用于實際使用者)2．按工作原理分類應變式、電壓式、電容式、渦流式、差動變壓器式等。（適用于初學者）3．按能量的傳遞方式分類有源和無源傳感器。二、傳感器的分類二、傳感器的分類第二節(jié)傳感器的基本特性第二節(jié)傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關系。其輸入量與輸出量之間的關系式中不含有時間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標線性度、靈敏度、遲滯性和重復性等一、傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定1．線性度線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度?？煞譃榫€性特性和非線性特性。用一個多項式表示： 式中：a0——輸入量x為零時的輸出量；

a1，a2，…，an——非線性項系數。實際使用中，希望得到線性關系，如非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段，如圖1-2所示，使傳感器輸出—輸入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線。

1．線性度線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度圖1-2幾種直線擬合方法

(a)理論擬合；(b)過零旋轉擬合；(c)端點連線擬合；(d)端點平移擬合

即使是同類傳感器擬合直線不同其線性度也是不同的圖1-2幾種直線擬合方法(a)理論擬合；(b)實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線性度），通常用相對誤差γL表示：

式中：ΔLmax——最大非線性絕對誤差；

YFS—滿量程輸出。

用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。相對偏差γL

實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差（或線2．靈敏度

靈敏度S：傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量的輸入量增量Δx的比值，即：

線性傳感器靈敏度是它的靜態(tài)特性的斜率，即S為常數。非線性傳感器它的靈敏度S為一變量，用下式表示。

2．靈敏度靈敏度S：傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量傳感器的靈敏度如圖1-3所示。a）線形傳感器b）非線形傳感器傳感器的靈敏度如圖1-3所示。a）線形傳感器b）非線形傳感器3．遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現象稱為遲滯。結論：對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等。產生這種現象的主要原因：傳感器敏感元件材料的物理性質和機械零部件的缺陷所造成的。遲滯大小通常由實驗確定3．遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間其輸遲滯誤差γH

式中：ΔHmax—正反行程輸出值間的最大差值。遲滯誤差γH式中：ΔHmax—正反行程輸出值間的最大差值。4．重復性重復性：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

重復性誤差γR屬于隨機誤差，常用標準偏差表示，也可用正反行程中的最大偏差表示，即：4．重復性重復性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變二、傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性：其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。當被測量隨時間變化，是時間的函數時，則傳感器的輸出量也是時間的函數，其間的關系要用動特性來表示。除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。二、傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性：動態(tài)測溫問題實例把一支溫度計從溫度為t0℃環(huán)境中迅速插入一個溫度為t℃的恒溫水槽中（插入時間忽略不計），這時溫度計溫度從t0℃突然上升到t，而溫度計反映出來的溫度從t0℃變化到t℃需要經歷一段時間，即有一段過渡過程。溫度計反映出來的溫度與介質溫度的差值就稱為動態(tài)誤差。動態(tài)測溫問題實例把一支溫度計從溫度為t0℃環(huán)境中迅速插入一個造成溫度計輸出波形失真和產生動態(tài)誤差的原因，是溫度計有熱慣性（由傳感器的比熱容和質量大小決定）和傳熱熱阻，使得在動態(tài)測溫時傳感器輸出總是滯后于被測介質的溫度變化。這種熱慣性是溫度計固有的，決定了溫度計測量快速溫度變化時會產生動態(tài)誤差。動態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關之外，還與傳感器輸入量的變化形式有關。也就是說，我們在研究傳感器動特性時，通常是根據不同輸入變化規(guī)律來考察傳感器的響應的。

