检测技术基本知识

第1章检测技术基本知识2023/3/29第一页，共98页。1.2测量误差及其分类21.1测量概述11.3传感器基本知识3目录1.4检测系统的组成42023/3/29第二页，共98页。知识目标：（1）了解测量的基本概念和方法。（2）掌握各种测量误差的使用。（3）熟悉传感器的结构、组成及基本特性。教学目标技能目标：（1）能够根据检测要求选择合适的传感器。（2）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传感器检测电路。（3）能够正确维护常用电子检测设备。2023/3/29第三页，共98页。情感目标：（1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。（2）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。教学重难点教学重点：检测和传感器的含义及其基本内容。教学难点：传感器的特性。2023/3/29第四页，共98页。

利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。检测技术就是利用传感器，将生产科研需要的电量和非电量信息转化成为易于测量、传输、显示和处理的电信号的过程。检测（Detection）定义：2023/3/29第五页，共98页。例：曹冲称象方法：比较法；装置：船、石头、小秤；测量，从而得到：定量的结果。2023/3/29第六页，共98页。传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。2023/3/29第七页，共98页。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。在一切科学实验和生产过程中，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的信息，都要通过传感器转换为易于传输与处理的电信号。2023/3/29第八页，共98页。1.1测量概述测量系统：在工程中，需要将传感器与多台仪表组合在一起，才能完成信号的检测，这样便形成了测量系统。信息采集的主要含义：测量以及取得结果2023/3/29第九页，共98页。1.1.1测量的定义测量：将被测量与同种性质的标准量进行比较，从而确定被测量相对于标准量的倍数的过程。（1-1）式中，

x为被测量；A为测量值；x0为标准量。测量是检测技术的重要组成部分，是以确定被测量值为目的的一系列操作。2023/3/29第十页，共98页。1.1.2测量方法的分类测量方法：指实现被测量与标准量比较得出比值的方法。按测量过程的特点直接测量法间接测量法组合测量法按测量仪表的特点接触测量法非接触测量法按测量对象的特点静态测量动态测量2023/3/29第十一页，共98页。1.直接测量法电子卡尺2023/3/29第十二页，共98页。2.间接测量法

用直接测量法测得与被测量有确定函数关系的一些物理量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。2023/3/29第十三页，共98页。3.接触测量法

2023/3/29第十四页，共98页。4.非接触测量法

例：雷达测速车载电子警察2023/3/29第十五页，共98页。5.静态测量法

2023/3/29第十六页，共98页。

2023/3/2917温度计

对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。第十七页，共98页。6.动态测量法

地震测量振动波形2023/3/29第十八页，共98页。示波器2023/3/29第十九页，共98页。1.2测量误差及其分类1.2.1测量误差的概念测量误差：测量值与被测量的真值之间的差异。真值：是指在一定的时间及空间(位置或状态)条件下，被测量所体现的真实数值。真值理论真值约定真值相对真值2023/3/29第二十页，共98页。1）理论真值理论真值又称为绝对真值，是指在严格的条件下，根据一定的理论按定义确定的数值。如三角形的内角和恒为180°。2）约定真值约定真值是指用约定的办法确定的最高基准值，它被认为充分接近于真值，因而可以代替真值来使用。如基准“米”的定义为光在真空中1/299792458s的时间间隔内的行程。3）相对真值相对真值又称为实际值，是指将测量仪表按精度不同分为若干等级，高等级的测量仪表的测量值即为相对真值。2023/3/29第二十一页，共98页。1.2.2测量误差的分类按表示方法（1）绝对误差（2）相对误差（1）绝对误差绝对误差是指被测量的测量值与被测量的真值之间的差值，即式中，Δ为绝对误差；Ax为测量值；A0为被测量的真值，可为约定真值或相对真值。2023/3/29第二十二页，共98页。某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？采用绝对误差表示测量误差,不能很好说明测量质量的好坏。采用绝对误差表示测量误差,不能很好说明测量质量的好坏。例如,在温度测量时,绝对误差Δ=1℃,对体温测量来说是不允许的,而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表示测量结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表示测量结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。2023/3/29第二十三页，共98页。

①实际相对误差②标称(示值)相对误差③满度(引用)相对误差(2)相对误差相对误差是绝对误差与被测量的真值之比。相对误差有以下表现形式：2023/3/29第二十四页，共98页。几个重要公式：Ax：被测量Am：仪器满度（量程）实际相对误差标称相对误差满度相对误差最大满度相对误差2023/3/29第二十五页，共98页。仪表的精度等级和最大满度相对误差

