英才學(xué)院傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)課件01檢測(cè)技術(shù)的基本知識(shí)與傳感器的基本概念

1、任務(wù)一：檢測(cè)技術(shù)的基本知識(shí)與傳感器的基本概念 1.1 檢測(cè)方法及檢測(cè)系統(tǒng)的組成1.1 .1 測(cè)量的基本概念一、物理量：用數(shù)值表示的物質(zhì)狀態(tài)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特性的量。如：電流、溫度二、測(cè)量：以確定被測(cè)量的數(shù)值為目的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，將被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)單位相比較的過(guò)程。2、在某些測(cè)量中，結(jié)果也可以表示為曲線、圖形等3、測(cè)量結(jié)果必須含有（明示或隱含）結(jié)果，可信程度的表示。4、廣義測(cè)量：完成對(duì)被測(cè)量進(jìn)行檢查，變換分析、處理、存儲(chǔ)、控制、顯示等功能的綜合過(guò)程。1.1.2 測(cè)量方法：對(duì)測(cè)量的分類一、按測(cè)量數(shù)據(jù)的處理方式分為： 直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量。 1、直接測(cè)量：有對(duì)被測(cè)量量的專用測(cè)量?jī)x器，通過(guò)測(cè)量可直接

2、獲取被測(cè)量值的方法。如：電流表測(cè)電流，溫度計(jì)測(cè)溫度 3、組合測(cè)量：若干被測(cè)量測(cè)量，通過(guò)一組直接測(cè)量量按一定的函數(shù)關(guān)系列出聯(lián)立方程組，解聯(lián)立方程組得到最終結(jié)果的測(cè)量方法稱作組合測(cè)量。二、按測(cè)量精度可以分為 1、等精度測(cè)量：用相同測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法，對(duì)同一被測(cè)量的多次重復(fù)測(cè)量。 2非等量測(cè)量：使用不同的測(cè)量?jī)x器，或使用不同的測(cè)量方法，或測(cè)量環(huán)境有變化時(shí)對(duì)同一被測(cè)量的多次重復(fù)測(cè)量三按測(cè)量?jī)x表數(shù)據(jù)顯示方式 1、偏差式測(cè)量：利用測(cè)量?jī)x表的指針位移量顯示測(cè)量值。例如：普通的電流表，電壓表等。 2、零位式測(cè)量：利用已知標(biāo)準(zhǔn)量，用平衡、補(bǔ)償或抵消被測(cè)量的作用，用指零式儀表測(cè)量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，從而判定被測(cè)量等于

3、已知標(biāo)準(zhǔn)量的測(cè)量方法稱作零位式測(cè)量。 四根據(jù)需要測(cè)量分類還有： 1.按照被測(cè)量工作狀態(tài)：靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量； 靜態(tài)測(cè)量：被測(cè)量工作狀態(tài)穩(wěn)定，測(cè)量的被測(cè)量值是被測(cè)量的確定值。 動(dòng)態(tài)測(cè)量：被測(cè)量工作狀態(tài)隨時(shí)間變化，測(cè)量的被測(cè)量值是被測(cè)量的瞬時(shí)值。 2.按照測(cè)量模式：接觸測(cè)量，非接觸測(cè)量。例如：測(cè)溫度：用鉑一銠熱電偶插入測(cè)量是直接測(cè)量，而用光譜溫度計(jì)測(cè)被測(cè)量發(fā)出的光譜就可以測(cè)到被測(cè)量溫度，就是非接觸測(cè)量。 1、傳感器：將被測(cè)量量轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的易測(cè)量量； 2、信號(hào)處理：將傳感器輸出的弱信號(hào)加以放大，調(diào)制、解調(diào)、濾波或數(shù)字化處理后轉(zhuǎn)變具有一定功率信號(hào)，推動(dòng)后期裝置。 3、顯示裝置：將測(cè)量信號(hào)的數(shù)值大小

4、或變化過(guò)程展示的裝置；通常有模擬顯示、數(shù)字顯示和圖象顯示。 4、數(shù)理處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)：數(shù)理處理是對(duì)被測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析、運(yùn)算等，在自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中，處理后的數(shù)據(jù)用以驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，形成測(cè)控系統(tǒng)的輸出，這就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 5、自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用：（略）1.2 誤差理論1.2.1 測(cè)量誤差一、誤差來(lái)源 1、來(lái)源：儀器誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差、隨機(jī)因素誤差等等。2、誤差存在的必然性。 3、誤差分類：（1）按誤差表示方法分為：絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差；（2）按誤差處理方式分為：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差；（3）按被測(cè)量狀態(tài)分為：靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)誤差，等等。 注：“誤差”一詞的含義有錯(cuò)誤的意思，

5、這一點(diǎn)在測(cè)量誤差學(xué)術(shù)用語(yǔ)中是不存在的！為避免誤解，1980年國(guó)際計(jì)量局提出實(shí)驗(yàn)不確定度建議書INC1 ，1986年ISO制定了測(cè)量不確定度指南，用“不確定度”代替“誤差”一詞正在世界各國(guó)逐步推廣和使用。 三、系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差 1、系統(tǒng)誤差 （1）特征：在相對(duì)條件下，多次重復(fù)測(cè)量，誤差保持恒定，或遵循一定規(guī)律變化。 例如：流量計(jì)因長(zhǎng)期使用，出口口徑變大，產(chǎn)生恒系差。 （2）產(chǎn)生原因：測(cè)量裝置性能不完善； 測(cè)量方法不當(dāng)； 測(cè)量?jī)x器使用不當(dāng)； 環(huán)境條件變化； 測(cè)試操作人員素質(zhì)因素，等等 （3）消除或減少方法,具體問(wèn)題具體分析,查明原因采取對(duì)策,采取預(yù)防、修正等方法，對(duì)癥下藥，減少或消除系

