第章傳感器與檢測技術概述

1、第1章傳感與檢測技術概述傳感器原理及應用 （自動檢測技術（自動檢測技術/非電量測量技術）非電量測量技術）一、本課程的專業(yè)地位：一、本課程的專業(yè)地位：專業(yè)必修課。專業(yè)必修課。二、本課程的主要內(nèi)容二、本課程的主要內(nèi)容1、傳感器、測量及誤差的基本知識；、傳感器、測量及誤差的基本知識；2、常用傳感器的原理、結構、測量電路及應用；、常用傳感器的原理、結構、測量電路及應用；3、傳感器在工程檢測中的應用。、傳感器在工程檢測中的應用。三、課程要求三、課程要求1、掌握傳感器、測量及誤差的基本理論；、掌握傳感器、測量及誤差的基本理論；2、掌握常用傳感器的基本原理、結構、特點、基本測量、掌握常用傳感器的基本原理、結

2、構、特點、基本測量電路及應用；電路及應用；第1章傳感與檢測技術概述3、學會工程中常見的非電量測量方法，了解傳感器在工、學會工程中常見的非電量測量方法，了解傳感器在工程檢測中的應用方法；程檢測中的應用方法；4、學會分析和設計傳感器的應用電路。、學會分析和設計傳感器的應用電路。四、課程特點四、課程特點綜合性：綜合性：傳感器技術是材料學、力學、電學、磁學、微傳感器技術是材料學、力學、電學、磁學、微電子學、光學、聲學、化學、生物學、精密機械、仿生電子學、光學、聲學、化學、生物學、精密機械、仿生學、測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技學、測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、乃至系統(tǒng)科

3、學、人工智能、自動化技術等眾多學科術、乃至系統(tǒng)科學、人工智能、自動化技術等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術；相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術；零散性：零散性：各章內(nèi)容之間沒有前后因果關系；各章內(nèi)容之間沒有前后因果關系；應用性：應用性：重點掌握各種傳感器的應用方法。重點掌握各種傳感器的應用方法。第1章傳感與檢測技術概述五、參考資料五、參考資料傳感器與檢測技術傳感器與檢測技術 朱自勤朱自勤 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社傳感器原理及工程應用傳感器原理及工程應用 郁有文郁有文 西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社傳感器原理及應用傳感器原理及應用 王化祥王化祥 天津大學出版社

4、天津大學出版社傳感器原理及應用傳感器原理及應用 王雪文王雪文 北京航空航天大學出版社北京航空航天大學出版社傳感器原理及其應用手冊傳感器原理及其應用手冊 孫寶元孫寶元 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社非電量檢測技術非電量檢測技術 嚴鐘豪嚴鐘豪 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社現(xiàn)代傳感技術現(xiàn)代傳感技術 魏文廣魏文廣 東北大學出版社東北大學出版社傳感器技術傳感器技術 信息產(chǎn)業(yè)部電子第四十九研究主辦信息產(chǎn)業(yè)部電子第四十九研究主辦光電子技術與信息光電子技術與信息 中國科學院安徽光學精密機械研究所、中國科學院安徽光學精密機械研究所、中國光學學會光電技術專業(yè)委員會主辦中國光學學會光電技術專業(yè)委員會主辦激光與紅外激光

5、與紅外 華北光電技術研究所主辦華北光電技術研究所主辦儀表技術與傳感器儀表技術與傳感器 沈陽儀器儀表研究所主辦沈陽儀器儀表研究所主辦第1章傳感與檢測技術概述儀器儀表網(wǎng)儀器儀表網(wǎng) （http:/）儀器商城網(wǎng)儀器商城網(wǎng) （）（）傳感器網(wǎng)傳感器網(wǎng) （http:/）傳感器技術傳感器技術 （）（）中國傳感器（中國傳感器（ http:/ ）中國工控網(wǎng)（中國工控網(wǎng)（ http:/ ）中國機器人網(wǎng)（中國機器人網(wǎng)（ http:/.) 電子設計應用（電子設計應用（ . ）電子產(chǎn)品世界（電子產(chǎn)品世界（ . ）第1章傳感與檢測技術概述第第1章章 傳感器與檢測技術概述傳感器與檢測技術概述1.1 傳感器的概念、組成和分類傳

6、感器的概念、組成和分類1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性返回主目錄第1章傳感與檢測技術概述第第1章章 傳感器與檢測技術的理論傳感器與檢測技術的理論基礎基礎 1.1 傳感器的概念、組成和分類傳感器的概念、組成和分類 一、傳感器的概念、組成與應用一、傳感器的概念、組成與應用1、 現(xiàn)代信息技術的三大要素：現(xiàn)代信息技術的三大要素：信息獲取信息獲取傳感器技傳感器技術術 信息傳輸信息傳輸通信技術通信技術 信息處理信息處理計算機技計算機技術術 在工程實踐和科學試驗中，信息采集的主要含義是在工程實踐和科學試驗中，信息采集的主要含義是測測量量取得測量數(shù)據(jù)。取得測量數(shù)據(jù)。第1章傳感與檢測技術概述2、測量的概

