徐科军主编传感器与检测技术第一章绪论

任课教师：2015－2016学年第一学期第一章绪论2基础知识定义、分类发展趋势选用原则一般特性传感器原理检测技术变电抗式传感器电阻式传感器光电式传感器电动势式传感器温度传感器流量传感器成分检测传感器课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用3实践性强课程特点：

期望逐步解决侧重课本教学中存在的一些问题：1.传感器部分没有实物对象、枯燥无味；2.信号分析理论部分深奥、难懂。教学方法：

理论教学案例教学三者结合实践教学4本章教学:一、教学要求：掌握传感器常用特性的定义和计算方法；5二、教学时间安排：4学时

三、主要内容：第一节自动检测技术概述第二节传感器概述第三节测量误差与数据处理第四节传感器的一般特性第五节传感器的标定和校准本章重点：传感器精度分类、灵敏度、非线性误差分析；本章难点：传感器精度分类、灵敏度、非线性误差分析。四、教学过程：本章教学:61、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述71、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器是获取信息的主要途径与手段。没有传感器，现代化生产就失去了基础。传感器是边缘学科开发的先驱。可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步等方面起着重要作用。传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。1、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述电动助力转向系统电动转向助力系统的部件有方向盘、转向柱、方向盘转角传感器、转向力矩传感器、转向齿轮、转向助力电动机及转向助力控制单元组成91、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述

方向盘转角传感器为光电式传感器，安装于转向柱上。当转动方向盘时，转向柱带动传感器的转子随方向盘一起转动，光源就会通过转子缝隙照在传感器的感光元件上产生信号电压。由于转子缝隙间隔大小不同，故产生的信号电压变化也不同转向力矩传感器为磁阻式传感器，其磁阻传感元件和转向小齿轮连接块为一体，当转动方向盘时，转向柱连接块和转向小齿轮连接块反向运动，即磁性转子和磁阻传感元件反向运动，因此转向力矩的大小可以被测量出来并传递给控制单元101、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述典型风力发电系统在线监测与故障诊断示意图111、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述测控技术在交通领域监测中的应用121、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述智能家居中应用131、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述网络在智能建筑应用141、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述网络化环境动态监测系统图151、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述水源安全远程监测系统图16滑坡位移监测仪及远程监测系统植物生理监控系统1、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述1、自动检测技术的重要性17第一节自动检测技术概述181、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述密歇根大学的机械手装配模型机械手、机器人中的传感器

转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。

191、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述生产加工过程监测

切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。201、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述在电力、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24小时在线监测系统。

石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄漏检测扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统211、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述

在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

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，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量1、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….221、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡+D/A卡软驱:速度,位置伺服PC机中的测试技术应用23241、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述241、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述未来的战争一定程度上可以称之为传感器战争。未来战场将布满各种传感器，它们既包括电视摄像机、激光雷达、成像雷达、微光夜视仪、制冷和非制冷热像仪等可视设备，也包括声传感器、震动传感器、磁传感器、气象传感器和探测生化战剂的传感器，当然也可能出现目前尚未问世或成熟的其它传感器。这些传感器将为指挥人员和士兵收集大量的战场态势信息，使他们拥有全面的信息优势，从而最大限度地增强他们的攻击威力。在军事和航天领域的应用25261、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述美军研制的未来单兵作战武器---OICW夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20mm高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以精确的设定引爆时间。271、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述美国国家导弹防御计划---NMD1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方281、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述飞行器测控---检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵

火箭测控---检测火箭状况、姿态、轨迹

291、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学等神州飞船：185台（套）仪器装置军事战斗力301、自动检测技术的重要性第一节自动检测技术概述综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为无源之水，无本之木。312、自动检测技术的组成第一节自动检测技术概述323、自动检测技术的发展趋势第一节自动检测技术概述不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。开发新型传感器。开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。331、传感器的定义第二节传感器概述根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。341、传感器的定义第二节传感器概述①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。包含的概念：352、传感器的组成第二节传感器概述敏感元件

