传感器和测量基本概念

传感器和测量基本概念第一页，共五十页，2022年，8月28日第一节传感器基本概念

一、检测技术在国民经济中的地位和作用

检测技术是现代化领域中很有发展前途的技术，它在国民经济中起着极其重要的作用。

第二页，共五十页，2022年，8月28日二、检测系统组成

目前，非电量的检测多采用电测量法，即首先将各种非电量转变为电量，然后经过一系列的处理，将非电量参数显示出来，其原理框图如1—1所示。第三页，共五十页，2022年，8月28日第四页，共五十页，2022年，8月28日传感器（Transducer）是指一个能把被测的非电量变换成电量的器件。信号处理电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定功率的电压或电流、频率信号等，以推广后级的显示电路、数据处理电路及执行机构。第五页，共五十页，2022年，8月28日目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。第六页，共五十页，2022年，8月28日数据处理装置用来对测试所得的实验结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果作频谱分析、幅值谱分析、能量谱分析等，完成以上工作必须采用计算机技术。第七页，共五十页，2022年，8月28日数据处理的结果通常送到显示器和执行机构中去，以显示运算处理的各种数据及控制各种被控对象。而在不带数数据处理装置的自动检测系统中，显示器和执行机构由信号处理电路直接驱动，如图1—1中的虚线所示。第八页，共五十页，2022年，8月28日所谓执行机构通常是指各种继电器、电磁铁、电磁阀门、伺服电动机等在电路中起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。许多检测系统能输出与被测量有关的电流或电压信号，去驱动这些执行机构，从而为自动控制系统提供信号。第九页，共五十页，2022年，8月28日现在的检测系统越来越多地使用计算机（微机）来控制执行机构的工作。检测技术、计算机技术与执行机构等配合就能构成工业中的某些控制系统。第十页，共五十页，2022年，8月28日三、检测技术发展趋势1)不断提高检测系统的测量精度、量程范围延长使用寿命、提高可靠性2)应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域3)发展集成化、功能化的传感器4)采用微机技术，使检测技术智能化第十一页，共五十页，2022年，8月28日第二节测量的基本概念一.测量定义：将被测量与同性质的标准量用专门的技术和设备进行比较，获得被测量对比该标准量的倍数，从而在量值上给出被测量的大小和符号。第十二页，共五十页，2022年，8月28日表示式：X=A*X0其中：X为被测量；X0为标准量；A为比值（无量纲）。第十三页，共五十页，2022年，8月28日标准量必须有单位，单位越小，A数值越大，A=X/X0，测量精度越高。例：以mm最小分格，以cm最小分格，哪个测量精度高。而人眼分辨1/10。标准量：国际上或国家特定机构所指定的。第十四页，共五十页，2022年，8月28日测量方法：直接测量（如电压表测电压）从事先分度好的表盘读被测量。间接测量（如伏安法测电阻）利用被测量与某中间量之函数关系，先测出中间量，再通过函数关系计算被测量。第十五页，共五十页，2022年，8月28日二、测量仪表的精确度与分辨率精确度〈精度〉指标有三个：精密度、准确度、精度等级。精密度（随机误差）：描述测量仪表指示值不一致程度的量。第十六页，共五十页，2022年，8月28日精确度：精密度和准确度的总和，以测量误差相对值反映测量仪表的优良程度。精度等级：在规定工作条件下，其最大绝对允许误差相对仪表测量范围的百分数。式A%=Δgmax/Xmax-Xmin*100%第十七页，共五十页，2022年，8月28日Δgmax为最大绝对允许误差值。Xmax/Xmin为测量范围的上、下限。A为精度等级，以标准百分数分档。A可为0.001，0.005，0.02，0.05…1.5，2.5，4.0，6.0等第十八页，共五十页，2022年，8月28日分辨率：显示仪表能够检测到被测量最小变化量的本领。模拟表为最小刻度一半（读数误差）/数字表为最后一位数字的一个字（读数误差）。第十九页，共五十页，2022年，8月28日三、直接测量的三种方法第二十页，共五十页，2022年，8月28日零位法：被测量与已知标准量在比较仪器中进行比较，使这两种量对仪器的作用抵消为零（例如天平测量砝码，已知标准量）。测量精度高。偏差法：测量仪表用指针相对于表盘上刻度线的位移来直接表示被测量的大小（用标准量标定过，例如弹簧秤）。测量精度不高。微差法：零位法和偏差法的结合，先将被测量与一个已知标准两进行比较，即不彻底的零位法，不足部分，即被测量与标准量之差，再用偏差法测出（例如长度测量）。误差小，不需反复平衡操作。第二十一页，共五十页，2022年，8月28日四、测量误差及分类（一）绝对误差和相对误差绝对误差：测量值Ax与真值A0之间的差值。Δ=Ax-A0修正值α=-Δ第二十二页，共五十页，2022年，8月28日相对误差：实际相对误差rA：绝对误差Δ与被测量真值A0的百分比。rA=Δ/A0*100%示值相对误差rx：绝对误差Δ与被测量Ax的百分比。rx=Δ/Ax*100%满度相对误差rm：绝对误差Δ与满度值Am的百分比。rm=Δ/Am*100%第二十三页，共五十页，2022年，8月28日精度等级s：当Δ取最大值Δm时，满度相对误差。S=︱Δm/Am︳*100%我国电工仪表0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0，七个级别。第二十四页，共五十页，2022年，8月28日（二）粗大误差、系统误差和随即误差粗大误差：明显偏离真值的误差。应剔除系统误差：误差数值固定或按一定规律变化者。随机误差：误差的绝对值和正负以不可预见的方式变化，服从统计规律。第二十五页，共五十页，2022年，8月28日（三）静态误差和动态误差静态误差：被测量不随时间变化。动态误差：被测量随时间迅速变化时，系统输出在时间上不能与被测量的变化吻合。第二十六页，共五十页，2022年，8月28日第三节传感器特性一、传感器的一般特性传感器将被测量的变化能否不失真地变换成相应电量取决于传感器本身基本特性。输出—输入特性。静态特性：被测量的数值在稳定状态时，传感器的输出与输入的关系。静态特性技术指标：线性度、灵敏度、迟滞和重复性。线性度(非线性误差)：实际输出—输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差再与输出满度值相比。如图1—2所示。第二十七页，共五十页，2022年，8月28日第二十八页，共五十页，2022年，8月28日rL=Δmax/ym*100%其中：rL为线性度；Δmax为最大非线性绝对误差；Ym为输出满度值。第二十九页，共五十页，2022年，8月28日灵敏度：在稳态标准条件下，输出变化与输入变化的比值K。(输出变化量Δy与引起该变化的输入变化量Δx之比，校正曲线斜率。线性传感器K为常数。)K=输出量的变化量/输入量的变化量=迟滞（实验方法测得）：输入量增大行程期间和输入量减小行程期间，输出—输入特性曲线不重合的程度。如图1—3所示。第三十页，共五十页，2022年，8月28日第三十一页，共五十页，2022年，8月28日yH=1/2*Δmax/ym*100%其中：Δmax为正、反行程输出最大差值。重复性：输入量在同一方向〈增或减〉做全量程内连续重复测量，所得输出—输入特性曲线不一致的程度。如图1-4