下面分析以正弦信號和階躍信號作為標準輸入信號。對于正弦輸入信號，傳感器的響應稱為頻率響應或穩(wěn)態(tài)響應；對于階躍輸入信號，則稱為傳感器的階躍響應或瞬態(tài)響應。造成溫度計輸出波形失真和產生動態(tài)誤差的原因，是溫度計有熱慣性1．瞬態(tài)響應特性傳感器的瞬態(tài)響應是時間響應。在研究傳感器的動態(tài)特性時，有時需要從時域中對傳感器的響應和過渡過程進行分析。這種分析方法是時域分析法，傳感器對所加激勵信號響應稱瞬態(tài)響應。常用激勵信號有階躍函數、斜坡函數、脈沖函數等。傳感器的動態(tài)性能指標有以下幾個方面：（1）一階傳感器的單位階躍響應一階傳感器單位階躍響應的通式：x(t)、y(t)分別為傳感器的輸入量和輸出量。它們都是時間的函數，表征傳感器的時間常數，具有時間“秒”的量綱。1．瞬態(tài)響應特性傳感器的瞬態(tài)響應是時間響應。在研究傳感器的動一階傳感器的單位階躍響應信號為：相應的響應曲線：傳感器存在慣性，它的輸出不能立即復現輸入信號，而是從零開始，按指數規(guī)律上升，最終達到穩(wěn)態(tài)值。理論上傳感器的響應只在t趨于無窮大時才達到穩(wěn)態(tài)值，但實際上當t=4τ時其輸出達到穩(wěn)態(tài)值的98.2%，可以認為已達到穩(wěn)態(tài)。τ越小，響應曲線越接近于輸入階躍曲線，因此，τ值是一階傳感器重要的性能參數。一階傳感器的單位階躍響應信號為：相應的響應曲線：傳感器存在（2）二階傳感器的單位階躍響應

固有頻率ωn由傳感器主要結構參數所決定。

ωn越高，傳感器的響應越快。當ωn為常數時，傳感器的響應取決于阻尼比ξ。阻尼比ξ直接影響超調量和振蕩次數。二階傳感器的單位階躍響應的通式為：

ωn——傳感器的固有頻ξ——傳感器的阻尼ξ=0，為臨界阻尼，超調量為100%，產生等幅振蕩，達不到穩(wěn)態(tài)。ξ>1，為過阻尼，無超調也無振蕩，但達到穩(wěn)態(tài)所需時間較長。ξ<1，為欠阻尼，衰減振蕩，達到穩(wěn)態(tài)值所需時間隨ξ的減小而加長。ξ=1時響應時間最短。但實際使用中常按稍欠阻尼調整，ξ取0.7～0.8為最好。（2）二階傳感器的單位階躍響應（3）瞬態(tài)響應特性指標①時間常數τ：一階傳感器時間常數τ越小，響應速度越快。②延時時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的50%所需時間。③上升時間：傳感器輸出達到穩(wěn)態(tài)值的90%所需時間。④超調量：傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值。（3）瞬態(tài)響應特性指標①時間常數τ：2．頻率響應特性傳感器對正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應特性。頻率響應特性指標包括：頻帶：傳感器增益保持在一定值內的頻率范圍為傳感器頻帶或通頻帶，對應有上、下截止頻率。時間常數：用時間常數τ來表征一階傳感器的動態(tài)特性。τ越小，頻帶越寬。固有頻率：二階傳感器的固有頻率ωn表征了其動態(tài)特性。2．頻率響應特性傳感器對正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應傳感器的選用原則與測量條件有關的因素

(1)測量的目的

(2)被測試量的選擇

(3)測量范圍

(4)輸入信號的幅值，頻帶寬度

(5)精度要求

(6)測量所需要的時間傳感器的選用原則與測量條件有關的因素與傳感器有關的技術指標(1)精度

(2)穩(wěn)定度

(3)響應特性

(4)模擬量與數字量

(5)輸出幅值(6)對被測物體產生的負載效應

(7)校正周期

(8)超標準過大的輸入信號保護與傳感器有關的技術指標(1)精度(6)對被測物體產生的負載與使用環(huán)境條件有關(1)安裝現場條件及情況(2)環(huán)境條件(3)信號傳輸距離(4)所需現場提供的功率容量與購買和維修有關

