第1章绪论-2003版课件

1、传感器与检测技术本学期要求 1. 平时成绩（平时成绩（40%） 考勤（考勤（15%） 作业（作业（15%） 课堂表现（课堂表现（10%） 2. 期末考试（期末考试（60%）通过本章的学习，要求了解检测技术在我们生活、生产、科研等方面的重要性；了解测量的概念，掌握测量误差的特点；了解传感器的作用和分类；掌握自动检测系统的结构组成；了解自动检测技术的发展趋势。通过本章的学习，要求掌握误差的表达方式，能正确选择仪表进行测量，了解测量数据的分析和处理方法，熟悉传感器的基本性能指标。传感器的主要应用第1章 绪论 1.1引言传感器与检测技术在城市轨道交通中的应用 地铁空调系统地铁空调系统 给排水系统给排水

2、系统 供配电与照明系统供配电与照明系统 FASFAS系统系统 门禁系统门禁系统 屏蔽门系统屏蔽门系统 电梯控制系统电梯控制系统在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线小时在线监测系统。监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。在汽车、机床、电机、发动机等在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测。产品出厂时，必须对其性能质量检测。 图示为汽车出厂检验原理框图

3、，图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要要301 00种传感器。种传感器。 自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干

4、器、电自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院录像机、家庭影院 全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度洗净度) 液位传感器，液位传感器，电阻传感器电阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器鼠标鼠标: :光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD:CCD传感器传感器软驱

5、软驱: :速度速度, ,位置伺服位置伺服麦克风麦克风: :电容传声器电容传声器楼宇控制与安全防护楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。运行状况。 图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水安全

6、监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电废水管理和电梯监控。梯监控。烟雾传感器烟雾传感器亮度传感器亮度传感器人体探测器人体探测器 机械手、机器人中的传机械手、机器人中的传感器感器: 转动转动/移动位置传感移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。热觉传感器、嗅觉传感器。 传感在机器人上的应用传感在机器人上的应用密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗机器人服务员机器人服务员沙漠机器人沙漠机器人 超声波测距传

7、感器、判超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运置；红外线色彩传感器运动轨迹和动轨迹和AGV小车位置识别；小车位置识别；条形码传感器，货品识别。条形码传感器，货品识别。香港理工香港理工AGVAGV模型模型AGV自动送货车自动送货车 自动导引运输车（Automated Guided Vehicle） AGAGV V自自动动送送货货车车 20032003年年9 9月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老月，全球现场直播埃及金字塔世界最古老石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结石棺的考古挖掘进程，可能揭开古埃及金字塔内部结构之谜。构之谜。一个小机器人

8、通过了埃及最大的金字塔内一一个小机器人通过了埃及最大的金字塔内一条狭窄的通道，试图揭开条狭窄的通道，试图揭开46004600年前的秘密。它的探年前的秘密。它的探秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。秘之行以发现了又一道封闭的石门而告终。 图坦卡蒙的诅咒图坦卡蒙的诅咒“不论是谁骚扰了法老的安不论是谁骚扰了法老的安宁，死神之翼将在它的头上宁，死神之翼将在它的头上降临。降临。”传感器在生物医学上的应用传感器在生物医学上的应用医学医学光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量传感器与航空及航天传感器与航空及

9、航天传感器与环境保护传感器与环境保护污水流量、污水流量、PHPH值、电导、浊度、值、电导、浊度、CODCOD、BODBOD、TPTP、TNTN、矿物油、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、烟尘、烟气、SO2SO2、NONO、O3O3、COCO等参数测量等参数测量NOX NO + NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 烟尘浊度测量烟尘浊度测量传感器与

10、遥感技术传感器与遥感技术传感器在军事技术领域的应用传感器在军事技术领域的应用 先进的科学技术总是最先被应用于战争。先进的科学技术总是最先被应用于战争。 以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传以坦克、飞机、军舰为标志的作战平台是传统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障统的主战兵器，各类传感器不过是配属的保障设施。设施。 温度、湿温度、湿度、土壤干燥度、度、土壤干燥度、CO2CO2、光照度、土壤养分等参数、光照度、土壤养分等参数农业农业现代信息技术的三大要素：现代信息技术的三大要素：信息获取信息获取传感器技术传感器技术信息传输信息传输通信技术通信技术信息处理信息处理计算机技术计算机技术在工程实践

