检测技术及传感器基本概念

检测技术及传感器基本概念第1页，课件共65页，创作于2023年2月第①部分

基础知识第一章绪论检测技术的基本概念仪表组成和技术分类仪器仪表的技术指标第2页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念准确度、误差的分类检测仪表的组成检测技术的分类仪器仪表的指标静态特性动态特性第3页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念测量计量单位测量的准确度误差的分类第4页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››测量测量是以确定量值为目的的一组操作

采集和表达被测物理量

量值是被测量与同类型计量单位的比值

与标准作比较被测量x标准量N反映被测量的数字q=x/N第5页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››测量测量是以确定量值为目的的一组操作

采集和表达被测物理量

量值是被测量与同类型计量单位的比值

与标准作比较将量值q作为计量单位N的倍数赋予被测量x则有

x=qN从量纲上考虑对应上式有

[x]=[-][x]第6页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››测量测量的前提被测量必须有明确的定义计量单位必须事先通过协议确定

没有明确定义的量是不可测的如：气候的“舒适度”或人的“智力”等第7页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位计量单位

基本标准／绝对标准，彼此相互独立的标准。在国际度量衡大会（ConférenceGénéraledesPoidsetMésures，CGPM）上定义了七个基本标准：长度、质量、时间、温度、电流、光强和原子物理中的物质量——由其构成的计量单位系统称为国际单位制（SystèmeInternationald′Unités，SI）第8页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位国际单位制（SI）量的单位单位名称单位符号长度米m质量千克（公斤）kg时间秒s电流安[培]A热力学温度开[尔文]K物质的量摩[尔]mol发光强度坎[德拉]cd第9页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983年）。1千克定义为国际千克原型器的质量（1889年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。第10页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983年）。1千克定义为国际千克原型器的质量（1889年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。据德国媒体报道，现有的由铂铱合金制成的国际千克原器存放于法国首都巴黎，但它已“神秘地”比原来轻了50微克，给从事科学研究和数据统计等精密工作的人带来不少麻烦。德国计量科学研究院和俄罗斯、澳大利亚等国的科学家联合进行的“阿伏伽德罗计划”，目的是通过精确测算出“完美硅球”内究竟有多少个原子，从而在测定阿伏伽德罗常数（即一摩尔任何物质中所包含的基本单元数）中获得新的突破，进而将质量单位“千克”的标准回归到与恒定常数相关的定义中，而不是依靠一个“原器”，或者其他什么会变化的东西来计量。目前德国等国科学家已制成了由硅28构成的一个完美球体，由球体中心至表面任何一点的距离误差不超过3千万分之一毫米。这个球体的直径大约为10厘米，它的99.99％是由硅28构成的，晶体结构近乎完美。第11页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983年）。1千克定义为国际千克原型器的质量（1889年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。第12页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983年）。1千克定义为国际千克原型器的质量（1889年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。位于智利大地震震中的构造板块活动对地球质量的重新分配起到一定作用，地球一天缩短1.26微秒。第13页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983年）。1千克定义为国际千克原型器的质量（1889年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。位于智利大地震震中的构造板块活动对地球质量的重新分配起到一定作用，地球一天缩短1.26微秒。锶原子钟3亿年误差不到1秒第14页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983年）。1千克定义为国际千克原型器的质量（1889年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。位于智利大地震震中的构造板块活动对地球质量的重新分配起到一定作用，地球一天缩短1.26微秒。锶原子钟3亿年误差不到1秒日本东京大学研究人员正在研发的“光晶格钟”（镱原子），比铯原子钟准确1000倍，角逐新一代国际标准原子钟。第15页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义1安培定义为流经在真空中两根平行且相距1米的无限长直导线（其圆横截面可忽略不计）上，并能在其每米长导线之间产生0.2×10-6牛顿的电动力的不随时间变化的电流量（1948年）。1开尔文被定义为水的三相点的热力学

