传感器与检测技术1

主讲：张亮亮传感器与检测技术第一章检测技术的基本概念

本章学习测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基本特性等，他们是传感器与检测技术的理论基础。5/17/20232检测（Detection）定义：检测技术就是利用传感器将生产科研需要的电量和非电量信息转化成为易于测量、传输、显示和处理的电信号的过程。

利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。一切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的信息，都要通过传感器转换为易于传输与处理的电信号。1.1测量的概述信息采集的主要含义：测量以及取得结果测量系统：将传感器与多台仪表组合在一起以完成信号的检测，便形成了测量系统。1.1.1测量的定义

测量是检测技术的重要组成部分，是以确定被测量值为目的的一系列操作。测量：将被测量与同种性质的标准量进行比较，从而确定被测量相对于标准量的倍数的过程。（1-1）式中，

x为被测量；A为测量值；x0为标准量。1.1.2测量的方法直接测量测量手段间接测量组合测量法

接触测量法

测量仪表的特点

非接触测量法测量方法：指实现被测量与标准量比较得出比值的方法。1.直接测量

电子卡尺5/17/202382.间接测量

对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。

5/17/202393.接触式测量

5/17/2023104.非接触式测量

例：雷达测速5/17/2023115.静态测量

5/17/202313

对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。

温度计5/17/2023146.动态测量

地震测量振动波形5/17/202315示波器离线测量

产品质量检验在线测量

在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。1.2测量误差及其分类

1.2.1测量误差的概念

测量误差：测量值与被测量的真值之间的差异。真值是指在一定的时间及空间(位置或状态)条件下，被测量所体现的真实数值。真值相对真值约定真值理论真值1）理论真值理论真值又称为绝对真值，是指在严格的条件下，根据一定的理论，按定义确定的数值。如三角形的内角和恒为180°。2）约定真值约定真值是指用约定的办法确定的最高基准值，它被认为充分接近于真值，因而可以代替真值来使用。如基准米的定义为光在真空中1/299792458s的时间间隔内的行程。3）相对真值相对真值又称为实际值，是指将测量仪表按精度不同分为若干等级，高等级的测量仪表的测量值即为相对真值。1.按表示方法分（1）绝对误差（2）相对误差1.2.2测量误差的分类(1）绝对误差绝对误差是指被测量的测量值与被测量的真值之间的差值，即

（1-2）

式中，Δ为绝对误差；Ax为测量值；A0为被测量的真值，可为约定真值或相对真值。

某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？5/17/202322采用绝对误差表示测量误差,不能很好说明测量质量的好坏。例如,在温度测量时,绝对误差Δ=1℃,对体温测量来说是不允许的,而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表示测量结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。5/17/202323(2)相对误差及精度等级相对误差是绝对误差与被测量的真值之比。相对误差有以下表现形式：

①实际相对误差②标称(示值)相对误差③满度(引用)相对误差5/17/202324几个重要公式：Ax：被测量Am：仪器满度（量程）实际相对误差示值相对误差满度相对误差准确度等级仪表的准确度等级和误差

例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为2.5%。满度相对误差最大绝对误差等级求得5/17/202326某公司生产测量温度的仪表，满度误差均在1.1~1.6％之间，该系列产品属于哪一级温度表？某车间希望测量温度的仪表满度相对误差控制在1.1~1.6％之间，应购买哪一级温度表？例：某指针式万用表的面板如图所示，问：用它来测量直流、交流（~）电压时，可能产生的满度相对误差分别为多少？例：用指针式万用表的10V量程测量一只1.5V干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量程合理吗？5/17/202329

用2.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？5/17/202330结论：可认为仪表的最大绝对误差是不变的；示值相对误差随示值（测量值）的减小而增大；选用仪表时，示值应在仪表满度值的2/3以上。5/17/202331例1-1现有精度等级为0.5级，量程为0～300℃和精度等级为1.0级，量程为0～100℃的两个温度计，要测80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？解：用精度等级为0.5级的仪表测量时，最大标称相对误差为

用精度等级为1.0级的仪表测量时，最大标称相对误差为由此可得，显然用精度等级为1.0级的仪表测量比用精度等级为0.5级的仪表测量更合适。

例1-2某压力表精度等级为5.0级，量程为0～1.5MPa，测量结果显示为0.70MPa，试求：（1）可能出现的最大满度相对误差γm。（2）可能出现的最大绝对误差

？（3）可能出现的最大标称相对误差γx。解（1）可能出现的最大满度相对误差可以从精度等级直接得到，即γm＝5.0％。（2）

Δm

＝

γm×Am=（5.0%×1.5）=0.075Mpa（3）

休息一下回顾2023/5/1736测量：将被测量与同种性质的标准量进行比较，从而确定被测量相对于标准量的倍数的过程。测量误差：测量值与真值之间的差值测量误差的分类一（按表示方法））（1）绝对误差（2）相对误差①