11、和科学试验中，信息采集的主要含义是在工程实践和科学试验中，信息采集的主要含义是测量测量取得测量数据。取得测量数据。传感器定义及传感器的组成测量的概念测量的概念 测量是人类对自然界客观事物获得数量观念的一种认识过测量是人类对自然界客观事物获得数量观念的一种认识过程，即程，即借助于专门设备，求出被测量的数值大小借助于专门设备，求出被测量的数值大小。测量的分类测量的分类 电子测量电子测量电子测量仪器；电子测量仪器； 非电量测量非电量测量传感器；传感器；自动测量系统的组成自动测量系统的组成 图11 自动测量系统组成自动测量技术的作用自动测量技术的作用 以电子技术、传感器技术、计算机技术为基础以电子技术

12、、传感器技术、计算机技术为基础的自动测量技术，是衡量一个国家科技水平的重要的自动测量技术，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一。标志之一。 而传感器是测量系统的第一个环节，它能否获而传感器是测量系统的第一个环节，它能否获得信息和获取信息的正确与否，关系到整个测量系得信息和获取信息的正确与否，关系到整个测量系统的精确度，统的精确度，传感器的性能在很大程度上决定着整传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能个信息技术的性能，因此世界各国都将传感器技术，因此世界各国都将传感器技术列为重点发展的新技术。列为重点发展的新技术。 传感器的定义（传感器的定义（GB7665-87)传感器是一种传感器是一

13、种检测装置检测装置，传感器是能感受并按照一定的规律一定的规律将其转换成可用输出信号可用输出信号的器件或装置。以满足信息的传输、处理、存储、显以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为控制的首要环节，有时也可以称为换能器、检测器、换能器、检测器、探头探头等。等。 传感器的定义（传感器的定义（GB7665-87) 传感器完成的传感器完成的任务任务 ： 将被测量将被测量转换转换为特定的非电量为特定的非电量( (如应变、如应变、位移等位移等) )； 将非电量将非电量转换转换为电参数（电阻、电感、

14、为电参数（电阻、电感、电容、电势等）；电容、电势等）； 将电参数将电参数变换变换为电量为电量( (电压或电流）。电压或电流）。1.传感器的组成传感器的组成 通常传感器由通常传感器由敏感元件敏感元件和和转换（传感）元件转换（传感）元件组成。组成。 传感传感器组成框图如图器组成框图如图 1 - 2 所示。所示。 图 1- 2 传感器组成框图 1.3传感器的组成、分类与特性直接感受被测非电量并按一定规律转换成与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的元件。被测量有确定关系的其它量的元件。又称转换元件又称转换元件/转换器。能将敏感元件感受到转换器。能将敏感元件感受到的非电量直接

15、转换成电量的器件。的非电量直接转换成电量的器件。能把传感元件输出的电信能把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的电号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。路。2.传感器的分类传感器的分类1、按被测量分类、按被测量分类（相应的传感器一般以被测量命名）：（相应的传感器一般以被测量命名）：（1）热工量传感器：）热工量传感器：温度、热量、比热；压力、差压、真空温度、热量、比热；压力、差压、真空度；流速、流量；物位（液位、料位）。度；流速、流量；物位（液位、料位）。（2）机械量传感器：）机械量传感器：位移、尺寸（长度、厚度、宽度、角位移、尺寸（长度、厚度、宽

16、度、角度）；力、力矩；重量、质量；速度、加速度、转速。度）；力、力矩；重量、质量；速度、加速度、转速。（3）物性和成分量：）物性和成分量：成分量（化学成分、浓度、酸碱度、盐成分量（化学成分、浓度、酸碱度、盐度等）；物性（密度、比重、粘度等）。度等）；物性（密度、比重、粘度等）。（4）状态量：）状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面粗颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面粗糙度等）。糙度等）。2、按传感器的工作原理分类、按传感器的工作原理分类（1）物理型传感器：）物理型传感器：利用某些敏感元件的物理性质以及某些利用某些敏感元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成。如：应变式、电容

