传感器幻灯片

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1、1.1 概述,一、检测技术的含义、作用和地位 测量：以确定量值为目的的一组操作。 检验：分辨出被测参数的量值是否归属某一范围带，从而判别被测参数是否合格、现象是否存在等。 检测：包含了测量与检验两方面的内容。 自动检测：在自动化领域中，需要对某些重要参数进行实时、自动的测量、检验。这类无需人手工操作而自动完成的检测。,地位与作用： 科学研究的手段:诺贝尔物理和化学奖 中有1/4是属于测试方法和仪器创新。 促进生产的主流环节 国民经济的“倍增器” 军事上的战斗力 现代生活的好帮手 信息产业的源头,产品检验和质量控制(在线检测) 大型设备的安全、经济运行监测(故障自诊断) 自动化系统中的重要组成部

2、分(反馈控制) 检测技术的发展推动着科学技术的发展 （科学技术的发展带动检测技术发展）,地位：,主要应用：,与生产、生活、科技息息相关，正发挥着愈来愈重要的作用。,检测系统是指由相关的器件、仪器和测试装置有机组合而成的具有获取某种信息之功能的整体。如下图所示。,为了准确的获得被测对象的信息，要求测试系统中的每一个环节的输出量与输入量之间必须具有一一对应关系。而且，其输出的变化能够准确地反映出其输入的变化，即实现不失真的检测。,被测对象,传感器,信号 调理,信号处理,数据显示与记录,反馈、控制,二、检测系统的组成,传感器,传感器是感受被测量并将其转换成可用信号输出，这种输出量通常是电信号。,绪论

3、,调理环节,信号的调理环节是把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。这种信号的转换，多数是电信号之间的转换。如幅值放大，将阻抗的变化转换成电压的变化或频率的变化等等。,基本放大器,信号的调制与解调,绪论,信号处理环节,信号处理环节对来自信号调理环节的信号进行各种运算、滤波和分析,四种滤波器的幅频特性,绪论,显示记录环节,信号显示、记录环节是将来自信号处理环节的信号以观察者易于观察的形式来显示或存贮测试的结果。,光线示波器,绪论,传感器按被测量的性质分为：机械量（位移、力、速度、加速度）、热工量（温度、压力、流量）、化学量、生物量传感器等。 按输出量的性质分为：参量型（输出为电阻

4、、电感、电容等无源电参量）、发电型传感器（输出为电压或电流，如热电偶传感器、光电传感器、磁电传感器、压电传感器）等。,本教材采用哪一种分类法？,自动检测技术的核心是如何将各种非电量转换为电信号，通过对该电信号的测量来检测原非电量，常称之为非电量检测技术。 优越性： 便于扩展测量的幅值范围(量程) 便于扩宽测量的频率范围(频带) 便于实现远距离的自动测量 便于与计算机技术相结合, 实现测量的智能化和网络化 被控制的参数一般为非电量。要对被控对象实施闭环控制，检测装置是必须配置的，它将被控制的参数转换为控制器能够接受的电信号。,三、非电学量电测法,四、检测技术的发展方向,1、传感器方面,a)利用新

5、发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器,光纤流速传感器,生物酶血样分析传感器,绪论,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路,优点,我们的工作,第二节 测量方法,一.测量的基本概念 二.测量方法,一.测量的基本概念,测量：用实验方法，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，确定被测量对标准量的倍数，获得被测量的定量信息。(数值+标准单位) 测量的四个步骤：比较、示差、平衡、读数。(卷尺测量长度) 测量过程的核心是比较，而为了能够具有“可比性”，转换很关键。,二.测量方法,按测量手续分类 1

6、.直接测量：利用测量仪器，直接读取被测量的测量结果。 2.间接测量：已知被测量与其他几个量有 确定的函数关系，可以分别测出其他几个量,再利用函数关系求出被测量。,电子卡尺,阿基米德测量皇冠的比重,根据传感器是否与被测对象接触分类 1.接触式测量 2.非接触式测量,雷达测速 车载电子警察,按被测对象的变化特点分类 1.静态测量：被测量不随时间变化或变化缓慢，测比较稳定的量值。 2.动态测量：被测量随时间变化，测变化过程。,按获得测量结果的方式分类 1.偏差式测量 2.零位式测量 3.微差式测量,1.偏差式测量,利用测量仪表指针对于刻度初始点的偏移来读出被测量的的测量方法。如万用表测量。 特点：表

