第章传感器与检测技术概述

1、第1章传感与检测技术概述传感器原理及应用 （自动检测技术（自动检测技术/非电量测量技术）非电量测量技术）一、本课程的专业地位：一、本课程的专业地位：专业必修课。专业必修课。二、本课程的主要内容二、本课程的主要内容1、传感器、测量及误差的基本知识；、传感器、测量及误差的基本知识；2、常用传感器的原理、结构、测量电路及应用；、常用传感器的原理、结构、测量电路及应用；3、传感器在工程检测中的应用。、传感器在工程检测中的应用。三、课程要求三、课程要求1、掌握传感器、测量及误差的基本理论；、掌握传感器、测量及误差的基本理论；2、掌握常用传感器的基本原理、结构、特点、基本测量、掌握常用传感器的基本原理、结

2、构、特点、基本测量电路及应用；电路及应用；第1章传感与检测技术概述3、学会工程中常见的非电量测量方法，了解传感器在工、学会工程中常见的非电量测量方法，了解传感器在工程检测中的应用方法；程检测中的应用方法；4、学会分析和设计传感器的应用电路。、学会分析和设计传感器的应用电路。四、课程特点四、课程特点综合性：综合性：传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技学、测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、乃至系统科

3、学、人工智能、自动化技术等众多学科术、乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术；相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术；零散性：零散性：各章内容之间没有前后因果关系；各章内容之间没有前后因果关系；应用性：应用性：重点掌握各种传感器的应用方法。重点掌握各种传感器的应用方法。第1章传感与检测技术概述五、参考资料五、参考资料传感器与检测技术传感器与检测技术 朱自勤朱自勤 机械工业出版社机械工业出版社传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用 郁有文郁有文 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社传感器原理及应用传感器原理及应用 王化祥王化祥 天津大学出版社

4、天津大学出版社传感器原理及应用传感器原理及应用 王雪文王雪文 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社传感器原理及其应用手册传感器原理及其应用手册 孙宝元孙宝元 机械工业出版社机械工业出版社非电量检测技术非电量检测技术 严钟豪严钟豪 机械工业出版社机械工业出版社现代传感技术现代传感技术 魏文广魏文广 东北大学出版社东北大学出版社传感器技术传感器技术 信息产业部电子第四十九研究主办信息产业部电子第四十九研究主办光电子技术与信息光电子技术与信息 中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国光学学会光电技术专业委员会主办中国光学学会光电技术专业委员会主办激光与红外激光

5、与红外 华北光电技术研究所主办华北光电技术研究所主办仪表技术与传感器仪表技术与传感器 沈阳仪器仪表研究所主办沈阳仪器仪表研究所主办第1章传感与检测技术概述仪器仪表网仪器仪表网 （http:/）仪器商城网仪器商城网 （）（）传感器网传感器网 （http:/）传感器技术传感器技术 （）（）中国传感器（中国传感器（ http:/ ）中国工控网（中国工控网（ http:/ ）中国机器人网（中国机器人网（ http:/.) 电子设计应用（电子设计应用（ . ）电子产品世界（电子产品世界（ . ）第1章传感与检测技术概述第第1章章 传感器与检测技术概述传感器与检测技术概述1.1 传感器的概念、组成和分类传

6、感器的概念、组成和分类1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性返回主目录第1章传感与检测技术概述第第1章章 传感器与检测技术的理论传感器与检测技术的理论基础基础 1.1 传感器的概念、组成和分类传感器的概念、组成和分类 一、传感器的概念、组成与应用一、传感器的概念、组成与应用1、 现代信息技术的三大要素：现代信息技术的三大要素：信息获取信息获取传感器技传感器技术术 信息传输信息传输通信技术通信技术 信息处理信息处理计算机技计算机技术术 在工程实践和科学试验中，信息采集的主要含义是在工程实践和科学试验中，信息采集的主要含义是测测量量取得测量数据。取得测量数据。第1章传感与检测技术概述2、测量的概

7、念、测量的概念 测量是人类对自然界客观事物获得数量观念的一种认识过测量是人类对自然界客观事物获得数量观念的一种认识过程，即程，即借助于专门设备，求出被测量的数值大小借助于专门设备，求出被测量的数值大小。3、测量的分类、测量的分类 电子测量电子测量电子测量仪器；电子测量仪器； 非电量测量非电量测量传感器；传感器；4、自动测量系统的组成、自动测量系统的组成 图11 自动测量系统组成第1章传感与检测技术概述5、自动测量技术的作用、自动测量技术的作用 以电子技术、传感器技术、计算机技术为基础的自动测以电子技术、传感器技术、计算机技术为基础的自动测量技术，是衡量一个国家科技水平的重要标志之一。量技术，是

