《传感器与检测技术》课件 项目1 传感器与测量技术基础

项目1传感器与检测技术基础任务1.1认识传感器

任务1.2认识测量及数据处理

任务1.3认识传感器接口电路任务1.1认识传感器1.1.1传感器的定义、组成与分类1.传感器的定义传感器是指能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

任务1.1认识传感器2.传感器的组成传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为换能器、检测器、探头等，通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。任务1.1认识传感器电位器式压力原理表示意图a)原理示意图b)外形图1－弹簧管2－电位器3－电刷4－传动机构（齿轮-齿条）任务1.1认识传感器3.传感器的分类传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。按输入量即测量对象的不同分类输入量分别为温度、压力、位移、速度、湿度、光线、气体等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、称重传感器等。按工作(检测)原理分类检测原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学效应和生物效应等机理。有电阻式、电容式、电感式、压电式、电磁式、磁阻式、光电式、压阻式、热电式、核辐射式、半导体式等传感器。按传感器能量转换情况分类可分为能量变换型(发电型)传感器和能量控制型(参量型)传感器两种。任务1.1认识传感器1.1.2传感器的基本特性

传感器的基本特性是指传感器的输入-输出关系特性，是传感器的内部结构参数作用关系的外部特性表现。不同的传感器有不同的内部结构参数，决定了它们具有不同的外部特性。

传感器所测量的物理量基本上有两种形式稳态（静态或准静态）信号不随时间变化（或变化很缓慢）静态特性动态（周期变化或瞬态）信号随时间变化动态特性任务1.1认识传感器1.静态特性传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入-输出关系。静态特性所描述的传感器的输入-输出关系式中不含时间变量。灵敏度分辨力线性度迟滞重复性漂移静态特性的主要指标任务1.1认识传感器1）灵敏度(Sensitivity)

灵敏度是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值。用S

来表示：任务1.1认识传感器2）分辨力(Resolution)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。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，是量纲为1的数。右表的分辨力为多少？分辨力=0.1A分辨率=0.1A÷99.9≈0.1%任务1.1认识传感器3）线性度（Linearity）

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。将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度。

线性度的计算公式如下：

式中

ΔLmax——最大非线性偏差；

ymax

-ymin——输出范围。

端基线性度示意图1-拟合直线y=Kx+b2-实际特性曲线任务1.1认识传感器4）迟滞（Hysteresis）

迟滞又称为回差或变差，是指在规定的测量范围内，输入量增大行程期间和输入量减小行程期间，任一被测量值处输出量的最大差值，也就是指传感器的正向特性和反向特性不一致程度。可用下式表示：

式中

ΔHmax——最大非线性偏差；

ymax

-ymin——输出范围。某位移传感器迟滞特性曲线1-正向特性2-反向特性任务1.1认识传感器5）重复性（Repeatability）

重复性是指当传感器在相同工作条件下，输入量按同一方向全量程连续多次测试时,所得特性曲线不一致的程度。如图所示，正行程的最大重复性偏差为ΔRmax1，反行程的最大重复性偏差为ΔRmax2。重复性误差取这两个最大偏差中较大的一个（设为ΔRmax），再与满量程输出的百分比表示，即：

任务1.1认识传感器6）漂移（DriftorShift）

漂移是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象。漂移将影响传感器的稳定性或可靠性。一是传感器自身结构参数发生老化，如零点漂移（简称零漂）二是在测试过程中周围环境（如温度、湿度、压力等）发生变化，最常见的是温度漂移（简称温漂）产生漂移的原因漂移任务1.1认识传感器2.动态特性传感器动态特性是指传感器的输入为随时间变化的信号时，其输出与输入之间的关系。传感器的输入信号是随时间变化的动态信号，这时就要求传感器能时刻精确地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程称为响应。任务1.1认识传感器1.1.3传感器的标定与校准标定利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定不同使用条件下的误差关系或测量精度。校准校准是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正，校准的方法和要求与标定相同。任务1.1认识传感器