直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件

敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量转换电路

上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出362、传感器的分类第二节传感器概述物理型、化学型、生物型构成原理结构型:物理学中场的定律物性型:物质定律能量转换能量控制型能量转换型物理原理：用途：位移、压力、振动、温度电参量式传感器、磁电传感器、压电式传感器等工作机理：371、测量误差的概念和分类第三节测量误差与数据处理（1）等精度测量（2）非等精度测量（3）真值（4）实际值有关测量技术中的部分名词（5）标称值（6）示值（7）测量误差（1）系统误差误差的分类（2）随机误差（3）粗大误差382、精度第三节测量误差与数据处理反映测量结果与真值接近程度的量

(1)准确度

(2)精密度

(3)精确度对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，但精确度高，则精密度和准确度都高。393、测量误差的表示方法第三节测量误差与数据处理(1)绝对误差(2)相对误差403、测量误差的表示方法第三节测量误差与数据处理(1)绝对误差绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0，器具的标称值或示值为x，则绝对误差为

由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为

通常以此值来代表绝对误差。413、测量误差的表示方法第三节测量误差与数据处理(1)绝对误差-修正值为了消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值，常用C表示。将测得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即

A0=x+C（1.3.3） 由此得C=A0-x（1.3.4）在实际工作中，可以用实际值A近似真值A0，则（1.3.4）式变为C=A-x=-Δx（1.3.5）修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加修正值可以消除该误差的影响423、测量误差的表示方法第三节测量误差与数据处理(2)相对误差相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误差有以下表现形式：①实际相对误差:②示值相对误差。③满度（引用）相对误差433、测量误差的表示方法第三节测量误差与数据处理(2)相对误差-最大允许误差指示仪表的最大满度误差不许超过该仪表准确度等级的百分数，即

（1.3.9）

当示值为x时可能产生的最大相对误差为（1.3.11）

用仪表测量示值为x的被测量时，比值越大，测量结果的相对误差越大。选用仪表时要考虑被测量的大小越接近仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的2/3。444、随机误差第三节测量误差与数据处理（1）正态分布（2）随机误差的评价指标（3）测量的极限误差454、随机误差第三节测量误差与数据处理（1）正态分布随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在一定条件下服从统计规律464、随机误差第三节测量误差与数据处理（1）正态分布-分布规律（1）对称性。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。（2）单峰性。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。（3）有界性。一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限。（4）抵偿性。随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零。474、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标由于随机误差大部分按正态分布规律出现的，具有统计意义，通常以正态分布曲线的两个参数算术平均值和均方根误差作为评价指标。（1）算术平均值（2）标准差484、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-算术平均值当测量次数为无限次时，所有测量值的算术平均值即等于真值，事实上是不可能无限次测量，即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加，算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。

494、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-标准差①测量列中单次测量的标准差②测量列算术平均值的标准差504、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-标准差①测量列中单次测量的标准差在等精度测量列中，单次测量的标准差

（1.3.18）式中，n——测量次数；

——每次测量中相应各测量值的随机误差。514、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-标准差①测量列中单次测量的标准差实际工作中用残差来近似代替随机误差求标准差的估计值

贝塞尔（Bessel）公式

524、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-标准差②测量列算术平均值的标准差式中，——算术平均值标准差（均方根误差）；

—

测量列中单次测量的标准差；

n——测量次数当测量次数n愈大时，算术平均值愈接近被测量的真值，测量精度也越高。534、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-测量的极限误差测量的极限误差是极端误差，检测量结果的误差不超过该极端误差的概率为P，并使出现概率为（１-P）误差超过该极端误差的检测量的测量结果可以忽略。

（1）单次测量的极限误差（2）算术平均值的极限误差544、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-测量的极限误差①单次测量的极限误差随机误差在－δ至＋δ范围内概率为：

经变换，(1.3.22）式为若某随机误差在±t范围内出现的概率为2Φ(ｔ),则超出该误差范围的概率为554、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-测量的极限误差①单次测量的极限误差t|δ|=tσ不超出|δ|的概率2Φ（ｔ）超出|δ|的概率1-2Φ（ｔ）0.670.67σ0.49720.502811σ0.68260.317422σ0.95440.045633σ0.99730.002744σ0.99990.0001几个典型t值的概率情况分析564、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-测量的极限误差①单次测量的极限误差当t=3时，即|δ|=3时,误差不超过|δ|的概率为99.73%,通常把这个误差称为单次测量的极限误差δlimx,即δlimx