温度的1/273.16（1967年）。第16页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位国际单位制（SI）基本单位的定义1摩尔定义为一个由确定成份组成的系统，如果它含有粒子的个数等于碳12原子核的12/1000千克质量中所含原子的个数，则该系统的物质量为1摩尔（1971年）。1坎德拉定义为一个在一定方向上发送频率为540×1012赫兹的单色光辐射的辐射源，在该方向上的辐射强度为1/683瓦特每立方角时的光强（1979年）。第17页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位在我国最高精度的测量基准保留在“中国计量科学研究院”。根据测量的不同要求，采用不同的测量精度，以及相应的仪器。第18页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位导出单位从基本单位出发，用乘、除符号以代数式表达。SI辅助单位具有专有名称的导出单位国家选定的非SI单位SI辅助单位单位名称单位符号平面角弧度rad立体角球面度sr第19页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位导出单位单位名称单位符号SI表示频率赫[兹]Hzs-1力；重力牛[顿]Nkg∙m∙s-2压力，压强；应力帕[斯卡]Pakg∙m-1∙s-2能量；功；热焦[耳]Jkg∙m2∙s-2功率；辐射通量瓦[特]Wkg∙m2∙s-3电荷量库[仑]CA∙s电位；电压；电动势伏[特]Vkg∙m2∙A-1∙s-3电容法[拉]Fkg-1∙m-2∙A2∙s4电阻欧[姆]Ωkg∙m2∙A-2∙s-3第20页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位电导西[门子]Skg-1∙m-2∙A2∙s3磁通量韦[伯]Wbkg∙m2∙A-1∙s-2磁通量密度，磁感应强度特[斯拉]Tkg∙A-1∙s-2电感亨[利]Hkg∙m2∙A-2∙s-2摄氏温度摄[氏度]℃光通量流[明]lmcd∙sr光照度勒[克斯]lxcd∙sr∙m-2放射性活度贝可[勒尔]Bqs-1吸收剂量戈[瑞]Gym2∙s-2剂量当量希[沃特]Sym2∙s-2第21页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››计量单位非SI单位单位名称单位符号换算关系时间分；[小]时；天(日)min;h;d×601;2;3s平面角[角]秒；[角]分；[角]度″;′;°×π/(3∙603;2;1)rad转速每分转r/min×60-1s-1长度海里nmile×1852m速度节kn×1852∙60-2m∙s-1质量吨；原子质量单位t;u×103kg;×1.660566∙10-27kg体积升L×10-3m3能电子伏eV×1.6021892∙10-19J第22页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››测量的准确度真值是指被测量的客观真实值。

一般来说这一客观真值是未知的，仅在一些特殊的场合真值才是已知的（如一些理论分析值）。约定真值是对于给定目的具有适当不确定度的、赋予特定量的值，是约定采用的。

国际计量大会规定的最高基准是约定真值。第23页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››测量的准确度测量的准确度是指测量结果与被测量的真值之间的一致程度。测量结果的精密度测量结果的正确度第24页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››测量的准确度测量的准确度是指测量结果与被测量的真值之间的一致程度。测量结果的精密度测量结果的正确度第25页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››测量的准确度测量误差是测量结果与被测量的真值的差，也称绝对误差。测量误差＝测量结果－真值测量误差的正负号量纲与被测量的量纲相同示值误差是测量仪器示值与被测量的真值的差。示值误差＝仪器示值－真值第26页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››测量的准确度相对误差是测量误差与被测量的真值的商。相对误差＝测量误差／真值无量纲当测量误差很小时

相对误差≈测量误差／测量结果第27页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››测量的准确度引用误差是测量误差与仪表量程的商。引用误差＝测量误差／仪表量程无量纲最大引用误差＝最大测量误差／仪表量程

最大引用误差的规定是便于仪器准确度等级的评定。第28页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››误差的分类测量误差是不可避免的，只是其大小不同而已。测量误差的来源对测量误差

的掌握程度测量误差

的特征规律装置误差已知误差系统误差随机误差粗大误差环境误差方法误差未知误差人员误差第29页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››误差的分类系统误差在顺次测量的系列测量结果中，其值固定不变或按某确定规律变化的误差。测量误差具有确定的值在相同的考察条件下可重复表现原则上可用函数的解析式、曲线或数表示这一规律性并不一定确知第30页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››误差的分类随机误差（偶然误差）在同一条件下对同一被测量进行多次重复测量时，各测量数据的误差或大或小，或正或负，其取值的大小没有确定的规律性，是不可预知的。随机误差具有随机变量的一切特征不能通过“修正”的方法消除掉用统计的方法做出估计第31页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测技术的概念››误差的分类粗大误差（过失误差）超出正常范围的大误差。正常范围是误差的正常分布规律决定的分布范围，只要误差取值不超过这一正常的范围，应是允许的。粗大误差是随机的，但不同于随机误差，仅表现在数值大小上的差别，因此差别不明显时，不太容易区分。一般粗大误差是由测量中的失误造成的。第32页，课件共65页，创作于2023年2月第①部分

基础知识第一章绪论检测技术的基本概念仪表组成和技术分类仪器仪表的技术指标第33页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测仪表的组成检测仪表第34页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测仪表的组成检测仪表检测元件：将被测量变换为另一种易于处理的物理量变换装置：将该物理量变换为信号（一般为电信号）信号调理：将信号变换为适于处理的标准信号信号传输：将信号分配到其它信号处理装置测量装置：将信号与计量单位进行比较获得测量值呈现装置：呈现测量结果（如显示、打印、存储等）第35页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测仪表的组成检测元件（敏感元件）能够将被测量变换为另一种物理量的元件其输出信号能够反映被测量的大小和变化信号易于处理的物理量：机械量、气压／液压量、电量、光一般情况下是指电信号第36页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测仪表的组成传感器能够将被测量变换为另一种易于传输的物理量（信号）变送器特殊的传感器，使用统一的动力源，输出标准信号标准电信号：4～20mA（Ⅲ型仪表）

