第1章基本知識(shí)

第1章檢測(cè)技術(shù)基本知識(shí)1.1測(cè)量與測(cè)量誤差1.2傳感器的組成和特性9/18/202311.2傳感器的組成與特性1.2.1傳感器的定義、組成和分類1.傳感器的定義傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。在有些學(xué)科領(lǐng)域，傳感器又稱為敏感元件、檢測(cè)器、轉(zhuǎn)換器等。這些不同提法，反映了在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，只是根據(jù)器件用途對(duì)同一類型的器件使用著不同的技術(shù)術(shù)語(yǔ)而已。

9/18/20232傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路組成。如圖1—3示。傳感器組成框圖9/18/202332.傳感器分類（1）按被測(cè)量分類：可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。這種方法明確表明了傳感器的用途，便于使用者選用。如上圖所示為壓力傳感器，用于測(cè)量壓力信號(hào)。（2）按測(cè)量原理分類：可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。這種方法表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。如上圖所示為電阻式壓力傳感器。（3）按傳感器轉(zhuǎn)換能量供給形式分類：分為能量變換型（發(fā)電型）和能量控制型（參量型）兩種。9/18/202343.傳感器代號(hào)（1）主稱——傳感器代號(hào)C。（2）被測(cè)量—用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。（3）轉(zhuǎn)換原理——用一個(gè)或兩個(gè)漢語(yǔ)拼音的第一個(gè)大寫字母標(biāo)記。（4）序號(hào)——用一個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來(lái)表征產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。例：CWY—YB—20傳感器。

C：傳感器主稱，WY：被測(cè)量是位移，YB：轉(zhuǎn)換原理是應(yīng)變式，20，傳感器序號(hào)。9/18/202351.1.1測(cè)量方法

實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法，稱為測(cè)量方法。分類：（1）直接測(cè)量：直接測(cè)量就是用預(yù)先標(biāo)定好的測(cè)量?jī)x表直接讀取被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果。例如用萬(wàn)用表測(cè)量電壓、電流、電阻等。這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單而迅速，缺點(diǎn)是精度一般不高。但這種測(cè)量方法在工程上廣泛采用。（2）間接測(cè)量：間接測(cè)量就是利用被測(cè)量與某中間量的函數(shù)關(guān)系，先測(cè)出中間量，然后通過(guò)相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出被測(cè)量的數(shù)值。例如導(dǎo)線電阻的測(cè)量就是間接測(cè)量。間接測(cè)量多用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。9/18/20236（3）聯(lián)立測(cè)量：聯(lián)立測(cè)量又叫組合測(cè)量。如果被測(cè)量有多個(gè)，而且被測(cè)量又與某些可以通過(guò)直接或間接測(cè)量得到結(jié)果的其他量存在一定的函數(shù)關(guān)系，則可先測(cè)量這幾個(gè)量，再求解函數(shù)關(guān)系組成的聯(lián)立方程組，從而得到多個(gè)被測(cè)量的數(shù)值。例如：在研究熱電阻Rt隨溫度ｔ變化的規(guī)律時(shí)在一定的溫度范圍內(nèi)有下列關(guān)系式9/18/20237Rt=R20+α(ｔ－20)＋β(ｔ－20)2