2023/3/2926满度相对误差最大绝对误差等级求得精度等级0.10.20.51.01.52.55.0最大满度相对误差±0.1±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.05

例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为2.5%。第二十六页，共98页。2023/3/2927例：用指针式万用表的10V量程测量一只1.5V干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量程合理吗？第二十七页，共98页。

用2.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？2023/3/29第二十八页，共98页。解：用精度等级为0.5级的温度计测量时，最大标称相对误差为

用精度等级为1.0级的温度计测量时，最大标称相对误差为由此可得，显然用精度等级为1.0级的仪表测量比用精度等级为0.5级的温度计测量更合适。例1-1

现有精度等级为0.5级，量程为0～300℃和精度等级为1.0级，量程为0～100℃的两个温度计，要测80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？2023/3/29第二十九页，共98页。例1-2

某压力表精度等级为5.0级，量程为0～1.5MPa，测量结果显示为0.70MPa，试求：（1）可能出现的最大满度相对误差γm。（2）可能出现的最大绝对误差△m？（3）可能出现的最大标称相对误差γx。2023/3/29第三十页，共98页。解：（1）可能出现的最大满度相对误差可以从精度等级直接得到，即γm＝

±5.0％。（2）Δm

＝

±

（

5.0%×1.5）=±0.075Mpa（3）解：（1）可能出现的最大满度相对误差可以从精度等级直接得到，即γm＝

±5.0％。（2）Δm

＝

±

（

5.0%×1.5）=±0.075Mpa（3）2023/3/29第三十一页，共98页。按误差出现的规律1）系统误差2）随机误差3）粗大误差2023/3/29第三十二页，共98页。

1）系统误差：夏天摆钟变慢的原因是什么？在相同条件下，多次重复测量同一被测量时，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。

系统误差的特征包括测量误差出现的有规律性以及其产生原因的可预知性。系统误差产生的原因和变化规律一般可通过实验和分析查处。因此系统误差可被设法确定并消除。2023/3/29第三十三页，共98页。系统误差产生的原因大体上可分为以下几种：（1）测量所用的工具（仪器、量具等）本身性能不完善或安装、布置、调整不当而产生的误差。（2）在测量过程中，因温度、湿度、气压、电磁干扰等环境条件发生变化而产生的误差。（3）因测量方法不完善，或者测量所依据的理论本身不完善等原因而产生的误差。（4）因操作人员读数方式不当而造成的读数误差等。2023/3/29第三十四页，共98页。2）随机误差当多次重复测量同一被测量时，若测量误差的大小和符号均以不可预知的方式变化，则该误差称为随机误差。随机误差产生的原因比较复杂，虽然测量是在相同条件下进行的，但测量环境中某些因素总会发生微小变化，因此，随机误差是对测量值影响微小且又互不相关的大量因素所引起的综合结果。随机误差就个体而言并无规律可循，但其总体却服从统计规律。2023/3/29第三十五页，共98页。随机误差的正态分布规律2023/3/29第三十六页，共98页。随机事例的几个例子彩票摇奖2023/3/29第三十七页，共98页。3）粗大误差

明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。

2023/3/29第三十八页，共98页。产生粗大误差的一个例子2023/3/29第三十九页，共98页。系统误差决定了测量的精密度，表明了测量值偏离实际值的程度。系统误差越小，测量值的准确度越高。所以仪表的准确度即精度常常用来表示系统误差的大小。随机误差决定了测量的精密度。随机误差越小，测量值的精密度越高。如果一个测量值的精密度和准确度都很高，就称此测量的精确度很高。2023/3/29第四十页，共98页。测量的准确度与精密度的区别，由图1.1可知，若靶心为真实值，图中黑点为测量值，则图1.1(a)表示准确却不精密的测量，图1.1(b)表示精密却不准确的测量，图1.1(c)表示既准确又精密的测量。一切测量都应同时兼顾准确度和精密度，力求既准确又精密，才能成为精确的测量。一般来说，工程测量中，占主要地位的是系统误差，应力求准确度高，所以人们习惯上又把精度称为准确度。而在精密测量中由于已经采取一定的措施(如改进测量方法，改善测量条件)减小或消除了系统误差，因而随机误差是主要的。2023/3/29第四十一页，共98页。按使用条件1）基本误差2）附加误差2023/3/29第四十二页，共98页。1）基本误差基本误差是指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。所谓规定的标准条件是指一般传感器在实验室、制造厂或计量部门标定刻度时所保持的工作条件，如电源电压（220±5）V、温度（20±5）℃、湿度小于80％、电源频率（50±1）Hz等。基本误差是检测仪表在额定条件下工作所具有的误差，检测仪表的精确度是由基本误差决定的。2）附加误差当使用条件偏离规定的标准条件时，除产生基本误差外，还会产生附加误差。如由于温度超过规定的标准而引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使用时应叠加到基本误差上去。2023/3/29第四十三页，共98页。按被测量随时间变化的速度1）静态误差2）动态误差2023/3/29第四十四页，共98页。1）静态误差当被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。2）动态误差当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。2023/3/29第四十五页，共98页。

