分辨力线性度

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1、*1 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，他们是检测与转换技 术的理论基础。 *2 1. 掌握测量的基本概念和测量方法。 2熟悉测量误差的分类和基本概念。 3了解测量结果的数据统计处理。 4掌握传感器的组成。 5熟悉传感器分类。 6掌握传感器基本特性 教学要求 *3 第一节 检测技术的基本概念及方法 静态测量 *4 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 *5 检测系统静态响应特性 如果测量时，测试装置的输入、输出信 号不随时间而变化，则称为静态测量。 *6 静态测量时，测试装置表

2、现出的响应特 性称为静态响应特性。 a)灵敏度 当测试装置的输入x有一增量x,引起输出y发 生相应变化y时,定义: S=y/x y x x y *7 b)非线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。 非线性度=B/A100% y x B *8 c)回程误差 测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过 程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的 输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为: (hmax/A)100% y x hmax A *9 d) 静态响应特性的其他描述 精度：是与评价测试装置产生的测量 误差大小有关的指标 灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量 起始点不灵敏的程度。

3、 分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最 小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的 能力。 *10 测量范围：是指测试装置能正常测 量最小输入量和最大输入量之间的 范围。 可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关 的一种描述。 稳定性：是指在一定工作条件下 ，当输入量不变时，输出量随时 间变化的程度。 *11 案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量 灵敏度=y/x 非线性度=B/A100% 回程误差=(hmax/A)100% 测量范围： *12 动态测量 地震测量 振动波形 *13 便携式仪表 可以显示波形 的便携式仪表 *14 直接测量 电子卡尺 *15 间接测量 对多个被测量进行

4、测量，经过计算求得 被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。 *16 接触式测量 *17 非接触式测量 例：雷达测速 车载电子警察 *18 离线测量 产品质量检验 *19 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 。 *20 第二节 测量误差及分类 绝对误差：（Absolute Error） =Ax0 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？ AX：测量值 AO：真值 *21 相对误差及精度等级（Relative Error ） 几个重要公式： 相对误差 ： 引用(满

5、度 ）误差: 精度 Am:仪器满度值 *22 仪表的准确度等级和基本误差 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% 。 *23 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？ *24 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？ *25 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？ *26 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。

6、 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。 *27 产生粗大误差的一个例子 *28 2.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。 *29 3.随机误差 在同一条件下，多次测量同一被测

7、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。 *30 随机误差的正态分布规律 长度相对测量值 次 数 统 计 *31 随机事例的几个例子 彩票摇奖 *32 思考：下图是射击弹着点示意图，请你分 别说出图a、b、c各是什么原因造成的， 应如何克服？ 偏差特别大 弹着点接近 正态

8、分布 弹着点均偏 向右上侧 *33 4.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。 *34 第三节 传感器及基本特性 1. 传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转 换成另一种信息的装置。 物理量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。 因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信 号转换成电信号的装置。 *35 2. 传感器的构成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件 的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出 。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大 、阻

9、抗匹配，以便于后续仪表接入。 d V *36 举例：测量压力的电位器式压力传感器 1-弹簧管（敏感元件） 2-电位器（传感元件、测量转换 电路） 3-电刷 4-传动机构（齿轮、齿条） *37 弹性敏感元件（弹簧管） 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。 *38 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 *39 *40 弹簧管放大图 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。 *41 其他各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转 换为角位移或直线位移。 *42 压力传感

10、器的外形及内部结构 *43 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（ R） *44 360度圆盘形电位器 右图所 示的360度圆 盘形电位器 的中间焊片 为滑动片， 右边焊片接 地，左边焊 片接电源。 接地 *45 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 。 *46 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

11、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： *47 1、按被测物理量分类 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩 二、传感器分类 *48 机械式,电气式,光学式,流体式等. 2、按工作的物理基础分类: *49 能量转换型和能量控制型.3、按信号变换特征: 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化

12、.例如:电阻应变片. *50 4、按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来 实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器. *51 三、传感器基本特性 传感器的特性一般指输入、输出特性， 包括：灵敏度、分辨力、线性度、稳定度、 电磁兼容性、可靠性等。 *52 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： *53 作图法求灵敏度过程 x y x1 x y 0 切点 传感器 特性曲线 xmax *54 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

13、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。一般地说，分辨力 的数值小于仪表的最大绝对误差。 *55 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。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，非线性误差越小越好 。线性度的计算公 式如下： *56 作图法求线性度演示 （ 1拟合曲线 2实际特性曲线 ） *57 可靠性 ：可

14、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 *58 “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 *59 2、振动/噪声传感器 丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名 ） 1、工业自动化类传感器 美国霍尼威尔公司（有全球最大传感器技术研究中心） 五、主要传感器和测试仪器生产厂商 *60 3、测量分析仪器 美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商) 美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商) *61 自动检

15、测控制的例子:水池液面控制系统 *62 水位测 量与变 送 执行器 控制器给定 眼 手 脑 人在参与控制中起了以下三方面的作用： 1)测量实际液面高度h1用眼睛。 2)将测得实际液面h1与希望液面的高度h0相比较用脑。 3)根据比较的结果，即按照偏差的正负去决定的动作用手 。 自动检测控制的例子:水池液面控制系统 *63 控制器 减速器 电动机 电位器 浮 子 用水开 关 Q2 Q1 h0 if SM 液位(自动)反馈控制系统 *64 水位控制工作原理 人工检测控制：眼、脑、手、水箱+阀门 自动检测控制：传感器、控制器、执行器、水箱+阀门 人脑手水箱系统 眼 h 控制器执行器水箱系统 传感器

16、h *65 自动检测控制的例子:炉温控制系统 *66 输出量 (手柄位置) 输入量 调压器 加热 电阻丝 电炉 恒温箱 受控对象 (温度) 扰动量 (b) 方块图 控制装置 温度计 加热电阻丝 调压器 u (a) 原理图 220V *67 炉温自动检测控制系统炉温自动检测控制系统 炉温自动控制系统原理图 + 电压 放大器 功率 放大器 ua 电炉 u1 ue + + uf 给定毫伏信号 +ur 热电偶 减速器 220V 可逆电机 uc 加热器 *68 能将温度转换为电压的传感器热电偶 *69 *70 ugTi u (-) uf Q To 给定 装置 放大器 电动机、传动 装置和阀门 热处理炉 放大器 热电偶 M ua u ufug 给定电位计 + - 电动机 煤气 空气 阀门 热处理炉 工件 热电偶 放大器 混合 器 放大器 *71 *72 比较 元件 串联 较正元件 放大元件执行元件