传感器与检测技术第1章 检测技术的基本知识

课程概述必修课50理论＋10实验主要内容教材教学根本要求1.1检测的目的和意义1.1检测的目的和意义在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….

普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。

发动机：向发动机的电子控制单元〔ECU〕提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的平安性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等飞行器测控---检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵

家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器自动感应灯：亮度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测、麦克风：话音转换遥控接收：红外检测办公商务：可视对讲、可视：图像获取扫描仪：文档扫描红外传输数据：红外检测医疗卫生：电子血压计：血压检测血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器……教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、……涵盖吃穿用、农轻重、海陆空151.2检测与计量的区别“计量〞是指用精度等级更高的标准量具、器具或标准仪器，对被测样品、样机进行考核性质的测量；从定义中可以看出，它属于测量，源于测量，而又严于一般测量，它涉及整个测量领域，并按法律规定，对测量起着指导、监督、保证的作用。“检测〞通常是指在生产、实验等现场，利用某种适宜的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。1.3.1自动检测系统的组成和分类1.自动检测系统的组成一般自动检测系统的根本组成如图1-1所示。图自动检测系统的组成各局部的作用如下。〔1〕传感器传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化并变换成便于测量的其他量。〔2〕信号调理器或变送器信号调理器又称中间转换器，它的作用是将传感器的输出信号进行放大、转换和传输等，使其适合于显示、记录、数据处理或控制。例如测量电桥、滤波器、放大器、电压/频率变换器〔V/F〕、电压/电流变换器〔V/I〕、交流/直流变换器等。〔3〕一次仪表或二次仪表一次仪表指现场测量仪表或基地控制仪表；二次仪表指利用一次仪表的信号来完成诸如控制、显示等功能的仪表。2.自动检测系统或仪表的分类按被测量值的物理属性分有：电量、非电量；按检测原理〔物理的、化学的、生物学的〕分有：电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等；按检测方法分有：主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态等。按仪表的使用性质分有：标准表、实验室表和工业用表等三种。电量及非电量在科学实验中及生产制造过程中，研究与观测的对象是多种多样的，因此，物理量也是多种多样的，这些物理量可大致分为两大类，即电量与非电量。电量：电流I、电压V、电荷Q、电功率W、电路参数R、L、C和电信号频率f等等；非电量：除电量以外的一切物理量，如高度、速度、重量、压力、温度等。

非电量电测法的特点：使测量仪器统一化，规格化。不同的非电量转换成相同的电量，使后继仪器标准化。便于信号长距离传输、远程监测及控制。对参数进行动态测量〔信号随时间变化〕，可测量其瞬时值及变化过程。可测微小信号及瞬变信号〔作用时间很短〕。易于与计算机联接，分析处理方便。非电量电测系统的组成简单的测量系统组成被测对象传感器信号调节器记录.显示.分析处理伺服驱动机构被测信号U、IR、L、CU、I1.3.2测量方法的分类与选择1.测量方法的分类常用测量方法分类表等精度测量与不等精度测量不等精度测量处理方法：权值与标准偏差的平方成反比。权值测量结果为加权平均值1.3.2测量方法的分类与选择1.测量方法的分类常用测量方法分类表1.3.2测量方法的分类与选择1.测量方法的分类常用测量方法分类表〔续〕采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：20.1mm将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：简单、直观、明了；测量精度不高基准量：20.00mm测量值：+0.08mm结果：20.08mm特点：精度高；复杂、本钱高、要求高1.3.2测量方法的分类与选择1.测量方法的分类常用测量方法分类表〔续〕1.3.2测量方法的分类与选择

1.3.2测量方法的分类与选择1.测量方法的分类常用测量方法分类表〔续〕1.3.2测量方法的分类与选择1.测量方法的分类常用测量方法分类表〔续〕传感器水平的提高新原理、新材料和新工艺新型传感器仿生传感器检测超高温、超低温和超高真空等超高压极端参数的新型传感器不同功能的传感器集成化传感器和后续电路集成化三、检测系统的构成接口总线存储显示分析监控判断决策一般构成：信号检出┇信号检出信号检出信号转换信号转换信号转换处理显示处理显示处理显示通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、······)其它环节：存储、监控、决策

人与机器的机能对应关系：1.4传感器与变送器的根本知识定性人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。定量传感器相当于人的感官，称“电五官〞，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。1.4传感器与变送器的根本知识学习传感器的重要性传感器在日常生活中的应用

家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视：图像获取---面阵CCD扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器

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24小时在线监测系统。石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。自动检测与自动控制系统汽车与传感器3、产品质量测量

在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

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，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量504、楼宇控制与平安防护图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、平安监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器515、家庭与办公自动化指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器526、其他应用航天农业交通医学531.4传感器与变送器的根本知识1.4.1传感器的定义与特点1.传感器的定义传感器的严格定义在国家标准GB7665-87中是这样表述的：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成〞。传感器习惯上又被称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头等。2.传感器的特征①传感器是测量装置，能完成检测任务；②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输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量，④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。3.传感器功能“一感二传〞，即感受被测信息，并传送出去。

例：粮仓温度、湿度检测通风口探头通风口通风口装有温湿度探头的粮仓示意图1.4.2传感器的组成与分类1．传感器的组成传感器将非电量转换成电量输出。①敏感元件：能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件，并以确定关系输出某一物理量。②转换元件。将敏感元件感受的被测量转换成电路参数。③根本转换电路。将电路参数转换成便于测量的电量〔如：电压、电流、频率等〕。mVTT0BA热电偶IhfG光电池f+++++–––––Q压电传感器RRTR0RU0Ui热敏电阻传感器2．传感器的分类〔1〕按被测物理量分类说明了传感器的用途，便于使用者选择。〔2〕按传感器工作原理分类说明了传感器工作原理，有利于传感器设计和应用。〔3〕按传感器转换能量的情况分类①能量转换型。又称发电型，不需外加电源而将被测能量转换成电能输出。②能量控制型。又称参量型，需外加电源才能输出电能量。湿度传感器湿度传感器各种传感器温度传感器压力传感器

