城市轨道交通传感器与检测技术（第二版）绪论

城市轨道交通传感器与检测技术（第二版）绪论

传感器和检测技术在城市轨道交通中的应用§1.1图1.1空调系统监控原理框图

1.1.1

在地铁空调系统中的应用

1.1.2在地铁给排水系统中的应用图1.2给排水系统监控原理框图

1.1.3在地铁供配电与照明系统中的应用

城市轨道交通的重要特点之一是节能，而照明系统在整个地铁中的用电量中占有很大的比例。供配电系统对如下参数进行监视：电压、电流、视在功率、功率因数、频率等指标，并自动进行功率因数补偿；为了节电，当传感器长期感应不到有人走动时，会自动关闭该区域的灯光照明。

当地铁内的供配电出现故障时，传感器和计算机必须在极短的时间里向OCC控制中心报告故障的部位和原因，供电系统将立即启动UBS或自备发电机，向重要供电对象（例如计算机系统）提供电力，以免系统崩溃。

1.1.4在地铁FAS系统中的应用

地铁FAS系统的火情、火灾报警传感器主要有感烟传感器、感温传感器以及紫外线火焰传感器。

在重点区域必须设置多种传感器，同时对现场加以监测，以防误报警，还应及时将现场数据经控制网络向控制系统汇总。获得火情后，系统就会自动采取必要的措施，经通信网络向有关职能部门报告火情，并对地铁内的防火卷帘门、电梯、灭火器、喷水头、消防水泵、电动门等联动设备下达启动或关闭的命令，以使火灾得到即时控制，还应启动公共广播系统，引导人员疏散。

1.1.5在地铁门禁系统中的应用

出入口控制系统又叫门禁管理系统。在地铁内的主要管理区、电梯厅、主要设备控制中心机房等重要部位的通道口，安装门禁控制装置，由中心控制室监控。

整个门禁系统由车站、主变电所、车辆段的电子读卡器、电控锁、门状态传感器、门禁控制器、综合监控系统工作站、综合监控为ACS提供的网络和现场设备组成。ACS系统负责监控高度/中度保安等级的门状态、报警按钮的报警状态，遥控开启指定的专用门。

1.1.6在地铁屏蔽门系统中的应用

传感器作为自动化智能化设备的最佳仪器，接近传感器大量投入到屏蔽门系统中。

常用的接近开关传感器有涡流式、霍尔式、光电式、光栅式等。由于接近开关传感器能够以非接触方式进行检测，所以不会磨损和损伤检测对象，这也是它适合在地铁上安装的一个重要原因。随着接近传感器性能进一步提高，它将应用于更多的场合，未来不仅仅是地铁门系统，在公交等其他屏蔽门系统上都会有广泛的应用。

1.1.7在地铁电梯控制系统中的应用

在电梯中，设置多个传感器用于电梯控制，如选层控制、电梯的平层控制、门系统控制等。

在电梯门的入口处都安装有安全保护装置。多数电梯采用光电式保护装置。在轿门边上安装两道水平光电装置，选用对射式红外光电开关，对整个开门宽度进行检测。在轿门关闭的过程中，只要乘客或货物遮断任一道光路，门都会重新开启，待乘客进入或离开轿厢后才继续完成关闭动作。

电梯即将到达层门位置时，进入平层减速运行状态。经过多段减速，安装在轿厢外侧面的“楼层位置感应器”（也称平层感应器）开始进入“隔磁板”的区域。感应器可采用干簧管式、霍尔式、光电式等传感器。

传感器和检测技术的概念与作用§1.2

1.2.1传感器的概念和作用

一、传感器的定义

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是测量装置，能完成信号获取任务；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；输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；输出与输入之间应该有稳定的单值函数关系，且应有一定的精确度。

1.2.1传感器的概念和作用传感器是指将被测量（一般为非电量）转换为另一种与之有确定对应关系并便于测量的量（一般为电量）的器件，它又叫探测器、换能器等。非电物理量通过相应的传感器都可以变换为标准电流信号（一般为0～10mA或4～20mA）或者标准电压信号（一般为0～5V或1～5V）。图1.5传感器的定义