式中，R20、α、β是三個(gè)待測(cè)的量，R20是電阻在20℃時(shí)的數(shù)值，α、β是電阻的溫度系數(shù)。依據(jù)此關(guān)系式，測(cè)出在t1、t2、t3三個(gè)不同的測(cè)試溫度時(shí)導(dǎo)體的電阻Rt1、Rt2、Rt3，得到聯(lián)立方程組。求解方程組可得到R20、α、β。9/18/202382.按測(cè)量時(shí)是否與被測(cè)對(duì)象接觸分類（1）接觸式測(cè)量:傳感器直接與被測(cè)對(duì)象接觸，承受被測(cè)參數(shù)的作用，感受其變化，從而獲得信號(hào)，并測(cè)量其信號(hào)大小的方法，稱為接觸測(cè)量法。例如用體溫計(jì)測(cè)體溫等。（2）非接觸式測(cè)量:傳感器不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，而是間接承受被測(cè)參數(shù)的作用，感受其變化，從而獲得信號(hào)，并測(cè)量其信號(hào)大小的方法，稱為非接觸測(cè)量法。例如用輻射式溫度計(jì)測(cè)量溫度，用光電轉(zhuǎn)速表測(cè)量轉(zhuǎn)速等。非接觸測(cè)量法不干擾被測(cè)對(duì)象，既可對(duì)局部點(diǎn)檢測(cè)，又可對(duì)整體掃描。特別是對(duì)于運(yùn)動(dòng)對(duì)象、腐蝕性介質(zhì)及危險(xiǎn)場(chǎng)合的參數(shù)檢測(cè)，它更方便、安全和準(zhǔn)確。9/18/202393.按被測(cè)信號(hào)的變化情況分類（1）靜態(tài)測(cè)量:靜態(tài)測(cè)量是測(cè)量那些不隨時(shí)間變化或變化很緩慢的物理量。如超市中物品的稱重屬于靜態(tài)測(cè)量，溫度計(jì)測(cè)氣溫也屬于靜態(tài)測(cè)量。（2）動(dòng)態(tài)測(cè)量:動(dòng)態(tài)測(cè)量是測(cè)量那些隨時(shí)間而變化的物理量。如地震儀測(cè)量振動(dòng)波形則屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量。9/18/2023104.按測(cè)量方式分類（1）偏差式測(cè)量:用儀表指針的位移（即偏差）決定被測(cè)量的量值，這種測(cè)量方法稱為偏差式測(cè)量。在測(cè)量時(shí)，輸入被測(cè)量，按照儀表指針在標(biāo)尺上的示值，決定被測(cè)量的數(shù)值。如指針式電壓表測(cè)電壓，指針式電流表測(cè)電流。這種方法測(cè)量過(guò)程比較簡(jiǎn)單、迅速，但測(cè)量結(jié)果精度較低。（2）零位式測(cè)量:用指零儀表的零位指示檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測(cè)量系統(tǒng)平衡時(shí)，用已知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測(cè)量的量值，這種測(cè)量方法稱為零位式測(cè)量。在測(cè)量時(shí)，已知標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測(cè)量相比較，已知量應(yīng)連續(xù)可調(diào)，指零儀表指零時(shí)，被測(cè)量與已知標(biāo)準(zhǔn)量相等。例如天平。零位式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得比較高的測(cè)量精度，但測(cè)量過(guò)程比較復(fù)雜，費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，不適用于測(cè)量迅速變化的信號(hào)。9/18/202311（3）微差式測(cè)量:微差式測(cè)量是綜合了偏差式測(cè)量與零位式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種測(cè)量方法。它將被測(cè)量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，取得差值后，再用偏差法測(cè)得此差值。應(yīng)用這種方法測(cè)量時(shí)，不需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量，而只需測(cè)量?jī)烧叩牟钪?。例如：設(shè)N為標(biāo)準(zhǔn)量，x為被測(cè)量，Δ為二者之差，則x=N+Δ。由于N是標(biāo)準(zhǔn)量，其誤差很小，因此可選用高靈敏度的偏差式儀表測(cè)量Δ，即使測(cè)量Δ的精度較低，但因Δx值較小，它對(duì)總測(cè)量值的影響較小，故總的測(cè)量精度仍很高。微差式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，而且測(cè)量精度高，特別適用于在線控制參數(shù)的測(cè)量。9/18/2023121.1測(cè)量與測(cè)量誤差分類：根據(jù)獲得測(cè)量值的方法可分為直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量；根據(jù)測(cè)量方式可分為偏差式測(cè)量、零位法測(cè)量；根據(jù)被測(cè)量變化快慢可分為靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量；根據(jù)測(cè)量敏感元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸可分為接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量；9/18/2023131.1.2測(cè)量誤差及表達(dá)方式

測(cè)量誤差可用絕對(duì)誤差表示，也可用相對(duì)誤差表示。1.絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差是指測(cè)量值與真值之間的差值，它反映了測(cè)量值偏離真值的多少，即（1—1）

