第1章 传感与检测基础

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1、课程概述 必修课40理论 8实验主要内容 测量概论 误差理论与数据处理 传感器基本特性应变式电感式电容式压电式磁电式热电式光电式 光电检测技术 半导体 气敏 湿敏 超声波微波红外辐射数字式智能式 智能传感器 过程检测技术与仪表 教材与参考书 教材 传感器原理及工程应用 第二版 郁有文等编 西安电子科技大学出版社 2005参考书 非电量电测技术 第2版 吴道悌主编 西安交通大学出版社 研 2004传感器与信号调节 第2版 张伦译 清华大学出版社 2003 教学基本要求 了解测量的基本知识掌握各类传感器的基本特性和工作原理 典型测量电路了解各类传感器的典型应用 第1章传感器与检测技术的理论基础 1

2、 1测量概论1 2测量数据的估计和处理 返回主目录 第1章传感与检测技术的理论基础 1 1测量概论 在科学技术高度发达的现代社会中 人类已进入瞬息万变的信息时代 人们在从事工业生产和科学实验等活动中 主要依靠对信息资源的开发 获取 传输和处理 传感器处于研究对象与测控系统的接口位置 是感知 获取与检测信息的窗口 一切科学实验和生产过程 特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息 都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号 在工程实践和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌握各种信息 大多数情况下是要获取被测对象信息的大小 即被测量的大小 这样 信息采集的主要含义就是测量 取得测量数据 测量系

3、统 这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物 在工程中 需要有传感器与多台仪表组合在一起 才能完成信号的检测 这样便形成了测量系统 尤其是随着计算机技术及信息处理技术的发展 测量系统所涉及的内容也不断得以充实 为了更好地掌握传感器 需要对测量的基本概念 测量系统的特性 测量误差及数据处理等方面的理论及工程方法进行学习和研究 只有了解和掌握了这些基本理论 才能更有效地完成检测任务 一 测量 测量是以确定量值为目的的一系列操作 所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较 确定被测量对标准量的倍数 它可由下式表示 或 1 1 1 2 式中 x 被测量值 u 标准量 即测量单位 n 比值 纯数 含

4、有测量误差 由测量所获得的被测的量值叫测量结果 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 确切地讲 测量结果还应包括误差部分 被测量值和比值等都是测量过程的信息 这些信息依托于物质才能在空间和时间上进行传递 参数承载了信息而成为信号 选择其中适当的参数作为测量信号 例如热电偶温度传感器的工作参数是热电偶的电势 差压流量传感器中的孔板工作参数是差压 P 测量过程就是传感器从被测对象获取被测量的信息 建立起测量信号 经过变换 传输 处理 从而获得被测量的量值 二 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

5、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 根据获得测量值的方法可分为直接测量 间接测量和组合测量 根据测量的精度因素情况可分为等精度测量与非等精度测量 根据测量方式可分为偏差式测量 零位法测量与微差法测量 根据被测量变化快慢可分为静态测量与动态测量 根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触测量与非接触测量 根据测量系统是否向被测对象施加能量可分为主动式测量与被动式测量等 1 直接测量 间接测量与组合测量 在使用仪表或传感器进行测量时 对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的测量方法称为直接

6、测量 例如 用磁电式电流表测量电路的某一支路电流 用弹簧管压力表测量压力等 都属于直接测量 直接测量的优点是测量过程简单而又迅速 缺点是测量精度不高 在使用仪表或传感器进行测量时 首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测量 将被测量代入函数关系式 经过计算得到所需要的结果 这种测量称为间接测量 间接测量测量手续较多 花费时间较长 一般用在直接测量不方便或者缺乏直接测量手段的场合 若被测量必须经过求解联立方程组 才能得到最后结果 则称这样的测量为组合测量 组合测量是一种特殊的精密测量方法 操作手续复杂 花费时间长 多用于科学实验或特殊场合 2 等精度测量与不等精度测量 用相同仪表与测量方法对同一

7、被测量进行多次重复测量 称为等精度测量 用不同精度的仪表或不同的测量方法 或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量称为非等精度测量 3 偏差式测量 零位式测量与微差式测量 用仪表指针的位移 即偏差 决定被测量的量值 这种测量方法称为偏差式测量 应用这种方法测量时 仪表刻度事先用标准器具标定 在测量时 输入被测量 按照仪表指针在标尺上的示值 决定被测量的数值 这种方法测量过程比较简单 迅速 但测量结果精度较低 用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态 在测量系统平衡时 用已知的标准量决定被测量的量值 这种测量方法称为零位式测量 在测量时 已知标准量直接与被测量相比较 已知量应连续可调

8、 指零仪表指零时 被测量与已知标准量相等 例如天平 电位差计等 零位式测量的优点是可以获得比较高的测量精度 但测量过程比较复杂 费时较长 不适用于测量迅速变化的信号 微差式测量是综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的一种测量方法 它将被测量与已知的标准量相比较 取得差值后 再用偏差法测得此差值 应用这种方法测量时 不需要调整标准量 而只需测量两者的差值 设 N为标准量 x为被测量 为二者之差 则x N 由于N是标准量 其误差很小 且 N 因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量 即使测量 的精度较低 但因 x 故总的测量精度仍很高 微差式测量的优点是反应快 而且测量精度高 特别适用于在线控制参数