实际相对误差②示值(标称)相对误差③引用(满度)相对误差

几个重要公式：Ax：被测量Am：仪器满度（量程）实际相对误差示值相对误差满度相对误差准确度等级（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差测量误差的分类二：按误差出现的规律分5/17/202338

1.系统误差：夏天摆钟变慢的原因是什么？

系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。5/17/202339系统误差产生的原因大体上可分为以下几种：（1）测量所用的工具（仪器、量具等）本身性能不完善或安装、布置、调整不当而产生的误差。（2）在测量过程中，因温度、湿度、气压、电磁干扰等环境条件发生变化而产生的误差。（3）因测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不完善等原因而产生的误差。（4）因操作人员读数方式不当而造成的读数误差等。2.随机误差

在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。5/17/202341随机误差的正态分布规律5/17/202342随机事例的几个例子彩票摇奖5/17/202343

1）集中性：大量的测量值集中分布于算术平均值附近。随机误差的正态分布规律2）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。３）有界性：在一定的条件下，测量值有一定的分布范围，超过这个范围的可能性非常小，即出现绝对误差很大的情况很少。粗大误差的测量值应予以剔除。nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98例1：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行6次等精度测量，所得数据如下表（单位为mm），请指出哪几个数值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术平均值公式求出钢板厚度。

根据P13的例1-3，经计算可知，5.99以及9.33为粗大误差，予以剔除，剩余4个测量值计算算术平均值：nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.983.粗大误差

明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。5/17/202347产生粗大误差的一个例子5/17/202348系统误差决定了测量的准确度，表明了测量值偏离实际值的程度。系统误差越小，测量值的准确度越高。所以仪表的准确度即精度常常用来表示系统误差的大小。随机误差决定了测量的精密度。随机误差越小，测量值的精密度越高。如果一个测量值的精密度和准确度都很高，就称此测量的精确度很高。

测量的准确度与精密度的区别，由图1.2可知，若靶心为真实值，图中黑点为测量值，则图1.2(a)表示准确却不精密的测量，图1.2(b)表示精密却不准确的测量，图1.2(c)表示既准确又精密的测量。一切测量都应同时兼顾准确度和精密度，力求既准确又精密，才能成为精确的测量。一般来说，工程测量中，占主要地位的是系统误差，应力求准确度高，所以人们习惯上又把精度称为准确度。而在精密测量中由于已经采取一定的措施(如改进测量方法，改善测量条件)减小或消除了系统误差，因而随机误差是主要的。5/17/202350下图是射击弹着点示意图，它（a）包含

误差，（b）包含

误差，（c）包含

误差。

A.系统误差B.粗大误差C.随机误差D.动态误差（1）基本误差（2）附加误差测量误差的分类三：按使用条件分5/17/2023521）基本误差基本误差是指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。所谓规定的标准条件是指一般传感器在实验室、制造厂或计量部门标定刻度时所保持的工作条件，如电源电压（220±5）V、温度（20±5）oC、湿度小于80％、电源频率（50±1）Hz等。基本误差是检测仪表在额定条件下工作所具有的误差，检测仪表的精确度是由基本误差决定的。2）附加误差当使用条件偏离规定的标准条件时，除产生基本误差外，还会产生附加误差。如由于温度超过规定的标准而引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使用时应叠加到基本误差上去。（1）静态误差（2）动态误差测量误差的分类四：按被测量随时间变化的速度分5/17/2023551）静态误差当被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。2）动态误差

由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差

当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。

5/17/2023571.3传感器的基本知识传感器的定义包含了以下几方面的含义：（1）传感器是一种测量装置，能完成检测任务。（2）传感器的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。（3）传感器的输出量是某种物理量，这种量可以是气量、光量、电量，但主要是电量。（4）传感器的输出、输入有对应关系，且应有一定的精确度。传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的元件或装置。

1.3.2传感器的组成

2023/5/1759图1-4传感器组成框图举例：测量压力的电位器式压力传感器压力压力角位移电阻值电压2023/5/17601-弹簧管2-电位器弹簧管电位器分压电路敏感元件2023/5/1761

敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。图1-4气体压力传感器的示意图1—壳体；2—膜盒；3—电感线圈；4—磁芯；5—转换电路弹性敏感元件（弹簧管）弹性敏感元件（弹簧管）

在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α2023/5/1763弹簧管放大图2023/5/1764