17、式、磁电、功能材料的特殊物理性能制成。如：应变式、电容式、磁电、光电、压电传感器等。光电、压电传感器等。（2）化学型：）化学型：利用电化学反应原理制成。如：气敏传感器、利用电化学反应原理制成。如：气敏传感器、湿度传感器、离子传感器等。湿度传感器、离子传感器等。（3）生物传感器：）生物传感器：利用酶、微生物、抗体、细胞及组织等作利用酶、微生物、抗体、细胞及组织等作为敏感材料与适当的换能器结合而成，利用特有的化学反应和为敏感材料与适当的换能器结合而成，利用特有的化学反应和电化学技术对生物化学物质进行测定。如：酶传感器、免疫传电化学技术对生物化学物质进行测定。如：酶传感器、免疫传感器等。感器等。 3

18、、按输出信号的性质分类、按输出信号的性质分类（1）模拟传感器：）模拟传感器：输出模拟信号；输出模拟信号；（2）数字传感器：）数字传感器：输出数字信号（脉冲、频率、二进制输出数字信号（脉冲、频率、二进制数码），抗干扰能力强。数码），抗干扰能力强。3. 传感器的基本特性传感器的基本特性 即输出即输出输入之间对应关系，又称为输出输入之间对应关系，又称为输出输入特性，输入特性，可用静态特性和动态特性来描述。可用静态特性和动态特性来描述。一、一、 传感器的静态特性传感器的静态特性（一）静态特性：（一）静态特性：是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系；即输入量与输

19、出量之间的关系式中不含有时间变量。衡关系；即输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度灵敏度, 迟滞和重复性等。迟滞和重复性等。（二）传感器的静态特性表达式（二）传感器的静态特性表达式 1、理想传感器：、理想传感器： y=a1x 2、实际传感器：、实际传感器： y=a0+a1x+a2x2+anxn式中式中: a0输入量输入量x为零时的输出量为零时的输出量; a1, a2, , an非线性项系数；非线性项系数； x输入量；输入量；y输出量。输出量。1、传感器的零偏（零点）：、传感器的零偏（零点）：输入信号为零时传感器的输出值

20、。输入信号为零时传感器的输出值。2 、传感器的测量范围与量程、传感器的测量范围与量程（1）测量范围：）测量范围：指正常工作条件下，传感器能够测量的被测指正常工作条件下，传感器能够测量的被测量的总范围，通常用测量范围的下限值和上限值来表示。量的总范围，通常用测量范围的下限值和上限值来表示。（2）量程：）量程：测量范围的上限值（或对应的输出值测量范围的上限值（或对应的输出值 ）与下限值）与下限值（或对应的输出值）的代数差。（或对应的输出值）的代数差。a0 零点；零点；xF.S满量程输入；满量程输入；XF.S输入量程；输入量程； XF.S=xmax-xminyF.S满量程输出；满量程输出；YF.S输

21、出量程。输出量程。 YF.S=ymax-ymin注：仅知道量程时，无法确定测量范围。注：仅知道量程时，无法确定测量范围。传感器的静态特性曲线1、线性度（非线性度、线性度（非线性度/非线性误差）：非线性误差）：传感器的实际静态特传感器的实际静态特性曲线与拟合直线（规定直线）之间，在垂直方向上的最性曲线与拟合直线（规定直线）之间，在垂直方向上的最大偏差与输出量程的百分比称为线性度。通常用相对误差大偏差与输出量程的百分比称为线性度。通常用相对误差L表示表示, 即即 式中式中: |(yL)max|最大非线性最大非线性 绝对误差的绝对值绝对误差的绝对值; YFS输出量程。输出量程。 %100|( |ma

