传感器与自动检测技术（第二版）传感器与检测技术基础知识

传感器与检测技术基础知识本章学习的主要内容：1.1传感器的基础知识1.2检测技术的基础知识1.3检测系统中的弹性敏感元件1.4传感器的标定与选择1.1传感器的基础知识

1.1.1传感器的组成与分类传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成有用输出电信号的器件或装置。敏感元件

转换元件

信号调理转换电路

被测量非电量电参量电量传感器组成框图敏感元件：直接感受或响应被测量的部分。转换元件：将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。信号调理转换电路：对输出信号进行放大、运算调制等。敏感元件

转换元件

信号调理转换电路

被测量非电量电参量电量膜盒电位器式压力传感器被测压力P电桥敏感元件电压或电流转换元件信号调理转换电路

目前一般采用两种分类方法。一是按传感器的工作原理进行分类，如应变式、电容式、压变式、磁电式等；二是按被测参数分类，如温度、压力、位移、速度等被测量。1.1.2传感器的基本特性

在生产过程和科学实验中，要对各种参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出-输入特性。1.传感器的静态特性指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。传感器的输出与输入关系：（1）线性度——被测量的值处于稳定状态时的输出-输入关系。如果传感器非线性的方次不高，输入量变化范围较小，则可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器的输出-输入特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。几种直线拟合方法(a)理论拟合(b)过零旋转拟合(c)端点连线拟合(d)端点平移拟合理论拟合：拟合直线为传感器的理论特性，与实际测试值无关。端点连线拟合：把输出曲线两端点的连线作为拟合直线。

线性度概念动画演示线性度表达式为哪一种直线拟合方法？端点连线拟合（2）灵敏度

指传感器在稳定标准条件下，输出变化量与输入变化量的比值。线性传感器的灵敏度S是个常数（3）迟滞现象

传感器在正行程（输入量增大）和反行程（输入量减小）期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞现象。迟滞误差：

产生迟滞现象的主要原因：传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷（弹性滞后、摩擦、间隙及松动等）。（4）重复性

指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。

重复性误差：

2.传感器的动态特性阶跃响应法：

给传感器输入一个单位阶跃函数信号：

——在测量动态信号时传感器的输出反映被测量的大小和随时间变化的能力其输出特性称为阶跃响应特性。

(a)一阶系统(b)二阶系统传感器阶跃响应特性1.2检测技术的基础知识

1.2.1检测系统的组成与功能现代检测系统组成框图被测量传感器信号处理模拟信号处理模数转换模拟信号显示记录

数模转换

数字信号处理数字信号显示记录1.2.2测量的方法

实现被测量与标准量比较，并得出比值的方法，称为测量方法。1.根据测量过程的特点分

直接测量间接测量组合测量2.根据测量的精度因素分

等精度测量非等精度测量3.根据测量仪器的特点分

4.根据测量对象的特点分

非接触测量接触测量动态测量静态测量1.2.3测量误差的分类真值：在一定条件下，被测量客观存在的实际值。

测量误差：测量结果与被测量的实际值之间存在的一定的偏差。按误差的性质分

系统误差随机误差粗大误差夏天摆钟变慢的原因是什么？εδ（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高常用准确度来表征系统误差大小。常用精密度来表征随机误差的大小。用精准度（精度）反映精密度和准确度的综合结果。1.绝对误差

某采购员分别在A

、B

、C

三家商店购买100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对C家卖牛肉干的商店意见最大，是何原因？

【例1】1.2.4测量误差的表示方法约定真值：被测量用基准器测量出来的值。（真值的替身）测量值：由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值。

——反映测量值偏离真值的情况

（2）相对误差①实际相对误差②示值相对误差③满度相对误差——反映测量值的精度仪器满度值当ΔX取为ΔXm时，最大满度相对误差就被用来确定仪表的精度等级S：——反映仪表综合误差的大小或（仪表下限刻度值不为零时）我国电工仪表等级分为七级，即：

0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级

若已知仪表的精度等级和量程，则最大绝对误差为？【思考题】有一数字温度计，它的测量范围为-50℃～+150℃，精度为0.5级。求当示值分别为-20℃和+

100℃时的绝对误差和示值相对误差。示值相对误差为：绝对误差为：【例】今有0.5级的0～500℃和1.0级的0

～100℃两个温度计，要测80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？为什么？解：用0.5级仪表测量时，最大示值相对误差为：