7、内没有标准量具（如单位电流、单位电阻），只有经标准量具校准过的刻度盘。比较是将被测量与刻度盘比较。精度低，但简单迅速。,2.零位式测量,调节已知标准量与被测量达到平衡状态（相等），读取标准量作为被测值。 特点：测量装置中有标准量具（如天平的砝码、电桥的标准电阻），测量过程是将被测量与标准量具比较，在平衡或指针指零时，读取标准量具的大小。 精度高，操作复杂，反应速度较慢。,3.微差式测量,零位式与偏差式测量的综合应用。 测量前先把被测量U调到基准数值大小，调节已知标准量使二者相等，读取被测值的基准大小U0先用零位式测量出被测量的绝大部分量。 测量中只读取被测值的微小变化偏差式测量剩余差值 计算得

8、测量结果为：,特点：测量装置中有标准量具。 对微小信号实行偏差式测量。 减小了偏差式测量的范围，精度高，小信号反应速度快，适合于在线测量。,第三节 检测系统的基本特性,一.静态特性 二.动态特性,一.静态特性,灵敏度与分辨率,分辨率：检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。即输入量最小变化多少，能被测量出来。,灵敏度：输出变化与输入变 化的比值。有量纲。,*灵敏度越高，分辨率越好。但往往灵敏度愈高测量范围愈窄。 *模拟仪表的分辨率=最小刻度分格值/2 *数字仪表的分辨率=最后一位数字为1所代表的值。 *如果串联环节组成检测系统，总灵敏度为各部分灵敏度的乘积。,线性度(非线性误差),图中曲

9、线为检测系统的实际输入输出关系。 直线为理论上的输入输出关系，称为拟合直线。 为实测直线与拟合曲线的最大偏差。 为输出满量程值。 线性度定义：,迟滞,迟滞特性指检测系统在正向(输入量增大) 和反向（输入量减小）行程期间，输入输出特性曲线不一致的程度。 为正反向检测曲线的最大差值。 迟滞的定义：,测量范围与量程,测量范围：正常工作条件下，检测系统能够测量的被测量的总范围，以下限值与上限值来表示。 量程 =（代数）差 =上限值 - 下限值,精度等级,测量仪表均具有精度等级。(精度等级与误差有关，下一节介绍）,二动态特性：检测系统对随时间变化的输入量的响应特性。一般由实验方法求得。,时域内，常用阶跃

10、信号来分析系统的瞬态响应，包括超调量、上升时间、响应时间,频域内，常用正弦输入信号来分析系统的瞬态响应，包括包括幅频特性和相频特性,自控原理,第四节 误差的概念,真值：被测量的准确数值（只能靠近，无法准 确知道）。 误差：检测结果与真值的差（永远存在）。 精度：测量所能达到的误差范围。 误差来源：工具、环境、方法、人员误差等。,按误差出现的规律划分,按误差的表示方法划分,误差分类：,一绝对误差与相对误差,绝对误差-有单位、有正负 测量值与真值的差,修正量定义,真值计算：,*适合于测量同一量时，比较测量结果的精度 。,相对误差 绝对误差与真值的（百分）比,*实际测量中，由于真值未知，指示值又接近

11、真值，求相对误差时，可用x取代x0近似计算。 *可适用于不同被测量的测量精度比较，比绝对误差更好的衡量测量结果的精度。 *不适用于衡量仪表本身的质量。同一台仪表，被测量小，相对误差大，反之，被测量大，相对误差小。 *对仪表测量精度的衡量，使用引用误差。,仪表的引用误差：绝对误差与量程之（百分）比。,*该式虽然分母一定，但绝对误差不是确定的。不实用。,仪表的最大引用误差：最大绝对误差与量程之（百分）比。,*该式分子是指整个量程中最大绝对误差，为定值，分母也是确定的。因此，对于一台确定的检测仪表或系统，最大引用误差就是定值，可以用来衡量仪表精度。,仪表的精度等级： 取仪表的最大引用误差，去掉百分号