22、x)FSLLYyr（三）主要静态特性指标（三）主要静态特性指标2 2、灵敏度、灵敏度 灵敏度灵敏度K K是指传感器的输出量变化量是指传感器的输出量变化量y y 与引起此变化的与引起此变化的输入变化量输入变化量xx的比值的比值, , 即即K=y/xK=y/x 灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度。对于线性灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度。对于线性传感器传感器, , 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率它的灵敏度就是它的静态特性的斜率, , 即即K=y/xK=y/x为常为常数数, , 而非线性传感器的灵敏度为一变量而非线性传感器的灵敏度为一变量, , 用用K=dy/dxK=dy/dx表

23、示。传感器表示。传感器的灵敏度如图所示。的灵敏度如图所示。 多环节串联而成的测量系统的灵敏度为：多环节串联而成的测量系统的灵敏度为： K=K1K2Kn 例例1：某线性位移测量仪，当被测位移由某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到变到5mm时，位时，位移测量仪的输出电压由移测量仪的输出电压由3.5V减至减至2.5V，求该仪器的灵敏度。若再接，求该仪器的灵敏度。若再接一个放大器（放大倍数为一个放大器（放大倍数为10）后驱动笔式记录仪（灵敏度为）后驱动笔式记录仪（灵敏度为0.2cm/V），试求系统的总灵敏度。），试求系统的总灵敏度。解：解：K1 =y/x=（3.5-2.5）V/(5-4.5)m

24、m = -2V/mm K2=10 K3= 0.2cm/V K=K1K2K3= -2V/mm10 0.2cm/V= - 4cm/mm 3 3、迟滞（滞环）、迟滞（滞环）传感器在正向（被测量增大）和反向（被测量减小）时，传感器在正向（被测量增大）和反向（被测量减小）时，输出特性曲线不重合的程度，称为迟滞（滞环）。输出特性曲线不重合的程度，称为迟滞（滞环）。 迟滞 ：%yeSFmt100产生迟滞现象的主要原因有传感器机械部分存在不可避免产生迟滞现象的主要原因有传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等，以及

25、磁滞和电元件的单向特性等等。积尘等，以及磁滞和电元件的单向特性等等。 xy被测量被测量增大增大yF.S被测量被测量增小增小m最最大大误误差差4 4、重复性、重复性 传感器在被测量按同一方向作多次全量程实验时，所得传感器在被测量按同一方向作多次全量程实验时，所得到的输出特性曲线的不一致程度，用重复性来表示到的输出特性曲线的不一致程度，用重复性来表示 。yx01m2mFSy%100SFmZye复性误差属于随机性的，由复性误差属于随机性的，由于特定的次数不同，其最大于特定的次数不同，其最大偏差值也不同，所以用标准偏差值也不同，所以用标准偏差来计算重复性指标比较偏差来计算重复性指标比较合理。即合理。即

26、 %y)(eSFz10032式中：112n)yy(nii 前的系数取前的系数取2 2时，误差完全依从正态分布，置信时，误差完全依从正态分布，置信概率概率95%95%；取；取3 3时，置信概率为时，置信概率为99.73%99.73%。重复性的好坏与。重复性的好坏与许多因素有关，其产生的原因与迟滞相近。许多因素有关，其产生的原因与迟滞相近。 5 5、分辨力与分辨率、分辨力与分辨率 分辨力分辨力：传感器能够测量到的最小输入变化值：传感器能够测量到的最小输入变化值x, ,它它代表了传感器的最小量程，与输入量同量纲。代表了传感器的最小量程，与输入量同量纲。 分辨率分辨率：表示传感器的分辨能力，用于说明其

27、分辨：表示传感器的分辨能力，用于说明其分辨质量。通常有平均分辨率和最大分辨率两种表示方法。质量。通常有平均分辨率和最大分辨率两种表示方法。6、精确度、精确度 测量误差测量误差 被测参数的测量值与真实值不一致的程度用测量误差表示。被测参数的测量值与真实值不一致的程度用测量误差表示。测量误差就是测量误差就是被测量的测量值与真实值之间的差值被测量的测量值与真实值之间的差值，它反映了测，它反映了测量质量的好坏。量质量的好坏。（1）测量误差的表示方法）测量误差的表示方法绝对误差：绝对误差：可用下式定义可用下式定义:x = x-x0 式中式中: x绝对误差绝对误差; x测量值测量值; x0约定真值。约定真