=±3574、随机误差第三节测量误差与数据处理（2）随机误差的评价指标-测量的极限误差②算术平均值的极限误差测量列的算术平均值与被测量的真值之差

当多个测量列算术平均值误差为正态分布时，得到测量列算术平均值的极限误差表达式为

式中的t为置信系数，为算术平均值的标准差。585、系统误差第三节测量误差与数据处理1.系统误差的发现2.系统误差的削弱和消除595、系统误差第三节测量误差与数据处理（1）系统误差的发现605、系统误差第三节测量误差与数据处理（1）系统误差的发现1）理论分析及计算

因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加以修正。2）实验对比法

实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量，以发现系统误差，这种方法适用于发现恒定系统误差。3）残余误差观察法

根据测量列的各个残余误差的大小和符号变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差，这种方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。615、系统误差第三节测量误差与数据处理（1）系统误差的发现4）残余误差校核法①

用于发现累进性系统误差 马利科夫准则：设对某一被测量进行n次等精度测量，按测量先后顺序得到测量值x1，x2，…，xn，相应的残差为v1，v2，…，vn。把前面一半和后面一半数据的残差分别求和，然后取其差值②用于发现周期性系统误差 阿卑-赫梅特准则：

则认为测量列中含有周期性系统误差。

当存在设625、系统误差第三节测量误差与数据处理（1）系统误差的发现4）计算数据比较法对同一量进行多组测量，得到很多数据，通过多组计算数据比较，若不存在系统误差，其比较结果应满足随机误差条件，否则可认为存在系统误差。任意两组结果之间不存在系统误差的标志是635、系统误差第三节测量误差与数据处理（2）系统误差的削弱和消除从产生误差源上消除系统误差引入修正值法零位式测量法补偿法对照法645、系统误差第三节测量误差与数据处理（2）系统误差的削弱和消除1）从产生误差源上消除系统误差从生产误差源上消除误差是最根本的方法，它要求在产品设计阶段从硬件和软件方面采取必要的补偿措施和修正措施，或者采取合适的使用方法将误差从产生根源上加以消除。2）引入修正值法知道修正值后，将测量结果的指示值加上修正值，就可得到被测量的实际值。智能传感器更容易采用该方法。65655、系统误差第三节测量误差与数据处理（2）系统误差的削弱和消除3）零位式测量法这种方法是标准量与被测量相比较的测量方法，其优点是测量误差主要取决于参加比较的标准器具的误差，而标准器具的误差可以做的很小。这种方法要求检测系统有足够的灵敏度，如自动平衡显示仪表。4）补偿法665、系统误差第三节测量误差与数据处理（2）系统误差的削弱和消除5）对照法676、粗大误差第三节测量误差与数据处理判别粗大误差最常用的统计判别法： 如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为x1，x2，…，xd,…，xn

其标准差为σ，如果其中某一项残差vd大于三倍标准差，即 则认为vd为粗大误差，与其对应的测量数据xd是坏值，应从测量列测量数据中删除。687、粗大误差第三节测量误差与数据处理数据处理:从获得数据起到得出结论为止的整个数据加工过程。

常用方法:列表法、作图法和最小二乘法拟合。最小二乘法原理是指测量结果的最可信赖值应在残余误差平方和为最小的条件下求出。在自动检测系统中，两个变量间的线性关系是一种最简单、也是最理想的函数关系。

697、粗大误差第三节测量误差与数据处理设有n组实测数据（xi，yi）(i=1，2，…，n)，其最佳拟合方程(回归方程)为

y=A+Bx(1.1.37)式中，A为直线的截距；B为直线的斜率。

根据最小二乘法原理，要使为最小，取其对A、B求偏导数，并令其为零，可得两个方程，联立两个方程可求出A,B的唯一解。70第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性输出与输入间关系

