传感与检测技术讲解

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1、传感与检测技术 第一章 绪 论 本章学习目的要求: 1.了解检测技术的概念 2.掌握测量及误差的概念 3.掌握基本测量电路 4.了解传感器的概念和作用 5.了解传感器的分类 6.了解传感器的最新发展动态 一、检测技术的概念与作用 检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息 进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措 施。 检测技术： 检测过程： 测量信号检出（极为重要） 信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、 分析处理 检测技术： 检测方法、检测结构、检测信号 处理 - 综合性技术 1、产品检验和质量控制的重要手段 检测技术的作用与意义 被动检测主动检测（在线检测）质量控制领域 2、在大型

2、设备安全经济运行监测中得到广泛应用 故障监测系统动态监测 保证设备和人员安全 提高经济效益 3、自动化系统中不可缺少的组成部分 生产过程： “物流”“信息流” 控制 管理 数量 状态 趋向 检测获取信息分析判断自动控制 自动化： 信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行 4、检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步 检测手段水平决定科学研究的深度和广度 理论研究成果离不开必要的检测手段 二、检测系统的基本组成 一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感 器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别 完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其 中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。

3、检测 系统的组成框图如下 ： 模拟信号检测系统的组成 数字信号检测系统的组成 数字信号检测系统有数字信号检测系统有绝绝 对码数字式对码数字式和和增量码数增量码数 字式字式。当传感器输出的。当传感器输出的 编码与被测量一一对应编码与被测量一一对应 ，称为绝对码。，称为绝对码。 当传感器输出增量码信当传感器输出增量码信 号，即信号变化的周期号，即信号变化的周期 数与被测量成正比，其数与被测量成正比，其 增量码数字信号检测系增量码数字信号检测系 统的典型组成如右图所统的典型组成如右图所 示。示。 图1 绝对码检查系统 图2 增量码检查系统 1. 传感器 传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感

4、 器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系 统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感 器的性能确定的。 2. 测量电路 测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测 量的电压或电流信号。 3. 显示记录装置 显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环 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。 三、检测技术的发展趋势 检测技术的发展趋势主要有以下两个方面： 第一，新原理、新材料和新工艺将产生更多品质优 良的新型传感器。 第二，检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、 数字式向智能化方向发展。 四、测量误差的概念及其处理

5、方法 测量及测量误差 1. 测量定义 测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或 设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并 确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的 定量信息。 2. 测量方法 测量方法是实现测量过程所采用的具体方法。 按照测量手段可以将测量方法分为:直接测量和间接测量 ； 按照获得测量值的方式可以分为:偏差式测量、零位式测 量和微差式测量； 此外，根据传感器是否与被测对象直接接触，可区分为: 接触式测量和非接触式测量； 而根据被测对象的变化特点又可分为:静态测量和动态测 量等。 五、 测量误差 检测结果和被测量的客观真值之间 存在一定的差别。这个差值称为测 量误

6、差。测量误差的主要来源可以 概括为工具误差、环境误差、方法 误差和人员误差等。 （1）绝对误差与相对误差 .绝对误差 绝对误差是仪表的指示值x与被测 量的真值x0之间的差值，记做 绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相同 。引入绝对误差后，被测量真值可以表示为 含有误差的指示值加上修正值之后，可以消除误 差的影响，在计量工作中，通常采用加修正值的方法 来保证测量值的准确可靠，仪表送上级计量部门检定 ，其主要目的就是获得一个准确的修正值。 .相对误差 相对误差是仪表指示值的绝对误差与被测量真 值x0的比值，常用百分数表示，即 相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程 度。在上面的例子中 显然

7、，后一种长度测量仪表更精确。 引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值， 通常以百分数表示。引用误差 如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝 对误差最大值m代替，则可得到最大引用误差 r0m。 对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用 误差就是一个定值。 （2）系统误差与随机误差 .系统误差 在相同的条件下，多次重复测量同 一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的 规律变化，这种误差称为系统误差。 .随机误差 在相同条件下，多次测量同一量时 ，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种 误差称为随机误差。 （3）粗大误差 明显歪曲测量结果的误差称作粗大误差，又称过失 误差，粗大误差主要是人