1.2.1传感器的概念和作用传感器起源于仿生研究。每一种生物在其生命周期内都需要经常与周围环境交换信息，因此所有生物都有感知周围环境或自身状态的器官或组织。如人的眼、耳、口、鼻、皮肤等，能够获取视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉等信息。传感器位于研究对象与测控系统之间的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。

1.2.2检测技术的概念和作用

检测技术是指利用各种物理、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。

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。

传感器的组成、分类与特性§1.3

1.3传感器的组成、分类与特性

一、传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。图1.6传感器的组成框图一、传感器的组成

1.敏感元件

敏感元件直接与被测量接触，转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量（如压力转化成位移、流量转化成速度）。传感器的输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系；敏感元件应该只对被测量的变化敏感，而对其它一切可能的输入信号不敏感；在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态。一、传感器的组成

2.转换元件

转换元件再将这一非电量转换成电参量（如电阻、电容、电感）。对转换元件的要求为性能稳定，精确度高，使信息损失最小。3.测量电路

转换元件输出的信号幅度很小，而且混杂有干扰信号和噪声，测量电路能够起到滤波、线性化、放大作用，转化成易于测量、处理的电信号，如电压、电流、频率等。19二、传感器的分类

1）按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：

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）按传感器的输出量进行分类

传感器按输出量可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟式传感器是指传感器的输出信号为连续形式的模拟量；数字式传感器是指传感器的输出信号为离散形式的数字量。3）按传感器的工作原理进行分类：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。

20三、传感器的基本特性

1.线性度

线性度又称非线性误差，是指传感器的输入－输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差和满量程输出的百分比。21三、传感器的基本特性

2.灵敏度

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。图1.8灵敏度示意图22三、传感器的基本特性

3.分辨力

分辨力是指传感器能感受到的被测量最小变化的能力。输入量从某个任意值（一般为非零值）缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是该测量仪表的分辨力。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力是不相同的。分辨力可用绝对值表示，也可用量程的百分数表示。分辨力说明检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力，分辨力越好，其灵敏度越高。23三、传感器的基本特性

4.迟滞（回程误差）

在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正（输入量由小增大）反（输入量由大减小）行程的输出信号大小不相等的现象。产生迟滞的原因：

传感器机械部分存在不可避免的摩擦、间隙、松动、积尘等，引起能量吸收和消耗。24三、传感器的基本特性

5.重复性

传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时所得的输入—输出特性曲线的一致程度。特性曲线一致好,重复性就好,误差也小。251.4检测技术的内容

261.5自动检测技术的构成

自动检测系统或检测装置通常由电源、传感器、信号处理电路、显示记录装置、传输通道等几部分组成，有时还有数据处理仪器及执行机构等部分，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。271.6传感器和检测技术的发展

提高与改善传感器的技术性能开展基础理论研究传感器的集成化传感器的智能化传感器的网络化传感器的微型化

测量误差及消除方法§1.7291）测量误差

定义：由于检测系统(仪表)不可能绝对精确，测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素以及外界干扰的存在，使得测量过程会影响被测对象的原有状态，使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。1.误差的一些基本概念302）真值

一个量严格定义的理论值通常叫理论真值。常用约定真值或相对真值来代替理论真值。约定真值：根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最高科学技术复现的这些实物单位基准。

相对真值：如果高一级检测仪器误差仅为低一级检测仪器误差的1/3～1/10，则认为前者是后者的相对真值。1.误差的一些基本概念313）标称值

计量或测量器具上标注的量值。4）示值 检测仪器（或系统）指示或显示（被测参量）的数值叫示值，也叫测量值或读数。1.误差的一些基本概念322.误差的几种表示方法1）绝对误差

定义：检测系统的指示值X与被测量的真值X0之间的代数差值称为检测系统测量值的绝对误差，表示为:X0可以是约定真值也可以是相对真值

绝对误差说明了系统示值偏离真值的大小，其值可正可负，具有和被测量相同的量纲单位。【例】用某电压表测量电压，电压表的示值为226V，查该表的检定证书，得知该电压表在220V附近的误差为5V，被测电压的修正值为－5V，则修正后的测量结果为226+(－5V)=221V。测得值真值绝对误差二.误差的几种表示方法2.误差的几种表示方法342）相对误差