7、念、測量的概念 測量是人類對自然界客觀事物獲得數(shù)量觀念的一種認識過測量是人類對自然界客觀事物獲得數(shù)量觀念的一種認識過程，即程，即借助于專門設備，求出被測量的數(shù)值大小借助于專門設備，求出被測量的數(shù)值大小。3、測量的分類、測量的分類 電子測量電子測量電子測量儀器；電子測量儀器； 非電量測量非電量測量傳感器；傳感器；4、自動測量系統(tǒng)的組成、自動測量系統(tǒng)的組成 圖11 自動測量系統(tǒng)組成第1章傳感與檢測技術概述5、自動測量技術的作用、自動測量技術的作用 以電子技術、傳感器技術、計算機技術為基礎的自動測以電子技術、傳感器技術、計算機技術為基礎的自動測量技術，是衡量一個國家科技水平的重要標志之一。量技術，是

8、衡量一個國家科技水平的重要標志之一。 而傳感器是測量系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，它能否獲得信息和而傳感器是測量系統(tǒng)的第一個環(huán)節(jié)，它能否獲得信息和獲取信息的正確與否，關系到整個測量系統(tǒng)的精確度，獲取信息的正確與否，關系到整個測量系統(tǒng)的精確度，傳感傳感器的性能在很大程度上決定著整個信息技術的性能器的性能在很大程度上決定著整個信息技術的性能，因此世，因此世界各國都將傳感器技術列為重點發(fā)展的新技術。界各國都將傳感器技術列為重點發(fā)展的新技術。6、傳感器的定義（、傳感器的定義（GB7665-87) 能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸可用輸出信號出信號的器件或裝

9、置，通常由的器件或裝置，通常由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件組成。組成。 第1章傳感與檢測技術概述7、傳感器的組成、傳感器的組成 通常傳感器由通常傳感器由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換（傳感）元件轉(zhuǎn)換（傳感）元件組成。組成。 傳感傳感器組成框圖如圖器組成框圖如圖 1 - 2 所示。所示。 圖圖 1- 2 傳感器組成框圖傳感器組成框圖 第1章傳感與檢測技術概述直接感受被測非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與直接感受被測非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關系的其它量的元件。被測量有確定關系的其它量的元件。又稱轉(zhuǎn)換元件又稱轉(zhuǎn)換元件/轉(zhuǎn)換器。能將敏感元件感受到轉(zhuǎn)換器。能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量

10、的器件。的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。能把傳感元件輸出的電信能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理、和控制的有用電信號的電號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理、和控制的有用電信號的電路。路。第1章傳感與檢測技術概述 壓 力 作 用 膜片形變（應變） 應變片電阻改變 敏感元件敏感元件傳感元件傳感元件壓力傳感器示例壓力傳感器示例第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述8、傳感器的應用領域、傳感器的應用領域（1）機械制造業(yè)：）機械制造業(yè)：智能機械智能機械 ：數(shù)控機床、加工中心、機器人等：數(shù)控機床、加工中心、機器人等（2）工業(yè)過程檢測與控制：）工業(yè)過程檢測與控制：石油、化工、電力、冶金等行

11、業(yè)中石油、化工、電力、冶金等行業(yè)中熱工工藝參數(shù)檢測和控制；熱工工藝參數(shù)檢測和控制；（3）汽車：）汽車：車速、里程、燃油、排氣、車燈、關門、防盜、防車速、里程、燃油、排氣、車燈、關門、防盜、防撞等；撞等；（4）環(huán)保：）環(huán)保：有毒、有害、易燃、易爆氣體檢測，重金屬、污水有毒、有害、易燃、易爆氣體檢測，重金屬、污水檢測，防酒后駕車等；檢測，防酒后駕車等；（5）醫(yī)療衛(wèi)生：）醫(yī)療衛(wèi)生：血壓、心音、脈搏檢測，心臟監(jiān)護儀、彩超、血壓、心音、脈搏檢測，心臟監(jiān)護儀、彩超、核磁共振等；核磁共振等；（6）航空航天：）航空航天：衛(wèi)星、火箭、飛船、外星探測器等；衛(wèi)星、火箭、飛船、外星探測器等；（7）國防工業(yè)：）國防工業(yè)

12、：飛機、導彈、雷達、智能化電子武器等；飛機、導彈、雷達、智能化電子武器等；（8) 家用電器：家用電器：空調(diào)、洗衣機、電冰箱、微波爐、電飯煲、電空調(diào)、洗衣機、電冰箱、微波爐、電飯煲、電熨斗、安全報警器等。熨斗、安全報警器等。第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立上設備運行狀態(tài)關系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立24小時小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。在線監(jiān)測系統(tǒng)。 石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。第1章傳

