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1、PHEI PHEI PHEI PHEI 电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社电子工业出版社传传感感器器技技术术基基础础与与应应用用实实训训项目单元项目单元1 1 绪论绪论-传感器检测技术基础传感器检测技术基础1.1 项目项目描述描述1.2 课题基本知识课题基本知识点点1.3 习题习题 传感器用于非电量的检测，检测的目的不仅是为了获得信息或数据，在一定程度上讲更主要是为了生产和研究的需要。本项目对测量的定义和过程、测量方法的分类及其特点，测量误差产生的原因、表示方法、性质及处理方法；测量数据的处理及测量结果的评价作介绍。121 测量的基本概念测量的基本概念1测量的定义测量的定义 测量就是借
2、助于专门的技术工具或手段，通过实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，求取二者比值，从而得到被测量数值大小的过程。2测量的单位测量的单位 国际（SI）单位制是1960年第十一届国际计量大会通过的，它包括SI单位、SI词头和SI单位的十进制倍数单位。基本单位有7个：长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量和发光强度，3测量方法的分类测量方法的分类 （1）按测量过程的特点分类 直接测量 间接测量法 偏差法 用事先分度（标定）好的测量仪表进行测量，根据被测量引起显示器的偏移值直接读取被测量的值。它是工程上应用最广泛的测量方法。零位法 将被测量 与某一已知标准量 完全抵消，使作用到测量仪表上
3、的效应等于零。如天平、电位差计等。由此可知=，测量精度主要取决于标准量的精度，与测量仪表的精度无关。因而测量精度很高，在计量工作中应用很广。微差法 将零位法和偏差法结合起来，把被测量的大部分抵消，选用灵敏度较高的仪表测量剩余部分的数值，被测量便等于标准量和仪表偏差值之和。如天平上的游标、电位差计上的毫伏表等。与偏差法相比，它可以得到较高的精度；与零位法相比，它可以省去微进程的标准量。（2）按测量仪表的特点分类）按测量仪表的特点分类 1）接触测量法 传感器直接与被测对象接触，承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称为接触测量法。例如用体温计测体温等。2）非接触测量
4、法 传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称为非接触测量法。例如用辐射式温度计测量温度，用光电转速表测量转速等。非接触测量法不干扰被测对象，既可对局部点检测，又可对整体扫描。特别是对于运动对象、腐蚀性介质及危险场合的参数检测，它更方便、安全和准确。（3）按测量对象的特点分类按测量对象的特点分类 1）静态测量法 静态测量是指被测对象处于稳定情况下的测量。此时被测参数不随时间而变化，故又称稳态测量。2）动态测量法 动态测量是在被测对象处于不稳定的情况下进行的测量。此时被测参数随时间而变化。因此，这种测量必须是在瞬时完成，才能得到动
5、态参数的测量结果。1传感器的定义及组成传感器的定义及组成定义定义:传感器是一种以测量为目的，以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系，以便于处理和应用的某种物理量的测量装置。组成组成:图1.1 传感器组成框图（1）按被测量分类 可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。（2）按测量原理分类 可分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。3传感器的基本特性传感器的基本特性（1）灵敏度传感器在稳态标准条件下，输出的变化量 与引起该变化量的输入变量 的比值称之为灵敏度。由此可见，线性传感器其特性的斜率处处相同，灵敏度K是一常数。以拟
6、合直线作为其特性的传感器，也认为其灵敏度为一常数，与输入量的大小无关。（2）线性度）线性度所谓的线性度也称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比。拟合直线的选取有多种方法，常用的拟合方法有：理论拟合；过零旋转拟合；端点拟合；端点平移拟合；最小二乘拟合等。选择拟合直线的主要出发点应是获得最小的非线性误差，还要考虑使用是否方便，计算是否简便。（3）迟滞特性）迟滞特性传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输入输出曲线不重合的现象称为迟滞性，如图1-5所示，它一般由实验方法获得，表达式为：100%（1-5）式中 -正反行程间输出的
7、最大差值；-满量程输出。图1.5 迟滞特性示意图1正行程特性 2反行程特性（4）重复性重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致程度。（5）分辨力与阀值分辨力是指传感器能检测到被测量的最小增量。分辨力可用绝对值表示，也可用与满量程的百分数表示。（6）稳定性稳定性包括稳定度和环境影响量两方面。稳定度是指传感器在所有条件均不变情况下，能在规定的时间内维持其示值不变的能力。1数据采集系统的组成数据采集系统的组成传感器输出的信号经预处理变为模拟电压信号后，需转换成数字量方能进行数字显示或送入计算机。这种模拟信号数字化的过程称为数据采集。典型的数据采集系统由传感器（T）、放
8、大器（IA）、模拟多路开关（MUX）、采样保持器（SHA）、A/D转换器、计算机（MPS）或数字逻辑电路组成。2传感器输出信号的特点和预处理方法传感器输出信号的特点和预处理方法（1）传感器输出信号的特点（2）传感器输出信号的预处理方法1）开关量信号预处理的方法2）模拟脉冲式传感器信号预处理方法3）模拟连续式传感器的信号预处理4）频率变化式传感器信号的预处理5）数字电量式传感器信号的预处理1测量误差的分析测量误差的分析（1）测量误差的定义测量的目的是希望得到被测对象的真值（实际值）。但由于检测系统（仪表）不可能绝对精确、测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能
