1、傳感器與檢測技術成績評定 平時成績60分； 期末考試40分。課程性質：專業課（必修）一、檢測技術的概念檢測（Detection）定義： 利用各種物理、化學效應，選擇合適的方法與裝置，將生產、科研、生活等各方面的有關信息通過檢查與測量的方法，賦予定性或定量結果的過程稱為檢測技術。例：曹沖稱象方法：比較法；方法：比較法；裝置：船、石頭、小秤；裝置：船、石頭、小秤；檢查檢查、測量測量，從而得到：，從而得到：定性定性、定量定量的結果。的結果。檢測技術在工業生產領域的應用：倍增器檢測技術在工業生產領域的應用：倍增器 檢測技術的作用檢測技術的作用在線檢測：在線檢測：零件尺寸、產品缺陷、裝配定零件尺寸、產品

2、缺陷、裝配定位位離線檢測：離線檢測：零件參數、零件參數、 尺寸與形位公差、尺寸與形位公差、 品質參數品質參數作作 用：用：現代工程裝備中，現代工程裝備中， 檢測環節的成檢測環節的成本約占本約占5070%號號檢測技術的作用檢測技術的作用檢測技術的作用檢測技術的作用自動收費系統自動收費系統家庭與辦公自動化家庭與辦公自動化 在家電產品和辦公自動化產品設計中，人們大量的應用在家電產品和辦公自動化產品設計中，人們大量的應用了傳感器和測試技術來提高產品性能和質量。了傳感器和測試技術來提高產品性能和質量。全自動洗衣機中的傳感器：全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳

3、感器，水質感器，水溫傳感器，水質傳感器，透光率光傳感器傳感器，透光率光傳感器(洗凈度洗凈度) 液位傳感器，電液位傳感器，電阻傳感器阻傳感器(衣物烘干檢測衣物烘干檢測)。指紋傳感器指紋傳感器透光率傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器溫度傳感器在日常生活中的應用與日俱增在日常生活中的應用與日俱增 家用電器：家用電器：數碼相機、數碼攝像機：自動對焦數碼相機、數碼攝像機：自動對焦-紅外測距傳感器紅外測距傳感器數字體溫計：接觸式數字體溫計：接觸式-熱敏電阻，非接觸式熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器紅外傳感器自動感應燈：亮度檢測自動感應燈：亮度檢測-光敏電阻光敏電阻空調、冰箱、電飯煲：溫度檢

4、測空調、冰箱、電飯煲：溫度檢測-熱敏電阻、熱電偶熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風：話音轉換電話、麥克風：話音轉換-駐極電容傳感器駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測遙控接收：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管光敏二極管、光敏三極管辦公商務：辦公商務：可視對講、可視電話：圖像獲取可視對講、可視電話：圖像獲取-面陣面陣CCDCCD掃描儀：文檔掃描掃描儀：文檔掃描-線陣線陣CCDCCD紅外傳輸數據：紅外檢測紅外傳輸數據：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管光敏二極管、光敏三極管醫療衛生：醫療衛生：電子血壓計：血壓檢測電子血壓計：血壓檢測 - - 壓力傳感器壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀血糖測試儀、膽固醇檢測儀

5、 - - 離子傳感器離子傳感器 自動檢測系統的組成自動檢測系統的組成 自動檢測系統原理框圖自動檢測系統原理框圖指一個能將被測的非電量變換成電量的器件。指一個能將被測的非電量變換成電量的器件。 將溫度轉換為電壓的傳感器將溫度轉換為電壓的傳感器熱電偶熱電偶n傳感器：傳感器：例例1 1 汽車上通常有多少傳感器汽車上通常有多少傳感器1.1.曲軸轉速傳感器曲軸轉速傳感器, ,用于檢測發動機轉速和判定一用于檢測發動機轉速和判定一( (四四) )缸上止點。缸上止點。 2.2.凸輪軸位置傳感器，用于區分一（四）缸壓縮上止點。凸輪軸位置傳感器，用于區分一（四）缸壓縮上止點。 3.3.節氣門位置傳感器，用于檢測發

6、動機的節氣門位置（也是用節氣門位置傳感器，用于檢測發動機的節氣門位置（也是用于提供發動機負荷信號）。于提供發動機負荷信號）。 4.4.爆震傳感器，用于檢測發動機是否發生爆震。爆震傳感器，用于檢測發動機是否發生爆震。5.5.水溫傳感器，用于檢測發動機冷卻液溫度（提供發動機溫度水溫傳感器，用于檢測發動機冷卻液溫度（提供發動機溫度信號）。信號）。 6.6.進氣溫度傳感器，用于檢測進氣溫度。進氣溫度傳感器，用于檢測進氣溫度。 7.7.進氣管絕對壓力傳感器，用于檢測進氣管內的進氣壓力。進氣管絕對壓力傳感器，用于檢測進氣管內的進氣壓力。8.8.空氣流量計，用于檢測進氣空氣的質量。空氣流量計，用于檢測進氣空

7、氣的質量。9.9.加速踏板位置傳感器，用于檢測加速踏板位置。加速踏板位置傳感器，用于檢測加速踏板位置。10.10.輪速傳感器，用于檢測輪速。輪速傳感器，用于檢測輪速。11.11.車速傳感器，用于檢測車速。車速傳感器，用于檢測車速。 此外還有風速傳感器、雨量傳感器、光照強度傳感器、車身高此外還有風速傳感器、雨量傳感器、光照強度傳感器、車身高度傳感器、燃油液位傳感器、燃油溫度傳感器、機油壓力傳感度傳感器、燃油液位傳感器、燃油溫度傳感器、機油壓力傳感器、噴油器升程傳感器等等。器、噴油器升程傳感器等等。 在汽車中的應用日新月異在汽車中的應用日新月異發動機：發動機：向發動機的電子控制單元（向發動機的電子

