传感器与检测技术ppt课件第一章.ppt

第1章 传感器理论基础 n1.1 传感器基础 n1.1.1 传感器的概念 n传感器（Transducer/Sensor）是一种能感 受规定的被测量并按照一定的规律转换成可 用量的器件和装置。 传感器就是把非电量转换成电量的装置。 1 *2 1.1.2 传感器的组成和分类 n1传感器的组成 n传感器是由敏感元件、转换元件和测量 电路组成，如图1-1所示。 2 1.1.2 传感器的组成与分类 n敏感元件(sensing element)： 直接感受 被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物 理量的元件，它是传感器的核心。 n转换元件(transduction element)： 将 敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号 的元件。 n测量电路(measuring circuit)： 将转换 元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如 放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特 性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功 能。 *3 *4 1.1.2 传感器的组成和分类 n（1）按照其工作原理，传感器可分为电参数式(如电阻式、 电感式和电容式)传感器、压电式传感器、光电式传感器及热 电式传感器等。 n（2）按照其被测量对象，传感器可分为力、位移、速度、 加速度传感器等。常见的被测物理量有机械量、声、磁、温 度和光等。 n（3）按照其结构，传感器可分为结构型、物性型和复合型 传感器。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的 变化来实现信号变换，如：水银温度计。结构型传感器是依 靠传感器结构参数的变化实现信号变换，如：电容式传感器 。 n2传感器的分类 1.1.3 传感器基本特性 n当传感器的输入信号是常量，不随时间变化时，其 输入输出关系特性称为静态特性。 n传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性 ，即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号（被测 量）x(t)之间的关系，传感器系统示意图如下图所 示。 *5 1.1.3 传感器基本特性 n传感器的静态特性： n1. 测量范围：传感器所能测量到的最小输入量 与最大输入量 之间 的范围称为传感器的测量范围。 n2. 量程：传感器测量范围的上限值 与下限值 的代数差 - 称为量程。 n3. 精度：传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差 的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的 概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大 允许误差，即相对误差。 n4. 灵敏度：灵敏度是指传感器输 n出的变化量与引起该变化量的输入变 n化量之比，即 ，如右图所示。 *6 1.1.3 传感器基本特性 n5. 线性度：指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想 直线的程度。在非线性误差不太大的情况下，通常采用直线拟合 的方法来线性化。这样，线性度就用输入-输出关系曲线与拟合直 线之间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。 式中， 为非线性最大误差(最大偏差); 为满量程输出值。 常用的直线拟合方法有理论拟合、端点拟合和端点平移拟合等， 如图1-7所示。采取不同的方法选取拟合直线，可以得到不同的 线性度。 *7 1.1.3 传感器基本特性 *8 1.1.3 传感器基本特性 *9 6. 分辨率 : 分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量最小 变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增加，直 到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是 分辨率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分数 来表示。该量说明了检测仪表响应与分辨输入量微 小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。一般模 拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。 数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。 1.1.3 传感器基本特性 *10 7. 重复性: 重复性是指传感器在输入量按同一方向 作全量程连续多次变动时所得特性曲线 间不一致的程度. 1.1.3 传感器基本特性 *11 8. 迟滞: 迟滞特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入 量减小)行程中输出特性曲线不重合的程度，如图所 示为传感器的迟滞特性特性曲线。 1.1.3 传感器基本特性 *12 9. 稳定性: 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力 。 10. 漂移: 漂移是指在外界的干 扰下，在一定时间间隔内， 传感器输出量发生与输入 量无关的或不需要的变化。 漂移包括零点漂移和灵敏 度漂移等，如图所示。 1.1.4 传传感器的命名、代号和图图形符号 *13 1.传传感器的命名 传感器的全称应由“主题词+四级修饰语”组成，即 主题词 传感器 一级修饰语 被测量，包括修饰被测量的定语 。 二级修饰语 转换原理，一般可后缀以“式”字。 三级修饰语 特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材 料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后缀以“型”字。 四级修饰语 主要技术指标(如量程、精度、灵敏度等) 。 1.1.4 传传感器的命名、代号和图图形符号 *14 2传感器的代号 一种传感器的代号应包括以下四部分： a 主称(传感器)；b 被测量；c 转换原理 ；d 序号，如图所示。 1.1.4 传传感器的命名、代号和图图形符号 *15 3传感器的图形符号 传感器的图形符号是电气图用图形符号的一个组成部 分。按GB/T 1447993传感器图用图形符号规定 ，传感器的图形符号由符号要素正方形和等边三角形 组成，如图所示。 1.1.5 传感器的发展趋势 *16 （1） 发现利用新现象、新效应； （2）开发新材料； （3）采用高新技术； （4）拓展应用领域； （5）提高传感器的性能； （6）传感器的微型化与低功耗； （7）传感器的集成化与多功能化 ； （8）传感器的智能化与数字化； （9）传感器的网络化。 *17 n1.2.1 检测技术 检测技术是以研究检测系统中的信息 提取、信息转换以及 信息处理的理论与 技术为主要内容的一门应用技术学科。 检测技术主要研究被测量的测量原理、 测量方法、检测系统和数据处理等方面 的内容。不同性质的被测量要采用不同 的原理去测量，测量同一性质的被测量 也可采用不同测量原理。 1.2 检测技术理论基础 *18 n1.2.2 测量方法 1) 直接测量、间接测量和组合测量 (又称联立 测量)。经过求解联立方程组，才能得到被测物理量的最后结 果，则称这样的测量为组合测量。 2) 偏差式测量、零位式测量与微差式测量 3) 等精度测量与非等精度测量 4) 静态测量与动态测量 1.2检测技术理论基础 *19 n1.2. 3 检测系统 检测系统是由被测对象、传感器、数据传输环节、数据 处理环节和数据显示环节构成， 1.2检测技术理论基础 *20 n1.2. 3 检测系统 检测系统又分：开环检测系统与闭环检测系统 1.2检测技术理论基础 *21 n1.2. 4 测量误差及数据处理 测量误差 在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法 和检测人员都会受到各种变动因素的影响。而对被测 量的转换，有时也会改变被测对象原有的状态。这就 造成了检测结果和被测量的客观真值之间存在一定的 差别，这个差值称为测量误差。简言之，测量误差就 是测量值与真实值之间的差值，它反映了测量的精度 。测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误 差、方法误差和人员误差等。 1.2检测技术理论基础 *22 n1.2. 4 测量误差及数据处理 测量数据的估计和处理 n1) 随机误差的评价指标 n（1） 算术平均值。在实际测量时，真值A一般无法得到。可以 证明，随着测量次数的增多，算术平均值越来越接近真值，当 无限大时，测量值的算术平均值就是真值。 n（2）标准误差(又称均方根误差)。算术平均值是反映随机误差 的分布中心，而标准误差则反映随机误差的分布范围。标准误 差越大，测量数据的分散范围也越大，标准误差可以描述测量 数据和测量结果的精度，