《传感与检测技术》课件-第一章 传感器与检测技术基础

2025/9/10山东科技大学传感与检测技术2025/9/10山东科技大学第一章传感器与检测技术基础

第一节传感器

第二节检测技术

第三节传感器与检测系统的基本特性

第四节测量误差及处理方法2025/9/10山东科技大学第一节传感器一、传感器的定义与组成传感器是一种能把特定的被测信号按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图1-1。

2025/9/10山东科技大学二、传感器的分类目前传感器的主要分类方法见表1-1。分类法类型说明按基本效应分

物理型、化学型、生物型分别以转换中物理效应、化学效应等分类按构成原理分

结构型物性型

以其转换元件结构参数变化实现信号转换以其转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分能量转换型能量控制型传感器的输出量直接由被测量能量转换而得传感器的输出量由外源供给，但受被测量控制按工作原理分电容式、应变式等以传感器对信号的转换原理命名按输入量分位移、温度、压力式等以被测量命名按输出量分模拟式数字式输出量为模拟信号输出量为数字信号2025/9/10山东科技大学三、传感器选用原则如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。通常选用传感器应从以下几个方面考虑：（1）测试条件（2）传感器性能（3）使用条件具体来讲，可以从以下几个方面考虑：1、根据测量对象与环境确定传感器的类型2、灵敏度的选择3、频率响应特性4、线性范围5、稳定性6、精度2025/9/10山东科技大学四、传感技术的现状和发展传感器技术发展趋势及重点研究开发的有以下几个方面。1、新型敏感材料2、微细加工技术3、新型传感器4、智能化传感器5、网络传感器2025/9/10山东科技大学一、检测技术的含义、作用和地位（1）检测技术是产品检测和质量控制的重要手段。借助于检测工具对产品进行质量评价是人们十分熟悉的，这是检测技术重要的应用领域。但传统的检测方法只能将产品区分为合格品和废品，起到产品验收和废品剔除的作用。（2）检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用。电力、石油、化工、机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压、高速和大功率状态下运行，保证这些关键设备安全运行在国民经济中具有重大意义。第二节检测技术2025/9/10山东科技大学（3）检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。任何生产过程都可以看作是由“物流”和“信息流”组合而成，反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是人们管理和控制物流的依据。（4）检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。人们在自然科学各个领域内从事的研究工作，一般是利用已知的规律对观测、试验的结果进行概括、推理，从而对所研究的对象取得定量的概念并发现它的规律性，然后上升到理论。

2025/9/10山东科技大学二、工业检测技术涉及的内容：热工量：例：0℃等于32℉，20℃等于68℉，100℃等于212℉

温度t（℃、K、℉）压力（压强）p（Pa）、压差Δp

、真空度、流量q（t、m3

）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）机械量：直线位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（m/s2）、转速n（r/min）、应变ε（

m/m

）、力矩T（Nm）、振动、噪声、质量（重量）m（kg、t）几何量长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、硬度、材料缺陷等物体的性质和成分量：空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色状态量：工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）2025/9/10山东科技大学一个完整的检测过程一般包括信息的提取、转换、存储、传输、显示和分析处理等。图1-2为涵盖各种功能模块的检测系统的组成框图三、检测系统的基本结构和类型2025/9/10山东科技大学现代检测系统大致可分为三类，即基本型、标准接口型和闭环控制型。1、基本型以计算机为终端的检测系统如图1-3所示。

2025/9/10山东科技大学2、标准接口型检测系统由各个功能模块组合在一起，模块之间的信号传输形式有专门接口和标准接口两种类型。标准接口型系统由模块（台式仪器或插件板）组合而成，所有模块的对外接口都按规定标准设计。(1)GPIB总线系统(GeneralPurposeInterfaceBus)。(2)VXI总线系统。VXI(VMEbusExtensionsforInstrumentation)

（3）PXI总线系统。PXI(PCIextensionsforInstrumentation)(4)串口仪器。串口仪器是基于串行数据传输的标准接口型仪器2025/9/10山东科技大学3．闭环控制型图1-4为典型的生产过程控制系统中的检测系统结构框图。四、检测技术的现状与发展随着现代科学技术的进步，检测技术的发展主要表现在以下几个方面。1、传感器水平的提高2、检测方法的推进3、检测仪器与计算机技术集成2025/9/10山东科技大学第三节传感器与检测系统的基本特性一、检测系统的静态特性衡量检测系统静态特性的主要指标是灵敏度、线性度、迟滞性、重复性和稳定性等。1、灵敏度和灵敏阈灵敏度是指检测系统在稳态下输出增量又输入增量之比值，如图1-5所示，对于线性检测系统，其灵敏度是拟合直线的斜率，即2025/9/10山东科技大学对于非线性检测系统，其灵敏度不是常数，即2025/9/10山东科技大学2、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。线性度的计算公式如下：2025/9/10山东科技大学3、迟滞性迟滞性也称为“滞后量”或“滞环”，是指检测系统在全量程范围内，输入量在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程期间二者的静态特性曲线不一致的程度。迟滞性的大小采用引用误差形式表示，即2025/9/10山东科技大学4、重复性重复性是指检测系统在输入量按同一方向做全量程连续多次测试时所得输入、输出特性曲线不重合程度。用正、反行程标准偏差的2倍～3倍值与满量程输出值的百分比表示，即2025/9/10山东科技大学5、稳定性稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度是指检测装置在所有条件恒定不变的情况下，在规定时间内能维持其示值不变的能力，一般用示值的变化量和时间长短的比值来表示。环境影响量是指由于外界环境因素的变化而引起的仪表示值变化的变化量。造成环境影响量的因素有温度、湿度、气压、电源电压或频率、电磁场等。表示环境影响量时要同时写出示值偏差及造成这一偏差的影响因素的大小。2025/9/10山东科技大学描述检测系统的动态特性的数学模型一般有微分方程、传递函数和频率特性三种形式。（一）检测系统的数学模型1、微分方程检测系统的动态特性可用常系数线性微分方程来描述，即实际上虽然工程中检测系统的种类和形式很多，但其结构常数bi中除bo≠0外，其余项b1=b2=bm=0，故上式可改写成二、检测系统的动态特性2025/9/10山东科技大学