(1)價格

(2)零配件的儲備

(3)服務與維修制度，保修時間

(4)交貨日期。與使用環(huán)境條件有關與購買和維修有關第三節(jié)檢測技術的基本知識第三節(jié)檢測技術的基本知識1.3.1測量概論在工程實踐和科學實驗中，要對信息資源進行開發(fā)、獲取、傳輸和處理。檢測任務：正確及時地掌握各種信息，即要獲取被測對象信息的大小。信息采集：測量和取得測量數據。1.3.1測量概論

測量是指人們用實驗的方法，借助于一定的儀器或設備，將被測量與同性質的單位標準量進行比較，并確定被測量對標準量的倍數，從而獲得關于被測量的定量信息?；騲——被測量值；u——標準量，即測量單位；n——比值，含有測量誤差。測量測量測量過程傳感器從被測對象獲取被測量的信息，建立起測量信號，經過變換、傳輸、處理，從而獲得被測量量值的過程。包含比較、示差、平衡和讀數等四個步驟。測量過程傳感器從被測對象獲取被測量的信息，建立起測量信號，經例如：用鋼卷尺測量桿件長度時，首先將卷尺拉出與桿件緊靠在一起，進行“比較”；找出卷尺與桿件的長度差別，即“示差”；調整卷尺長度使二者長度相等，達到“平衡”；從卷尺刻度上讀出桿件的長度，即“讀數”。例如：測量結果由測量所獲得的被測量的量值。包括：估計值、測量單位、測量不確定度；表示方法：數值、曲線或圖形；注意：測量結果中必須注明單位。測量結果由測量所獲得的被測量的量值。1.3.2測量方法實現被測量與標準量比較得出比值的方法。根據獲得測量值的方法：直接測量、間接測量、組合測量；根據測量方式：偏差式測量、零位式測量、微差式測量；根據測量條件：等精度測量、不等精度測量；根據被測量變換快慢：靜態(tài)測量、動態(tài)測量；1.3.2測量方法實現被測量與標準量比較得出比值的方法。1.直接測量、間接測量與組合測量直接測量：測得值直接與標準量進行比較，不需要經過任何運算，直接得到被測量的數值。

y＝x間接測量：將與被測量有確定函數關系的幾個量直接測量后代入函數關系式，經過計算得到所需要的結果。

y＝f(x)組合測量：被測量必須經過求解其與測得值之間的函數關系方程式組得到。1.直接測量、間接測量與組合測量直接測量：測得值直接與標準量2.偏差式測量、零位式測量與微差式測量偏差式測量：用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的量值；零位式測量：用零位反映測量系統(tǒng)的平衡，在測量系統(tǒng)平衡時，用已知的標準量決定被測量的量值；微差式測量：綜合上述兩種方法優(yōu)點，先將被測量與已知的標準量相比較，取得差值后再用偏差法測得差值。2.偏差式測量、零位式測量與微差式測量偏差式測量：用儀表指針3.等精度測量與不等精度測量等精度測量：測量的過程中，認為當會影響和決定誤差大小的全部因素始終保持不變時，重復測量被測量；不等精度測量：測量過程中，改變了測量同一被測量時的條件。4.靜態(tài)測量與動態(tài)測量3.等精度測量與不等精度測量等精度測量：測量的過程中，認為當1.3.3測量系統(tǒng)檢測技術是研究自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉換及信息處理的理論和技術，是自動化技術四個支柱之一。從信息科學角度考察，檢測技術任務：尋找與自然信息具有對應關系的種種表現形式的信號，以及確定二者間的定性/定量關系；從反映某一信息的多種信號表現中挑選出在所處條件下最為合適的表現形式，以及尋求最佳的采集、變換、處理、傳輸、存儲、顯示等的方法和相應的設備。1.3.3測量系統(tǒng)檢測技術是研究自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、檢測技術：按照被測量的特點，選用合適的檢測裝置與實驗方法，通過測量和數據處理及誤差分析，準確得到被測量的數值，并為進一步提高測量精度，改進實驗方法及測量裝置性能提供可靠的依據。檢測技術：按照被測量的特點，選用合適的檢測裝置與實驗方法，通一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等部分組成，分別完成信息獲取、轉換、處理和顯示等功能。當然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少的部分。