定义：检测系统测量值（即示值）的绝对误差与被测参量真值的比值，称之为检测系统测量（示值）的相对误差，常用百分数表示：

二.误差的几种表示方法

一般来说相对误差值越小，其测量精度就越高。相对误差是一个量纲为一的量。2.误差的几种表示方法35用1μm测长仪测量0.01m长的工件，其绝对误差0.0006m，但用来测量1m长的工件，其绝对误差为0.0105m。前者的相对误差为

后者的相对误差为用绝对误差不便于比较不同量值、不同单位、不同物理量等的准确度。绝对误差和相对误差的比较二.误差的几种表示方法2.误差的几种表示方法

例1：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？例2：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？383）引用误差 定义：检测系统指示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。引用误差通常以百分数表示:二.误差的几种表示方法2.误差的几种表示方法

4）最大引用误差

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，由符号，可表示：（2-6）

最大引用误差是检测系统的基本误差，是检测系统的最主要质量指标，能很好地表征检测系统的测量精确度。二.误差的几种表示方法2.误差的几种表示方法5）精度等级

取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器（系统）精度等级的标志，也即|△x|，精度等级用符号G表示。

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级，是我国工业检测仪器（系统）常用精度等级。检测仪器（系统）的精度等级按选大不选小的原则套用标准化精度等级值。三.检测仪器的精度等级与容许误差2.误差的几种表示方法

例3:

量程为0～1000V的数字电压表，如果其整个量程中最大绝对误差为1.05V，则有

由于0.105不是标准化精度等级值，因此该仪器需要就近套用标准化精度等级值。0.105位于0.1级和0.2级之间，尽管该值与0.1更为接近，但按选大不选小的原则该数字电压表的精度等级G应为0.2级。三.检测仪器的精度等级与容许误差2.误差的几种表示方法

仪表精度等级的数字愈小，仪表的精度愈高。例如：0.5级的仪表精度优于1.0级仪表，而劣于0.2级仪表。

值得注意的是：

精度等级高低仅说明该检测仪表的引用误差最大值的大小，它决不意味着该仪表某次实际测量中出现的具体误差值是多少。三.检测仪器的精度等级与容许误差2.误差的几种表示方法例4:被测电压实际值约为21.7V，现有四种电压表：1.5级、量程为0～30V的A表；1.5级、量程为0～50V的B表；1.0级、量程为0～50V的C表；0.2级、量程为0～360V的D表。请问选用哪种规格的电压表进行测量所产生的测量误差较小?[解]：根据（2-6）式，分别用四种表进行测量可能产生的最大绝对误差如下：三.检测仪器的精度等级与容许误差2.误差的几种表示方法A表：B表：C表：D表：

VVVV

四者比较，通常选用A表进行测量所产生的测量误差较小。2.1.3检测仪器的精度等级与容许误差2.误差的几种表示方法

由上例不难看出，检测仪表产生的测量误差不仅与所选仪表精度等级G有关，而且与所选仪表的量程有关。

通常量程L和测量值X相差愈小，测量准确度较高。所以，在选择仪表时，应选择测量值尽可能接近的仪表量程。

三.检测仪器的精度等级与容许误差46按误差的性质(或出现的规律)分类系统误差：测量误差不变或按规律变化随机误差：测量误差的大小与符号均无规律变化

粗大误差：显然与事实不相符的误差

3.误差的分类及消除方法47

1.系统误差用天平计量物体质量时，砝码的质量偏差用千分表读数时，表盘安装偏心引起的示值误差刻线尺的温度变化引起的示值误差在相同条件下，多次重复测量同一被测参量时，其测量误差的大小和符号保持不变，或在条件改变时，误差按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差。误差值恒定不变的又称为定值系统误差，误差值变化的则称为变值系统误差。定义特征误差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，按某一确定规律变化的误差。

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。夏天摆钟变慢的原因是什么？

1.系统误差49在相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测量误差的大小与符号均无规律变化，这类误差称为随机误差。

定义特征在相同测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预定方式变化的误差。产生原因实验条件的偶然性微小变化，如温度波动、噪声干扰、电磁场微变、电源电压的随机起伏、地面振动等。

2.随机误差随机误差的正态分布规律长度相对测量值次数统计

随机事件与随机误差有区别，并不一定符合正态分布规律。