第一章 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

傳感器原理與應(yīng)用（清華大學(xué)出版社）第一章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第1章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)1.1自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)概論1.2測(cè)量方法與測(cè)量誤差1.3傳感器定義、組成、分類1.4傳感器的基本特性1.1

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)概論1.1.1自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的重要性1.1.2自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)1.1.3自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.1.1

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的重要性測(cè)試手段就是儀器儀表

在工程上所要測(cè)量的參數(shù)大多數(shù)為非電量，促使人們用電測(cè)的方法來(lái)研究非電量，即研究用電測(cè)的方法測(cè)量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速地測(cè)得非電量的技術(shù)。非電量電測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快、能自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)行測(cè)量、可以進(jìn)行遙測(cè)、便于自動(dòng)記錄、可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、可采用微處理器做成智能儀表、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換等。機(jī)械制造業(yè)化工行業(yè)煙草行業(yè)環(huán)境保護(hù)等部門(mén)現(xiàn)代物流行業(yè)科學(xué)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中文物保護(hù)領(lǐng)域綜上所述，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與我們的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)。它是自動(dòng)化領(lǐng)域的重要組成部分，尤其在自動(dòng)控制中，如果對(duì)控制參數(shù)不能有效準(zhǔn)確的檢測(cè)，控制就成為無(wú)源之水，無(wú)本之木。1.1.2

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成

在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中，各組成部分常以信息流的過(guò)程來(lái)劃分，一般可分為：信息的獲取、轉(zhuǎn)換、處理和輸出幾部分。系統(tǒng)首先要獲取被檢測(cè)的信息，把他變換成電量，然后把已經(jīng)轉(zhuǎn)換成電量的信息進(jìn)行放大、整形等處理，再通過(guò)輸出單元把信息顯示出來(lái)，或者通過(guò)輸出單元把已經(jīng)處理的信息送到控制系統(tǒng)其它單元使用傳感器：把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測(cè)量裝置。測(cè)量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號(hào)，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測(cè)或反饋信號(hào)。輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報(bào)警器、數(shù)據(jù)處理電路等。1.1.3

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)不斷提高儀器的性能、可靠性，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。開(kāi)發(fā)新型傳感器。開(kāi)發(fā)傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與儀器儀表和傳感器的結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化測(cè)試系統(tǒng)，使測(cè)量精度、自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高。研究集成化、多功能和智能化傳感器或測(cè)試系統(tǒng)。1.2測(cè)量方法與測(cè)量誤差1.2.1測(cè)量方法1.2.2測(cè)量誤差的表示方法1.2.3測(cè)量誤差的分類1.2.4測(cè)量的精密度、正確度和精確度1.2.5系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)和處理1.2.1

測(cè)量方法1.按照測(cè)量過(guò)程的特點(diǎn)分類（1）直接測(cè)量法（2）間接測(cè)量法（3）組合測(cè)量法1.2.1

測(cè)量方法2.按照測(cè)量的因素分類（1）等精度測(cè)量法（2）非等精度測(cè)量法3.按測(cè)量?jī)x表特點(diǎn)分類（1）接觸測(cè)量法（2）非接觸測(cè)量法4.按測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)分類（1）靜態(tài)測(cè)量法（2）動(dòng)態(tài)測(cè)量法1.2.2

測(cè)量誤差的表示方法任何物理量，在一定條件下，都存在一個(gè)客觀值，這個(gè)客觀值稱為該物理量的真實(shí)值，或叫做真值。而用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)出來(lái)的值則稱為該物理量的測(cè)得值。實(shí)際測(cè)量中，由于儀器準(zhǔn)確度、測(cè)量方法、環(huán)境等因素的影響，任何測(cè)量總得不到真實(shí)值，即測(cè)量結(jié)果和被測(cè)量的真值之間，總是或多或少地存在一些差異，這種差異就叫測(cè)量誤差。誤差存在于一切測(cè)量的過(guò)場(chǎng)中，這成為一條公理。1.2.2

測(cè)量誤差的表示方法測(cè)量誤差就是測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真值之間的差，可用下式表示：式中，△：測(cè)量誤差；