式（1—1）中L0為被測(cè)量真值，x為被測(cè)量實(shí)際值。由于真值的不可知性，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常用實(shí)際真值L代替，即用被測(cè)量多次測(cè)量的平均值或上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)得的示值作為實(shí)際真值，故有（1—2）9/18/2023142.相對(duì)誤差相對(duì)誤差反映了測(cè)量值偏離真值的程度。（1）實(shí)際相對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與被測(cè)真值的百分比，用表示，即﹪（1—3）（2）示值（標(biāo)稱）相對(duì)誤差示值相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與被測(cè)量值的百分比，用表示，即﹪（1—4）9/18/202315（3）引用（滿度）相對(duì)誤差:引用相對(duì)誤差是指絕對(duì)誤差與儀表滿度值A(chǔ)m的百分比，用表示，即﹪1—5）9/18/202316【實(shí)例1】某溫度計(jì)的量程范圍為0～500℃，校驗(yàn)時(shí)該表的最大絕對(duì)誤差為6℃，試確定該儀表的精度等級(jí)。解：根據(jù)題意知6℃，500℃，代入式中該溫度計(jì)的基本誤差介于1.0%與1.5%之間，因此該表的精度等級(jí)應(yīng)定為1.5級(jí)。9/18/202317【實(shí)例2】現(xiàn)有0.5級(jí)的0～300℃和1.0級(jí)的0～100℃的兩個(gè)溫度計(jì)，欲測(cè)量80℃的溫度，試問(wèn)選用哪一個(gè)溫度計(jì)好？為什么？解：0.5級(jí)溫度計(jì)測(cè)量時(shí)可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差、測(cè)量80℃可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差分別為1.0級(jí)溫度計(jì)測(cè)量時(shí)可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差、測(cè)量80℃時(shí)可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差分別為

1.0﹪*（100－0）=1計(jì)算結(jié)果，顯然用1.0級(jí)溫度計(jì)比0.5級(jí)溫度計(jì)測(cè)量時(shí)示值相對(duì)誤差反而小。因此在選用儀表時(shí)，不能單純追求高精度，而是應(yīng)兼顧精度等級(jí)和量程。9/18/2023181.1.3測(cè)量誤差的分類1.按誤差表現(xiàn)的規(guī)律劃分

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律，將誤差分為三種，即系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。這種分類方法便于測(cè)量數(shù)據(jù)處理。（1）系統(tǒng)誤差:對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，若誤差固定不變或者按照一定規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。

系統(tǒng)誤差一般可通過(guò)實(shí)驗(yàn)或分析的方法，查明其變化的規(guī)律及產(chǎn)生的原因，因此它是可以預(yù)測(cè)的，也是可以消除的。例如，標(biāo)準(zhǔn)量值的不準(zhǔn)確及儀表刻度的不準(zhǔn)確而引起的誤差。9/18/202319（2）隨機(jī)誤差:對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，若誤差的大小隨機(jī)變化、不可預(yù)知，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。

對(duì)隨機(jī)誤差的某個(gè)單值來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有規(guī)律、不可預(yù)料的，但從多次測(cè)量的總體上看，隨機(jī)誤差又服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，大多數(shù)服從正態(tài)分布規(guī)律。因此可以用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，從理論上估計(jì)其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。（3）粗大誤差:測(cè)量結(jié)果明顯地偏離其實(shí)際值所對(duì)應(yīng)的誤差，稱為粗大誤差或疏忽誤差，又叫過(guò)失誤差。這類誤差是由于測(cè)量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。含有粗大誤差的測(cè)量值稱為壞值。9/18/2023202.按被測(cè)量與時(shí)間關(guān)系劃分（1）靜態(tài)誤差:被測(cè)量穩(wěn)定不變時(shí)所產(chǎn)生的測(cè)量誤差稱為靜態(tài)誤差。（2）動(dòng)態(tài)誤差:被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上卻跟不上輸入的變化，這時(shí)所產(chǎn)生的誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。