2、传递函数初始条件为零时，系统输出量y(t)的拉普拉斯变换Y(s)与系统输入量x(t)的拉普拉斯变换X(s)的比值称为检测系统的传递函数。对式（1-7）两边分别进行拉普拉斯变换，得整理，得2025/9/10山东科技大学3、频率特性初始条件为零时，系统的输出量y(t)的傅里叶变换与输入量的傅里叶变换的比值称为检测系统的频率响应特性，简称为频率特性。对于稳定的线性定常检测系统，取，则式（1-8）变为上式可用指数形式表示，即2025/9/10山东科技大学（二）常见检测系统的数学模型常见的检测系统都是一阶或二阶的，任何高阶系统都可以等效为若干个一阶和二阶系统的串联或并联。1、RC电路、单容水槽都是一阶系统一阶系统图1-9所示的质量为零的弹簧一阻尼机械系统、电容-电阻组成的。不论是热力学、电学系统，还是力学系统，它们若是一阶系统就可以由通式表示为2025/9/10山东科技大学2、二阶系统图1-10所示均为二阶系统。一阶系统的传递函数为一阶系统的频率特性为2025/9/10山东科技大学二阶系统的传递函数为不论是热力学、电学系统，还是力学系统，它们若是二阶系统就可以由标准形式的二阶微分方程来表示，即二阶系统的频率特性为2025/9/10山东科技大学（三）检测系统的动态特性分析1、检测系统的时域特性下面以阶跃信号激励为例，分析一阶和二阶传感器的动态特性。（1）一阶检测系统的时域特性设一阶检测系统的传递函数为当输入一个单位阶跃信号时，系统的输出信号为2025/9/10山东科技大学根据检测系统的输出特性曲线，可以选择以下几个特征时间点作为其时域动态性能指标：1）时间常数：输出由零上升到稳态值的63%所需的时间。2）调节时间：输出由零上升到并保持在稳态值的偏差的对值在±2%或±5%的范围内所需的时间。3）延迟时间：输出由零上升到稳态值的一半所需的时间。4）上升时间：输出由10%上升到90%的所需的时间。

2025/9/10山东科技大学2）二阶检测系统的时域设二阶检测系统的传递函数为

图1-13为表示二阶检测系统性能指标的单位阶跃响应曲线，二阶系统的主要性能指标如下。1）上升时间tr。2）延迟时间td。3）峰值时间tp：响应曲线达到超调量第一个峰值所需要的时间。4）调节时间ts：响应曲线达到并永远保持在一个允许误差范围内所需的最短时间。用稳态值的百分数（通常取5%或2%）作误差范围。2025/9/10山东科技大学5）超调量σ：输出响应的最大偏离量y(tp)与终值y()之差的百分比，即2025/9/10山东科技大学2、检测系统的频域特性当系统输入的激励信号为正弦信号时，则按系统的频率响应特性研究其动态特性。（1）一阶系统的频域响应相应的幅频特性和相频特性为2025/9/10山东科技大学（2）二阶系统的频域特性即得到二阶检测系统的频域响应特性表达式相应的幅频特性和相频特性为2025/9/10山东科技大学（3）频域特性指标衡量检测系统对正弦信号激励响应的频域特性指标主要如下：1）通频带：使系统输出量保持在一定值（幅频特性曲线上相对于幅值衰减3dB）内所对应的频率范围。2）工作频带：系统输出幅值误差为±5%（或±10%）时所对应的频率范围。3）相位误差：在工作频带范围内输出量的相位偏差应小于5°（或10°）。图1-15二阶检测系统频率响应特性曲线(a)幅频特性；(b)相频特性2025/9/10山东科技大学