28、值。 对测量值进行修正时对测量值进行修正时, 要用到绝对误差。要用到绝对误差。 修正值是与绝对误差修正值是与绝对误差大小相等、符号相反的值大小相等、符号相反的值,C= -x = x0-x， 实际值等于测量值加上实际值等于测量值加上修正值。即修正值。即 x0=x+C。 绝对误差不能很好说明测量质量的好坏，绝对误差不能很好说明测量质量的好坏，只适用于被测量值相只适用于被测量值相同的场合。同的场合。 例如例如, 在温度测量时在温度测量时, 绝对误差绝对误差=1 , 对体温测量来说对体温测量来说是不允许的是不允许的, 而对测量而对测量钢水温度钢水温度来说却是一个极好的测量结果。来说却是一个极好的测量结

29、果。相对误差：相对误差：定义由下式给出定义由下式给出: = x/ x0 100%式中式中: 相对误差相对误差, 一般用百分数给出一般用百分数给出; x绝对误差绝对误差; x0约定真值。约定真值。 相对误差比绝对误差能更好地说明测量精确度，但它相对误差比绝对误差能更好地说明测量精确度，但它只能说明只能说明不同测量结果的准确度，无法衡量传感器本身在整个测量范围内的不同测量结果的准确度，无法衡量传感器本身在整个测量范围内的质量质量，（如一台温度传感器测，（如一台温度传感器测100的相对误差为的相对误差为2%2%，另一台测，另一台测1000 的相对误差为的相对误差为1%）为此又采用了引用误差的概念。）

30、为此又采用了引用误差的概念。引用误差：引用误差：是仪表中通用的一种误差表示方法。是仪表中通用的一种误差表示方法。 它是相对仪表满它是相对仪表满量程的一种误差量程的一种误差, 一般也用百分数表示，即一般也用百分数表示，即 = x / XF.S 100%= x /(xmax-xmin) 100% 式中式中: 引用误差；引用误差； x绝对误差；绝对误差； XF.S 仪表输入量程（测量范围上限仪表输入量程（测量范围上限 测量范围下限）测量范围下限）; xmax 仪表量程的上限值；仪表量程的上限值； xmin仪表量程的上限值；仪表量程的上限值； 基本误差：基本误差：是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差

31、。是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。 例如例如, 仪表是在电源电压仪表是在电源电压(2205)V、电网频率、电网频率(502)Hz、环境温度环境温度(205)、 湿度湿度65%5%的条件下标定的。如果的条件下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作这台仪表在这个条件下工作, 则仪表所具有的误差为基本误则仪表所具有的误差为基本误差。差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的，一般用引测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的，一般用引用误差表示。用误差表示。附加误差：附加误差：是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。误差。例如例如, 温度附加误差、频率

32、附加误差、电源电压波动温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附加误差等。附加误差等。 精确度：精确度：表示传感器测量结果与真值之间的偏离程度。表示传感器测量结果与真值之间的偏离程度。 精确度等级：精确度等级：是是根据最大引用误差来确定根据最大引用误差来确定的。工程中以一系列标的。工程中以一系列标准数值作为仪表基本误差的最大允许值来分档表示仪表的精确度，准数值作为仪表基本误差的最大允许值来分档表示仪表的精确度，称为称为精确度等级精确度等级。常用的精确度等级有。常用的精确度等级有0.1级、级、0.2级、级、0.5级、级、1.0级、级、1.5级、级、2.0级、级、2.5级、级、4.0级、级、 5.