13、感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述在汽車、機床、電機、發(fā)動機等產(chǎn)品出廠時，必須對其性能質(zhì)在汽車、機床、電機、發(fā)動機等產(chǎn)品出廠時，必須對其性能質(zhì)量檢測。量檢測。 圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。通過度、燃油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量汽車扭距測量機床加工精度測量機床加工精度測量第1章傳感與檢測技術概述高級轎車需要用傳感器對溫度、壓力、位置

14、、距離、轉(zhuǎn)速、高級轎車需要用傳感器對溫度、壓力、位置、距離、轉(zhuǎn)速、加速度、濕度、電磁、光電、振動等進行實時準確的測量，一般加速度、濕度、電磁、光電、振動等進行實時準確的測量，一般需要需要301 00種傳感器。種傳感器。第1章傳感與檢測技術概述 自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風干器、電自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、風干器、電熨斗、電風扇、洗衣機、洗碗機、照相機、電冰箱、電視機、熨斗、電風扇、洗衣機、洗碗機、照相機、電冰箱、電視機、錄像機、家庭影院錄像機、家庭影院第1章傳感與檢測技術概述 全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器

15、，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度洗凈度) 液位傳感器，液位傳感器，電阻傳感器電阻傳感器(衣物烘干檢測衣物烘干檢測)。第1章傳感與檢測技術概述指紋傳感器指紋傳感器透光率傳感器透光率傳感器第1章傳感與檢測技術概述鼠標鼠標: :光電位移傳感器光電位移傳感器攝象頭攝象頭:CCD:CCD傳感器傳感器第1章傳感與檢測技術概述軟驅(qū)軟驅(qū): :速度速度, ,位置伺服位置伺服麥克風麥克風: :電容傳聲器電容傳聲器第1章傳感與檢測技術概述樓宇控制與安全防護樓宇控制與安全防護 為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)為使建筑物成為安全、健康、

16、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在樓宇中應境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和管理的智能化。在樓宇中應用了許多測試技術，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯用了許多測試技術，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況。運行狀況。 第1章傳感與檢測技術概述 圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電廢水管理和電梯監(jiān)控。梯監(jiān)控。第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述煙霧傳感器煙霧

17、傳感器亮度傳感器亮度傳感器人體探測器人體探測器第1章傳感與檢測技術概述 機械手、機器人中的傳機械手、機器人中的傳感器感器: 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動/移動位置傳感移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。熱覺傳感器、嗅覺傳感器。 傳感在機器人上的應用傳感在機器人上的應用第1章傳感與檢測技術概述密歇根大學的機械手裝配模型密歇根大學的機械手裝配模型第1章傳感與檢測技術概述廣州中鳴數(shù)碼的機器狗廣州中鳴數(shù)碼的機器狗第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述機器人服務員機器人服務員第1章傳

18、感與檢測技術概述沙漠機器人沙漠機器人第1章傳感與檢測技術概述 超聲波測距傳感器、判超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運置；紅外線色彩傳感器運動軌跡和動軌跡和AGV小車位置識小車位置識別；條形碼傳感器，貨品別；條形碼傳感器，貨品識別。識別。香港理工香港理工AGVAGV模型模型AGV自動送貨車自動送貨車 自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle） 第1章傳感與檢測技術概述AGAGV V自自動動送送貨貨車車 第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述傳感器在生物醫(yī)學上的應用傳感器在生物醫(yī)學上的應用

19、醫(yī)學醫(yī)學第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述光纖流速傳感器光纖流速傳感器熒光材熒光材料制作料制作的電子的電子鼻傳感鼻傳感器器生物酶血樣分析傳感器生物酶血樣分析傳感器熱熱/光光電量電量第1章傳感與檢測技術概述傳感器與航空及航天傳感器與航空及航天第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述傳感器與環(huán)境保護傳感器與環(huán)境保護第1章傳感與檢測技術概述NOX NO + NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 煙塵濁度測量煙塵濁度測量第1章傳感與檢測技術概述傳感器與遙感技術傳感器與遙感技術第1章傳

20、感與檢測技術概述傳感器在軍事技術領域的應用傳感器在軍事技術領域的應用 第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述第1章傳感與檢測技術概述農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)第1章傳感與檢測技術概述二、二、傳感器的分類傳感器的分類1、按被測量分類、按被測量分類（相應的傳感器一般以被測量命名）：（相應的傳感器一般以被測量命名）：（1）熱工量傳感器：）熱工量傳感器：溫度、熱量、比熱；壓力、差壓、真空溫度、熱量、比熱；壓力、差壓、真空度；流速、流量；物位（液位、料位）。度；流速、流量；物位（液位、料位）。（2）機械量傳感器：）機械量傳感器：位移、尺寸（長度、厚度、寬度、角位移、尺寸（長度、厚度、寬度、角度）；力、力矩；重量