9/18/2023211.1.4測(cè)量誤差的分析與處理1.隨機(jī)誤差的分析與處理具有正態(tài)分布的隨機(jī)誤差如圖所示具有以下四個(gè)特征：（1）對(duì)稱性:絕對(duì)值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)大致相等。（2）單峰性:絕對(duì)值越小的誤差在測(cè)量中出現(xiàn)的概率越大。（3）有界性:在一定的測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過(guò)一定的界限。（4）抵償性:在相同的測(cè)量條件下，當(dāng)測(cè)量次數(shù)增加時(shí)，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨向于零。9/18/202322算術(shù)平均值在實(shí)際測(cè)量時(shí)，真值L不可能得到。但如果隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布，則算術(shù)平均值處隨機(jī)誤差的概率密度最大。對(duì)被測(cè)量進(jìn)行等精度的n次測(cè)量，得n個(gè)測(cè)量值x1，x2，…，xn，它們的算術(shù)平均值為9/18/2023232．系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差（1）系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因如下：檢測(cè)裝置本身性能不完善、測(cè)量方法不當(dāng)、對(duì)儀器的使用不當(dāng)、環(huán)境條件的變化等原因都可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。9/18/2023241.2.2、系統(tǒng)誤差的判別和確定1.原理分析與理論計(jì)算：對(duì)一些因轉(zhuǎn)換原理、檢測(cè)方法或設(shè)計(jì)制造方面存在不足而產(chǎn)生的恒差型系統(tǒng)誤差可通過(guò)原理分析與理論計(jì)算來(lái)加以修正。2.采用修正方法減小恒差系統(tǒng)誤差

9/18/202325（2）隨機(jī)誤差是用精密度表示隨機(jī)誤差的大小。隨機(jī)誤差大，測(cè)量結(jié)果分散，精密度低；反之，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性好，精密度高。（a）準(zhǔn)確度高而精密度低（b）準(zhǔn)確度低而精密度高（c）精確度高在測(cè)量中我們希望得到精確度高的結(jié)果。

9/18/202326（3）粗大誤差是測(cè)量人員工作時(shí)的疏忽大意，出現(xiàn)了讀數(shù)錯(cuò)誤、記錄錯(cuò)誤、計(jì)算錯(cuò)誤或操作不當(dāng)?shù)?。另外，測(cè)量方法不恰當(dāng)，測(cè)量條件意外地突然變化，也可能造成粗大誤差。9/18/202327直線擬合方法a)原點(diǎn)擬合b)過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合c)端點(diǎn)連線擬合d)端點(diǎn)連線平移擬合9/18/2023281.2.2、傳感器測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性1.線性度：傳感器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線(即靜特性曲線)偏離直線的程度，又稱非線性誤差。大多數(shù)傳感器為非線性的，為了得到線性關(guān)系，常引入各種非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。使傳感器輸出，輸入線性化。2.采用的直線稱為擬合直線。實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差(或線性度)，通常用相對(duì)誤差γL表示，即：式中，ΔLmax是最大非線性絕對(duì)誤差；γFS是滿量程輸出。9/18/2023292．靈敏度靈敏度S是指?jìng)鞲衅鞯妮敵隽吭隽喀與引起輸出量增量Δy的輸入量Δx的比值，即：

(1-15)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，即S為常數(shù)；而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用S=dy/dx表示。傳感器的靈敏度如圖所示。圖：傳感器的靈敏度9/18/2023303．遲滯(回差滯環(huán)現(xiàn)象)傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輸出。輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯，如圖所示。主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷所造成的，例如，彈性敏感元件的彈性滯后、運(yùn)動(dòng)部件摩擦、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動(dòng)等，具有一定的隨機(jī)性。遲滯誤差γH可由下式計(jì)算：式中，ΔHmax是正、反行程輸出值間的最大差值。圖：傳感器遲滯特性9/18/2023313．重復(fù)性:yx0⊿Rmax2⊿Rmax1重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜻B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度?！鱎max1正行程的最大重復(fù)性偏差，△Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。9/18/2023325．分辨率:傳感器的分辨率是指在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)輸入量的最小變化量ΔXmin。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)(ΔXmin／XFS×100％)表示。6．穩(wěn)定性:傳感器的穩(wěn)定性一般是指長(zhǎng)期穩(wěn)定性，是在室溫條件下，經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異，因此通常又用其不穩(wěn)定度來(lái)表征傳感器輸出的穩(wěn)定程度。7．漂移:傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的變化，包括零點(diǎn)