由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差

2023/3/29第四十六页，共98页。1.3传感器基本知识1.3.1传感器的概念传感器是指能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的元件或装置。传感器的定义包含了以下几方面的含义：（1）传感器是一种测量装置，能完成检测任务。（2）传感器的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。（3）传感器的输出量是某种物理量，这种量可以是气量、光量、电量，但主要是电量。（4）传感器的输出、输入有对应关系，且有一定的精确度。2023/3/29第四十七页，共98页。1.3.2传感器的组成举例：测量压力的电位器式压力传感器图1-3传感器的组成框图敏感元件转换元件测量转换电路非电量非电量电参量电量2023/3/29第四十八页，共98页。1.敏感元件图1-4气体压力传感器的示意图1—壳体；2—膜盒；3—电感线圈；4—磁芯；5—转换电路

敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。2023/3/29第四十九页，共98页。弹性敏感元件（弹簧管）2023/3/29第五十页，共98页。弹性敏感元件（弹簧管）

在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α2023/3/29第五十一页，共98页。弹簧管放大图2023/3/2952

当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。

2023/3/29第五十二页，共98页。被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量

在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量--电阻的变化（ΔR）2023/3/29第五十三页，共98页。

测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。2023/3/29第五十四页，共98页。1.3.3传感器的分类传感器的种类名目繁多，分类方法也很多。常用的分类方法有：１）按被测量分类：可分为加速度、速度、位移、压力、负荷、扭矩、温度传感器等。2）按工作原理分类：可分为电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔式、光电式、热电偶等传感器。2023/3/29第五十五页，共98页。3)按能量的传递方式分:可分为有源传感器和无源传感器。（1）有源传感器有源传感器可视为一台微型发电机，能将非电量转换为电量，它所配用的测量转换电路通常是信号放大器。所以有源传感器是一种能量变换器，如压电式传感器、热电式传感器(热电偶)、电磁式传感器和电动式传感器等。（2）无源传感器无源传感器不进行能量的转换，被测非电量仅对传感器中的能量起着控制或调节的作用，所以它必须具有辅助能源(电源)，如电阻传感器、电容传感器和电感式传感器等4)按输出信号的性质分传感器按输出信号的性质可分为模拟传感器与数字传感器。模拟传感器的输出信号要通过A／D转换器转换为数字信号后才能交给计算机进行信号分析、加工与处理。数字传感器则可直接送到计算机进行处理。2023/3/29第五十六页，共98页。1.3.4传感器的特性传感器的特性一般指输入、输出特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。1.静态特性传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时输入量与输出量的关系。只有传感器处于稳定状态时，输入量与输出量的关系式中才不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、漂移和可靠性等。2023/3/29第五十七页，共98页。1）线性度线性度是指传感器输入量与输出量之间的静态特性曲线偏离直线的程度，其又称为非线性误差。在实际使用中，大多数传感器的静态特性曲线是非线性的。可用一条直线(切线或割线)近似地代表实际曲线的一段，这条直线称为拟合直线。

图1-5几种拟合直线2023/3/29第五十八页，共98页。（1－7）ΔLmax为最大非线性绝对误差；YFS为满量程输出值。

静态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2023/3/29第五十九页，共98页。（1－8）式中，

Δy为输出量的增量；

Δx为引起输出量增量的输入量的增量。k=Δy/Δx2）灵敏度灵敏度是指传感器输出量的增量与引起输出量增量的输入量的增量的比值，用K来表示：2023/3/29第六十页，共98页。图1-6非线性传感器的输入-输出特性曲线2023/3/29第六十一页，共98页。3）迟滞迟滞是指传感器在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入—输出特性曲线不重合的程度，对于同一大小的输入量，传感器正反行程的输出量的大小不等。2023/3/29第六十二页，共98页。迟滞误差是指对应同一输入量的正反行程输出值间的最大差值与满量程输出值的百分比，通常用γH表示，即