21、、質(zhì)量；速度、加速度、轉(zhuǎn)速。度）；力、力矩；重量、質(zhì)量；速度、加速度、轉(zhuǎn)速。（3）物性和成分量：）物性和成分量：成分量（化學成分、濃度、酸堿度、鹽成分量（化學成分、濃度、酸堿度、鹽度等）；物性（密度、比重、粘度等）。度等）；物性（密度、比重、粘度等）。（4）狀態(tài)量：）狀態(tài)量：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、表面粗顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、表面粗糙度等）。糙度等）。第1章傳感與檢測技術概述2、按傳感器的工作原理分類、按傳感器的工作原理分類（1）物理型傳感器：）物理型傳感器：利用某些敏感元件的物理性質(zhì)以及某些利用某些敏感元件的物理性質(zhì)以及某些功能材料的特殊物理性能制成。如：應變式、電容式

22、、磁電、功能材料的特殊物理性能制成。如：應變式、電容式、磁電、光電、壓電傳感器等。光電、壓電傳感器等。（2）化學型：）化學型：利用電化學反應原理制成。如：氣敏傳感器、利用電化學反應原理制成。如：氣敏傳感器、濕度傳感器、離子傳感器等。濕度傳感器、離子傳感器等。（3）生物傳感器：）生物傳感器：利用酶、微生物、抗體、細胞及組織等作利用酶、微生物、抗體、細胞及組織等作為敏感材料與適當?shù)膿Q能器結合而成，利用特有的化學反應和為敏感材料與適當?shù)膿Q能器結合而成，利用特有的化學反應和電化學技術對生物化學電化學技術對生物化學物質(zhì)進行測定。如：酶傳感器、免疫傳感器等。 第1章傳感與檢測技術概述3、按輸出信號的性質(zhì)分

23、類、按輸出信號的性質(zhì)分類（1）模擬傳感器：）模擬傳感器：輸出模擬信號；輸出模擬信號；（2）數(shù)字傳感器：）數(shù)字傳感器：輸出數(shù)字信號（脈沖、頻率、二進制輸出數(shù)字信號（脈沖、頻率、二進制數(shù)碼），抗干擾能力強。數(shù)碼），抗干擾能力強。三、傳感器的發(fā)展趨勢三、傳感器的發(fā)展趨勢1、 三新三新：新材料、新工藝、新效應（原理）；：新材料、新工藝、新效應（原理）；2、四化：、四化：集成化、多維化、多功能化、智能化。集成化、多維化、多功能化、智能化。第1章傳感與檢測技術概述 1.2 傳感器的基本特性傳感器的基本特性 即輸出即輸出輸入之間對應關系，又稱為輸出輸入之間對應關系，又稱為輸出輸入特性，輸入特性，可用靜態(tài)特性

24、和動態(tài)特性來描述。可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。一、一、 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性（一）靜態(tài)特性：（一）靜態(tài)特性：是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關系；即輸入量與輸出量之間的關系式中不含有時間變量。衡關系；即輸入量與輸出量之間的關系式中不含有時間變量。衡量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、 靈敏度靈敏度, 遲滯和重復性等。遲滯和重復性等。（二）傳感器的靜態(tài)特性表達式（二）傳感器的靜態(tài)特性表達式 1、理想傳感器：、理想傳感器： y=a1x 2、實際傳感器：、實際傳感器： y=a0+a1x+a2x2+anxn式中式中: a

25、0輸入量輸入量x為零時的輸出量為零時的輸出量; a1, a2, , an非線性項系數(shù)；非線性項系數(shù)； x輸入量；輸入量；y輸出量。輸出量。1、傳感器的零偏（零點）：、傳感器的零偏（零點）：輸入信號為零時傳感器的輸出值。輸入信號為零時傳感器的輸出值。第1章傳感與檢測技術概述2 、傳感器的測量范圍與量程、傳感器的測量范圍與量程（1）測量范圍：）測量范圍：指正常工作條件下，傳感器能夠測量的被測量指正常工作條件下，傳感器能夠測量的被測量的總范圍，通常用測量范圍的下限值和上限值來表示。的總范圍，通常用測量范圍的下限值和上限值來表示。（2）量程：）量程：測量范圍的上限值（或?qū)妮敵鲋禍y量范圍的上限值（或