当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量

在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量--电阻的变化（ΔR）2023/5/1765

测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。

在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo

。

2023/5/1766分压比电路的计算公式如下：

直滑电位器式传感器的输出电压Uo与滑动触点C的位移量x成正比：

对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：5/17/2023671.3.3传感器分类

传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：１）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。

2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。

本教材采用第二种分类法。

5/17/2023683)按能量的传递方式分:传感器按能量的传递方式可分为有源传感器和无源传感器。

2）无源传感器无源传感器不进行能量的转换，被测非电量仅对传感器中的能量起着控制或调节的作用，所以它必须具有辅助能源(电源)，如电阻传感器、电容传感器和电感式传感器等1）有源传感器有源传感器可视为一台微型发电机，能将非电量转换为电量，它所配用的测量转换电路通常是信号放大器。所以有源传感器是一种能量变换器，如压电式传感器、热电式传感器(热电偶)、电磁式传感器和电动式传感器等。4)按输出信号的性质分传感器按输出信号的性质可分为模拟传感器与数字传感器。模拟传感器要通过A／D转换器才能用计算机进行信号分析、加工与处理。数字传感器则可直接送到计算机进行处理。2023/5/1771测量误差的分类二（按出现的规律）（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差装置、原理偶然因素人为、干扰有规律、可修正随即、多次测量求平均剔除回顾2023/5/1772（1）基本误差（2）附加误差测量误差的分类三：按使用条件分测量误差的分类四：按被测量随时间变化的速度分（1）静态误差（2）动态误差一、传感器的组成

5/17/2023731.3.4传感器的特性

传感器的特性一般指输入、输出特性.传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。5/17/2023741.静态特性传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时输入量与输出量的关系。只有传感器处于稳定状态时，输入量与输出量之间的关系式中才不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、漂移和可靠性等。1）线性度线性度是指传感器输入量与输出量之间的静态特性曲线偏离直线的程度，其又称为非线性误差。在实际使用中，大多数传感器的静态特性曲线是非线性的。可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段，使输入输出特性线性化，这条直线称为拟合直线。图1-5几种拟合直线1）线性度

线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。非线性误差越小越好。线性度的计算公式如下：（1－7）5/17/202377作图法求线性度演示（1—拟合曲线2—实际特性曲线）5/17/2023782）灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K来表示：（1－6）表征传感器对输入量变化的反应能力式中，

Δy为输出量的增量；

Δx为引起输出量增量的输入量的增量。5/17/2023795/17/2023803）迟滞迟滞是指传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入—输出特性曲线不重合的程度，对于同一大小的输入量，传感器正反行程的输出量的大小不等。迟滞误差是指对应同一输入量的正反行程输出值间的最大差值与满量程输出值的百分比，通常用γH表示，即

（1-9）式中，ΔHmax为正反行程输出值间的最大差值。主要原因是传感器中敏感元件材料的物理性质和机械零部件有缺陷4）重复性

重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得输入—输出特性曲线不一致的程度。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差越小。图1-8传感器的重复性重复性误差是指各测量值正反行程标准偏差的两倍或三倍与满量程输出值的百分比，通常用γR

表示，即

（1-10）式中，

σ为正反行程标准偏差。重复性误差也可用正反行程中的最大偏差ΔRmax表示，即

（1-11）式中，ΔRmax为正反行程中的最大偏差。指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。

当分辨力以满量程输出的百分数表示时，则称为分辨率。5）分辨力5/17/2023866）稳定性

稳定性是指传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，这种差异称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。稳定度：所有条件不变时，在规定的时间内能维持其示值不变的能力。示值变化量/时间环境影响量：由外界环境变化引起的示值变化量。示值偏差/影响因素（例0.2mv/℃）稳定性：5/17/2023887）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、不需要的变化。它包括零点漂移和灵敏度漂移仪器自身参数的变化周围环境对输出的影响产生漂移的主要原因：5/17/202389漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。图1-9传感器的漂移5/17/202390零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点漂移或灵敏度漂移随时间的缓慢变化。温度漂移是指当环境温度变化时，引起的零点漂移或灵敏度漂移。浴盆曲线

8）可靠性可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。5/17/202392衡量其可靠性的指标有：①平均无故障时间。平均无故障时间是指传感器或检测系统在正常的工作条件下，连续不间断地工作，直到发生故障，而丧失正常工作能力所用的时间。②平均修复时间。平均修复时间是指排除故障所花费的时间。③故障率。故障率也称为失效率，它是平均无故障时间的倒数。

“老化”试验：在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境低温环境高温环境……反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低。老化试验台5/17/2023941.4检测系统的组成

图1-11检测系统各组成部分之间的关系传感器

测量转换电路

显示与记录装置