《检测与传感技术》课件-项目1 传感器与检测技术的基础知识

铁道机车专业教学资源库检测与传感技术任务1.1测量的基本概念任务1.2测量误差及分类任务1.3传感器及其基本特性任务1.4传感器信号处理电路任务1.5抗干扰技术项目1传感器与检测技术的基础知识测量的定义测量是借助于专门的技术工具或者手段，通过实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，求取两者比值，从而得到被测量数值大小的过程。数学表达式:x=AxAex-被测量；Ax-被测量的数据；Ae-测量的单位名称任务1.1测量的基本概念测量的定义由x=AxAe可说明测量的结果包括数值大小和测量单位两部分。单位愈小，数值愈大。测量的单位数值为1的某量，称为该量的测量单位或计量单位。在国际(SI,来自法文的leSystèmeinternationald'unites)单位制中，将单位分成三类：基本单位、导出单位和辅助单位。测量的单位7个严格定义的基本单位是：长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、电流（安培）、热力学温度（开尔文）、物质的量（摩尔）和发光强度（坎德拉）。测量的单位导出单位是由基本单位根据选定的、联系相应量的代数式组合起来的单位。其中，具有专门名称的SI导出单位总共有19个。有17个是以杰出科学家的名字命名的，如牛顿、帕斯卡、焦耳等，以纪念他们在本学科领域里作出的贡献。测量的单位如以下导出单位：赫兹（频率的单位）——周期为1s（秒）的周期现象的频率为1Hz（赫兹），即1Hz=1s－1。牛顿（力的单位）——使1Kg（千克）质量产生1m/s2（米每二次方秒）加速度的力，即1N=1Kg·m/s2。帕斯卡（压强单位）——每m2（平方米）面积上1N（牛顿）力的压力，即1Pa=1N/m2。焦耳（能或功的单位）——1N（牛顿）力的作用点在力的方向移动1m（米）距离时所作的功，即1J=1N·m。瓦特（功率单位）——1s（秒）内给出1J（焦耳）能量的功率，即1W=1J/s。测量的单位辅助单位有两个：平面角和立体角（尚未规定属于基本单位还是导出单位）。弧度（rad）是一个圆内两条半径在圆周上截取的弧长与半径相等时，它们所夹的平面角的大小。球面度（sr）是一个立体角，以球心为顶点，在球的表面切割等于球半径平方的面积所对应的的立体角为一球面弧度。（球表面积为4πr2，因此整个球有4π个球面度）测量的分类

1.静态测量和动态测量（按被测量是否随时间变化来分类）

对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。

最高、最低温度计什么是动态测量？

地震测量振动波形2.直接测量和间接测量（按测量的手段来分类）电子卡尺直接测量（用仪表测量，测量值就是被测值）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）接触式测量3.接触式测量和非接触式测量（按测量时是否与被测对象接触来分类）非接触式测量

例：雷达测速利用红外线辐射测量供电变压器的表面温度车载雷达测速在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。4.在线测量和离线测量（按是否在生产线上检测来分类）离线测量

批量产品的质量“人工”离线测量任务1.2测量误差及分类在实际中，用测量仪表对被测量进行测量时，测量结果与被测量的约定真值之间的差值称为测量误差。绝对误差

Δx=Ax－Ａ0Ax为测量值，Ａ0为被测量真值。由于真值的不可知性，在实际应用时，常用实际真值代替，即用被测量多次测量的平均值或上一级标准仪器测得的示值作为实际真值，故有：Δx=Ax－X0（X0为实际真值）（1）实际相对误差A0为被测真值（2）示值相对误差Ax为被测量值（3）引用（相对）误差Am为仪表满量程

最大引用误差又称为满度（引用）相对误差，是仪表基本误差的主要形式，故也常称之为仪表的基本误差，精度等级规定取一系列标准值，我国目前规定的精度等级有：0.005、0.01、0.02、0.04、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0等级别。

相对误差（绝对误差与被测量的约定值的百分比值）

准确度Δx为绝对误差Am为仪表满量程准确度表示传感器的最大相对误差我国的电工仪表准确度分为7级：0.1/0.2/0.5/1.0/1.5/2.5/5.0等级越大，误差就越大工业上常用0.5级以上的仪表仪表的准确度等级和基本误差