26、對應的輸出值 ）與下限值）與下限值（或?qū)妮敵鲋担┑拇鷶?shù)差。（或?qū)妮敵鲋担┑拇鷶?shù)差。a0 零點；零點；xF.S滿量程輸入；滿量程輸入；XF.S輸入量程；輸入量程； XF.S=xmax-xminyF.S滿量程輸出；滿量程輸出；YF.S輸出量程。輸出量程。 YF.S=ymax-ymin注：僅知道量程時，無法確定測量范圍。注：僅知道量程時，無法確定測量范圍。傳感器的靜態(tài)特性曲線第1章傳感與檢測技術概述(三）主要靜態(tài)特性指標三）主要靜態(tài)特性指標線性度（直線性線性度（直線性/非線性誤差）非線性誤差）（1）擬合直線：）擬合直線：傳感器的靜態(tài)特性曲線往往為非線性，在傳感器的靜態(tài)特性曲線往往為非線性，在

27、實際使用中實際使用中, 為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便,可用一條直線（切可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段線或割線）近似地代表實際曲線的一段,使傳感器輸出使傳感器輸出輸輸入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線。入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線。 （2）選取擬合直線的方法：）選取擬合直線的方法：(見圖見圖2-1） (a) 理論擬合直線；理論擬合直線； (b) 過零旋轉(zhuǎn)擬合直線；過零旋轉(zhuǎn)擬合直線； (c) 端點連線端點連線擬合直線；擬合直線； (d) 端點平移擬合直線；端點平移擬合直線； (e)最小二乘法擬合直最小二乘法擬合直線線第1章傳感與檢測技術概述 圖

28、圖 2 - 1 幾種直線擬合方法幾種直線擬合方法(a) 理論擬合；理論擬合； (b) 過零旋轉(zhuǎn)擬合；過零旋轉(zhuǎn)擬合； (c) 端點連線擬合；端點連線擬合； (d) 端點平移擬合端點平移擬合第1章傳感與檢測技術概述（3）線性度（非線性度）線性度（非線性度/非線性誤差）：非線性誤差）：傳感器的實際靜態(tài)傳感器的實際靜態(tài)特性曲線與擬合直線（規(guī)定直線）之間，在垂直方向上的特性曲線與擬合直線（規(guī)定直線）之間，在垂直方向上的最大偏差與輸出量程的百分比稱為線性度。通常用相對誤最大偏差與輸出量程的百分比稱為線性度。通常用相對誤差差L表示表示, 即即 式中式中: |(yL)max|最大非線性最大非線性 絕對誤差的絕

29、對值絕對誤差的絕對值; YFS輸出量程。輸出量程。 %100|( |max)FSLLYyr第1章傳感與檢測技術概述（4）最小二乘法線性度的求法）最小二乘法線性度的求法a. 擬合直線的確定：擬合直線的確定：設擬合直線方程式為：設擬合直線方程式為：y=kx+b (1-3)第第j個標定點的標定值為（個標定點的標定值為（xj,yj)則：則：Lj=yj-(kxj+b)最小二乘法擬合直線的確定原則是：均方差為最小值。即：最小二乘法擬合直線的確定原則是：均方差為最小值。即： - （2- 5、2-62-7、2-8）求每個標定點對應的非線性絕對誤差求每個標定點對應的非線性絕對誤差Lj Lj=yj-(kxj+b)

30、求最大非線性絕對誤差求最大非線性絕對誤差|Lmax| 并求并求L第1章傳感與檢測技術概述2 2、靈敏度、靈敏度 靈敏度靈敏度K K是指傳感器的輸出量變化量是指傳感器的輸出量變化量y y 與引起此變化的與引起此變化的輸入變化量輸入變化量xx的比值的比值, , 即即 K=y/xK=y/x 靈敏度反映了傳感器對被測參數(shù)變化的靈敏程度。對于線性靈敏度反映了傳感器對被測參數(shù)變化的靈敏程度。對于線性傳感器傳感器, , 它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率, , 即即K=y/xK=y/x為常為常數(shù)數(shù), , 而非線性傳感器的靈敏度為一變量而非線性傳感器的靈敏度為一變量, , 用用K

31、=dy/dxK=dy/dx表示。傳感器表示。傳感器的靈敏度如圖所示。的靈敏度如圖所示。 第1章傳感與檢測技術概述 多環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的測量系統(tǒng)的靈敏度為：多環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的測量系統(tǒng)的靈敏度為： K=K1K2Kn 例例1：某線性位移測量儀，當被測位移由某線性位移測量儀，當被測位移由4.5mm變到變到5mm時，時，位移測量儀的輸出電壓由位移測量儀的輸出電壓由3.5V減至減至2.5V，求該儀器的靈敏度。，求該儀器的靈敏度。若再接一個放大器（放大倍數(shù)為若再接一個放大器（放大倍數(shù)為10）后驅(qū)動筆式記錄儀（靈敏）后驅(qū)動筆式記錄儀（靈敏度為度為0.2cm/V），試求系統(tǒng)的總靈敏度。），試求系統(tǒng)的總靈敏度。解：解：