12、。,*常见仪表精度等级：01 02 05 10 15 20 25 50,1. 已知被测电压的准确值为220V，请观察并计算图1所示的电压表上的准确度等级S、满度值Am、最大绝对误差m、示值Ax、与220V正确值的误差、示值相对误差x以及引用误差m。 2. 示值相对误差有没有可能小于引用误差？在仪表绝对误差不变的情况下，被测电压降为22V，示值相对误差x将变大了？还是变小了？,仪表的应用问题：,量程的选择: 对一个确定的仪表, 仪表精度已定, 为精度加百分号,也为定值。因 ，所以 与量程乘正比，量程越大，测量带来的最大可能绝对误差 就越大,对应的最大可能相对误差 也越大。 就是说仪表选用过大的量

13、程会带来测量误差，一般测量某一量真值x0时，应使指示x的指针落在满量程L的2/3之外。,3 某弹簧管压力表的测量范围为01. 6MPa ，准确度等级为 2 . 5 级，校验时在某点出现的最大绝对误差为 0. 05MPa ，问这块仪表是否合格？为什么？,答 该压力表的量程为 1.6MPa ，压力表的基本误差为 0. 05MPa ，则满刻度相对误差为 所以这块仪表不合格。,4 用标准压力表来校准工业压力表时，应如何选用标准压力表精度等级？可否用一台精度等级为 0.2 级，量程为25MPa 的标准表来检验一台精度等级为 1.5 级，量程为 2.5MPa 的压力表？为什么？ 解 选择标准压力表来校准工

14、业用压力表时，首先两者的量程要相近，并且标准表的精度等级要高于被校表的精度等级，至少要高一个等级。一般：标准表允许的最大绝对误差应小于被校表绝对误差的1/3。,题中的标准表精度等级为 0 . 2 级，量程为 25MPa ，则该标准表可能产生的最大绝对误差为,被校表精度等级为 1.5 等级，量程为 2 .5MPa ， 其可能产生的最大绝对误差为,显然，max1 max2 ，这种选择是错误的，因为虽然标准表精度等级较高，但是它的量程太大，故不符合选择的原则。 如选相同量程，则可选0. 5级既满足要求。 max1=0.0125 =1/3 max2=0.0125 选原量程则：精度应为0.05级,二系统

15、误差与随机误差,系统误差,如果误差的数值和符号不变，称为恒值系统误差 。 反之，称为变值系统误差。 变值系统误差可能的变化规律又分为：累进性变 值、周期性变值或复杂规律变值。,系统误差出现的原因：检测装置不完善、测量方法不完善、操作使用不当、环境影响等。 消除系统误差的方法：实验、分析、找原因、总结规律、修正。 系统误差的大小表明多次测量结果距离真值的正确度，有确定规律的系统误差越小，正确度越高。,在相同条件下，多次测量同一量时，出现的大小 和符号按一定规律变化的误差被称为系统误差。,随机误差 在相同条件下，多次测量同一量时，出现的大小符号以不可预见方式变化的误差被称为随机误差。,随机误差出现

16、的原因：测量过程中一些独立、微小、偶然因素的综合结果。随机误差不可避免。 消除随机误差的方法：利用概率理论和统计学的方法，分析随机误差的分布特性，减小误差的影响。 随机误差的大小表明多次测量结果重复一致的程度，称为精密度，当测量结果集中，重复性好时，则认为精密度高。 正确度精密度测量精确度（精度）,a规律性系统误差小 正确度高。 结果分散性大 随机误差大 精密度低。,b规律性系统误差大 正确度低。 结果重复性好 随机误差小 精密度高。,c规律性系统误差小 正确度高。 结果重复性好 随机误差小 精密度高。,系统误差与随机误差的关系 难以严格区分。 当某些系统误差太复杂，找不出规律，就只能作为随机误差处理。 当某些随机误差的来源和变化规律被掌握，就可以当成系统误差去处理，将结果加以修正和预防。 任何一次测量