8、衡量一个国家科技水平的重要标志之一。 而传感器是测量系统的第一个环节，它能否获得信息和而传感器是测量系统的第一个环节，它能否获得信息和获取信息的正确与否，关系到整个测量系统的精确度，获取信息的正确与否，关系到整个测量系统的精确度，传感传感器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能器的性能在很大程度上决定着整个信息技术的性能，因此世，因此世界各国都将传感器技术列为重点发展的新技术。界各国都将传感器技术列为重点发展的新技术。6、传感器的定义（、传感器的定义（GB7665-87) 能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输可用输出信号出信号的器件或装

9、置，通常由的器件或装置，通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成。组成。 第1章传感与检测技术概述7、传感器的组成、传感器的组成 通常传感器由通常传感器由敏感元件敏感元件和和转换（传感）元件转换（传感）元件组成。组成。 传感传感器组成框图如图器组成框图如图 1 - 2 所示。所示。 图图 1- 2 传感器组成框图传感器组成框图 第1章传感与检测技术概述直接感受被测非电量并按一定规律转换成与直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。被测量有确定关系的其它量的元件。又称转换元件又称转换元件/转换器。能将敏感元件感受到转换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量

10、的器件。的非电量直接转换成电量的器件。能把传感元件输出的电信能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。路。第1章传感与检测技术概述 压 力 作 用 膜片形变（应变） 应变片电阻改变 敏感元件敏感元件传感元件传感元件压力传感器示例压力传感器示例第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述8、传感器的应用领域、传感器的应用领域（1）机械制造业：）机械制造业：智能机械智能机械 ：数控机床、加工中心、机器人等：数控机床、加工中心、机器人等（2）工业过程检测与控制：）工业过程检测与控制：石油、化工、电力、冶金等行

11、业中石油、化工、电力、冶金等行业中热工工艺参数检测和控制；热工工艺参数检测和控制；（3）汽车：）汽车：车速、里程、燃油、排气、车灯、关门、防盗、防车速、里程、燃油、排气、车灯、关门、防盗、防撞等；撞等；（4）环保：）环保：有毒、有害、易燃、易爆气体检测，重金属、污水有毒、有害、易燃、易爆气体检测，重金属、污水检测，防酒后驾车等；检测，防酒后驾车等；（5）医疗卫生：）医疗卫生：血压、心音、脉搏检测，心脏监护仪、彩超、血压、心音、脉搏检测，心脏监护仪、彩超、核磁共振等；核磁共振等；（6）航空航天：）航空航天：卫星、火箭、飞船、外星探测器等；卫星、火箭、飞船、外星探测器等；（7）国防工业：）国防工业

12、：飞机、导弹、雷达、智能化电子武器等；飞机、导弹、雷达、智能化电子武器等；（8) 家用电器：家用电器：空调、洗衣机、电冰箱、微波炉、电饭煲、电空调、洗衣机、电冰箱、微波炉、电饭煲、电熨斗、安全报警器等。熨斗、安全报警器等。第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时小时在线监测系统。在线监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。第1章传

13、感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测。量检测。 图示为汽车出厂检验原理框图，图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量第1章传感与检测技术概述高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置

14、、距离、转速、高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要需要301 00种传感器。种传感器。第1章传感与检测技术概述 自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院录像机、家庭影院第1章传感与检测技术概述 全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器

15、，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度洗净度) 液位传感器，液位传感器，电阻传感器电阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。第1章传感与检测技术概述指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器第1章传感与检测技术概述鼠标鼠标: :光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD:CCD传感器传感器第1章传感与检测技术概述软驱软驱: :速度速度, ,位置伺服位置伺服麦克风麦克风: :电容传声器电容传声器第1章传感与检测技术概述楼宇控制与安全防护楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环为使建筑物成为安全、健康、

16、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。运行状况。 第1章传感与检测技术概述 图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电废水管理和电梯监控。梯监控。第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述烟雾传感器烟雾