33、0级。级。注：注：精确度等级已知的仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发精确度等级已知的仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。因此选用仪表时应根据被测量的大小和测量精度挥它的测量精度。因此选用仪表时应根据被测量的大小和测量精度的要求，合理选择仪表量程和精确度等级。的要求，合理选择仪表量程和精确度等级。例例3：测测800 要求误差要求误差4 ，现有以下测温仪表，应选哪一种？，现有以下测温仪表，应选哪一种？（1）0500 , 1.0级；级； （2）01000 ，0.5 级；级； （3）01000 ，0.2级；级； （4）02000 ，0.2级。级。解：解：（1）不能测；）不能测；（

34、2）测）测800 可能出现的最大绝对误差为可能出现的最大绝对误差为1000 （ 0.5%）= 5 ；（3）测）测800 可能出现的最大绝对误差为可能出现的最大绝对误差为1000 （ 0.2%）= 2 ；（4）测）测800 可能出现的最大绝对误差为可能出现的最大绝对误差为2000 （ 0.2%）= 4 ； 应选第（应选第（3）种。）种。例例3：测测800 要求误差要求误差4 ，现有以下测温仪表，应，现有以下测温仪表，应选哪一种？选哪一种？ （1）0500 , 1.0级；级； （2）01000 ，0.5 级；级； （3）01000 ，0.2级；级； （4）02000 ，0.2级。级。 二、二、 传

35、感器的动态特性传感器的动态特性 输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程叫程叫响应。响应。 传感器的动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。响应特性。 当被测量随时间变化当被测量随时间变化,是时间的函数时是时间的函数时, 则传感器则传感器的输出量也是时间的函数的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特性来表示。其间的关系要用动特性来表示。 一个动态特性好的传感器一个动态特性好的传感器, 其输出将再现输入量的变化规律其输出将再现输入量的变化规律, 即具有相同的时间函数。实际上除了具

36、有理想的比例特性外即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外, 输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与这种输出与输入间的差异就是所谓的输入间的差异就是所谓的动态误差动态误差。 实际工作中，传感器的动态特性常用实验方法求得，即根据实际工作中，传感器的动态特性常用实验方法求得，即根据传感器对一些标准信号的响应来评定它的动态特性。传感器对一些标准信号的响应来评定它的动态特性。 在时域内，常用阶跃信号来分析传感器的动态特性在时域内，常用阶跃信号来分析传感器的动态特性瞬时响瞬时响应特性应特性。 在频域内，则采用正弦输入信号来分析传感器的

37、动态特性在频域内，则采用正弦输入信号来分析传感器的动态特性频率响应特性频率响应特性。1、瞬时响应特性指标、瞬时响应特性指标时间常数时间常数 ：当输入产生阶跃：当输入产生阶跃变化时，输出信号从初始值变化变化时，输出信号从初始值变化到到63.2%所需的时间。所需的时间。 越小，越小，传感器的响应速度越快传感器的响应速度越快 。一阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应曲线二阶传感器的单位阶跃响应曲线延时时间延时时间td：二阶传感器输出达到稳定值的二阶传感器输出达到稳定值的50%所需的时间。所需的时间。 上升时间上升时间tr：二阶传感器输出达到稳定值的二阶传感器输出达到稳定值的90%所需的时间

38、。所需的时间。 建立时间（响应时间）建立时间（响应时间） ts：二阶传感器输出进入稳态值规定范二阶传感器输出进入稳态值规定范 围之内所需的时间。围之内所需的时间。 峰值时间峰值时间tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值 所需的时间。所需的时间。超调量超调量 p ：输出超过稳定值的最大量。输出超过稳定值的最大量。 p =A1 / y( ) 100% 衰减比衰减比d：二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个二阶传感器输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比峰值之比, 即即A1/A2 。传感器的频率响应特性指标包括：传感器的频率响应特性指标包括：（1） 频带：频

39、带：传感器增益保持在一定值（由所需测量精确度传感器增益保持在一定值（由所需测量精确度确定的公差带）内的频率范围为传感器频带或通频带确定的公差带）内的频率范围为传感器频带或通频带, 对应对应有上、下截止频率。有上、下截止频率。 (2) 时间常数时间常数：用时间常数用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。来表征一阶传感器的动态特性。越小越小, 频带越宽。频带越宽。 (3) 固有频率固有频率n：二阶传感器的固有频率二阶传感器的固有频率n表征了其动态表征了其动态特性，特性， n 越大，动态误差越小，频带越宽。越大，动态误差越小，频带越宽。2、频率响应特性、频率响应特性传感器对正弦输入信号的响应特性传感器