任务1.2认识测量及数据处理

任务1.3认识传感器接口电路任务1.2认识测量及数据处理1.2.1检测技术及自动检测系统1.检测技术检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法和装置，将生产、科研、生活中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。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测技术。

检测与计量不同。计量是指利用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的非实时、离线的测量。而检测是指在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。2.自动检测系统自动检测系统是指在物理量的测试中，能自动地按照一定的程序选择测量对象，获得测量数据，并对数据进行分析和处理，最后将结果显示或记录下来的系统。一个完整的检测系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置、数据处理装置和执行机构等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示、处理和控制等功能。任务1.2认识测量及数据处理（1）传感器。传感器已在任务1.1中详细介绍过，本任务不再赘述。（2）信号调理电路。信号调理电路包括放大（或衰减）电路、滤波电路、隔离电路等。放大电路的作用是把传感器输岀的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率等信号，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。（3）显示装置。显示装置是人机联系的重要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。任务1.2认识测量及数据处理（4）数据处理装置。数据处理装置用于对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、变换，以及对动态测试结果做频谱分析（包括幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等，完成这些工作必须釆用计算机技术。（5）执行机构。执行机构是运动部件，通常釆用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。任务1.2认识测量及数据处理任务1.2认识测量及数据处理1.2.2测量与测量误差1.测量的概念测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与单位标准量进行比较，以确定出被测量是标准量的多少倍数的过程，所得的倍数就是测量值。测量结果可用一定的数值表示，也可以用一条曲线或某种图形表示。但无论其表现形式如何，测量结果应包括两部分：比值和测量单位。测量过程的核心就是比较。2.测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。对于测量方法，从不同角度，有不同的分类方法。（1）根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量。例如，用激光干涉仪对建筑物的缓慢沉降作长期监测就属于静态测量；又如，用光导纤维陀螺仪测量火箭的飞行速度和方向就属于动态测量。任务1.2认识测量及数据处理（2）根据测量的手段不同，可分为直接测量和间接测量。用仪表直接读取被测量的测量结果，称为直接测量。间接测量的过程比较复杂，首先要对几个与被测量有确定函数关系的量进行直接测量，将测量值代入函数关系式y=f(x1，x2，x3，…)，经过计算求得被测量。（3）根据测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。目前多采用数字式测量。（4）根据测量时是否与被测对象接触，可分为接触式测量和非接触式测量。（5）为了监视生产过程或在生产流水线上监测产品质量的测量称为在线测量；反之，称为离线测量。任务1.2认识测量及数据处理（6）根据测量的方式来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量。①偏位式测量：在测量过程中，被测量作用于仪表内部的比较装置，使该比较装置产生偏移量，直接用仪表的偏移量表示被测量的测量方式称为偏位式测量。②零位式测量：在测量过程中，被测量与仪表内部的标准量相比较，当测量系统达到平衡时，用已知标准量的值决定被测量的值，这种测量方式称为零位式测量。③微差式测量：微差式测量法综合了偏位式测量法速度快和零位式测量法准确度高的优点。这种测量方法预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡，当被测量有微小变化时，测量装置失去平衡。任务1.2认识测量及数据处理3.测量误差及表达方式

在一定条件下被测物理量客观存在的实际值，称为真值，真值是一个理想的概念。在实际测量时，由于实验方法和实验设备的不完善、周围环境的影响以及人们认识能力所限等因素，使得测量值与其真值之间不可避免地存在着差异。测量值与真值之间的差值称为测量误差。

测量误差可用绝对误差表示，也可用相对误差表示。任务1.2认识测量及数据处理（1）绝对误差绝对误差是指测量值与真值之间的差值，它反映了测量值偏离真值的多少，即Δx=Ax-A0

