第1章基本知识

第1章检测技术基本知识1.1测量与测量误差1.2传感器的组成和特性2/2/202311.2传感器的组成与特性1.2.1传感器的定义、组成和分类1.传感器的定义传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。

2/2/20232传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的转换电路组成。如图1—3示。传感器组成框图2/2/202332.传感器分类（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。这种方法明确表明了传感器的用途，便于使用者选用。如上图所示为压力传感器，用于测量压力信号。（2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。这种方法表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用。如上图所示为电阻式压力传感器。（3）按传感器转换能量供给形式分类：分为能量变换型（发电型）和能量控制型（参量型）两种。2/2/202343.传感器代号（1）主称——传感器代号C。（2）被测量—用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。（3）转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。（4）序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。例：CWY—YB—20传感器。

C：传感器主称，WY：被测量是位移，YB：转换原理是应变式，20，传感器序号。2/2/202351.1.1测量方法

实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。分类：（1）直接测量：直接测量就是用预先标定好的测量仪表直接读取被测量的测量结果。例如用万用表测量电压、电流、电阻等。这种测量方法的优点是简单而迅速，缺点是精度一般不高。但这种测量方法在工程上广泛采用。（2）间接测量：间接测量就是利用被测量与某中间量的函数关系，先测出中间量，然后通过相应的函数关系计算出被测量的数值。例如导线电阻的测量就是间接测量。间接测量多用于科学实验中的实验室测量。2/2/20236（3）联立测量：联立测量又叫组合测量。如果被测量有多个，而且被测量又与某些可以通过直接或间接测量得到结果的其他量存在一定的函数关系，则可先测量这几个量，再求解函数关系组成的联立方程组，从而得到多个被测量的数值。例如：在研究热电阻Rt随温度ｔ变化的规律时在一定的温度范围内有下列关系式2/2/20237Rt=R20+α(ｔ－20)＋β(ｔ－20)2

式中，R20、α、β是三个待测的量，R20是电阻在20℃时的数值，α、β是电阻的温度系数。依据此关系式，测出在t1、t2、t3三个不同的测试温度时导体的电阻Rt1、Rt2、Rt3，得到联立方程组。求解方程组可得到R20、α、β。2/2/202382.按测量时是否与被测对象接触分类（1）接触式测量: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）非接触式测量: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。2/2/202393.按被测信号的变化情况分类（1）静态测量:静态测量是测量那些不随时间变化或变化很缓慢的物理量。如超市中物品的称重属于静态测量，温度计测气温也属于静态测量。（2）动态测量:动态测量是测量那些随时间而变化的物理量。如地震仪测量振动波形则属于动态测量。2/2/2023104.按测量方式分类（1）偏差式测量:用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值，这种测量方法称为偏差式测量。在测量时，输入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值，决定被测量的数值。如指针式电压表测电压，指针式电流表测电流。这种方法测量过程比较简单、迅速，但测量结果精度较低。（2）零位式测量:用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值，这种测量方法称为零位式测量。在测量时，已知标准量直接与被测量相比较，已知量应连续可调，指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等。例如天平。零位式测量的优点是可以获得比较高的测量精度，但测量过程比较复杂，费时较长，不适用于测量迅速变化的信号。2/2/202311（3）微差式测量:微差式测量是综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的一种测量方法。它将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。应用这种方法测量时，不需要调整标准量，而只需测量两者的差值。例如：设N为标准量，x为被测量，Δ为二者之差，则x=N+Δ。由于N是标准量，其误差很小，因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量Δ，即使测量Δ的精度较低，但因Δx值较小，它对总测量值的影响较小，故总的测量精度仍很高。微差式测量的优点是反应快，而且测量精度高，特别适用于在线控制参数的测量。2/2/2023121.1测量与测量误差分类：根据获得测量值的方法可分为直接测量、间接测量和组合测量；根据测量方式可分为偏差式测量、零位法测量；根据被测量变化快慢可分为静态测量与动态测量；根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触测量与非接触测量；2/2/2023131.1.2测量误差及表达方式

测量误差可用绝对误差表示，也可用相对误差表示。1.绝对误差绝对误差是指测量值与真值之间的差值，它反映了测量值偏离真值的多少，即（1—1）

式（1—1）中L0为被测量真值，x为被测量实际值。由于真值的不可知性，在实际应用时，常用实际真值L代替，即用被测量多次测量的平均值或上一级标准仪器测得的示值作为实际真值，故有（1—2）2/2/2023142.相对误差相对误差反映了测量值偏离真值的程度。（1）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—3）（2）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—4）2/2/202315（3）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Am的百分比，用表示，即﹪1—5）2/2/202316【实例1】某温度计的量程范围为0～500℃，校验时该表的最大绝对误差为6℃，试确定该仪表的精度等级。解：根据题意知6℃，500℃，代入式中该温度计的基本误差介于1.0%与1.5%之间，因此该表的精度等级应定为1.5级。2/2/202317【实例2】现有0.5级的0～300℃和1.0级的0～100℃的两个温度计，欲测量80℃的温度，试问选用哪一个温度计好？为什么？解：0.5级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量80℃可能出现的最大示值相对误差分别为1.0级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量80℃时可能出现的最大示值相对误差分别为

