第1章 检测与传感技术基础

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1、传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础本章内容1.1 检测技术基础1.2 测量概论1.3 传感器基础知识传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础学习目标 了解工业检测的定义和内容。 掌握测量的基本概念和测量方法，掌握测 量误差的分类和测量误差的估计以及校正 方法。 掌握传感器的定义、组成和作用，了解传 感器的分类。 了解传感器的动态特性和静态特性。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础1.1 检测技术基础1.1.1

2、检测技术的概念与作用1.概念 检测技术是人们为了对被测对象所包含 的信息进行定性了解和定量掌握所采取的一 系列技术措施，它是产品检验和质量控制的 重要手段。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础2.作用 对产品进行质量评价；保证大型设备安 全经济运行；对多种参数进行长期动态检测 ，以便及时发现异常情况，加强故障预防， 达到早期诊断的目的，可以避免严重的突发 事故，保证设备和人员的安全，提高经济效 益；可采用计算机来处理检测信息，进行分 析、判断，及时诊断出故障并自动报警或采 取相应的对策；也是自动化系统中不可缺少 的组成部分。传 感 器 与 检 测 技 术第

3、 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础1.1.2 检测系统的基本组成 一个完整的检测系统或装置通常是由传 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。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础图1-1 检测系统组成框图传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础1传感器 传感器是把被测量转换成电化学量的装 置。显然，传感器是检测系统与被检测对象 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 感器的性能决定的，因为检测系统的其他环 节无法添加新的监测信息

4、，并且不易消除传 感器所引入的误差。传感器通常以电信号的 形式输出，以便于传输、转换、处理和显示 。输出电量的形式多种多样，如电压、电流 等。输出信号的形式一般由传感器的原理确 定。 传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础2信号调理电路信号调理电路包括放大（衰减）电 路、滤波电路、隔离电路等。其中的放大 电路的作用是把传感器输出的电量变成具 有一定驱动和传输能力的电压、电流或频 率信号等，以推动后级的显示器、数据处 理装置及执行机构。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础3显示器 显示器是检测人员和监测系统联系的主要 环节

5、，其主要作用是使人们了解被测量的大 小或变化的过程。目前常用的显示记录装置 有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及 记录仪等。模拟量是指连续变化量。模拟显 示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数 的，常见的有毫伏表、微安表、模拟光柱等 。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础4数据处理装置 数据处理装置用来对测试所得的实验数 据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换， 对动态测试结果作频谱分析（幅值谱分析、 功率谱分析）、相关分析等，完成这些工作 必须采用计算机技术。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础5执行机构 所谓执行机

6、构通常是指各种继电器、电 磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机 等，它们在电路中是起通断、控制、调节、 保护等作用的电器设备。许多检测系统能输 出与被测量有关的电流或电压信号，作为自 动控制系统的控制信号，去驱动这些执行机 构。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础1.1.3 检测技术的发展趋势 科学技术的迅猛发展，为检测技术的现 代化创造了条件，主要表现在以下两个方面 。（1）人们研究新原理、新材料和新工艺所取得 得的成果，将产生更多品质优良的新型传感 器。 （2）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。传 感 器 与 检 测

7、技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础1.2 测量方法及其分类1.2.1 测量方法 测量是在有关理论的指导下，用专门的 仪器或设备，通过实验和必要的数据处理， 求得被测量的值。 测量方法的正确与否十分重要，必须根 据不同测量任务的要求，找出切实可行的测 量方法，然后根据测量方法选择合适的测量 工具，组成测量装置，进行实际测量。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础 测量方法的分类多种多样，例如，根据 在测量过程中，被测量是否随时间变化，可 分为静态测量和动态测量；根据测量手段分 类，可分为直接测量、间接测量和组合测量 ；按测量方式分类，可分为偏差

8、式测量、零 位式测量和微差式测量等。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础1. 直接测量、间接测量和组合测量1）直接测量 用按已知标准标定好的测量仪器，对某 一未知量直接进行测量，这类测量称为直接 测量。 直接测量的优点是测量过程简单且迅速 ，是工程技术中采用较为广泛的测量方法。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础2）间接测量 对几个被测量有确切函数关系的物体物 理量进行直接测量，然后通过已知函数关系 的公式、曲线或表格，求出该未知量，这类 测量称为间接测量。 间接测量方法手段较麻烦，多用在实验 室，工程中有时也用。传