9、的测量 图1 1测量系统原理结构框图 三 测量系统 1 测量系统构成 测量系统是传感器与测量仪表 变换装置等的有机组合 图1 1表示测量系统原理结构框图 系统中的传感器是感受被测量的大小并输出相对应的可用输出信号的器件或装置 数据传输环节用来传输数据 当测量系统的几个功能环节独立地分隔开的时候 则必须由一个地方向另一个地方传输数据 数据传输环节就是完成这种传输功能 数据处理环节是将传感器输出信号进行处理和变换 如对信号进行放大 运算 线性化 数 模或模 数转换 变成另一种参数的信号或变成某种标准化的统一信号等 使其输出信号便于显示 记录 既可用于自动控制系统 也可与计算机系统联接 以便对测量信

10、号进行信息处理 数据显示环节将被测量信息变成人感官能接受的形式 以完成监视 控制或分析的目的 测量结果可以采用模拟显示 也可采用数字显示 也可以由记录装置进行自动记录或由打印机将数据打印出来 2 开环测量系统与闭环测量系统 1 开环测量系统开环测量系统全部信息变换只沿着一个方向进行 如图1 2所示 其中x为输入量 y为输出量 k 1 k 2 k 3为各个环节的传递系数 输入 输出关系为 y k1k2k3x 1 3 图1 2开环测量系统框图 采用开环方式构成的测量系统 结构较简单 但各环节特性的变化都会造成测量误差 2 闭环测量系统 闭环测量系统有两个通道 一为正向通道 二为反馈通道 其结构如图

11、1 3所示 图1 3闭环测量系统框图 其中 x为正向通道的输入量 为反馈环节的传递系数 正向通道的总传递系数k k2k3 由图1 3可知 xf y y k x k x1 xf kx1 k y 当k 1时 则 显然 这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定 放大器等环节特性的变化不会造成测量误差 或者说造成的误差很小 根据以上分析可知 在构成测量系统时 应将开环系统与闭环系统巧妙地组合在一起加以应用 才能达到所期望的目的 四 测量误差 测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值 但由于种种原因 例如 传感器本身性能不十分优良 测量方法不十分完善 外界干扰的影响等 都会造成被测参数的测量值与

12、真实值不一致 两者不一致程度用测量误差表示 测量误差就是测量值与真实值之间的差值 它反映了测量质量的好坏 测量的可靠性至关重要 不同场合对测量结果可靠性的要求也不同 例如 在量值传递 经济核算 产品检验等场合应保证测量结果有足够的准确度 当测量值用作控制信号时 则要注意测量的稳定性和可靠性 因此 测量结果的准确程度应与测量的目的与要求相联系 相适应 那种不惜工本 不顾场合 一味追求越准越好的作法是不可取的 要有技术与经济兼顾的意识 1 测量误差的表示方法 测量误差的表示方法有多种 含义各异 1 绝对误差绝对误差可用下式定义 x L 1 6 式中 绝对误差 x 测量值 L 真实值 对测量值进行修

13、正时 要用到绝对误差 修正值是与绝对误差大小相等 符号相反的值 实际值等于测量值加上修正值 采用绝对误差表示测量误差 不能很好说明测量质量的好坏 例如 在温度测量时 绝对误差 1 对体温测量来说是不允许的 而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果 2 相对误差相对误差的定义由下式给出 100 1 7 式中 相对误差 一般用百分数给出 绝对误差 L 真实值 由于被测量的真实值L无法知道 实际测量时用测量值x代替真实值L进行计算 这个相对误差称为标称相对误差 即 3 引用误差引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法 它是相对仪表满量程的一种误差 一般也用百分数表示 即 1 9 式中 引用误差 绝对

14、误差 仪表精度等级是根据引用误差来确定的 例如 0 5级表的引用误差的最大值不超过 0 5 1 0级表的引用误差的最大值不超过 1 在使用仪表和传感器时 经常也会遇到基本误差和附加误差两个概念 4 基本误差基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差 例如 仪表是在电源电压 220 5 V 电网频率 50 2 Hz 环境温度 20 5 湿度 65 5 的条件下标定的 如果这台仪表在这个条件下工作 则仪表所具有的误差为基本误差 测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的 5 附加误差附加误差是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差 例如 温度附加误差 频率附加误差 电源电压波动附加误差等 2

15、误差的性质 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处理 1 系统误差对同一被测量进行多次重复测量时 如果误差按照一定的规律出现 则把这种误差称为系统误差 例如 标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差 2 随机误差对同一被测量进行多次重复测量时 绝对值和符号不可预知地随机变化 但就误差的总体而言 具有一定的统计规律性的误差称为随机误差 引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的微小因素 一般无法控制 对于随机误差不能用简单的修正值来修正 只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能性的大小 3 粗大误差明显偏离测量

16、结果的误差称为粗大误差 又称疏忽误差 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 对于粗大误差 首先应设法判断是否存在 然后将其剔除 1 2测量数据的估计和处理 从工程测量实践可知 测量数据中含有系统误差和随机误差 有时还会含有粗大误差 它们的性质不同 对测量结果的影响及处理方法也不同 在测量中 对测量数据进行处理时 首先判断测量数据中是否含有粗大误差 如有 则必须加以剔除 再看数据中是否存在系统误差 对系统误差可设法消除或加以修正 对排除了系统误差和粗大误差的测量数据 则利用随机误差性质进行处理 总之 对于不同情况的测量数据 首先要加以分析研究 判断情况 分别处理 再经综合整理以得出合乎科学性的结果 一 随机误差的统计处理 在测量中 当系统误差已设法消除或减小到可以忽略的程度时 如果测量数据仍有不稳定的现象 说明存在随机误差 在等精度测量情况下 得n个测量值x1 x2 xn 设只含有随机误差 1 2 n 这组测量值或随机误差都是随机事件 可以用概率数理统计的方法来研究 随机误差的处理任务是从随机数据中求出最接近真值的值 或称真值的最佳估计值 对数据精密度的高低 或称可信