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1、传感器与检测技术,第一讲传感器及其性能,主要内容,传感器的基本概念,传感器的基本特性和性能指标,关于测量的基础知识,本讲内容小节,1.1.3 传感器（Transducer/Sensor）,1.传感器的定义传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。 根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。,包含的概念：, 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入
2、量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,测速发电机、发电机测速传感器,发电机是不是传感器？,把外界信息按一定规律转换成电信号输出的器件。,工业测量,标准输出信号,能量转换,转换效率,“转换”：传感器、变换器、变送器、换能器、 转换器、探测器,传感器的物理定律,（3）场的定律,描述电场、磁场、物质场、重力场等在空间和时间上的变换规律。,静电场：电容式传感器；电磁感应：电感式传感器,利用场的定律构成的传感器称为：结构型传感器,（4）
3、物质定律,基于物质定律构成的传感器称为：物性型传感器,半导体物质法则：压敏、热敏、光敏、湿敏,（1）电容式传感器结构型传感器,化简得：,输出灵敏度,结构型传感器的特性主要由其结构参数决定，与构成传感器的物质的性质无关。,例 举例说明结构型传感器和物性型传感器的区别,（2）压敏传感器物性型传感器,物性型传感器主要由构成传感器的物质的性质决定。,2. 传感器的组成 Constitutes,被测非电量：敏感元件：有用非电量：传感元件：有用电量：,电容量C,弹性体,外界压力,极板间距变化,电容传感器,例 大吨位电容式称重传感器,（1）自源型,特点：不需要外能源， 输出电量较弱,能量角度,自源型,带激励
4、源型,外源型,能量转换型有源型,能量控制型无源型,温度场的能量（热量）电量,例：热电偶传感器,（2）带激励源型,特点：不需要变换电路， 有较大电量输出,被测量：磁场辅助能源：激励电流,例 霍尔电磁感应式传感器,电磁感应定律：,例：磁电式传感器,（3）外源型,特点：通过带外电源的变换电路，才能获得有用 的电量输出,能量控制型,（1）相同传感器补偿型,（2）差动结构补偿型,输入量：反向转换环境干扰量：正向转换,（3）不同传感器补偿型,3. 传感器分类方法,传感器按输入物理量的分类,无论是金属粮仓还是土仓，为防止霉变，粮食都是分层存放，仓内温度和湿度不能过高，为此，需在各层安放温湿度传感器进行检测。
5、装有温湿度探头的粮仓示意图如下。 将各层探头输出接至温湿度巡检仪上，通过巡检仪监视器监视各点温湿度情况。通过通风口保持温湿度在要求范围内。,例 粮仓温度、湿度检测,装有温湿度探头的粮仓示意图,例：开发区海湾公司生产的感温、 感烟火灾报警器,可在每一房间安放一对感温、感烟探头（智能传感器），它们输出温度、浓度信号通过串行通讯线送入由微机组成的检测系统（集控器）；集控器负责信号汇总，汇总各房间的温度和浓度信号，并监控各房间温度、烟浓度是否异常，如异常，声光报警并打开喷淋设备灭火，一层一台。,各层集控器通过CAN总线、M-BUS总线等现场总线将温度、浓度等信号送入中央监控计算机。值班人员在电脑屏幕上
6、直观监视各房间情况（温度、烟雾浓度）。房间、楼道装配摄像头，还可通过电视屏幕查看房间、楼道情况。可看出没有感温、感烟传感器，就像人缺少感官，系统无法工作。,用辐射温度计测量热轧带钢表面温度的方法巳被广泛采用。从加热炉出来的钢坯最后到卷取机之前的整个轧制线上，如加热炉出口、粗轧机的入口和出口、精轧机的入口和出口以及在卷取机之前都设有辐射温度计，用以测量各阶段带钢的表面温度。并用此温度信号来控制轧制速度、轧辊压下力和冷却水流量等。,例：热轧带钢表面温度的测量,主要应用,传感器技术对国民经济的发展起着重要的作用。,1.2测量方法 measurement,1.2.1 按测量手段分类直接测量：对仪表读书
7、不需要经过任何运算，就能直接得到测量结果（弹簧秤、尺 ）；间接测量：通过测量与被测量有确定关系的量，然后再经过计算获得结果；联立测量：被测量需要通过联立方程将求解才能得到结果。,外力,形变,电阻值变化,电流变化,电阻应变效应压力测量,1.2.2 按测量方式分类比较式测量,偏差式测量：偏差式测量法是指，在测量过程中，用仪器表指针的位移(即偏差)来表示被测量的测量方法。,按测量方式分类,零位式测量：零位式测量法是指，测量时用被测量与标准量相比较，用指零仪表指示被测量与标准量相等（平衡），从而获得被测量。利用惠斯登电桥测量电阻（或电容、电感）是这种方法的一个典型例子。,按测量方式分类,微差式测量：偏
8、差式测量法和零位式测量法相结合，构成微差式测量法。它通过测量待测量与标准量之差（通常该差值很小）来得到待测量量值。,1.3 测量误差 observation measurement error,量 quantity 现象、物体和物质可以定性区别和定量测量的一种属性。量值 value of a quantity 用一个数字和一个合适的计量单位表示的量。例如5.3m，12kg，-40。 误差 error,1.3.1 基本概念 测量误差：测量过程中产生的各种误差总称。 这一节将介绍测量误差的基本概念，如测量误差的定义、分类、误差的来源等。通过这些内容的学习，可以让读者对测量误差有个全面的了解。,误差