32、K1 =y/x=（3.5-2.5）V/(5-4.5)mm = -2V/mm K2=10 K3= 0.2cm/V K=K1K2K3= -2V/mm10 0.2cm/V= - 4cm/mm 第1章傳感與檢測技術概述 3、遲滯（回差、遲滯（回差/變差）變差） 傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯, 如圖如圖 1 - 4 所示。所示。 也也就是說就是說, 對于同一大小的輸入信號對于同一大小的輸入信號, 傳感器的正反行程輸出信號傳感器的正反行程輸出信號大小不相等。大小

33、不相等。 產(chǎn)生遲滯的主要原因產(chǎn)生遲滯的主要原因是是由于傳感器敏感元件材料的由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機械零部件的缺物理性質(zhì)和機械零部件的缺陷所造成的陷所造成的, 例如彈性敏感例如彈性敏感元件的彈性滯后、運動部件元件的彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機構的間隙、緊摩擦、傳動機構的間隙、緊固件松動等固件松動等。圖圖1-4 遲滯特性遲滯特性第1章傳感與檢測技術概述遲滯大小通常由實驗確定。遲滯誤差遲滯大小通常由實驗確定。遲滯誤差H可由下式計算：可由下式計算： （1-7）式中式中: Hmax同一輸入值對應的正反行程輸出值的平均同一輸入值對應的正反行程輸出值的平均值之間的最大差值的絕對值。值之間的最大

34、差值的絕對值。4. 重復性重復性 重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時次變化時, 所得特性曲線不一致的程度所得特性曲線不一致的程度, 如圖如圖 1 - 5 所示。所示。 重復重復性誤差屬于隨機誤差性誤差屬于隨機誤差, 常用標準偏差表示常用標準偏差表示, 也可用正反行程中也可用正反行程中的最大偏差表示的最大偏差表示, 即即 %10021maxFSYr第1章傳感與檢測技術概述 y yF.S 0 xF.S (1-9)式中式中 最大標準偏差。最大標準偏差。 （1-8） %100) 32(FSRYr圖圖1-5重復性重復性第1章傳感與檢測

35、技術概述 （1-10）式中：式中：i 第第i個標定點的標準偏差；個標定點的標準偏差； yij 同一方向第同一方向第i個標定點第個標定點第j次測得的輸出值；次測得的輸出值； /yi 第第i個標定點個標定點N次測量的平均輸出值；次測量的平均輸出值； 也可用正反行程中的最大偏差表示也可用正反行程中的最大偏差表示, 即即 （1-11）式中：式中：Rmax 統(tǒng)一輸入值對應的同一行程輸出值的絕對值的統(tǒng)一輸入值對應的同一行程輸出值的絕對值的 最大值。最大值。 %10021maxFSRYRr第1章傳感與檢測技術概述5. 分辨率與閾值分辨率與閾值（1）分辨率：）分辨率：是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出被是指

36、傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出被測輸入量的最小變化值。有時對該值用相對滿量程輸入值的測輸入量的最小變化值。有時對該值用相對滿量程輸入值的百分數(shù)表示，稱為分辨率。百分數(shù)表示，稱為分辨率。 （2）閾值：）閾值：是能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小是能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨能力。有的傳感器在零位被測輸入量值，即零點附近的分辨能力。有的傳感器在零位附近非線性嚴重，形成所謂附近非線性嚴重，形成所謂“死區(qū)死區(qū)”，則將死區(qū)的大小作為，則將死區(qū)的大小作為閾值；更多情況下閾值主要取決于傳感器噪聲的大小，因而閾值；更多情況下閾值主要取決于傳感器噪聲的大小，因而有的

37、傳感器只給出噪聲電平。有的傳感器只給出噪聲電平。第1章傳感與檢測技術概述 傳感器能檢測出的被測量的最小變化值一般相當于噪聲傳感器能檢測出的被測量的最小變化值一般相當于噪聲電平的若干倍，用公式表示為：電平的若干倍，用公式表示為： 式中：式中：M被測量最小變化值；被測量最小變化值；c系數(shù)（一般取系數(shù)（一般取15）：）： N噪聲電平：噪聲電平： k傳感器的靈敏度。傳感器的靈敏度。kcNM 6. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性又稱穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性，即傳感器在相當長時間內(nèi)保，即傳感器在相當長時間內(nèi)保持其原性能的能力。穩(wěn)定性一般用在室溫條件下經(jīng)過一規(guī)定持其原性能的能力。穩(wěn)定性一般用在室溫條件下經(jīng)過一規(guī)

38、定時間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來時間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，有時也用表示，有時也用標定的有效期來表示標定的有效期來表示。第1章傳感與檢測技術概述7、漂移、漂移（1）定義：）定義：漂移是指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與漂移是指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏度漂移。度漂移。 （2）產(chǎn)生原因：）產(chǎn)生原因：一是自身結構參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕一是自身結構參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。零點漂移或靈敏度漂移又可分為