0～10mA（Ⅱ型仪表）标准气压信号：20～100kPa（气动仪表）第37页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测仪表的组成检测系统可以由检测仪表构成，但并不都是由检测仪表构成。检测仪表或检测系统和必须的辅助设备所构成的整体称为检测装置。第38页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测仪表的分类按被测参数分类：温度、压力、流量、物位…按响应形式分类：连续参数检测、状态检测…按使用的能源分类：机械、电动、气动、光式…按是否具有信号远传功能分类：就地显示、远传…按信号的输出形式分类：模拟式、数字式…按应用的领域场所分类：普通、隔爆、本安…按仪表结构分类：开环、闭环…第39页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测仪表的分类开环结构仪表仪表的传递函数为各环节传递函数之积仪表的相对误差为各环节相对误差之和K1K2K3Kn…yx第40页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测仪表的分类闭环结构仪表仪表的传递函数为K0K1

KFyxxsxxf—＋第41页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论检测仪表的分类闭环结构仪表仪表的传递函数为仪表的相对误差检测元件的相对误差减去反馈通道的相对误差当正向传递函数很大时，正向通道的性能对仪表影响较小，通过设计反馈通道可以获得较好的精确度和灵敏度。第42页，课件共65页，创作于2023年2月第①部分

基础知识第一章绪论检测技术的基本概念仪表组成和技术分类仪器仪表的技术指标第43页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标静态特性测量范围和量程输入输出特性：线性度、灵敏度、死区、回差稳定性、重复性与再现性、可靠性误差、准确度与准确度等级动态特性响应时间第44页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性测量范围和量程仪表能正常工作（满足准确度要求）的可测的被测量的下限和上限的范围，它们之间的代数差为量程。关系到仪表的准确度、准确度等级以及仪表的选用。第45页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性输入输出特性线性度

在规定条件下，仪表校准曲线

与拟合直线间最大偏差与满量

程（FullScale）输出值的百

分比。第46页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性输入输出特性灵敏度

输出变化量与引起该变化的输

入变化量之比。第47页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性输入输出特性灵敏度

输出变化量与引起该变化的输

入变化量之比。

线性仪表的灵敏度为常数，非

线性仪表的灵敏度是变化的。第48页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性输入输出特性死区（不灵敏区）

被测量的变化不致引起输出

值可察觉的变化的有限区间。

死区内仪表的灵敏度为零。第49页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性输入输出特性回差

在相同的工作条件下做全测量

范围校准时，在同一次校准中

对应同一输入量的正行程和反

行程其输出值间的最大偏差。第50页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性稳定性一是时间稳定性，它表示在工作条件保持恒定时，仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小。二是使用条件变化稳定性，它表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响。第51页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性重复性在相同的测量条件（测量程序、观察者、测量设备、地点、短时间）下，对同一被测量，按同一方向多次测量。不包含回差，衡量抗随机干扰的能力再现性（与重复性不同处）相对较长时间，从两个方向包括了重复性、包括了回差第52页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性可靠性衡量仪表的可靠性没有专门的尺度，目前主要有三个指标来描述：保险期、有效性、侠义可靠性定量描述：平均无故障时间（MeanTimeBetweenFailure，MTBF）——仪表在相邻两次故障间隔内有效工作的平均时间。第53页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性误差按误差的量纲分类绝对误差

绝对误差通常不能作为仪表准确度的唯一尺度相对误差

实际相对误差

标称相对误差

引用相对误差第54页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性误差按误差出现的规律、特征分类系统误差、随机误差、粗大误差按使用的工作条件分类仪表基本误差

标准条件下，全量程范围，最大绝对误差

对给定的仪表，只有一个值仪表附加误差第55页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性误差按误差的性质分类静态误差动态误差第56页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性误差仪表满刻度相对误差

最大引用误差、准确度

最大引用误差＝最大测量误差／仪表量程允许误差

仪表基本误差的限值第57页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性误差仪表满刻度相对误差

最大引用误差、准确度

最大引用误差＝最大测量误差／仪表量程允许误差

仪表基本误差的限值

最大允许误差是指“对给定的测量仪器，规范、规程等所允许的误差极限值”。这是指在规定的参考条件下，测量仪器在技术标准、计量检定规程等技术规范上所规定的允许误差的极限值。这里规定的是误差极限值，所以实际上就是测量仪器各计量性能所要求的最大允许误差值。可简称为最大允许误差，也可称为测量仪器的允许误差限。第58页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性准确度仪表给出接近于真值的响应能力用仪表的满刻度相对误差来衡量精度、精确度第59页，课件共65页，创作于2023年2月T&M,I››绪论仪器仪表的指标››静态特性准确度等级仪表的最大引用误差乘以100后