9、（Error）：,真值（True Value） ：观测一个量时，该量本身所具有的真实大小。,三角形内角之和恒为180,一个整圆周角为360,国际千克基准1Kg,分类：,理论值,约定真值,约定真值(Conventional True Value）,指定值、最佳估计值、约定值或参考值,是指对于给定用途具有适当不确定度的、赋予特定量的值。这个术语在计量学中常用。,误差是针对真值而言的，真值一般都是指约定真值。,表示形式,性质特点,绝对误差（Absolute Error）,修正值(Correction) :,为了消除固定的系统误差用代数法而加到测量结果上的值。,修正值,用某电压表测量电压，电压表的示值
10、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,【例】,226 + (-5V ) = 221V,定义,被测量的真值，常用约定真值代替，也可以近似用测量值 x 来代替 L0,相对误差,特点：,1） 相对误差有大小和符号。2） 无量纲，一般用百分数来表示。,绝对误差,相对误差（Relative Error）：,绝对误差与被测量真值之比,绝对误差和相对误差的比较,用1m测长仪测量0.01m长的工件，其绝对误差 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
11、于比较不同量值、不同单位、不同物理量等的准确度。,引用误差（Fiducial Error of a Measuring Instrument）,定义,该标称范围（或量程）上限,引用误差,仪器某标称范围（或量程）内的最大绝对误差,引用误差是一种相对误差，而且该相对误差是引用了特定值，即标称范围上限（或量程）得到的，故该误差又称为引用相对误差、满度误差。,我国电工仪表、压力表的准确度等级（Accuracy Class）就是按照引用误差进行分级的。,当一个仪表的等级s选定后，用此表测量某一被测量时，所产生的最大绝对误差为,最大相对误差为,绝对误差的最大值与该仪表的标称范围（或量程）上限 A 成正比,
12、选定仪表后，被测量的值越接近于标称范围（或量程）上限，测量的相对误差越小，测量越准确,电工仪表、压力表的准确度等级,【例】,检定一只 2.5 级、量程为 100V的电压表，发现在 50V 处误差最大，其值为2V，而其他刻度处的误差均小于2V，问这只电压表是否合格？,由公式，该电压表的引用误差为,由于,所以该电压表合格。,【解】,【例】,某1.0级电流表，满度值（标称范围上限）为100，求测量值分别为100，80和20时的绝对误差和相对误差。,根据题意得,由公式可知，最大绝对误差为,他们的相对误差分别为,可见，在同一标称范围内，测量值越小，其相对误差越大。,【解】,1.3.2 误差的来源与分类,
13、为了减小测量误差，提高测量准确度，就必须了解误差来源。而误差来源是多方面的，在测量过程中，几乎所有因素都将引入测量误差。,主要来源,测量装置误差,测量环境误差,测量方法误差,测量人员误差,1. 误差的来源,测量装置误差,标准器件误差,仪器误差,附件误差,以固定形式复现标准量值的器具，如标准电阻、标准量块、标准砝码等等，他们本身体现的量值，不可避免地存在误差。一般要求标准器件的误差占总误差的1/31/10。,测量装置在制造过程中由于设计、制造、装配、检定等的不完善，以及在使用过程中，由于元器件的老化、机械部件磨损和疲劳等因素而使设备所产生的误差。,测量仪器所带附件和附属工具所带来的误差。,设计测
14、量装置时，由于采用近似原理所带来的工作原理误差,组成设备的主要零部件的制造误差与设备的装配误差,设备出厂时校准与定度所带来的误差,读数分辨力有限而造成的读数误差,数字式仪器所特有的量化误差,元器件老化、磨损、疲劳所造成的误差,测量环境误差,指各种环境因素与要求条件不一致而造成的误差。,对于电子测量，环境误差主要来源于环境温度、电源电压和电磁干扰等,激光光波比长测量中，空气的温度、湿度、尘埃、大气压力等会影响到空气折射率，因而影响激光波长，产生测量误差。高精度的准直测量中，气流、振动也有一定的影响,测量方法误差,指使用的测量方法不完善，或采用近似的计算公式等原因所引起的误差 ，又称为理论误差,如
15、用均值电压表测量交流电压时，其读数是按照正弦波的有效值进行刻度，由于计算公式中出现无理数 和 ，故取近似公式，由此产生的误差即为理论误差。,测量人员误差,测量人员的工作责任心、技术熟练程度、生理感官与心理因素、测量习惯等的不同而引起的误差。,为了减小测量人员误差，就要求测量人员要认真了解测量仪器的特性和测量原理，熟练掌握测量规程，精心进行测量操作，并正确处理测量结果。,2. 误差分类,系统误差（Systematic Error）,在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。,定义,特征,在相同条件下，多次测量同一量值时，该误差的绝对值和符号保持不变，或者在条
16、件改变时，按某一确定规律变化的误差。,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,系统误差举例,在实际估计测量器具示值的系统误差时，常常用适当次数的重复测量的算术平均值减去约定真值来表示，又称其为测量器具的偏移或偏畸（Bias）。,由于系统误差具有一定的规律性，因此可以根据其产生原因，采取一定的技术措施，设法消除或减小；也可以在相同条件下对已知约定真值的标准器具进行多次重复测量的办法，或者通过多次变化条件下的重复测量的办法，设法找出其系统误差的规律后，对测量结果进行修正。,随机误差（Random Error）,测得值与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量结果的平均值之差。又称为偶然误差。,