17、传感器亮度传感器亮度传感器人体探测器人体探测器第1章传感与检测技术概述 机械手、机器人中的传机械手、机器人中的传感器感器: 转动转动/移动位置传感移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。热觉传感器、嗅觉传感器。 传感在机器人上的应用传感在机器人上的应用第1章传感与检测技术概述密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型第1章传感与检测技术概述广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述机器人服务员机器人服务员第1章传

18、感与检测技术概述沙漠机器人沙漠机器人第1章传感与检测技术概述 超声波测距传感器、判超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运置；红外线色彩传感器运动轨迹和动轨迹和AGV小车位置识小车位置识别；条形码传感器，货品别；条形码传感器，货品识别。识别。香港理工香港理工AGVAGV模型模型AGV自动送货车自动送货车 自动导引运输车（Automated Guided Vehicle） 第1章传感与检测技术概述AGAGV V自自动动送送货货车车 第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述传感器在生物医学上的应用传感器在生物医学上的应用

19、医学医学第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材荧光材料制作料制作的电子的电子鼻传感鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量第1章传感与检测技术概述传感器与航空及航天传感器与航空及航天第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述传感器与环境保护传感器与环境保护第1章传感与检测技术概述NOX NO + NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 烟尘浊度测量烟尘浊度测量第1章传感与检测技术概述传感器与遥感技术传感器与遥感技术第1章传

20、感与检测技术概述传感器在军事技术领域的应用传感器在军事技术领域的应用 第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述第1章传感与检测技术概述农业农业第1章传感与检测技术概述二、二、传感器的分类传感器的分类1、按被测量分类、按被测量分类（相应的传感器一般以被测量命名）：（相应的传感器一般以被测量命名）：（1）热工量传感器：）热工量传感器：温度、热量、比热；压力、差压、真空温度、热量、比热；压力、差压、真空度；流速、流量；物位（液位、料位）。度；流速、流量；物位（液位、料位）。（2）机械量传感器：）机械量传感器：位移、尺寸（长度、厚度、宽度、角位移、尺寸（长度、厚度、宽度、角度）；力、力矩；重量

21、、质量；速度、加速度、转速。度）；力、力矩；重量、质量；速度、加速度、转速。（3）物性和成分量：）物性和成分量：成分量（化学成分、浓度、酸碱度、盐成分量（化学成分、浓度、酸碱度、盐度等）；物性（密度、比重、粘度等）。度等）；物性（密度、比重、粘度等）。（4）状态量：）状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面粗颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面粗糙度等）。糙度等）。第1章传感与检测技术概述2、按传感器的工作原理分类、按传感器的工作原理分类（1）物理型传感器：）物理型传感器：利用某些敏感元件的物理性质以及某些利用某些敏感元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成。如：应变式、电容式

22、、磁电、功能材料的特殊物理性能制成。如：应变式、电容式、磁电、光电、压电传感器等。光电、压电传感器等。（2）化学型：）化学型：利用电化学反应原理制成。如：气敏传感器、利用电化学反应原理制成。如：气敏传感器、湿度传感器、离子传感器等。湿度传感器、离子传感器等。（3）生物传感器：）生物传感器：利用酶、微生物、抗体、细胞及组织等作利用酶、微生物、抗体、细胞及组织等作为敏感材料与适当的换能器结合而成，利用特有的化学反应和为敏感材料与适当的换能器结合而成，利用特有的化学反应和电化学技术对生物化学电化学技术对生物化学物质进行测定。如：酶传感器、免疫传感器等。 第1章传感与检测技术概述3、按输出信号的性质分

23、类、按输出信号的性质分类（1）模拟传感器：）模拟传感器：输出模拟信号；输出模拟信号；（2）数字传感器：）数字传感器：输出数字信号（脉冲、频率、二进制输出数字信号（脉冲、频率、二进制数码），抗干扰能力强。数码），抗干扰能力强。三、传感器的发展趋势三、传感器的发展趋势1、 三新三新：新材料、新工艺、新效应（原理）；：新材料、新工艺、新效应（原理）；2、四化：、四化：集成化、多维化、多功能化、智能化。集成化、多维化、多功能化、智能化。第1章传感与检测技术概述 1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 即输出即输出输入之间对应关系，又称为输出输入之间对应关系，又称为输出输入特性，输入特性，可用静态特性

24、和动态特性来描述。可用静态特性和动态特性来描述。一、一、 传感器的静态特性传感器的静态特性（一）静态特性：（一）静态特性：是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系；即输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡关系；即输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度灵敏度, 迟滞和重复性等。迟滞和重复性等。（二）传感器的静态特性表达式（二）传感器的静态特性表达式 1、理想传感器：、理想传感器： y=a1x 2、实际传感器：、实际传感器： y=a0+a1x+a2x2+anxn式中式中: a

