第1章 傳感器技術(shù)基礎(chǔ)

第1章

傳感器技術(shù)基礎(chǔ)測(cè)量的概念和測(cè)量方法1.1測(cè)量誤差及分類1.2傳感器與自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)1.3傳感器的特性與技術(shù)指標(biāo)1.4【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握測(cè)量的概念及測(cè)量的方法掌握測(cè)量的誤差及分類掌握傳感器與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成【技能目標(biāo)】具備對(duì)相關(guān)事物測(cè)量的能力認(rèn)識(shí)傳感器應(yīng)用電路的能力1.1測(cè)量的概念和測(cè)量方法1.1.1測(cè)量的概念

測(cè)量是人們借助于專門的設(shè)備，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)被測(cè)對(duì)象收集信息、取得數(shù)量概念的過(guò)程。

測(cè)量的實(shí)質(zhì)是一個(gè)比較的過(guò)程，即將被測(cè)量與和它同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，獲得被測(cè)量為標(biāo)準(zhǔn)量的若干倍的數(shù)量概念。

檢測(cè)是意義更為廣泛的測(cè)量，它包含測(cè)量和檢驗(yàn)的雙重含義。

上述定義用數(shù)學(xué)公式表示，則為

式中：A—被測(cè)量； [A]—所選被測(cè)量的單位； {X}—在所選單位下被測(cè)量的數(shù)值。

測(cè)量的結(jié)果可以表現(xiàn)為一定的數(shù)字，也可以表現(xiàn)為一條曲線或顯示成某種圖形等。

但無(wú)論其表現(xiàn)形式如何，測(cè)量結(jié)果總包含有兩個(gè)部分：其一是數(shù)值的大小極其符號(hào)；其二是相應(yīng)的單位。

表示測(cè)量結(jié)果時(shí)，不注明單位，該結(jié)果將無(wú)意義。1.1.2測(cè)量方法

對(duì)于測(cè)量方法，從不同的角度出發(fā)，有不同的分類方法。 1．靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量 2．直接測(cè)量和間接測(cè)量3．模擬式測(cè)量和數(shù)字式測(cè)量4．接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量5．在線測(cè)量和離線測(cè)量6．偏差法、零位法和微差法測(cè)量1.2測(cè)量誤差及分類1.2.1測(cè)量誤差的概念1.2.2測(cè)量誤差的分類1．按誤差的表示方法分類（1）絕對(duì)誤差

（2）相對(duì)誤差

①實(shí)際相對(duì)誤差δA：實(shí)際相對(duì)誤差是用絕對(duì)誤差x與被測(cè)量實(shí)際值Ａ的百分比來(lái)表示的相對(duì)誤差，即

②示值相對(duì)誤差δX：示值相對(duì)誤差是用絕對(duì)誤差x與儀器示值Ｘ的百分比值來(lái)表示的相對(duì)誤差，即

③滿度（或引用）相對(duì)誤差δｍ：滿度相對(duì)誤差是用絕對(duì)誤差x與儀器的滿度值xm的百分比值表示的相對(duì)誤差，即

④儀表精度等級(jí)S：當(dāng)公式（1.7）中x取最大值m時(shí)稱為允許相對(duì)百分誤差，并常被用來(lái)確定儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)S，即

儀表在正常工作條件下使用時(shí)，各等級(jí)儀表的基本誤差不超過(guò)表1.1所規(guī)定的值。等

級(jí)0.10.20.51.01.52.55.0基本誤差0.1%0.2%0.5%1.0%

1.5%

2.5%

5.0%表1.1 儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)和基本誤差2．按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類

①系統(tǒng)誤差：其變化規(guī)律服從某種已知函數(shù)。

②隨機(jī)誤差：也稱偶然誤差，其變化規(guī)律未知。

③粗大誤差：是指在一定條件下測(cè)量結(jié)果顯著地偏離其實(shí)際值所對(duì)應(yīng)的誤差。3．按誤差是否隨時(shí)間變化分類

①靜態(tài)誤差：是指被測(cè)量不隨時(shí)間變化時(shí)所產(chǎn)生的誤差。

②動(dòng)態(tài)誤差：是指被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)所產(chǎn)生的誤差，即被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上不能與被測(cè)量的變化精確吻合。1.3傳感器與自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)1.3.1傳感器的定義及組成

傳感器是一種能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。

常用傳感器的輸出信號(hào)多為易于處理的電量，如電壓、電流、頻率等。

傳感器由敏感元件、傳感元件及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路3部分組成，如圖l.1所示。圖1.1傳感器組成框圖

圖1.2所示為一臺(tái)測(cè)量壓力用的電位器式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。l—彈簧管（敏感元件）2—電位器（傳感元件、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路）3—電刷4—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪—齒條）

圖1.2電位器式壓力傳感器1.3.2傳感器的分類1．按被測(cè)物理量分類

表1-2所示為常見(jiàn)的非電基本被測(cè)量和衍生被測(cè)量?；颈粶y(cè)量衍生被測(cè)量基本被測(cè)量衍生被測(cè)量位移線位移長(zhǎng)度、厚度、應(yīng)變、振動(dòng)、磨損、平面度力壓力重量、應(yīng)力、力矩角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)時(shí)間頻率周期、計(jì)數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量溫度熱容、氣體速度、渦流角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)光光通量與密度、光譜分布加速度線加速度振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量濕度水汽、水分、露點(diǎn)角加速度角振動(dòng)、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表1.2 常見(jiàn)的非電基本被測(cè)量及衍生被測(cè)量2．按傳感器工作原理分類（1）電學(xué)式傳感器