（1-5）式(1-5)中A0为被测量真值，Ax为被测量实际值。由于真值的不可知性，在实际应用时，常用实际真值（或约定真值）A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-A

（1-6）任务1.2认识测量及数据处理（2）相对误差

相对误差能够反映测量值偏离真值的程度，用相对误差通常比其绝对误差能更好地说明不同测量的精确程度。它有以下三种常用形式：①实际相对误差。实际相对误差是指绝对误差Δx与被测量真值A0的百分比，用γA表示，即

（1-7）任务1.2认识测量及数据处理②示值(标称)相对误差。示值相对误差是指绝对误差Δx与被测量实际值Ax的百分比，用γx表示，即

（1-8）任务1.2认识测量及数据处理③引用(满度)相对误差。引用相对误差是指绝对误差Δx与仪表满度值Am的百分比，用γm表示，即

（1-9）任务1.2认识测量及数据处理由于γm是用绝对误差Δx与一个常量Am(量程上限)的比值所表示的，所以实际上给出的是绝对误差，这也是应用最多的表示方法。当|Δx|取最大值时，其满度相对误差常用来确定仪表的精度等级S,精度等级数值就是取γm绝对值并省略百分号得到的，即

（1-10）任务1.2认识测量及数据处理例如，若γm=l.5%，则精度等级S=1.5级。为统一和方便使用，国家标准GB776-76(测量指示仪表通用技术条件》规定，测量指示仪表的精度等级S分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级，这也是工业检测仪器(系统)常用的精度等级。例如用5.0级的仪表测量，其绝对误差的绝对值不会超过仪表量程的5%。满度相对误差中的分子、分母均由仪表本身性能所决定，所以它是衡量仪表性能优劣的一种简便实用的方法。任务1.2认识测量及数据处理【例1-2】某温度计的量程范围为0℃～500℃,校验时该表的最大绝对误差为6℃,试确定该仪表的精度等级。【解】根据题意知|Δx|m=6℃,Am=500℃，代入式(1-8)中可得

该温度计的基本误差介于1.0%与1.5%之间，因此该表的精度等级应定为1.5级。任务1.2认识测量及数据处理【例1-3】现有精度等级为0.5级的0℃～300℃和1.0级的0℃～100℃的两个温度计，欲测量80℃的温度，试问选用哪一个温度计好？为什么？【解】0.5级温度计测量时可能出现的最大绝对误差和测量80℃可能出现的最大示值相对误差分别为任务1.2认识测量及数据处理1.0级温度计测量时可能出现的最大绝对误差和测量80℃可能出现的最大示值相对误差分别为根据计算结果,显然用1.0级温度计比0.5级温度计测量时，示值相对误差反而小。因此在选用仪表时,不能单纯追求高精度，而是应兼顾精度等级和量程。任务1.2认识测量及数据处理4.测量误差的分类（1）按被测量与时间关系划分①静态误差。被测量稳定不变时所产生的测量误差称为静态误差。②动态误差。被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上却跟不上输入量的变化，这时所产生的误差称为动态误差。任务1.2认识测量及数据处理（2）按误差表现的规律划分根据测量数据中的误差所呈现的规律，将误差分为三种，即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据的处理。①系统误差。对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不变或者按照一定规律变化，这种误差称为系统误差。②随机误差。对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化、不可预知，这种误差称为随机误差。③粗大误差。测量结果明显地偏离其实际值所对应的误差，称为粗大误差或疏忽误差，又叫过失误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。任务1.2认识测量及数据处理任务1.2认识测量及数据处理1.2.3测量数据处理在实际测量工作中，所测得的数据并不一定十分理想。为了能得到较精确的测量结果，应对多次测量的数据进行分析与处理。测量结果的数据处理可以按照下列步骤进行：1.将一系列等精度测量的数据xi（i=1,2,…,n）按先后顺序列成表格(在测量时应尽可能消除系统误差)。2.求出测量数据xi的算术平均值