X：測(cè)量結(jié)果（由測(cè)量所得到的被測(cè)量值）；

X0：被測(cè)量的真值。(1)絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差可以為正也可以為負(fù)值，且是一個(gè)有單位的物理量。實(shí)際測(cè)量中是用多次測(cè)量的算術(shù)平均值來(lái)代替真值，測(cè)得值與算術(shù)平均值之差稱為偏差，又稱殘差，用△表示，即假定一個(gè)物體的真實(shí)長(zhǎng)度為95.0mm，而測(cè)得值為95.5mm。則測(cè)量誤差為0.5mm。另一物體的真實(shí)長(zhǎng)度為9.0mm，測(cè)得值為9.5cm，測(cè)量誤差也為0.5cm。從絕對(duì)誤差看兩者相等，但測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度卻大不一樣。顯然，評(píng)價(jià)一個(gè)測(cè)量結(jié)果的優(yōu)劣，不僅要看絕對(duì)誤差的大小，還要看被測(cè)量本身的大小。(2)相對(duì)誤差相對(duì)誤差為絕對(duì)誤差與真值之比，因測(cè)得值與真值接近，所以也可近似用絕對(duì)誤差與測(cè)得值之比值作為相對(duì)誤差，一般用百分比來(lái)表示(3)引用誤差為了計(jì)算和劃分準(zhǔn)確度等級(jí)的方便，通常采用引用誤差，它是從相對(duì)誤差演變過(guò)來(lái)的，定義為絕對(duì)誤差與測(cè)量?jī)x表量程之比，用百分?jǐn)?shù)表示(4)基本誤差基本誤差是指儀表在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下工作時(shí)所具有的誤差。如儀表在電源電壓、電網(wǎng)頻率、環(huán)境溫度和濕度規(guī)定允許的波動(dòng)范圍等條件下工作時(shí)所具有的誤差。(5)附加誤差附加誤差是指儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。如溫度附加誤差、頻率附加誤差、電源電壓波動(dòng)附加誤差。1.2.3

測(cè)量誤差的分類（1）系統(tǒng)誤差（2）隨機(jī)誤差（3）粗大誤差1.2.4

測(cè)量的精密度、準(zhǔn)確度、精確度反映測(cè)量結(jié)果與真值接近程度的量

(1)準(zhǔn)確度

(2)精密度

(3)精確度對(duì)于具體的測(cè)量，精密度高的而準(zhǔn)確度不一定高，準(zhǔn)確度高的精密度不一定高，但精確度高，則精密度和準(zhǔn)確度都高。1.2.5

系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)和處理1、系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)理論分析及計(jì)算實(shí)驗(yàn)對(duì)比法數(shù)據(jù)分析法（1）理論分析法

分析實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的原理是否嚴(yán)密，測(cè)量所用理論公式要求的條件是否滿足。如伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)中，電流表、電壓表內(nèi)阻是否符合要求等。分析實(shí)驗(yàn)方法是否完善，測(cè)量?jī)x器所要求的使用條件在測(cè)量過(guò)程中是否已經(jīng)滿足。如天平的水平、零點(diǎn)是否調(diào)節(jié)妥當(dāng)；各類電表水平或垂直放置是否正確等。（2）實(shí)驗(yàn)對(duì)比法

改變測(cè)量方法或?qū)嶒?yàn)條件，改變實(shí)驗(yàn)中某些參量的數(shù)值或測(cè)量值，調(diào)換測(cè)量?jī)x器或操作人員等進(jìn)行對(duì)比，看測(cè)量結(jié)果是否一致，這是發(fā)現(xiàn)定值系統(tǒng)誤差最基本的方法。（3）數(shù)據(jù)分析法對(duì)同一被測(cè)量值進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，通過(guò)計(jì)算偏差、進(jìn)行作圖或列表分析，可發(fā)現(xiàn)測(cè)量中是否存在變值系統(tǒng)誤差，這是殘差統(tǒng)計(jì)法。如將測(cè)量數(shù)據(jù)按測(cè)量先后順序排列，觀察其偏離的符號(hào)，若正負(fù)大體相同，并無(wú)顯著的變化規(guī)律，就可不用懷疑存在系統(tǒng)誤差。即通過(guò)計(jì)算進(jìn)行比較看其是否滿足存在隨機(jī)誤差的條件，否則，測(cè)量中存在變值系統(tǒng)誤差。2.系統(tǒng)誤差的處理從產(chǎn)生誤差源上消除系統(tǒng)誤差引入修正值法選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法1.3