被測對象傳感器變送器傳輸通道信號處理環(huán)節(jié)顯示裝置被測量一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記檢測系統(tǒng)各部分的特點1.為便于有效測量，需要給被測對象施加激勵信號，這樣可使被測對象處于預定狀態(tài)，并將其有關方向的內在聯(lián)系充分顯示出來。2.傳感器是把被測量轉換成電學量的裝置，它是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的部件，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。檢測系統(tǒng)各部分的特點3.變送器的作用是將傳感器的輸出信號轉換成易于傳輸和處理的電壓或電流信號。通常需要將傳感器輸出的微弱信號加以放大，以滿足顯示記錄裝置的要求。4.信號處理環(huán)節(jié)一般有兩個作用，一是信號轉換和放大，二是信號處理，即濾波、調制和解調、衰減運算、數字化處理等。3.變送器的作用是將傳感器的輸出信號轉換成易于傳輸和處理的電5.顯示裝置是將被測量信息變成人的感官能接受的形式，其是檢測人員和檢測系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)，使人們了解檢測數值的大小或變化的過程。目前常用的有模擬顯示、數字顯示和圖像顯示三種。為保證測量結果的準確性、穩(wěn)定性，上述環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間應保持一一對應和盡量不失真關系。5.顯示裝置是將被測量信息變成人的感官能接受的形式，其是檢測開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)1.開環(huán)測量系統(tǒng)全部信息變換沿一個方向進行，由于系統(tǒng)是由多個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的，故系統(tǒng)的相對誤差等于各環(huán)節(jié)相對誤差的和。被測對象傳感、變送k1放大k2顯示k3xx1x2y開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)1.開環(huán)測量系統(tǒng)全部信息變換沿一個2.閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道：正向和反饋。被測對象傳感、變送k1放大k2輸出、顯示k3xx1x2y反饋β△xxf＋－2.閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道：正向和反饋。被測對象傳感、變送放1.3.4測量誤差由于測量手段，外界因素等干擾，造成檢測結果和被測量的客觀真值之間存在一定的差別，這個差值稱為測量誤差。測量誤差是測得值減去被測量的真值。測量誤差的主要來源可以概括為工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差等。真值是未知的，常用或者理論真值，精度高的儀器的量值來代替真值相對真值。1.3.4測量誤差由于測量手段，外界因素等干擾，造成檢測結1.絕對誤差絕對誤差是示值（或稱測量值）與被測量真值之間的差值。設被測量的真值為L，測量值為x，則絕對誤差為由于一般無法求得真值L，在實際應用時常用精度高級的儀器的示值，約定為實際值x’代替真值L。x與x’之差稱為測量器具的示值誤差，記為通常以此值來代表絕對誤差。1.絕對誤差

修正值為了消除系統(tǒng)誤差用代數法加到測量結果上的值稱為修正值，常用C表示。將測得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即在實際工作中，用實際值x’近似真值L修正值與誤差值大小相等、符號相反。修正值2.相對誤差由于絕對誤差不能確切地反映出測量的準確度，所以引出相對誤差的概念。相對誤差是絕對誤差與真值（或實際值）之比。相對誤差有以下表現形式：①實際相對誤差②示值相對誤差（標稱相對誤差）2.相對誤差③滿度相對誤差(引用誤差)測量下限不為零的儀表，滿量程Am=Amax－Amin④準確度準確度是最大滿度誤差，即：

準確度習慣上稱為精度，儀表的精度有7個等級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0，可從儀表面板標志上判斷儀表的等級。等級越大，精度越高，儀表越貴。③滿度相對誤差(引用誤差)準確度習慣上稱為例：有一臺測量儀表，測量范圍為-200~800度，準確度為0.5級，現用它測量500度的溫度，求儀表引起的最大絕對誤差和示值相對誤差。解：

示值相對誤差：最大絕對誤差：例：有一臺測量儀表，測量范圍為-200~800度，準確度為0例：已知待測拉力為70N?，F有兩只測力計，一只為0.5級，測量范圍為0~500N；另一只為1.0級，測量范圍為0~100N。問選用哪一只