用1.0级仪表测量时，最大示值相对误差为：

用1.0级仪表比用0.5级仪表好，测量精度更高。

测量的精度越？仪表精度等级S越大，满度相对误差越？大低与仪表精度等级和量程都有关量程的选择：对于精度等级确定的仪表，量程越大，则最大绝对误差越大，对应的最大相对误差（实际或示值相对误差）也就越大，即测量的精度越低。

一般测量时，应使指针落在满量程的2/3以外。1.2.5测量误差的处理1.剔除粗大误差

一般将称为测量结果的极限误差。当有测量数据的剩余误差较极限误差大，则认为该数据有粗大误差存在，必须剔除。2.估算随机误差

指出：系统误差可以修正或在测量中设法消除。

（1）计算n次测量数据的算术平均值

（2）计算标准误差（3）检查有无粗大误差数据3.数据处理的一般步骤

（4）计算算术平均值的标准误差（5）写出测量结果的表达式【例3】现对某液体测量温度11次，测量序号与测量数据见下表所示：测量序号i1234567891011测量数据（℃）20.7220.7520.6520.7120.6220.4520.6220.7020.6720.7320.741.3检测系统中的弹性敏感元件

形变：物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状弹性形变：外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状的变形弹性元件：具有弹性形变这类特性的物体弹性敏感元件：在传感器中用于测量的弹性元件1.3.1弹性敏感元件的基本特性1．刚度

F：作用于弹性元件上的外力x：弹性元件产生的形变例：木块刚度小，铁块刚度大弹性特性曲线图

——输入量与输出量之间的关系

2．灵敏度若灵敏度为常数，则此弹性特性为线性，即弹性特性曲线图

——刚度的倒数

1．弹性敏感元件的形式1.3.2弹性敏感元件的形式及应用范围应变位移（线位移或角位移）力（力矩）压力弹性敏感元件单位面积上所受的力的大小。压强应力流体力学固体力学应力或压强的单位：帕（帕斯卡）应变：弹性元件发生形变时尺寸的相对变化量。应力弹性敏感元件应变反映弹性形变的程度应变：弹性元件发生形变时尺寸的相对变化量。例如：用力拉一根长度一米的铁丝，结果铁丝伸长了一毫米，则应变应变有正负吗？拉应变为正压应变为负弹性敏感元件的形式变换力变换压力等截面轴环状弹性敏感元件悬臂梁扭转轴弹簧管波纹管等截面薄板波纹膜片和膜盒薄壁圆筒和薄壁半球

2．变换力的弹性敏感元件（1）等截面轴（柱式弹性敏感元件）力F应变ε

等截面轴受力动画演示等截面轴示意图应变片：能检测应变的传感元件当等截面轴承受轴向拉力或压力时，轴向的应变即纵向应变为：A——轴的横截面积；E——弹性模量。弹性模量：材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。

——描述物质弹性的物理量包括杨氏模量、剪切模量和体积模量。

——泊松比。与轴线垂直方向上的应变即横向应变为：泊松比：材料横向应变与纵向应变的比值，也叫横向变形系数。

——反映材料横向变形的弹性常数应变片如何粘贴可以得到大小符号都相同的两个应变？应变片如何粘贴可以得到大小相同、符号相反的两个应变？（2）环状弹性敏感元件

较小力F应变ε

环状弹性敏感元件受力动画演示——灵敏度较高

（3）悬臂梁悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁受力动画演示悬臂梁示意图力F应变ε

或力F位移

x

上表面为拉应变，下表面为压应变；对应位置的拉应变和压应变大小相等、符号相反（4）扭转轴转矩T

应变ε

扭转轴受力动画演示扭转轴示意图3．变换压力的弹性敏感元件（1）弹簧管（波登管）

压力p

中心角角位移△γ

弹簧管受力动画演示（2）波纹管压力p

自由端的位移x波纹管受力动画演示波纹管示意图（3）等截面薄板（平膜片）（4）波纹膜片和膜盒压力p

位移x压力差p

位移x等截面薄板示意图膜盒示意图应变ε压力p

或者

1.4传感器的标定与选择

1.4.1传感器的标定与校准

标定实际上就是利用某种标准或标准器具对传感器进行刻度。标定工作不仅在传感器出厂时或安装时要进行，而且在传感器的使用过程中还需定期检验。对传感器进行标定和校准，必须有一个长期的、稳定的和高精度的基准。（1）与测