25、0输入量输入量x为零时的输出量为零时的输出量; a1, a2, , an非线性项系数；非线性项系数； x输入量；输入量；y输出量。输出量。1、传感器的零偏（零点）：、传感器的零偏（零点）：输入信号为零时传感器的输出值。输入信号为零时传感器的输出值。第1章传感与检测技术概述2 、传感器的测量范围与量程、传感器的测量范围与量程（1）测量范围：）测量范围：指正常工作条件下，传感器能够测量的被测量指正常工作条件下，传感器能够测量的被测量的总范围，通常用测量范围的下限值和上限值来表示。的总范围，通常用测量范围的下限值和上限值来表示。（2）量程：）量程：测量范围的上限值（或对应的输出值测量范围的上限值（或

26、对应的输出值 ）与下限值）与下限值（或对应的输出值）的代数差。（或对应的输出值）的代数差。a0 零点；零点；xF.S满量程输入；满量程输入；XF.S输入量程；输入量程； XF.S=xmax-xminyF.S满量程输出；满量程输出；YF.S输出量程。输出量程。 YF.S=ymax-ymin注：仅知道量程时，无法确定测量范围。注：仅知道量程时，无法确定测量范围。传感器的静态特性曲线第1章传感与检测技术概述(三）主要静态特性指标三）主要静态特性指标线性度（直线性线性度（直线性/非线性误差）非线性误差）（1）拟合直线：）拟合直线：传感器的静态特性曲线往往为非线性，在传感器的静态特性曲线往往为非线性，在

27、实际使用中实际使用中, 为了标定和数据处理的方便为了标定和数据处理的方便,可用一条直线（切可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段线或割线）近似地代表实际曲线的一段,使传感器输出使传感器输出输输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。 （2）选取拟合直线的方法：）选取拟合直线的方法：(见图见图2-1） (a) 理论拟合直线；理论拟合直线； (b) 过零旋转拟合直线；过零旋转拟合直线； (c) 端点连线端点连线拟合直线；拟合直线； (d) 端点平移拟合直线；端点平移拟合直线； (e)最小二乘法拟合直最小二乘法拟合直线线第1章传感与检测技术概述 图

28、图 2 - 1 几种直线拟合方法几种直线拟合方法(a) 理论拟合；理论拟合； (b) 过零旋转拟合；过零旋转拟合； (c) 端点连线拟合；端点连线拟合； (d) 端点平移拟合端点平移拟合第1章传感与检测技术概述（3）线性度（非线性度）线性度（非线性度/非线性误差）：非线性误差）：传感器的实际静态传感器的实际静态特性曲线与拟合直线（规定直线）之间，在垂直方向上的特性曲线与拟合直线（规定直线）之间，在垂直方向上的最大偏差与输出量程的百分比称为线性度。通常用相对误最大偏差与输出量程的百分比称为线性度。通常用相对误差差L表示表示, 即即 式中式中: |(yL)max|最大非线性最大非线性 绝对误差的绝

29、对值绝对误差的绝对值; YFS输出量程。输出量程。 %100|( |max)FSLLYyr第1章传感与检测技术概述（4）最小二乘法线性度的求法）最小二乘法线性度的求法a. 拟合直线的确定：拟合直线的确定：设拟合直线方程式为：设拟合直线方程式为：y=kx+b (1-3)第第j个标定点的标定值为（个标定点的标定值为（xj,yj)则：则：Lj=yj-(kxj+b)最小二乘法拟合直线的确定原则是：均方差为最小值。即：最小二乘法拟合直线的确定原则是：均方差为最小值。即： - （2- 5、2-62-7、2-8）求每个标定点对应的非线性绝对误差求每个标定点对应的非线性绝对误差Lj Lj=yj-(kxj+b)

30、求最大非线性绝对误差求最大非线性绝对误差|Lmax| 并求并求L第1章传感与检测技术概述2 2、灵敏度、灵敏度 灵敏度灵敏度K K是指传感器的输出量变化量是指传感器的输出量变化量y y 与引起此变化的与引起此变化的输入变化量输入变化量xx的比值的比值, , 即即 K=y/xK=y/x 灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度。对于线性灵敏度反映了传感器对被测参数变化的灵敏程度。对于线性传感器传感器, , 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率它的灵敏度就是它的静态特性的斜率, , 即即K=y/xK=y/x为常为常数数, , 而非线性传感器的灵敏度为一变量而非线性传感器的灵敏度为一变量, , 用用K