9、会影响被测对象的原有状态等，也使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。（2）真值）真值一个量严格定义的理论值通常叫理论真值，如三角形三内角和为1800等。许多量由于理论真值在实际工作中难以获得，通常用约定真值或相对真值来代替理论真值。1）约定真值）约定真值根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最先进科学技术复现这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家基准，称为约定真值。2）相对真值）相对真值如果高一级检测仪器（计量器具）的误差仅为低一级检测仪器误差的1/31/10，则可认为前者是后者的相对真值。3）标称值）标称值计量或测量器具上标注
10、的量值，称为标称值。4）示值）示值检测仪器（或系统）指示或显示（被测参量）的数值叫示值，也叫测量值或读数。（3）测量误差的分类）测量误差的分类1）绝对误差）绝对误差测量值 与被测量真值 之间的差值称为绝对误差，用 表示，即 （1-7）由式（1-7）可知，绝对误差的单位与被测量的单位相同，且有正负符号之分。用绝对误差表示仪表的误差大小也比较直观，它被用来说明测量结果接近被测真值的程度。2）相对误差）相对误差 实际相对误差实际相对误差 实际相对误差是指绝对误差 与被测真值 的百分比，用 表示，即 （1-9）示值（标称）相对误差 示值相对误差是指绝对误差 与被测量值 的百分比，用 表示，即 （1-1
11、0）引用（满度）相对误差引用（满度）相对误差 引用相对误差是指绝对误差 与仪表满度值 的百分比，用 表示，即 （1-11）由于 是用绝对误差 与一个常量（量程上限）的比值所表示的，所以实际上给出的是绝对误差，这也是应用最多的表示方法。当 取最大值（）时，其满度相对误差常用来确定仪表的精度等级S。目前我国电工仪表精度分为七级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级。如按误差的性质来分，则可分为以下几类：1）系统误差）系统误差在相同条件下，多次重复测量同一被测参量时，其测量误差的大小和符号保持不变，或在条件改变时，误差按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差。误差值恒定不变
12、的又称为定值系统误差，误差值变化的则称为变值系统误差。变值系统误差又可分为累进性的、周期性的以及按复杂规律变化的几种。2）随机误差）随机误差 在相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测量误差的大小与符号均无规律变化，这类误差称为随机误差。3）粗大误差）粗大误差 粗大误差是指明显超出规定条件下预期的误差。其特点是误差数值大，明显歪曲了测量结果。2系统误差的处理系统误差的处理（1）系统误差的分类及产生原因产生系统误差的原因主要有：检测时所用传感器、仪表本身性能有限；检测系统安装、布置、调整不当；测量者视觉等原因；测量环境条件（如温度、压力等）变化；测量方法不完善；测量依据的理论不完善等。按照系统误
13、差（简称系差）的性质可分为已定系差和未定系差两大类。1）已定系差 是指在测量过程中误差大小和符号都不变的系差。2）未定系差 是在测量过程中大小和符号变化不定，或按一定规律变化的系差。（2）系统误差的发现1)恒定系差的检验 恒定系差不影响剩余误差的计算，即不影响测量结果的精密度，在处理随机误差时不可能发现。因此，一般采用改变测量条件的多次测量结果进行比较以确定其存在与否。2）未定系差的发现可以使用剩余误差观察法。观察一系列等精度测量剩余误差的数值符号，若数值有规律地递增或递减，并在开始和末尾的符号相反，则判定有线性系差；若符合有规律地正负交替变化多次，则判定有周期性系差。（3）消除或减弱系统误差
14、的测量方法）消除或减弱系统误差的测量方法1）已定系差的消除方法 替代法 在测量未知量后，记下读数，再测可调的已知量，使仪表指示与上次相同，此时未知量就等于已知量。相消法及交校法 适当安排测量方法，对同一量做两次测量，使恒定系差在两次测量中方向相反，取两次读数的算术平均值。2）未定系差的消除方法 用对称观测法（又称等距观测法）消除线性系差。采用补偿法消除因某个条件变化或仪器的某个环节的非线性引起的变化系差。对周期性变化的系差，只要读数相隔半周期的两次测量值，取其算术平均值便可消除。（4）随机误差的处理）随机误差的处理随机误差的特性实践中常见的随机误差分布是正态分布。如图1.11 所示，它有以下几
15、点特性：对称性 即绝对值相等的正误差和负误差出现的概率相等。单峰性 既只有一个峰值。峰值就是概率密度的极大值。峰值在随机误差的纵轴上。该特性说明绝对值小的误差出现的概率大，而绝对值大的误差出现的概率小。互抵性 对一系列等精度的n次测量，当n 时，各次测量的随机误差 的代数和等于零。这是曲线对称、正负误差可以抵消的必然结果。有界性 绝对值很大的误差出现的概率趋近于零。即误差的绝对值实际上不会超过某个限值。（5）测量结果的评价）测量结果的评价衡量测量结果的好坏通常用精确度来表示，衡量测量精确度的主要指标是精密度和准确度。精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。1）精密度 精密度是指在测量过程中所测数据重复一致的程度。它说明了在一个测量过程中，在同一条件下进行重复测量时，所测结果的不一致程度。2）准确度 准确度是指测量结果与被测真值的偏离程度。系统误差的大小是衡量测量准确度的重要指标，系统误差越小，则准确度越高，但准确不一定精密。3）精确度 精确度是衡量测量结果最佳指标，精确度高则系统误差和随机误差都小，一切测量都应力求既精密又准确。