傳感器的定義、組成與分類

1.3.1傳感器的定義

1.3.2傳感器的作用和組成

1.3.3傳感器的分類1.3.1

傳感器的定義（1）傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；（2）它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量；（3）它的輸出量是某種物理量，這種量應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，其可以是光、電等信號(hào)，主要是電信號(hào)。（4）輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度。1.3.2

傳感器的作用與組成1.傳感器的作用傳感器的功用是一感二傳，即感受被測(cè)信息，并傳動(dòng)出去。生產(chǎn)過(guò)程中有各種各樣的參數(shù)需要進(jìn)行檢測(cè)和控制，如常用的力、壓力、溫度、流量、物位、轉(zhuǎn)速、位移、振動(dòng)等非電量。傳感器是檢測(cè)和控制這些參數(shù)的關(guān)鍵部件。1.3.2

傳感器的作用與組成2.傳感器的組成（1）敏感元件它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。（2）轉(zhuǎn)換元件敏感元件的輸出就是它的輸入，他把輸入量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量。（3）轉(zhuǎn)換電路1.3.3

傳感器的分類電位器傳感器位移電阻絲應(yīng)變片傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器微應(yīng)力、力、復(fù)合熱絲傳感器氣流速度、液體流量電阻溫度傳感器溫度、輻射熱熱敏電阻傳感器溫度光敏電阻傳感器光強(qiáng)濕敏電阻濕度中間參量：電阻1.3.3

傳感器的分類中間參量：電容電容傳感器力、壓力、負(fù)荷、位移液位、厚度、含水量電感傳感器位移渦流傳感器位移、厚度、硬度壓磁傳感器力、壓力1.3.3

傳感器的分類中間參量：電感差動(dòng)變壓器位移自整角機(jī)位移旋轉(zhuǎn)變壓器位移中間參量：頻率振弦式傳感器位移振筒式傳感器壓力、力石英諧振傳感器力、溫度等1.3.3

傳感器的分類中間參量：計(jì)數(shù)光柵大角位移、大直線位移感應(yīng)同步器磁柵角度編碼器大角位移中間參量：數(shù)字1.3.3

傳感器的分類中間參量：電動(dòng)勢(shì)熱電偶溫度、熱流霍爾傳感器磁通、電流磁電傳感器速度、加速度光電池光強(qiáng)中間參量：電荷電離室離子計(jì)數(shù)、放射性強(qiáng)度壓電傳感器動(dòng)態(tài)力、加速度1.4

傳感器的基本特性

1.4.1靜態(tài)特性

1.4.2動(dòng)態(tài)特性

1.4.3傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)1.4.1

傳感器的靜特性輸出與輸入間關(guān)系

微分方程靜特性：輸入量為常量，或變化極慢動(dòng)特性：輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)微分方程中的一階及以上的微分項(xiàng)取為零時(shí)，可得到靜特性（動(dòng)特性的特例）表示傳感器在被測(cè)量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出輸入關(guān)系希望輸出與輸入具有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且呈線性關(guān)系。靜特性指標(biāo)

線性度靈敏度遲滯重復(fù)性1、線性度靜特性輸出量輸入量零點(diǎn)輸出理論靈敏度非線性項(xiàng)系數(shù)直線擬合線性化非線性誤差或線性度最大非線性誤差滿量程輸出直線擬合線性化出發(fā)點(diǎn)獲得最小的非線性誤差擬合方法：①理論擬合；②過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；③端點(diǎn)連線擬合；④端點(diǎn)連線平移擬合；①理論擬合擬合直線為傳感器的理論特性，與實(shí)際測(cè)試值無(wú)關(guān)。方法十分簡(jiǎn)單，但一般說(shuō)較大xyΔLmax②過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合曲線過(guò)零的傳感器。擬合時(shí)，使xyΔL2ΔL1③端點(diǎn)連線擬合把輸出曲線兩端點(diǎn)的連線作為擬合直線xyΔLmax④端點(diǎn)連線平移擬合在端點(diǎn)連線擬合基礎(chǔ)上使直線平移，移動(dòng)距離為原先的一半yxΔLmaxΔL12、靈敏度傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度表征傳感器對(duì)輸入量變化的反應(yīng)能力表征傳感器對(duì)輸入量變化的反應(yīng)能力(a)線性傳感器(b)非線性傳感器

3、遲滯正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯

—正反行程間輸出的最大差值。遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差，常用絕對(duì)誤差表示檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反