8、为因素造成的。 含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。坏值应 从测量结果中剔除。 六、随机误差的处理方法 1. 概率、概率密度与正态分布 自然界中，某一事件或现象出现的客观可能性大 小，通常用概率来表示。 客观的必然现象称为必然事件。例如，平面三角 形内角和为180，就是一个必然事件。必然事件的概 率为1。 违反客观实际的不可能出现的现象称为不可能事 件，不可能事件的概率为零。 2. 随机误差的特点 （1）对称 （2）有界性 （3）抵偿性 （4）单峰性 3. 算术平均值和标准偏差 可以用解析的方法推导出随机误差正态分布 曲线的数学表达式，即正态概率密度分布函数。 上式称为高斯误差方程。式中是方

9、均根误差， 或称标准误差。标准误差可由下式求得 标准误差的估计值 可由下式计算（贝塞尔公式 ） 在一般情况下，我们对 和 并不加以严格区分 ，统称为标准误差。标准误差在评价正态分布的随 机误差时具有特殊的意义。 理论计算表明： 介于(-，+ )之间的随机误差出现的概率为 介于(-2 ，+2 )之间的随机误差出现的概率为 随机误差出现在此区间之外的概率为1-0.95450.0455 4.55。 介于(-3 ，+3 )之间的随机误差出现的概率为 出现在此区间之外的概率为l-0.997 30.002 70时，有一单位阶 跃信号输入,如图。此时微分方程为 t x 0 1 (dy/dt)+a0y= b1

10、(dx/dt)+b0x 齐次方程通解：非齐次方程特解：y2=1 (t0) 方程解： t x 0 1 以初始条件y(0)=0代入上式，即得t=0时， C1=-1，所以 输出的初值为0,随着时间推移y接近于1,当t=时,y =0.63 在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。 二阶传感器的阶跃响应 单位阶跃响应通式 0传感器的固有频率；传感器的阻尼比 特征方程 根据阻尼比的大小不同，分为四种情况： 1）01(有阻尼)：该特征方程具有共轭复数根 方程通解 根据t,ykA求出A3；根据初始条件 求出A1、A2，则 令x=A 其曲线如图，这是一衰减振荡过程,越小,振荡频率 越高,衰减越慢。 t

11、w 0.02 1 t tm m 1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根 3) =1 (临界阻尼)：特征方程具有重根-1/,过渡函数为 上两式表明，当1时，该系统不再是振荡的，而是由 两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后 者两个时间常数不同。 过渡函数为 一、与测量条件有关的因素 (1)测量的目的； (2)被测试量的选择； (3)测量范围； (4)输入信号的幅值，频带宽度； (5)精度要求； (6)测量所需要的时间。 2.6 传感器的选用原则 二、与传感器有关的技术指标 (1)精度； (2)稳定度； (3)响应特性； (4)模拟量与数字量； (5)输出幅值； (6)对被测物体产生的负

12、载效应； (7)校正周期； (8)超标准过大的输入信号保护。 三、与使用环境条件有关的因素 (1)安装现场条件及情况； (2)环境条件(湿度、温度、振动等)； (3)信号传输距离； (4)所需现场提供的功率容量。 四、与购买和维修有关的因素 (1)价格； (2)零配件的储备； (3)服务与维修制度，保修时间； (4)交货日期。 基本参数指标环境参数指标 可靠性 指标 其他指标 量程指标： 量程范围、过载能力等 灵敏度指标： 灵敏度、分辨力、满量程输 出等 精度有关指标： 精度、误差、线性、滞后、 重复性、灵敏度误差、稳定 性 动态性能指标： 固定频率、阻尼比、时间常 数、频率响应范围、频率特

13、性、临界频率、临界速度、 稳定时间等 温度指标： 工作温度范围、温度 误差、温度漂移、温 度系数、热滞后等 抗冲振指标： 允许各向抗冲振的频 率、振幅及加速度、 冲振所引入的误差 其他环境参数： 抗潮湿、抗介质腐蚀 等能力、抗电磁场干 扰能力等 工作寿 命、平 均无故 障时间 、保险 期、疲 劳性能 、绝缘 电阻、 耐压及 抗飞弧 等 使用有关指标： 供电方式（直流 、交流、频率及 波形等）、功率 、各项分布参数 值、电压范围与 稳定度等 外形尺寸、重量 、壳体材质、结 构特点等 安装方式、馈线 电缆等 例题 一台精度为0.5级，量程范围为6001200的 温度传感器，它最大允许绝对误差是多少？ 检验时某点最大绝对误差为4 ，问此表是 否合适？ 已知某传感器静态特性方程Y=ex,试分别用切线 法，端基法级最小二乘法，在0x1范围内 拟合刻度直线方程，并求出相应的线性度。