9、感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础3）组合测量 在测量中，使各个未知量以不同的组合 形式出现，根据直接测量和间接测量所得到 的数据，通过解一组联立方程而求出未知量 的数值，这类测量称为组合测量，又称联立 测量。 组合测量的测量过程比较复杂，但易达 到较高的精度，一般适用于科学实验和特殊 场合。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础2. 偏差式测量法、零位式测量和微差式测 量法1）偏差式测量法 在测量过程中，用仪表指针相对于刻度线 的位移（偏差）来直接表示被测量，这种方法 称为偏差式测量法，广泛应用于工程测量。传 感 器 与

10、 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础2）零位式测量法 零位式测量法是在测量过程中，用指零 仪表的零位指示来检测测量系统是否处于平 衡状态，当测量系统达到平衡时，用已知的 基准量决定被测未知量的量值。例如用电位 差计测量待测电势。只适用于测量变化缓慢 的信号。它在工程实践和实验室中应用很普 遍。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础3）微差式测量法 微差式测量法是综合了偏差式测量法和 零位式测量法的优点而提出的一种测量方法 ，它将被测未知量与已知的标准量进行比较 ，并取出差值，然后用偏差式测量法求出此 偏差值。 微差式测量法反应快、测量

11、精度高，所 以工程测量中已获得越来越广泛的应用。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础图1-2 压力表 图1-3 直流电位差计原理电路图 1弹簧；2被测介质 ；3活塞传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础1.2.2 测 量 系 统1. 测量系统构成 测量系统应具有对被测对象的特征量进 行检测、传输、处理及显示等功能，一个测 量系统是传感器、变送器（变换器）和其他 转换装置等的有机组合。图1-5所示为测量系 统组成框图。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础 图1-5 测量系统组成框图传

12、感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础 传感器是感受被测量（物理量、化学 量、生物量等）的大小，并输出相对应的 可用输出信号（一般多为电量）的器件或 装置。 变送器将传感器输出的信号变换成便 于传输和处理的信号。 传输通道将测量系统各环节的输入、 输出信号连接起来，通常用电缆连接，或 用光纤连接，以用来传输数据。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础 信号处理环节将传感器输出信号进行 处理和转换。也可与计算机进行连接，以 便对测量信号进行信息处理。 显示装置是将测量信息变成人的器官 能接收的形式，以完成监视、控制或分析 的目的

13、。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础2. 开环测量系统和闭环测量系统1）开环测量系统 开环测量系统的全部信息转换只沿着一 个方向进行，如图1-6所示。其中x是输入量 ，y是输出量，k1、k2、k3为各个环节的传递 系数。输出关系表示为y = k1k2k3x 传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础图1-6 开环测量系统框图传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础2）闭环测量系统 闭环测量系统有两个通道，一个正向通 道，一个反馈通道，其结构如图1-7所示。其 中x为正向通道的输入量，为反馈

14、环节的 传递系数，正向通道的总传递系数 k = k2k3。由图1-7得系统的输入输出关系 为传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础图1-7 闭环测量系统框图传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础 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，或者造成的测量误 差很小。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础1.2.2 测量误差 测量误差是测得值减去被测量的真值。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。传 感 器 与

15、检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础1）绝对误差 绝对误差可定义为 式中：绝对误差； X测量值； L真值。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础 绝对误差可正可负并有量纲。 采用绝对误差表示测量误差，不能很好 说明被测质量的好坏。所以用相对误差可以 客观的反映测量的准确性。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础2）实际相对误差 实际相对误差的定义式为 式中：实际相对误差，一般用百分 数给出；绝对误差； L真值。传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础3）引用误差 引用误差是仪表中通用的一种误差表示 方法。它是相对于仪表满量程的一种误差， 即传 感 器 与 检 测 技 术第 1 章检 测 与 传 感 技 术 基 础 式中：引用误差；绝对误差。 仪表的精度等级是根据最大引用误差来 决定的。例如，0.5