1.0﹪*（100－0）=1计算结果，显然用1.0级温度计比0.5级温度计测量时示值相对误差反而小。因此在选用仪表时，不能单纯追求高精度，而是应兼顾精度等级和量程。2/2/2023181.1.3测量误差的分类1.按误差表现的规律划分

根据测量数据中的误差所呈现的规律，将误差分为三种，即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据处理。（1）系统误差:对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不变或者按照一定规律变化，这种误差称为系统误差。

系统误差一般可通过实验或分析的方法，查明其变化的规律及产生的原因，因此它是可以预测的，也是可以消除的。例如，标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。2/2/202319（2）随机误差:对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化、不可预知，这种误差称为随机误差。

对随机误差的某个单值来说，是没有规律、不可预料的，但从多次测量的总体上看，随机误差又服从一定的统计规律，大多数服从正态分布规律。因此可以用概率论和数理统计的方法，从理论上估计其对测量结果的影响。（3）粗大误差:测量结果明显地偏离其实际值所对应的误差，称为粗大误差或疏忽误差，又叫过失误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。含有粗大误差的测量值称为坏值。2/2/2023202.按被测量与时间关系划分（1）静态误差:被测量稳定不变时所产生的测量误差称为静态误差。（2）动态误差:被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上却跟不上输入的变化，这时所产生的误差称为动态误差。

2/2/2023211.1.4测量误差的分析与处理1.随机误差的分析与处理具有正态分布的随机误差如图所示具有以下四个特征：（1）对称性:绝对值相等的正、负误差出现的机会大致相等。（2）单峰性:绝对值越小的误差在测量中出现的概率越大。（3）有界性:在一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的界限。（4）抵偿性:在相同的测量条件下，当测量次数增加时，随机误差的算术平均值趋向于零。2/2/202322算术平均值在实际测量时，真值L不可能得到。但如果随机误差服从正态分布，则算术平均值处随机误差的概率密度最大。对被测量进行等精度的n次测量，得n个测量值x1，x2，…，xn，它们的算术平均值为2/2/2023232．系统误差、随机误差和粗大误差（1）系统误差产生原因如下：检测装置本身性能不完善、测量方法不当、对仪器的使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。2/2/2023241.2.2、系统误差的判别和确定1.原理分析与理论计算：对一些因转换原理、检测方法或设计制造方面存在不足而产生的恒差型系统误差可通过原理分析与理论计算来加以修正。2.采用修正方法减小恒差系统误差

2/2/202325（2）随机误差是用精密度表示随机误差的大小。随机误差大，测量结果分散，精密度低；反之，测量结果的重复性好，精密度高。（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。

2/2/202326（3）粗大误差是测量人员工作时的疏忽大意，出现了读数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。另外，测量方法不恰当，测量条件意外地突然变化，也可能造成粗大误差。2/2/202327直线拟合方法a)原点拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点连线平移拟合2/2/2023281.2.2、传感器测量系统的静态特性1.线性度：传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的实际关系曲线(即静特性曲线)偏离直线的程度，又称非线性误差。大多数传感器为非线性的，为了得到线性关系，常引入各种非线性补偿环节。使传感器输出，输入线性化。2.采用的直线称为拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差(或线性度)，通常用相对误差γL表示，即：式中，ΔLmax是最大非线性绝对误差；γFS是满量程输出。2/2/2023292．灵敏度灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量Δx的比值，即：

(1-15)对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即S为常数；而非线性传感器的灵敏度为一变量，用S=dy/dx表示。传感器的灵敏度如图所示。图：传感器的灵敏度2/2/2023303．迟滞(回差滞环现象)传感器在正向(输入量增大)行程和反向(输入量减小)行程期间，输出。输入特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图所示。主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如，弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等，具有一定的随机性。迟滞误差γH可由下式计算：式中，ΔHmax是正、反行程输出值间的最大差值。图：传感器迟滞特性2/2/2023313．重复性:yx0⊿Rmax2⊿Rmax1重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。2/2/2023325．分辨率:传感器的分辨率是指在规定测量范围内所能检测输入量的最小变化量ΔXmin。有时也用该值相对满量程输入值的百分数(ΔXmin／XFS×100％)表示。6．稳定性:传感器的稳定性一般是指长期稳定性，是在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异，因此通常又用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。7．漂移:传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的变化，包括