例：某指针式电压表的准确度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的最大满度相对误差为2.5%。习题习题误差产生的因素

1.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。

产生粗大误差的一个例子

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，称为系统误差。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。2.系统误差夏天摆钟变慢的原因是什么？因为摆锤通常是金属的,而金属通常都有热胀冷缩的性质,夏天摆锤热胀了,摆长变长了,所以速度会慢一些!3.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。

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。随机误差的正态分布规律长度相对测量值次数统计任务1.3传感器及其基本特性从广义上讲，传感器就是能够感受外界信息，并能按一定规律将这些信息转换成可用的输出信号的器件或装置。传感器组成图（1）敏感元件：是传感器中能直接感受被测量的部分，即直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。(有些非电量不能直接转换为电量，需要变换成另外一种非电量再来转换)（2）传感元件：是传感器中将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。（3）转换电路：将电路参数转换成便于测量的电压、电流、频率等电量信号。传感器的分类

1.按被测物理量分类分为温度、压力、流量、物位、位移、加速度、磁场、光通量等传感器。这种方法明确表明了传感器的用途，便于使用者选用，如压力传感器用于测量压力信号。2.按输出信号的类型不同分类开关型/模拟型/数字型3.按传感器工作原理分类分为电阻传感器、电感传感器、电容传感器、光敏传感器、热敏传感器、磁敏传感器等，这种方法表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用。例如电容传感器就是将被测量转换成电容值的变化。1.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：

传感器的基本特性作图法求曲线上某一指定点的灵敏度过程xyx1ΔxΔy0切点传感器特性曲线2.分辨力

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。

分辨率--将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示。

3.迟滞性迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度，用计算机逐点测量得到的某传感器迟滞特性示意图如图所示。迟滞会引起重复性、分辨力变差，或造成测量盲区，一般希望迟滞越小越好。又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与其理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比。4.线性度4.线性度人们总是希望传感器的输入与输出的关系成正比，即线性关系。这样可使显示仪表的刻度均匀，在整个测量范围内具有相同的灵敏度。如果传感器的输入与输出的关系为非线性关系，可以用计算机予以纠正。5.稳定性稳定性包括时间稳定度和环境影响量。一般以仪表的示值变化量与时间的长短之比来表示稳定度。例如，某仪表输出电压值在8h内的最大变化量为1.2mV，则表示为1.2mV/(8h)。环境影响量仅指由外界环境变化而引起的示值变化量。示值的变化由两个因素构成。一是零漂，二是灵敏度漂移。造成环境影响量的因素有温度、湿度、气压、电源电压、电源频率等。6.EMC所谓EMC是指电磁兼容性，即电子设备在规定的电磁干扰环境中能正常工作，而且也不干扰其他设备的能力。7.可靠性

可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。

浴盆曲线磨合期又称早期失效期稳定期又称偶然失效期失效期又称衰老失效期期

“老化”试验(初期失效期)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。电桥电路电桥的作用是将被测的非电量（电量)转换成电阻/电容/电感的变化、再变成电流或者电压的变化。根据电桥的供电电源的不同，分为直流电桥和交流电桥。任务1.4传感器信号处理电路直流电桥电桥输出端有放大器，放大器的输入阻抗较高，可认为电桥的负载电阻无穷大，即输出电压为电桥输出端的开路电压。直流电桥

直流电桥

直流电桥

直流电桥

信号放大电路将微弱的传感器输出信号放大到足以进行各种转换处理或以推动各种执行机构。常用的放大器有差动放大器和电荷放大器。信号滤波电路按选频作用的不同可分为：低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器功能：使得某一特定频率的信号通过，而使另一特定频率的信号衰减。信号转换电路电压与电流的转换电压与频率的转换（V/F转换器)输出信号频率的大小与输入信号电压值成正比一个电磁干扰的小实验将一台质量不佳的“电子镇流器式台灯”靠近示波器的探头，我们会发现示波器的显示屏上出现大量约宽度为数μs的尖峰波形。收音机也会传出令人烦躁的“吱吱”噪声。任务1.5抗干扰技术在测量过程中，往往会发现总是有一些无用的背景信号与被测信号叠加在一起，称之为骚扰或噪声。如果骚扰引起设备或系统的性能下降时，称之为干扰。抗干扰技术噪声源及干扰源1、机械骚扰机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。对机械骚扰，可选用专用减振弹簧-橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅。