x。3.计算出各测量值的残余误差Vi(Vi=xi-

x),并列入表中每个测量数值旁。4.检查

Vi=0（i=1～n）的条件是否满足。若不满足，说明计算有错误，须再计算。5.在每个残余误差旁列出Vi2，然后利用公式（1-10）求出方均根误差

。

（1-10）6.判别是否存在粗大误差（即是否有|Vi|＞3

）,若有，应舍去此数，然后从步骤2开始重新计算。7.在确定不存在粗大误差（即|Vi|≤3

）后，利用公式（1-11）求出算术平均值的标准差

。

（1-11）8.写出最后的测量结果x=

x±3

，并注明置信概率（99.7%）。任务1.2认识测量及数据处理任务1.1认识传感器

任务1.2认识测量及数据处理

任务1.3认识传感器接口电路任务1.3认识传感器接口电路1.3.1传感器输出信号的特点由于传感器种类繁多，其输出信号也各不相同。所以了解传感器输出信号的特点对于接口电路尤其重要。传感器接口电路的特点主要表现为：1.传感器输出信号的形式多样化，有电阻、电感、电荷、电压等。2.传感器输出信号微弱，不易于检测。3.传感器的输出阻抗较高，会产生较大的信号衰减。4.传感器输出信号动态范围宽，输出信号会受到环境因素的影响，影响到测量的精度。任务1.3认识传感器接口电路1.3.2常见传感器接口电路1.放大电路传感器输出信号一般比较微弱，因此在大多数情况下需要使用放大电路。放大电路主要将传感器输出的微弱的直流信号或交流信号放大到合适的程度。放大电路一般采用运算放大器构成。任务1.3认识传感器接口电路（1）反相放大器图1-13所示是反相放大器的基本电路。输入电压加到运算放大器的反相输入端，输出电压经RF反馈到反相输入端。输出电压为：

（1-12）反相放大器的放大倍数取决于RF与R1的比值，负号表示输出电压与输入电压反相。该放大电路应用广泛。任务1.3认识传感器接口电路（2）同相放大器图1-14所示是同相放大器的基本电路。输入电压加到运算放大器的同相输入端，，输出电压经RF反馈到反相输入端。输出电压为：

（1-13）同相放大器的放大倍数取决于RF与R1的比值，输出电压与输入电压同相。任务1.3认识传感器接口电路（3）差动放大器图1-15为差动放大器的基本电路。两个输入信号分别加到运算放大器的同相输入端和反相输入端，输出电压经RF反馈到反相输入端。若R1=R2，R3=RF，则输出电压为：

（1-14）差动放大器的优点是抑制共模信号的能力和抗干扰能力强。任务1.3认识传感器接口电路2.阻抗匹配器

传感器输出阻抗都比较高，比一般电压放大电路的输入阻抗要大得多，若将传感器直接与放大电路进行连接，则信号衰减很大，甚至不能正常工作。常常使用高输入阻抗和低输出阻抗的阻抗匹配器。常用的阻抗匹配器是半导体阻抗匹配器、场效应管阻抗匹配器及集成电路阻抗匹配器等。

半导体阻抗匹配器，实际上是共集电极放大电路，又称为射极输出器。射极输出器的输出相位与输入相位相同，放大倍数略小于1，输入阻抗高，输出阻抗低。场效应管阻抗匹配器的输入阻抗高达1012Ω以上，而且其结构简单、体积小，得到了广泛的应用。任务1.3认识传感器接口电路3.电桥电路

电桥电路是传感器系统中经常使用的转换电路，主要用来把电阻、电容、电感的变化转换为电压或电流。根据其供电电源性质的不同，可分为直流电桥、交流电桥。直流电桥主要用于电阻式传感器，交流电桥可用于电阻、电容及电感式传感器。

电桥的基本电路如图1-16所示，阻抗Z构成电桥电路的桥臂，桥路的一对角线接工作电源，另一对