39、度等）。零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移時間漂移和和溫度漂移溫度漂移，又稱時漂又稱時漂(或零漂或零漂)和溫漂。時漂是指在規(guī)定的條件下，零點或靈和溫漂。時漂是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點敏度隨時間的緩慢變化；溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點或靈敏度的變化?；蜢`敏度的變化。（3）零點漂移：）零點漂移：傳感器無輸入時，每隔一段時間進行讀數(shù)，其輸傳感器無輸入時，每隔一段時間進行讀數(shù)，其輸出偏離零值，即為零點漂移。傳感器的零漂可表示為：出偏離零值，即為零點漂移。傳感器的零漂可表示為：式中：式中：y為最大零點偏差：為最大零點偏差：YFS為滿量程輸

40、出。為滿量程輸出。%100FSYy零漂第1章傳感與檢測技術概述（4）溫度漂移：）溫度漂移：傳感器的溫漂有時稱溫度穩(wěn)定性，周圍環(huán)境溫傳感器的溫漂有時稱溫度穩(wěn)定性，周圍環(huán)境溫度變化度變化1而引起的輸出變化，通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離而引起的輸出變化，通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標準環(huán)境溫度（一般為標準環(huán)境溫度（一般為20 ）時的輸出值的變化量與溫度變化）時的輸出值的變化量與溫度變化量之比來表示，即：量之比來表示，即： ( yt - y20 ) / t (1-12)式中：式中： t 工作環(huán)境溫度偏離標準環(huán)境溫度之差，工作環(huán)境溫度偏離標準環(huán)境溫度之差， 即即 t t - 20 ； yt 傳感器在環(huán)境

41、溫度為傳感器在環(huán)境溫度為t時的輸出；時的輸出； y20傳感器在標準環(huán)境溫度傳感器在標準環(huán)境溫度20時的輸出。時的輸出。 一般以溫度變化一般以溫度變化1，輸出最大偏差與滿量程的百分比來表，輸出最大偏差與滿量程的百分比來表示，即示，即 %100maxTYyFS溫漂 式中：式中：ymax為輸出最大偏差：為輸出最大偏差：YFS為滿量程輸出；為滿量程輸出；T為溫為溫度變化范圍。度變化范圍。 第1章傳感與檢測技術概述8、精確度、精確度 （1）測量誤差）測量誤差 被測參數(shù)的測量值與真實值不一致的程度用測量誤差表示。測被測參數(shù)的測量值與真實值不一致的程度用測量誤差表示。測量誤差就是量誤差就是被測量的測量值與真

42、實值之間的差值被測量的測量值與真實值之間的差值，它反映了測量，它反映了測量質(zhì)量的好壞。質(zhì)量的好壞。絕對誤差：絕對誤差：可用下式定義可用下式定義: x = x-x0 式中式中: x絕對誤差絕對誤差; x測量值測量值; x0約定真值。約定真值。 第1章傳感與檢測技術概述 對測量值進行修正時對測量值進行修正時, 要用到絕對誤差。要用到絕對誤差。 修正值是與絕對誤差修正值是與絕對誤差大小相等、符號相反的值大小相等、符號相反的值,C= -x = x0-x， 實際值等于測量值加上修實際值等于測量值加上修正值。即正值。即 x0=x+C。 絕對誤差不能很好說明測量質(zhì)量的好壞，絕對誤差不能很好說明測量質(zhì)量的好壞

43、，只適用于被測量值相只適用于被測量值相同的場合。同的場合。 例如例如, 在溫度測量時在溫度測量時, 絕對誤差絕對誤差=1 , 對體溫測量來說對體溫測量來說是不允許的是不允許的, 而對測量而對測量鋼水溫度鋼水溫度來說卻是一個極好的測量結果。來說卻是一個極好的測量結果。相對誤差：相對誤差：定義由下式給出定義由下式給出: = x/ x0 100%式中式中: 相對誤差相對誤差, 一般用百分數(shù)給出一般用百分數(shù)給出; x絕對誤差絕對誤差; x0約定真值。約定真值。 第1章傳感與檢測技術概述 相對誤差比絕對誤差能更好地說明測量精確度，但它相對誤差比絕對誤差能更好地說明測量精確度，但它只能說明只能說明不同測量

44、結果的準確度，無法衡量傳感器本身在整個測量范圍內(nèi)的不同測量結果的準確度，無法衡量傳感器本身在整個測量范圍內(nèi)的質(zhì)量質(zhì)量，（如一臺溫度傳感器測，（如一臺溫度傳感器測100的相對誤差為的相對誤差為2%2%，另一臺測，另一臺測1000 的相對誤差為的相對誤差為1%）為此又采用了引用誤差的概念。）為此又采用了引用誤差的概念。引用誤差：引用誤差：是儀表中通用的一種誤差表示方法。是儀表中通用的一種誤差表示方法。 它是相對儀表滿它是相對儀表滿量程的一種誤差量程的一種誤差, 一般也用百分數(shù)表示，即一般也用百分數(shù)表示，即 = x / XF.S 100%= x /(xmax-xmin) 100% 式中式中: 引用誤