第四节测量误差及处理方法一、测量误差的概念测量误差是指检测结果与被测量的客观真值的差值。测量的目的是希望通过测量求取被测量的真值。判断真值的方法有三种：一是理论设计和理论公式的表达值，称理论真值。例如，三角形内角之和为180°。二是由国际计量学确定的基本的计量单位称约定真值。例如，在标准条件下水的冰点和沸点分别是O℃和100℃。三是精度高一级或几级的仪表与精度低的仪表相比，把高一级仪表的测量值称为相对真值。相对真值在测量中应用最为广泛。2025/9/10山东科技大学二、误差的表示方法1．绝对误差检测系统的测量值（即示值）X与被测量的真值X0之间的代数差值x称为检测系统测量值的绝对误差，即对检测仪表的测量示值应加以修正；修正后才可得到被测量的实际值X0。修正值与示值的绝对误差数值相等，但符号相反，即2025/9/10山东科技大学2．相对误差检测系统测量值（即示值）的绝对误差△x与被测参量真值Xo的比值，称为检测系统测量值（示值）的相对误差，常用百分数表示，即3．引用误差检测系统测量值的绝对误差与系统量程L之比值，称为检测系统测量值的引用误差。引用误差通常仍以百分数表示。2025/9/10山东科技大学4、最大引用误差（或满度最大引用误差）在规定的工作条件下，当被测量平稳增加或减少时，在检测系统全量程所有测量引用误差（绝对值）的最大者，或者说所有测量值中最大绝对误差（绝对值）与量程的比值的百分数，称为该系统的最大引用误差，用符号表示。5、精度等级工业检测仪器（系统）常以最大引用误差作为判断精度等级的尺度。为统一和方便使用，国家标准GB776-76《测量指标仪表通过技术条件》规定，测量指示仪表的精度等级G分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。2025/9/10山东科技大学三、误差的分类为了便于误差的分析和处理，可以按误差的规律性将其分为三类，即系统误差、随机误差和粗大误差。1、系统误差在相同的条件下，对同一物理量进行多次测量，如果误差按照一定规律出现，则把这种误差称为系统误差（systemerror），简称系差。系统误差可分为定值系统误差（简称定值系差）和变值系统误差（简称变值系差），变值系差按其变化规律又可分为线性系统误差、周期性系统误差和按复杂规律变化的系统误差。2025/9/10山东科技大学2、随机误差当对某一物理量进行多次重复测量时，若误差出现的大小和符号均以不可预知的方式变化，则该误差为随机误差（randomerror）。随机误差就个体而言并无规律可循，但其总体却服从统计规律，总的来说随机误差具有下列特性。（1）对称性：绝对值相等、符号相反的误差在多次重复测量中出现的可能性相等。（2）有界性：在一定测量条件下，随机误差的绝对值不会超出某一限度。（3）单峰性：绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差在多次重复测量中出现的机会多。（4）抵偿性：随机误差的算术平均值随测量次数的增加而趋于零。3、粗大误差明显超出规定条件下的预期值的误差称为粗大误差（abnormalerror）。2025/9/10山东科技大学4、测量精度测量精度可细分为准确度、精密度和精确度。（1）准确度。表明测量结果偏离真值的程度，它反映系统误差的影响，系统误差小，则准确度高。（2）精密度。表明测量结果的分散程度，它反映随机误差的影响，随机误差小，则精密度高。（3）精确度。精确度反映测量中系统误差和随机误差综合影响的程度，简称精度。精度高，说明准确度与精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。2025/9/10山东科技大学四、误差处理（一）、随机误差及其处理随机变量可以用来表达随机误差的取值范围及概率。若有一非负函数f(x)，其对任意实数有分布函数称f(x)为的概率分布密度函数。1．随机误差的正态分布规律实践和理论证明，大量的随机误差服从正态分布规律。正态分布的曲线如图1-18所示。2025/9/10山东科技大学应用概率论方法可导出式中，特征量为2025/9/10山东科技大学2．真实值与算术平均值设对某一物理量进行直接多次测量，测量值分别为，各次测量值的随机误差为

，将随机误差相加两边同除n得用代表测量列的算术平均值式（1-34）改写为（1-34）2025/9/10山东科技大学根据随机误差的抵偿特征，即3．随机误差的估算（1）标准差。标准差定义为

图1-19不同的概率密度曲线2025/9/10山东科技大学（2）单次测量值的标准差的估计。剩余误差,代替误差来估算有限次测量的标准差，得到的结果就是单次测量的标准差，用表示，它只是的一个估算值。由误差理论可以证明单次测量的标准差的计算式为（3）算术平均值的标准差的估计。

2025/9/10山东科技大学（二）粗大误差的判别与坏值的舍弃统计判别法的准则很多，在这里我们介绍两种判别粗大误差的准则。1．拉依达准则（3准则）若某个测量值的剩余误差满足下式则认为是含有粗大误差的坏值，应予剔除。2．格罗布斯（Grubbs）准则当测量数据中某数据xi的残差满足则该测量数据含有粗大误差，应予以剔除。2025/9/10山东科技大学（三）系统误差的判别与消除系统误差是产生测量误差的主要原因，消除或减小系统误差是提高测量精度的主要途径。1．系统误差的判别（1）实验对比法实验对比法是通过改变产生系统误差的条件，在不同的条件下测量，从而发现系统误差。（2）残差观察法根据测量的各个残差的大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图来判断是否存在系统误差。这种方法主要适用于判断有规律的系统误差。图1-20为一组