第三十二页，共五十页，2022年，8月28日第三十三页，共五十页，2022年，8月28日Yr=±△max/ym*100%△max为△m1、△m2之较大者。第三十四页，共五十页，2022年，8月28日动态特性：测量动态信号时，输出对输入的响应特性。实际中大量的被测量随时间变化的是动态信号；若输出随时间的变化规律再现输入量随时间的变化规律，说明性能好。动态误差：实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间常数。（对随时间变化的输入量的响应特性。第三十五页，共五十页，2022年，8月28日二、传感器中的弹性敏感元件传感器一般由敏感元件和传感元件两个基本部分组成。如图1-5所示。第三十六页，共五十页，2022年，8月28日第三十七页，共五十页，2022年，8月28日敏感元件：直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量〈一般仍为非电量〉的元件。例如膜片将被测压力转变成位移。传感元件：将敏感元件感受到的非电量转换为别的非电量的器件。例如电阻应变片将应变（位移）转换成电阻的变化。转换电路：传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号。例如电桥、放大器、振荡器等。第三十八页，共五十页，2022年，8月28日然而，并不是所有传感器必须包括敏感元件和传感元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为传感元件。如果传感元件直接感受被测非电量而输出与之成确定关系的电量，此传感器无敏感元件。例如压电晶体、热电偶、热敏电阻等。敏感元件与传感元件合二为一。第三十九页，共五十页，2022年，8月28日机械弹性敏感元件的输入量，可以是集中的力、力矩、流体压力和温度等各种非电量。而输出量是弹性元件本身的变形〈应变、位移、转角等〉。第四十页，共五十页，2022年，8月28日第四十一页，共五十页，2022年，8月28日弹性元件分类：两大类（变换力和变换压力）变换力：力变换成应变或位移的弹性元件。变换压力：压力变换成应变或位移的弹性元件。第四十二页，共五十页，2022年，8月28日。但威力标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。可采用各种方法，包括计算机硬件或软件补偿，进行线性化处理。但这些办法都较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，采用直线拟合的办法来线性化。理论拟合：如图1—7，与测试无关，简单但很大，拟合直线为传感器理论特性。第四十三页，共五十页，2022年，8月28日第四十四页，共五十页，2022年，8月28日过零旋转拟合：如图1—8，常用校正曲线过零的传感器，拟合时，使=。简单且误差小。第四十五页