微分方程静特性：输入量为常量，或变化极慢动特性：输入量随时间较快地变化时微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，可得到静特性（动特性的特例）表示传感器在被测量处于稳定状态时的输出输入关系希望输出与输入具有确定的对应关系，且呈线性关系。71第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性

线性度灵敏度迟滞重复性零点漂移温度漂移72第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（1）线性度静特性输出量输入量零点输出理论灵敏度非线性项系数直线拟合线性化非线性误差或线性度最大非线性误差满量程输出73第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（1）线性度直线拟合线性化出发点获得最小的非线性误差拟合方法：①理论拟合；②过零旋转拟合；③端点连线拟合；④端点连线平移拟合；⑤最小二乘拟合；⑥最小包容拟合74第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（1）线性度--理论拟合拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。方法十分简单，但一般说较大xyΔLmax75第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（1）线性度--过零旋转拟合曲线过零的传感器。拟合时，使xyΔL2ΔL176第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（1）线性度--端点连线拟合把输出曲线两端点的连线作为拟合直线xyΔLmax77第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（1）线性度--端点连线平移拟合在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为原先的一半yxΔLmaxΔL178第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（1）线性度--最小二乘拟合原理:xy=kx+by79第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（2）灵敏度传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比即为其静态灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力80第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（2）灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力(a)线性传感器(b)非线性传感器81第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（3）迟滞正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞

—正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差，常用绝对误差表示检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。82第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（3）迟滞83第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（4）重复性传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差取较大者为84第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（4）重复性85第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（5）零点漂移传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，长时间工作稳定性或零点漂移零漂＝式中ΔY0

——最大零点偏差；

YFS

——满量程输出。86第四节测量误差与数据处理1、传感器的静特性（6）温漂传感器在外界温度下输出量发生的变化温漂＝式中Δmax

——

输出最大偏差；

ΔT

——

温度变化范围；

YFS

——

满量程输出。87第四节测量误差与数据处理2、传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。

时域：瞬态响应法

频域：频率响应法88第四节测量误差与数据处理2、传感器的动态特性（1）瞬态响应特性在时域内研究传感器的动态特性时，常用的激励信号有阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等。传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。理想情况下，阶跃输入信号的大小对过渡过程的曲线形状是没有影响的。但在实际做过渡过程实验时，应保持阶跃输入信号在传感器特性曲线的线性范围内。89第四节测量误差与数据处理2、传感器的动态特性（1）瞬态响应特性1）一阶传感器的单位阶跃响应设x(t)、y(t)

分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函数，则一阶传感器的传递函数为 式中τ——时间常数；

K——静态灵敏度。 由于在线性传感器中灵敏度K为常数，在动态特性分析中，K只起着使输出量增加K倍的作用。讨论时采用K=1。90第四节测量误差与数据处理2、传感器的动态特性（1）瞬态响应特性1）一阶传感器的单位阶跃响应对于初始状态为零的传感器，当输入为单位阶跃信号时，X(s)=1/s,传感器输出的拉氏变换为则一阶传感器的单位阶跃响应为一阶传感器的时间常数τ越小越好91第四节测量误差与数据处理2、传感器的动态特性（1）瞬态响应特性2）二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的传递函数为式中ωn——

传感器的固有频率；

ζ——

传感器的阻尼比。在单位阶跃信号作用下，传感器输出的拉氏变换为92第四节测量误差与数据处理2、传感器的动态特性（1）瞬态响应特性2）二阶传感器的单位阶跃响应对Y（s）进行拉氏反变换，即可得到单位阶跃响应。图1.4.6为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。在实际使用中，为了兼顾有短的上升时间和小的超调量，一般传感器都设计成欠阻尼式的，阻尼比ζ一般取在0.6~0.8之间。带保护套管的热电偶是一个典型的二阶传感器。

传感器的响应在很大程度上取决于阻尼比ζ和固有频率ωn。93第四节测量误差与数据处理2、传感器的动态特性（1）瞬态响应特性3）瞬态响应特性指标时间常数τ是描述一阶传感器动态特性的