31、=dy/dxK=dy/dx表示。传感器表示。传感器的灵敏度如图所示。的灵敏度如图所示。 第1章传感与检测技术概述 多环节串联而成的测量系统的灵敏度为：多环节串联而成的测量系统的灵敏度为： K=K1K2Kn 例例1：某线性位移测量仪，当被测位移由某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到变到5mm时，时，位移测量仪的输出电压由位移测量仪的输出电压由3.5V减至减至2.5V，求该仪器的灵敏度。，求该仪器的灵敏度。若再接一个放大器（放大倍数为若再接一个放大器（放大倍数为10）后驱动笔式记录仪（灵敏）后驱动笔式记录仪（灵敏度为度为0.2cm/V），试求系统的总灵敏度。），试求系统的总灵敏度。解：解：

32、K1 =y/x=（3.5-2.5）V/(5-4.5)mm = -2V/mm K2=10 K3= 0.2cm/V K=K1K2K3= -2V/mm10 0.2cm/V= - 4cm/mm 第1章传感与检测技术概述 3、迟滞（回差、迟滞（回差/变差）变差） 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞输入特性曲线不重合的现象称为迟滞, 如图如图 1 - 4 所示。所示。 也也就是说就是说, 对于同一大小的输入信号对于同一大小的输入信号, 传感器的正反行程输出信号传感器的正反行程输出信号大小不相等。大小

33、不相等。 产生迟滞的主要原因产生迟滞的主要原因是是由于传感器敏感元件材料的由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺物理性质和机械零部件的缺陷所造成的陷所造成的, 例如弹性敏感例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等固件松动等。图图1-4 迟滞特性迟滞特性第1章传感与检测技术概述迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差H可由下式计算：可由下式计算： （1-7）式中式中: Hmax同一输入值对应的正反行程输出值的平均同一输入值对应的正反行程输出值的平均值之间的最大差值的绝对值。值之间的最大

34、差值的绝对值。4. 重复性重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时次变化时, 所得特性曲线不一致的程度所得特性曲线不一致的程度, 如图如图 1 - 5 所示。所示。 重复重复性误差属于随机误差性误差属于随机误差, 常用标准偏差表示常用标准偏差表示, 也可用正反行程中也可用正反行程中的最大偏差表示的最大偏差表示, 即即 %10021maxFSYr第1章传感与检测技术概述 y yF.S 0 xF.S (1-9)式中式中 最大标准偏差。最大标准偏差。 （1-8） %100) 32(FSRYr图图1-5重复性重复性第1章传感与检测

35、技术概述 （1-10）式中：式中：i 第第i个标定点的标准偏差；个标定点的标准偏差； yij 同一方向第同一方向第i个标定点第个标定点第j次测得的输出值；次测得的输出值； /yi 第第i个标定点个标定点N次测量的平均输出值；次测量的平均输出值； 也可用正反行程中的最大偏差表示也可用正反行程中的最大偏差表示, 即即 （1-11）式中：式中：Rmax 统一输入值对应的同一行程输出值的绝对值的统一输入值对应的同一行程输出值的绝对值的 最大值。最大值。 %10021maxFSRYRr第1章传感与检测技术概述5. 分辨率与阈值分辨率与阈值（1）分辨率：）分辨率：是指传感器在规定测量范围内所能检测出被是指

36、传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满量程输入值的测输入量的最小变化值。有时对该值用相对满量程输入值的百分数表示，称为分辨率。百分数表示，称为分辨率。 （2）阈值：）阈值：是能使传感器的输出端产生可测变化量的最小是能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。有的传感器在零位被测输入量值，即零点附近的分辨能力。有的传感器在零位附近非线性严重，形成所谓附近非线性严重，形成所谓“死区死区”，则将死区的大小作为，则将死区的大小作为阈值；更多情况下阈值主要取决于传感器噪声的大小，因而阈值；更多情况下阈值主要取决于传感器噪声的大小，因而有的