電學(xué)式傳感器是應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器、電渦流式傳感器等。（2）磁學(xué)式傳感器

磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的。

磁學(xué)式傳感器主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測(cè)量。（3）光電式傳感器

光電式傳感器在非電量電測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)中占有重要的地位。

它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理而制成。

光電式傳感器主要用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測(cè)量。（4）電勢(shì)型傳感器

電勢(shì)型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)及霍耳效應(yīng)等原理而制成的。

電勢(shì)型傳感器主要用于溫度、磁通量、電流、速度、光通量、熱輻射等參數(shù)的測(cè)量。（5）電荷型傳感器

電荷型傳感器是利用壓電效應(yīng)原理而制成的，主要用于力及加速度的測(cè)量。（6）半導(dǎo)體型傳感器

半導(dǎo)體型傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)及半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理而制成。（7）諧振式傳感器

諧振式傳感器是利用改變電或機(jī)械的固有參數(shù)來(lái)改變諧振頻率的原理而制成的，主要用來(lái)測(cè)量壓力。（8）電化學(xué)式傳感器

電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電原理為基礎(chǔ)而制成的。

根據(jù)其電特性的形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜（極化）式傳感器、電解式傳感器等。1.3.3自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)

自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)通?？煞譃殚_環(huán)與閉環(huán)兩種，分別如圖1.3和圖1.4所示。圖1.3開環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖1.4閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 1．系統(tǒng)框圖 2．被控對(duì)象 3．傳感器 4．?dāng)?shù)據(jù)處理裝置（包括測(cè)量電路和信息處理） 5．給定元件6．比較機(jī)構(gòu)7．調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)8．顯示器9．執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖1.5非電量檢測(cè)原理框圖1.4傳感器的特性與技術(shù)指標(biāo)1.4.1靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來(lái)表示，即式中：Δx—輸入量的變化值；

Δy—輸出量的變化值。

可以通過(guò)作該曲線的切線的方法（作圖法）來(lái)求得曲線上任一點(diǎn)的靈敏度，如圖1.6所示。

由切線的斜率可以看出，x2點(diǎn)的靈敏度比x1的高。圖1.6用作圖法求取傳感器的靈敏度1.4.2分辨力1.4.3線性度

線性度又稱非線性誤差，是指?jìng)鞲衅鲗?shí)際特性曲線與擬合直線（有時(shí)也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。

如圖1.7所示，它可用下式表示，且多取其正值。1—擬合直線y=ax+b2—實(shí)際特性曲線圖1.7傳感器線性度示意圖

式中：ΔLmax—最大非線性誤差； ymax-ymin—輸出范圍。1.4.4穩(wěn)定性

穩(wěn)定性包含穩(wěn)定度和環(huán)境影響量?jī)蓚€(gè)方面。

穩(wěn)定度是指儀表在所有條件都恒定不變的情況下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能維持其示值不變的能力。

穩(wěn)定度一般以儀表的示值變化量和時(shí)間的長(zhǎng)短之比來(lái)表示。

例如，某儀表輸出電壓值在10h內(nèi)的最大變化量為1.3mV，則表示為1.3rnV/10h。1.4.5電磁兼容性

所謂電磁兼容是指電子設(shè)備在規(guī)定的電磁干擾環(huán)境中能按照原設(shè)計(jì)要求而正常工作的能力，而且也不向處于同一環(huán)境中的其他設(shè)備釋放超過(guò)允許范圍的電磁干擾。1.4.6可靠性

可靠性是反映檢測(cè)系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是否耐用的一種綜合性的質(zhì)量指標(biāo)。

常用的可靠性指標(biāo)有以下幾種。

①故障平均間隔時(shí)間：它是指兩次故障間隔的時(shí)間。

②平均修復(fù)時(shí)間：它是指排除故障所花費(fèi)的時(shí)間。

③故障率或失效率：它可用圖l.8所示的故障率變化曲線來(lái)說(shuō)明。故障率的變化大體上可分成如下3個(gè)階段。初期失效期：這期間開始階段故障率很高，失效的可能性很大，但隨著使用時(shí)間的增加而迅速降低。偶然失效期：這期間的故障率較低，是構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)使用壽命的主要部分。衰老失效期：這期間的故障率隨時(shí)間的增加而迅速增大，經(jīng)常損壞和維修。原因是元器件老化，隨時(shí)都有可能損壞。圖1.8故障率變化曲線1.5技能實(shí)訓(xùn)1．要求

觀察了解圖1.9中所示傳感器的應(yīng)用，舉例說(shuō)明生活中傳感器的應(yīng)用。圖1.9傳感器應(yīng)用圖2．實(shí)訓(xùn)步驟

①通過(guò)多媒體、實(shí)物等方式讓學(xué)生觀察、分析生活中應(yīng)用的傳感器。

②將學(xué)生分組，組織學(xué)生討論。

③讓學(xué)生列舉生活中傳感器應(yīng)用的實(shí)例。

④讓學(xué)生繪圖解釋自己認(rèn)識(shí)的傳感器。3．評(píng)價(jià)總結(jié)

請(qǐng)學(xué)生根據(jù)小組討論結(jié)果寫一份調(diào)研報(bào)告。本章小