液位传感器1.4.3传感器的命名与代号2.传感器的代号传感器的代号：依次为主称〔传感器〕被测量—转换原理—序号。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。常用被测量代码如附录2所示；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。转换原理代码如附录3所示；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。假设产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，〔其中I、Q不用〕。例如：应变式位移传感器：CWY-YB-20；光纤压力传感器：CY-GQ-2。1.4.4变送器简介传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称。当传感器的输出为规定的标准信号时，那么称为变送器。变送器可定义为将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。变送器输出的标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。直流电流0～10mA、4～20mA是当前通用的标准信号。1.5测量误差及处理方法测量误差的表示方法、估算、分析和处理1.5.1测量误差根本概念和分类(1)一次测量和屡次测量一次测量是对一个被测量的量只进行一次测量的过程。屡次测量是对一个被测量进行不止一次的测量。1.测量误差根本概念(2)等精度测量和非等精度测量等精度测量是指保持测量条件不变而进行的屡次测量。非等精度测量是指在测量条件不能维持不变的情况下的屡次测量。(3)真值与最正确值真值是指被测量本身具有的真实数值。A0最正确值:满足规定准确度时用来代替真值使用的值。A(4)示值示值〔测量值〕是由测量仪器给出或提供的量值。X(5)标称值

标称值是指测量器具上标定的数值。(6)误差公理一切测量都具有误差，误差自始至终存在于所有科学实验的过程之中(7)精确度〔精度〕精确度〔精度〕：它是测量结果中各种误差的综合，表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度(8)重复性在相同条件下，对同一被测量进行屡次连续测量所得结果之间的一致性。2.误差的分类误差的分类1.6检测系统或仪表的性能评价1.量程量程：表示检测系统或仪表实现不失真测量时的最大输入信号范围。2.精度精度：是反映检测系统或仪表的系统误差与随机误差综合影响程度的评价指标，表示测量结果与其理论值〔真值〕的靠近程度。3.输入与输出电阻前一环节的输出电阻相当于后一环节的信号源内阻，后一环节的输入电阻相当于前面环节的负载。假设希望前级输出信号无损失地向后级传送，根据全电路欧姆定律可知信号源的内阻应为零，即前级环节对后级环节而言相当于理想电压源，其内阻即输出电阻应为0；后续输入电阻承接了全部电压信号，故输入电阻理想值为∞。4.检测系统或仪表的稳定性与可靠性〔1〕稳定性定义：是指在规定条件下保持其检测特性恒定不变的能力。通常在不明确影响量时，稳定性是指检测系统或仪表不受时间变化影响的能力，一般用漂移来反映。漂移是指在保持检测系统或仪表输入量不变时，输出示值随时间或温度的改变而缓慢变化的现象。时漂：随时间变化的漂移称为；温漂：随环境温度变化的漂移称为。由于漂移导致仪表输出特性不稳定，出现漂移误差，说明零点不稳定的漂移为零点漂移，说明灵敏度有变化的漂移称为灵敏度漂移。如图1-4所示。图1-4漂移误差〔2〕可靠性定义：指检测系统或仪表在规定工作条件下和规定时间内保持原检测特性的能力。可靠性可用发生故障的速率或平均故障率来表示。发生故障的速率用平均无故障时间MTBF〔MeanTimeBetweenFailures〕来估计。例如，某检测系统或仪表在90000h的运行中发生了12次故障，那么MTBF＝90000/12＝7500h。MTBF说明发生一次故障的平均时间间隔。平均故障率：单位时间内〔一般以小时计〕发生故障的平均次数称为。用λ表示5.检测系统或仪表的输入/输出特性检测系统或仪表的根本特性：指检测系统或仪表的输出与输入的关系，有静态与动态之分。〔1〕静态特性定义：是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，检测系统或仪表输入与输出之间呈现的关系。静态特性主要包含：线性度〔非线性误差〕、变差〔迟滞、滞环〕、灵敏度、分辨力、重复性、死区等指标。1〕灵敏度定义：是表示检测系统或仪表的输入增量与由它引起的输出增量之间的函数关系。or灵敏度S等于检测系统或仪表输出增量与被测量增量之比，是检测系统或仪表在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率，可用下式表示：图1-5灵敏度定义灵敏度表示检测系统或仪表对被测量变化的反响能力。假设检测系统是由灵敏度分别为S1，S2，S3等多个相互独立的环节组成时，系统的总灵敏度S为灵敏度数值大，说明相同的输入改变量引起的输出变化量大，检测系统的灵敏度高。2〕分辨力能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量。对于数字式仪表，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的有效数值就是它的分辨力。3〕线性度定义：是指检测系统或仪表的输出与输入之间数量关系的线性程度〔又称非线性误差〕。线性度γL：通常用实际测得的输入－输出曲线与拟合直线〔也称理论直线〕之间的最大偏差△Lmax与检测系统或仪表满量程输出值YFS之比的百分数来表示，即图1-6理论直线拟合法

图1-6理论直线拟合法图1-7迟滞特性

4〕迟滞定义：是在输入量由小到大〔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出现的不重合程度。迟滞误差γH：以检测系统或仪表在全量程范围内最大迟滞误差△Hmax与满量程输出YFS的之比的百分数来表示，即图1-7迟滞特性5〕重复性定义：是指检测系统或仪表沿同一方向变化时，在全量程范围内连续进行屡次测试，所得到的各特性曲线重复程度。Δ