40、对正弦输入信号的响应特性, 称为称为频率响应特性。频率响应特性。传感器的频率响应特性包括传感器的频率响应特性包括幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性。 检测的基本概念所谓检测就是人们借助于仪器、设备，利用各种物理效应，采用一定的方法，将客观世界的有关信息通过检查与测量获取定性或定量信息的认识过程。这些仪器和设备的核心部件就是传感器，传感器是感知被测量（多为非电量），并把它转化为电量的一种器件或装置。检测包含检查与测量两个方面，检查往往是获取定性信息，而测量则是获取定量信息。1.5自动检测系统的构成自动检测系统的构成在现代的自动检测系统中，各个组成部分常常以信息流的过程来划分，一般可分为信息的获

41、得、信息的转换、信息的处理和信息的输出等几个部分。作为一个完整的自动检测系统，首先应获得被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息变换为电量，然后进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪将信息输出，或有计算机对数据进行处理等。 （1） 传感器 传感器是获得信息的重要手段。图中a部分为电阻应变式传感器，它将汽车的重量转化为相应的电信号。（2） 信号处理电路 传感器输出的信号常常需要加工和处理，如放大、调制、解调、滤波、运算以及数字化等，通常由信号处理电路来完成。它的主要作用是把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压（电流）信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。

42、如图中b部分为信号处理电路。 （3） 显示装置 测量的目的是使人们了解被测量的数值，所以必须有显示装置。目前常用的显示装置有四种：模拟显示、数字显示、图像显示和记录仪。模拟显示是指利用指针对标尺的相对位置来表示读数，如毫伏表、毫安表等；数字显示是指用数字形式来显示读数，目前大多用LED或LCD数码管来显示；图像显示是指用屏幕显示（CRT）读数或被测参数变化的曲线；记录仪主要用来记录被测量的动态过程的变化情况，如笔式记录仪、光线示波器、打印机等。如图中c为显示装置，d为打印机。 （4） 数据处理装置和执行机构 数据处理装置用来对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果作频谱分析、能量谱分析等

43、，完成这些工作必须用计算机技术。如图中的e为数据处理装置（微机）。1.6 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 现代信息技术的三大基础是信息采集（传感器现代信息技术的三大基础是信息采集（传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算技术）。技术）。 新型传感器的发展方向与特点新型传感器的发展方向与特点 1.微型化微型化。 2.集成化。集成化。 3.智能化、数字化与多功能化。智能化、数字化与多功能化。 4.标准化。标准化。 5.新型。新型。 6.性能更好。性能更好。 利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化

44、学效应开发出的新型传感器开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网络智能压力网络传感器传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字温度总线数字温度传感器传感器 利用压电片调焦利用压电片调焦的拍照手机的拍照手机发展集成化、功能化的传感器发展集成化、功能化的传感器采用计算机技术，使检测技术智能化采用计算机技术，使检测技术智能化 面部面部 识别

45、技术识别技术智智 能能 传传 感感 器器 智能传感器可以简单的认为是智能传感器可以简单的认为是“电五官电五官”与与“微电脑微电脑”的有机结合。的有机结合。 （1）自补偿功能：）自补偿功能：（2）自校准功能：）自校准功能：（3）自诊断功能：）自诊断功能：（4）数值处理功能：）数值处理功能：（5）数据融合功能：）数据融合功能：（6）数据存储功能：）数据存储功能：（7）数据通信功能：）数据通信功能：（8）数据输出功能：）数据输出功能：（9）友好的人机界面：）友好的人机界面：被测量传感器测量电路微处理器数据存储输入/输出接口人机界面电 源图1.3-1 智能传感器原理框图 常见的结构形式有模块组合型、集