6、統(tǒng)誤差。 例：儀器性能原因：天平不等臂，可采用補(bǔ)償法交換測(cè)量； 測(cè)量方法不當(dāng)：用單擺測(cè)重力加速度，忽略空氣阻力，可采用周期增加0、6%加以修正； 儀器使用不當(dāng)：良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，要求儀器處于一定恒溫條件。若環(huán)境溫度不達(dá)標(biāo)，就要對(duì)結(jié)果修正。等等 2、隨機(jī)誤差： （1）特征：在相同條件下對(duì)同一量的多次重復(fù)測(cè)量，其誤差的大小和方向以不可預(yù)見的方式隨機(jī)變化，其變化服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 （2）產(chǎn)生原因：隨機(jī)因素和復(fù)雜環(huán)境的微小變化總和。 （3）處理方法：根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論估計(jì)出其對(duì)結(jié)果的影響。 3、粗大誤差，也稱過(guò)失誤差， 簡(jiǎn)稱粗差 （1）特點(diǎn)：明顯歪曲測(cè)量結(jié)果，使測(cè)量結(jié)果異常； （2）產(chǎn)生原因：工作人員失誤，測(cè)

7、量方法嚴(yán)重不當(dāng)，環(huán)境條件突變等等； （3）處理方法：根據(jù)一定法則判定，將含粗差的測(cè)量數(shù)據(jù)揚(yáng)棄。 4、靜態(tài)誤差與動(dòng)態(tài)誤差（略） 例1 . 等精度測(cè)量某電阻10次，得到的測(cè)量值為167.95 、167.60 、167.87 、168.00 、167.82 、167.45 、167.60 、167.88 、167.85 、167.60 ，求測(cè)量結(jié)果。 解：將測(cè)量值列于表1.1。 （2）單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差：對(duì)某一量只進(jìn)行一次測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果中也含有隨機(jī)誤差。測(cè)量值為x，估計(jì)其極限誤差，例如可以取儀器刻度的最小分格值，則單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差為： 認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)差正態(tài)分布時(shí)： 認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)差服從均勻分布時(shí): 二、粗大誤差

8、的處理： 粗大誤差的處理，基本原則是判定某一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)中含有粗差時(shí)，該數(shù)據(jù)揚(yáng)棄。因此根據(jù)一定的準(zhǔn)則作出科學(xué)判定是粗大誤差處理的關(guān)鍵。判定的準(zhǔn)則很多，這些準(zhǔn)則都有不同領(lǐng)域的應(yīng)用，這里只介紹應(yīng)用較多的拉依達(dá)法則，亦稱3 法則。處理過(guò)程如下： 三 、系統(tǒng)誤差處理 系統(tǒng)誤差的處理沒有普通適用的方法，而是針對(duì)具體情況采用不同的措施進(jìn)行處理，但也有一些行之有效的成功經(jīng)驗(yàn)供借鑒、參考。介紹如下： 1、從產(chǎn)生誤差的根源上消除系統(tǒng)誤差，對(duì)測(cè)量的各個(gè)環(huán)節(jié)作出仔細(xì)分析，對(duì)有可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的因素在測(cè)量前作出校正、培訓(xùn)，檢查，維修等等。 2、因測(cè)量方法引起的系統(tǒng)誤差應(yīng)采用修正測(cè)量方法的辦法消除或減少。 3、對(duì)恒系差可

9、采用：標(biāo)準(zhǔn)量替代法，抵消法，交換法等方法消除或減小。 4、對(duì)周期性系差，可采用半周期法發(fā)現(xiàn)與消除或減少。 1.3 傳感器的基本概念1.3.1 傳感器的定義與組成傳感器(狹義):能感應(yīng)被測(cè)量的變化并將其轉(zhuǎn)換為其他物理量變化的器件.傳感器(廣義):是信號(hào)檢出器件和信號(hào)處理部分的總稱.組成 : 一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)調(diào)理電路組成.1.3.2 傳感器的分類按測(cè)量的性質(zhì)劃分:位移傳感器,壓力傳感器,溫度傳感器等.按工作的原理劃分:電阻應(yīng)變式,電感式,電容式,壓電式,磁電式傳感器等.按測(cè)量的轉(zhuǎn)換特征劃分:結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器.按能量傳遞的方式劃分:能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器.1.3.

10、3.傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性1 、線性度 是指輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度,又叫非線性誤差.2 、靈敏度 靈敏度 S是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽吭隽颗c引起輸出量增量的輸入量的比值. 對(duì)于線性傳感器,它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率. 對(duì)于非線性傳感器,它的靈敏度為一個(gè)變量用S=dy/dx來(lái)表示.3、遲滯 遲滯 是指?jìng)鞲衅髟谡蛐谐毯头聪蛐谐唐陂g,輸出-輸入曲線不重合的現(xiàn)象. 4、重復(fù)性 重復(fù)性 是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃鋈砍潭啻螠y(cè)試時(shí),所得特性曲線不一致性的程度.5、分辨率 分辨率 是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)輸入量的最小變化量.6、穩(wěn)定性 穩(wěn)定性 是指?jìng)鞲衅髟谑覝貤l件下,經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔,傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異.7、漂移 漂移是指?jìng)鞲衅髟谕饨绲母蓴_下,輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的變化,包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等.1.4 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及其發(fā)展1.4.1 、傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域1 、生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)量與控制2 、安全報(bào)警與環(huán)境保護(hù)3 、自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人4 、交通運(yùn)輸和資源探測(cè)5 、醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器 工業(yè)生產(chǎn) 機(jī)器人視覺: 平面、立體非視覺:觸覺、滑覺、 熱覺、力覺、 接