45、差；引用誤差； x絕對誤差；絕對誤差； XF.S 儀表輸入量程（測量范圍上限儀表輸入量程（測量范圍上限 測量范圍下限）測量范圍下限）; xmax 儀表量程的上限值；儀表量程的上限值； xmin儀表量程的上限值；儀表量程的上限值； 第1章傳感與檢測技術概述基本誤差：基本誤差：是指儀表在規(guī)定的標準條件下所具有的誤差。是指儀表在規(guī)定的標準條件下所具有的誤差。 例如例如, 儀表是在電源電壓儀表是在電源電壓(2205)V、電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)頻率(502)Hz、環(huán)、環(huán)境溫度境溫度(205)、 濕度濕度65%5%的條件下標定的。如的條件下標定的。如果這臺儀表在這個條件下工作果這臺儀表在這個條件下工作, 則儀表所

46、具有的誤差為基本則儀表所具有的誤差為基本誤差。誤差。測量儀表的精度等級就是由基本誤差決定的，一般用測量儀表的精度等級就是由基本誤差決定的，一般用引用誤差表示。引用誤差表示。附加誤差：附加誤差：是指當儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的是指當儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。誤差。例如例如, 溫度附加誤差、頻率附加誤差、電源電壓波動溫度附加誤差、頻率附加誤差、電源電壓波動附加誤差等。附加誤差等。 （2） 精確度精確度定義：定義：表示傳感器測量結果與真值之間的偏離程度。表示傳感器測量結果與真值之間的偏離程度。第1章傳感與檢測技術概述精確度等級：精確度等級：是是根據(jù)最大引用誤差來確定根據(jù)最大引用

47、誤差來確定的。工程中以一系列標的。工程中以一系列標準數(shù)值作為儀表基本誤差的最大允許值來分檔表示儀表的精確度，準數(shù)值作為儀表基本誤差的最大允許值來分檔表示儀表的精確度，稱為稱為精確度等級精確度等級。常用的精確度等級有。常用的精確度等級有0.1級、級、0.2級、級、0.5級、級、1.0級、級、1.5級、級、2.0級、級、2.5級、級、4.0級、級、 5.0級。級。注：注：精確度等級已知的儀表只有在被測量值接近滿量程時，才能發(fā)精確度等級已知的儀表只有在被測量值接近滿量程時，才能發(fā)揮它的測量精度。因此選用儀表時應根據(jù)被測量的大小和測量精度揮它的測量精度。因此選用儀表時應根據(jù)被測量的大小和測量精度的要求

48、，合理選擇儀表量程和精確度等級。的要求，合理選擇儀表量程和精確度等級。例例3：測測800 要求誤差要求誤差4 ，現(xiàn)有以下測溫儀表，應選哪一種？，現(xiàn)有以下測溫儀表，應選哪一種？（1）0500 , 1.0級；級； （2）01000 ，0.5 級；級； （3）01000 ，0.2級；級； （4）02000 ，0.2級。級。第1章傳感與檢測技術概述解：解：（1）不能測；）不能測；（2）測）測800 可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為1000 （ 0.5%）= 5 ；（3）測）測800 可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為1000 （ 0.2%）= 2 ；（4）測）測800 可

49、能出現(xiàn)的最大絕對誤差為可能出現(xiàn)的最大絕對誤差為2000 （ 0.2%）= 4 ； 應選第（應選第（3）種。）種。例例3：測測800 要求誤差要求誤差4 ，現(xiàn)有以下測溫儀表，應選，現(xiàn)有以下測溫儀表，應選哪一種？哪一種？ （1）0500 , 1.0級；級； （2）01000 ，0.5 級；級； （3）01000 ，0.2級；級； （4）02000 ，0.2級。級。第1章傳感與檢測技術概述 二、二、 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性 輸入信號變化時，引起輸出信號也隨時間變化，這個過輸入信號變化時，引起輸出信號也隨時間變化，這個過程叫程叫響應。響應。 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間

50、變化的輸入量的是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。響應特性。 當被測量隨時間變化當被測量隨時間變化,是時間的函數(shù)時是時間的函數(shù)時, 則傳感器則傳感器的輸出量也是時間的函數(shù)的輸出量也是時間的函數(shù),其間的關系要用動特性來表示。其間的關系要用動特性來表示。 一個動態(tài)特性好的傳感器一個動態(tài)特性好的傳感器, 其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律, 即具有相同的時間函數(shù)。實際上除了具有理想的比例特性外即具有相同的時間函數(shù)。實際上除了具有理想的比例特性外, 輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù)輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù),這種輸出與這種輸出與輸入間的差異就是所謂的輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差動態(tài)誤差。 第1章傳感與檢測技術概述 實際工作