46、成一常见的结构形式有模块组合型、集成一体型、模块组合与集成混合型。体型、模块组合与集成混合型。 通信模块主机模板测量电路传感器显示与按键图1.3-2 模块组合型流量传感器结构图 对缓慢变化的对象进对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。行测量亦属于静态测量。 冰箱的温度检测冰箱的温度检测 什么是什么是动态测量？动态测量？ 地震测量地震测量振动波形振动波形 研究误差理论的目的？ 1、充分利用测量数据，合理正确地处理数据，以在给定的测量条件下得出被测量的最佳估计值。 2、根据数据处理的结果正确表示测量不确定度。 3、正确分析误差来源及规律，以便在测量中合理地选择仪器、方法及环境，消除不利因素，完善

47、检测手段，提高测量精度。1.7 测量误差及其消除方法测量误差及其消除方法测量误差的定义 测量的目的: 获得被测量的真值。 测量误差 : 真值: 在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。包括理论真值和约定真值 所有测量结果都带有误差 。xxA （1）仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。 （2）影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。 （3）理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。 （4）人身误差：由于测量

48、人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。 （5）测量对象变化误差：测量过程中由于测量对象变化而使得测量值不准确，如引起动态误差等。 测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。 1.绝对误差 （1）定义： 由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差。 0AxxxxAx （2）修正值 与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值 测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。 被测量的实际值xAxCCxA 2.相对误差（反映测量结果的准确程度

49、） 一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。 例：测量足球场的长度和武汉市到黄石市的距离，若绝对误差都为1米，测量的准确程度是否相同？ （1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差相对（真）误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。01 0 0 %xA 实际相对误差： 用实际值A代替真值A0 示值相对误差： 用测量值X 代替实际值A100%AxA 100%xxx （2）满度相对误差（引用相对误差，衡量仪表或仪器的准确度） 用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值下限值）之比来表示的相对误差

50、，称为满度相对误差（或称引用相对误差）%100 xxmmmmmmxx 电工仪表就是按引用误差 之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差 我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S% ，则仪表在测量点的最大相对误差 在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。 %Sxxmx m 例 某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0400mA和1.5级量程为0100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？2100%1.5%

51、1.5%100mxxSx1400%0.5% 2%100mxxsx 结论：应选用结论：应选用1.51.5级量程为级量程为0 0100mA100mA电流表。电流表。不能片面追求仪表的等级，应根据被测量的不能片面追求仪表的等级，应根据被测量的大小，兼顾仪表的满度值和级别。大小，兼顾仪表的满度值和级别。测量误差的分类 根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统误差、粗大误差三类。 1.随机误差 定义: 在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差，

52、简称随差。 随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微震、测量人员感官的无规律变化等。 例：对一不变的电压在相同情况下，多次测量得到 1.235V，1.237V，1.234V，1.236V，1.235V，1.237V。 单次测量的随差没有规律， 但多次测量的总体却服从统计规律。 可通过数理统计的方法来处理,即求算术平均值u随机误差定义：测量结果与在重复性条件下，对同一被测随机误差定义：测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差量进行无限多次测量所得结果的平均值之

53、差 iixx()n 随机误差的统计特性及减少方法 在测量中，随机误差是不可避免的。 随机误差是由大量微小的没有确定规律的因素引起的，比如外界条件（温度、湿度、气压、电源电压等）的微小波动，电磁场的干扰，大地轻微振动等。 多次测量，测量值和随机误差服从概率统计规律。 可用数理统计的方法，处理测量数据，从而减少随机误差对测量结果的影响。 标准偏差是代表测量数据和测量误差分布离散程度的特征数。 标准偏差越小，则曲线形状越尖锐，说明数据越集中；标准偏差越大，则曲线形状越平坦，说明数据越分散。 0)(p1 2 3 2.系统误差 定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不

54、变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。 产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理中使用近似计算公式，测量人员不良的读数习惯等。 系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系差越小，测量就越准确。 系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。即0 xA106 系统误差系统误差*保持不变或以可预知方式变化的误差分量保持不变或以可预知方式变化的误差分量 来源来源: :仪器固有缺陷仪器固有缺陷; ; 实验理论近似或方法不完善；实验理论近似或方法不完善； 实验环境、测量条件不合要求；实验环境、测量条件不合要求； 操作者生理或心理因素。操作者生理或心理因素。 3.粗大误差： 粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。产生粗差的原因有： 测量操作疏忽和失误 如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。 测量方