式中，ΔHmax为正反行程输出值间的最大差值。2023/3/29第六十三页，共98页。图1-8传感器的重复性4）重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向进行全量程多次测试时，所得输入—输出特性曲线不一致的程度。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差越小。2023/3/29第六十四页，共98页。重复性误差是指各测量值正反行程标准偏差的两倍或三倍与满量程输出值的百分比，通常用γR

表示，即

（1-10）式中，

σ为正反行程标准偏差。2023/3/29第六十五页，共98页。重复性误差也可用正反行程中的最大偏差ΔRmax表示，即

（1-11）式中，ΔRmax为正反行程中的最大偏差。2023/3/29第六十六页，共98页。2023/3/29675）分辨力指传感器能检测到输入量最小变化的能力。对于某些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只发生阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小。当分辨力以满量程输出的百分数表示时，则称为分辨率。第六十七页，共98页。6）稳定性

稳定性是指传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，这种差异称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。7）漂移漂移是指在外界的干扰下，在一定时间间隔内，传感器输出量发生与输入量无关、不需要的变化。它包括零点漂移和灵敏度漂移仪器自身参数的变化周围环境对输出的影响产生漂移的主要原因：2023/3/29第六十八页，共98页。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。图1-9传感器的漂移2023/3/29第六十九页，共98页。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点漂移或灵敏度漂移随时间的缓慢变化。温度漂移是指当环境温度变化时，引起的零点漂移或灵敏度漂移。8）可靠性可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。（1）时间性。（2）统计性。（3）可比性。（4）典型指标。2023/3/29第七十页，共98页。衡量其可靠性的指标有：①平均无故障时间。平均无故障时间是指传感器或检测系统在正常的工作条件下，连续不间断地工作，直到发生故障丧失正常工作能力所用的时间。②平均修复时间。平均修复时间是指排除故障所花费的时间。③故障率。故障率也称为失效率，它是平均无故障时间的倒数。2023/3/29第七十一页，共98页。2.动态特性传感器的动态特性就是其对于随时间变化的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小，还能显示被测量随时间变化的规律，这也是传感器的重要特性之一。为了便于比较、评价或动态定标，最常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号，与其对应的方法为阶跃响应法和频率响应法。1）阶跃响应法

研究传感器的动态特性时，在时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析的方法称为时域分析法，这时传感器对所加激励信号的响应称为阶跃响应。2023/3/29第七十二页，共98页。图1-10阶跃响应特性曲线2023/3/29第七十三页，共98页。衡量传感器阶跃响应特性的几项指标如下：（1）最大超调量。最大超调量δp

就是阶跃响应特性曲线偏离稳态值的最大值。常用百分数表示。（2）延滞时间。延滞时间td是指阶跃响应特性曲线达到稳态值的50％所需的时间。（3）上升时间。上升时间tr是指阶跃响应特性曲线从稳态值的10％上升到90％所需的时间。常用它来描述无振荡的传感器。（4）峰值时间。峰值时间tp是指阶跃响应特性曲线从何零到第一个峰值所需的时间。（5）响应时间。响应时间ts是指从阶跃函数信号输入开始到其输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间

2023/3/29第七十四页，共98页。（1-12）式中，式中，式中，τ为时间函数。2）频率响应法频率响应法是指从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。大部分传感器可简化为单自由度一阶系统或单自由度二阶系统，即2023/3/29第七十五页，共98页。式中，

ωn为传感器的固有频率。（1-13）2023/3/29第七十六页，共98页。衡量传感器频率响应特性的几项指标如下：（1）频带。传感器的增益保持在一定频率范围内，这一频率范围称为传感器的频带或通频带，对应有上截止频率和下截止频率。（2）时间函数。可用时间常数τ来表征传感器单自由度一阶系统的动态特性。时间常数τ越小，频带越宽。（3）固有频率。传感器单自由度二阶系统的固有频率ωn可用来表征其动态特性。2023/3/29第七十七页，共98页。图1-11检测系统各组成部分之间的关系传感器

测量转换电路

显示与记录装置

数据处理装置

调节执行装置

被测量

1.4检测系统的组成一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量转换电路、显示与记录装置、数据处理装置和调节执行装置组成2023/3/29第七十八页，共98页。

玻璃温度计不属于本教材所讲授的