橡胶海绵软垫橡胶垫脚及弹簧2、湿度及化学骚扰当环境相对湿度增加时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会产生原电池电化学干扰电压。某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及沿海地区的盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象，必须采取以下措施来加以保护：浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。用绝缘漆浸渍过的控制变压器浸漆可防止水分进入线圈内部3、热骚扰

热量，特别是温度波动以及不均匀的温度场对检测装置的干扰主要体现在以下几个方面：元件参数的变化（温漂）、接触热电势干扰、元器件长期在高温下工作时，引起寿命和耐压等级降低等。克服热干扰的防护措施有：选用低温漂元件，采取软、硬件温度补偿措施，选用低功耗、低发热元件，提高元器件规格余量，仪器的前置输入级远离发热元件，加强散热、采用热屏蔽等。散热实例

散热风扇4、电、磁噪声骚扰

电磁波可以通过电网以及直接辐射的形式传播到离这些噪声源很远的检测装置中。在工频输电线附近也存在强大的交变电场，在强电流输电线附近存在干扰磁场，他们将对十分灵敏的检测装置造成干扰。由于这些干扰源功率强大，要消除他们的影响较为困难，必须采取多种措施来防护。电吹风机干扰电视机的演示电吹风机产生的电磁波干扰以两种途径到达电视机：一是通过共用的电源插座，二是以空间电磁场传输的方式由电视机的天线接收。电磁兼容技术

抗电磁干扰技术有时又称为电磁兼容控制技术。可采用破坏干扰途径和削弱检测系统电路对干扰的敏感性等方法，常用的抗干扰措施有屏蔽、接地、退耦、滤波、光电隔离等技术。1、屏蔽技术利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为屏蔽。屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽和电磁屏蔽等几种。根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受外界干扰。加屏蔽罩后的中频变压器静电屏蔽静电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路。反之，内部电路产生的电力线也无法影响外电路。静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔或调试孔），它对屏蔽的影响不大。各种静电屏蔽仪器设备的屏蔽外壳必须接地带孔屏蔽板各种静电屏蔽（续）开关电源采用带孔的屏蔽外壳，既可散热，又可防止电磁干扰外泄。三绞扭屏蔽线铜芯4对双绞扭屏蔽线（屏蔽层接地）聚氟乙烯绝缘层铜线编织网（接地）各种静电屏蔽（续）低频磁屏蔽低频磁屏蔽是用来隔离低频（主要指50Hz）磁场和固定磁场（也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场）耦合干扰的有效措施。静电屏蔽线或静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线只从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。有时还将屏蔽线穿在接地的铁质蛇皮管或普通铁管内，同时达到静电屏蔽和低频屏蔽的目的。

低频磁屏蔽举例多数仪器的外壳采用导磁材料（例如：铁质机壳）作屏蔽层，让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使受外壳保护的内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。如果将外壳接地，则同时达到静电屏蔽和低频磁屏蔽的目的。电磁屏蔽电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象是高频（40kHz以上）磁场。干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。其次，电涡流也将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。镀铜电磁屏蔽盒高频干扰高导电率材料(如铜带、铜丝、镀银铜丝)低频干扰高导磁率材料(如铁氧体、钢带、钢丝、不锈钢丝等)军用屏蔽帐篷几种用导电纤维材料编织而成的军用电磁屏蔽器材

军用电子方舱屏蔽通信车防电磁波屏蔽围裙几种用导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服

辐射源防电磁波屏蔽服装防电磁波屏蔽围裙的使用2、接地技术接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。这种地线也称为“保安地线”。它的接地电阻值必须小于规定的数值。对于仪器、通讯、计算机等电子技术来说，“地线”多是指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”，它除了作为各级电路的电流通道之外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以接大地，也可以与大地隔绝。保安地线电烙铁的外壳必须良好地接大地，以保证人身安全以及焊接对象不致被静电击穿。接大地与防静电的关系人在工频电场中工作时，身体可能感应出几十伏以上的电压；当人在地板上