37、传感器只给出噪声电平。有的传感器只给出噪声电平。第1章传感与检测技术概述 传感器能检测出的被测量的最小变化值一般相当于噪声传感器能检测出的被测量的最小变化值一般相当于噪声电平的若干倍，用公式表示为：电平的若干倍，用公式表示为： 式中：式中：M被测量最小变化值；被测量最小变化值；c系数（一般取系数（一般取15）：）： N噪声电平：噪声电平： k传感器的灵敏度。传感器的灵敏度。kcNM 6. 稳定性稳定性 稳定性又称稳定性又称长期稳定性长期稳定性，即传感器在相当长时间内保，即传感器在相当长时间内保持其原性能的能力。稳定性一般用在室温条件下经过一规定持其原性能的能力。稳定性一般用在室温条件下经过一规

38、定时间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来时间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用表示，有时也用标定的有效期来表示标定的有效期来表示。第1章传感与检测技术概述7、漂移、漂移（1）定义：）定义：漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。度漂移。 （2）产生原因：）产生原因：一是自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿一是自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。零点漂移或灵敏度漂移又可分为

39、度等）。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移时间漂移和和温度漂移温度漂移，又称时漂又称时漂(或零漂或零漂)和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂是指由周围温度变化所引起的零点敏度随时间的缓慢变化；温漂是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。或灵敏度的变化。（3）零点漂移：）零点漂移：传感器无输入时，每隔一段时间进行读数，其输传感器无输入时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值，即为零点漂移。传感器的零漂可表示为：出偏离零值，即为零点漂移。传感器的零漂可表示为：式中：式中：y为最大零点偏差：为最大零点偏差：YFS为满量程输

40、出。为满量程输出。%100FSYy零漂第1章传感与检测技术概述（4）温度漂移：）温度漂移：传感器的温漂有时称温度稳定性，周围环境温传感器的温漂有时称温度稳定性，周围环境温度变化度变化1而引起的输出变化，通常用传感器工作环境温度偏离而引起的输出变化，通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为标准环境温度（一般为20 ）时的输出值的变化量与温度变化）时的输出值的变化量与温度变化量之比来表示，即：量之比来表示，即： ( yt - y20 ) / t (1-12)式中：式中： t 工作环境温度偏离标准环境温度之差，工作环境温度偏离标准环境温度之差， 即即 t t - 20 ； yt 传感器在环境

41、温度为传感器在环境温度为t时的输出；时的输出； y20传感器在标准环境温度传感器在标准环境温度20时的输出。时的输出。 一般以温度变化一般以温度变化1，输出最大偏差与满量程的百分比来表，输出最大偏差与满量程的百分比来表示，即示，即 %100maxTYyFS温漂 式中：式中：ymax为输出最大偏差：为输出最大偏差：YFS为满量程输出；为满量程输出；T为温为温度变化范围。度变化范围。 第1章传感与检测技术概述8、精确度、精确度 （1）测量误差）测量误差 被测参数的测量值与真实值不一致的程度用测量误差表示。测被测参数的测量值与真实值不一致的程度用测量误差表示。测量误差就是量误差就是被测量的测量值与真

42、实值之间的差值被测量的测量值与真实值之间的差值，它反映了测量，它反映了测量质量的好坏。质量的好坏。绝对误差：绝对误差：可用下式定义可用下式定义: x = x-x0 式中式中: x绝对误差绝对误差; x测量值测量值; x0约定真值。约定真值。 第1章传感与检测技术概述 对测量值进行修正时对测量值进行修正时, 要用到绝对误差。要用到绝对误差。 修正值是与绝对误差修正值是与绝对误差大小相等、符号相反的值大小相等、符号相反的值,C= -x = x0-x， 实际值等于测量值加上修实际值等于测量值加上修正值。即正值。即 x0=x+C。 绝对误差不能很好说明测量质量的好坏，绝对误差不能很好说明测量质量的好坏

43、，只适用于被测量值相只适用于被测量值相同的场合。同的场合。 例如例如, 在温度测量时在温度测量时, 绝对误差绝对误差=1 , 对体温测量来说对体温测量来说是不允许的是不允许的, 而对测量而对测量钢水温度钢水温度来说却是一个极好的测量结果。来说却是一个极好的测量结果。相对误差：相对误差：定义由下式给出定义由下式给出: = x/ x0 100%式中式中: 相对误差相对误差, 一般用百分数给出一般用百分数给出; x绝对误差绝对误差; x0约定真值。约定真值。 第1章传感与检测技术概述 相对误差比绝对误差能更好地说明测量精确度，但它相对误差比绝对误差能更好地说明测量精确度，但它只能说明只能说明不同测量

44、结果的准确度，无法衡量传感器本身在整个测量范围内的不同测量结果的准确度，无法衡量传感器本身在整个测量范围内的质量质量，（如一台温度传感器测，（如一台温度传感器测100的相对误差为的相对误差为2%2%，另一台测，另一台测1000 的相对误差为的相对误差为1%）为此又采用了引用误差的概念。）为此又采用了引用误差的概念。引用误差：引用误差：是仪表中通用的一种误差表示方法。是仪表中通用的一种误差表示方法。 它是相对仪表满它是相对仪表满量程的一种误差量程的一种误差, 一般也用百分数表示，即一般也用百分数表示，即 = x / XF.S 100%= x /(xmax-xmin) 100% 式中式中: 引用误

45、差；引用误差； x绝对误差；绝对误差； XF.S 仪表输入量程（测量范围上限仪表输入量程（测量范围上限 测量范围下限）测量范围下限）; xmax 仪表量程的上限值；仪表量程的上限值； xmin仪表量程的上限值；仪表量程的上限值； 第1章传感与检测技术概述基本误差：基本误差：是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。 例如例如, 仪表是在电源电压仪表是在电源电压(2205)V、电网频率、电网频率(502)Hz、环、环境温度境温度(205)、 湿度湿度65%5%的条件下标定的。如的条件下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作果这台仪表在这个条件下工作, 则仪表所

46、具有的误差为基本则仪表所具有的误差为基本误差。误差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的，一般用测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的，一般用引用误差表示。引用误差表示。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是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。误差。例如例如, 温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附加误差等。附加误差等。 （2） 精确度精确度定义：定义：表示传感器测量结果与真值之间的偏离程度。表示传感器测量结果与真值之间的偏离程度。第1章传感与检测技术概述精确度等级：精确度等级：是是根据最大引用误差来确定根据最大引用

47、误差来确定的。工程中以一系列标的。工程中以一系列标准数值作为仪表基本误差的最大允许值来分档表示仪表的精确度，准数值作为仪表基本误差的最大允许值来分档表示仪表的精确度，称为称为精确度等级精确度等级。常用的精确度等级有。常用的精确度等级有0.1级、级、0.2级、级、0.5级、级、1.0级、级、1.5级、级、2.0级、级、2.5级、级、4.0级、级、 5.0级。级。注：注：精确度等级已知的仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发精确度等级已知的仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。因此选用仪表时应根据被测量的大小和测量精度挥它的测量精度。因此选用仪表时应根据被测量的大小和测量精度的要求

48、，合理选择仪表量程和精确度等级。的要求，合理选择仪表量程和精确度等级。例例3：测测800 要求误差要求误差4 ，现有以下测温仪表，应选哪一种？，现有以下测温仪表，应选哪一种？（1）0500 , 1.0级；级； （2）01000 ，0.5 级；级； （3）01000 ，0.2级；级； （4）02000 ，0.2级。级。第1章传感与检测技术概述解：解：（1）不能测；）不能测；（2）测）测800 可能出现的最大绝对误差为可能出现的最大绝对误差为1000 （ 0.5%）= 5 ；（3）测）测800 可能出现的最大绝对误差为可能出现的最大绝对误差为1000 （ 0.2%）= 2 ；（4）测）测800 可

49、能出现的最大绝对误差为可能出现的最大绝对误差为2000 （ 0.2%）= 4 ； 应选第（应选第（3）种。）种。例例3：测测800 要求误差要求误差4 ，现有以下测温仪表，应选，现有以下测温仪表，应选哪一种？哪一种？ （1）0500 , 1.0级；级； （2）01000 ，0.5 级；级； （3）01000 ，0.2级；级； （4）02000 ，0.2级。级。第1章传感与检测技术概述 二、二、 传感器的动态特性传感器的动态特性 输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程叫程叫响应。响应。 传感器的动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间

50、变化的输入量的是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。响应特性。 当被测量随时间变化当被测量随时间变化,是时间的函数时是时间的函数时, 则传感器则传感器的输出量也是时间的函数的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特性来表示。其间的关系要用动特性来表示。 一个动态特性好的传感器一个动态特性好的传感器, 其输出将再现输入量的变化规律其输出将再现输入量的变化规律, 即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外, 输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与这种输出与输入间的差异就是所谓的输入间的差异就是所谓的动态误差动态误差。 第1章传感与检测技术概述 实际工作