8、控制單元（ECU）提供發動機的工作狀況信息，）提供發動機的工作狀況信息， 對發動機工作狀況進行精確控制對發動機工作狀況進行精確控制 溫度、壓力、位置、轉速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等溫度、壓力、位置、轉速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等 汽車傳感器：汽車電子控制系統的信息源，關鍵部件，核心技術內容汽車傳感器：汽車電子控制系統的信息源，關鍵部件，核心技術內容 普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器， 豪華轎車：傳感器數量可多達二百余只。豪華轎車：傳感器數量可多達二百余只。 底底 盤：盤：控制變速器系統、懸架系統、動力轉向系統、制動防抱死系統等控制變速器系統、懸架系

9、統、動力轉向系統、制動防抱死系統等 車速、踏板、加速度、節氣門、發動機轉速、水溫、油溫車速、踏板、加速度、節氣門、發動機轉速、水溫、油溫 車車 身：身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風量、日照、加速度、車速、測距、圖象等溫度、濕度、風量、日照、加速度、車速、測距、圖象等 無論是金屬糧倉還是土倉，為防止霉變，糧無論是金屬糧倉還是土倉，為防止霉變，糧食都是分層存放，倉內溫度和濕度不能過高，為食都是分層存放，倉內溫度和濕度不能過高，為此，需在各層安放溫濕度傳感器進行檢測。裝有此，需在各層安放溫濕度傳感器進行檢測。裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖如下。溫濕

10、度探頭的糧倉示意圖如下。 將各層探頭輸出接至溫濕度巡檢儀上，通過將各層探頭輸出接至溫濕度巡檢儀上，通過巡檢儀監視器監視各點溫濕度情況。通過通風口巡檢儀監視器監視各點溫濕度情況。通過通風口保持溫濕度在要求范圍內。保持溫濕度在要求范圍內。例例2 糧倉溫度、濕度檢測糧倉溫度、濕度檢測裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖通通風風口口探探頭頭通通風風口口通通風風口口例3：感溫、 感煙火災報警器集集控控器器1中中央央監監控控 監控系統組成框圖監控系統組成框圖探頭探頭11探頭探頭12探頭探頭1N其監控系統組成框圖如圖:可在每一房間安放一對感溫、感煙探頭（智能傳感可在每一房間安放一對感溫、感煙

11、探頭（智能傳感器），它們輸出溫度、濃度信號通過串行通訊線送器），它們輸出溫度、濃度信號通過串行通訊線送入由微機組成的檢測系統（集控器）；入由微機組成的檢測系統（集控器）；集控器負責信號匯總，匯總各房間的溫度和濃度信集控器負責信號匯總，匯總各房間的溫度和濃度信號，并監控各房間溫度、煙濃度是否異常，如異常，號，并監控各房間溫度、煙濃度是否異常，如異常，聲光報警并打開噴淋設備滅火，一層一臺。聲光報警并打開噴淋設備滅火，一層一臺。各層集控器通過各層集控器通過CANCAN總線、總線、M-BUSM-BUS總線等現場總線將總線等現場總線將溫度、濃度等信號送入中央監控計算機。值班人員溫度、濃度等信號送入中央監

12、控計算機。值班人員在電腦屏幕上直觀監視各房間情況（溫度、煙霧濃在電腦屏幕上直觀監視各房間情況（溫度、煙霧濃度）。房間、樓道裝配攝像頭，還可通過電視屏幕度）。房間、樓道裝配攝像頭，還可通過電視屏幕查看房間、樓道情況。可看出沒有感溫、感煙傳感查看房間、樓道情況。可看出沒有感溫、感煙傳感器，就像人缺少感官，系統無法工作。器，就像人缺少感官，系統無法工作。傳感器與傳感器技術的地位和作用傳感器與傳感器技術的地位和作用-位移測試位移測試 傳感器與傳感器技術的地位和作用傳感器與傳感器技術的地位和作用-滾柱分選滾柱分選 二、傳感器的定義二、傳感器的定義 國家標準（GB7665-87）中傳感器（Transduc

13、er/Sensor）的定義：能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。可用輸出信號的器件或裝置。物理量物理量電量電量傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；量、生物量等；輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量；輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。輸出輸入有

14、對應關系，且應有一定的精確程度。 傳感器名稱：發送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器名稱：發送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器功用：一感二傳傳感器功用：一感二傳,即感受被測信息即感受被測信息,并傳送出去。并傳送出去。V、I、F、P三、傳感器的組成三、傳感器的組成 輔助電源輔助電源敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件基本轉換電路基本轉換電路被測量被測量電量電量敏感元件敏感元件：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確：是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。定關系的某一物理量的元件。轉換元件轉換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸

15、入轉換成電路參量。轉換成電路參量。基本轉換電路基本轉換電路：上述電路參數接入基本轉換電路（簡：上述電路參數接入基本轉換電路（簡稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。稱轉換電路），便可轉換成電量輸出。 傳感器組成的理解：傳感器組成的理解： 敏感元件敏感元件的作用通常是將被測量（非電量的作用通常是將被測量（非電量1）變換成另一個與被測量有確定關系的非電量變換成另一個與被測量有確定關系的非電量2，而非電量，而非電量2易于通過變換元件轉換為電量。易于通過變換元件轉換為電量。例如應變式壓力傳感器中的彈性模片就將其例如應變式壓力傳感器中的彈性模片就將其被測量（壓力）轉換為另一非電量（應變）。被測量（壓力）轉換

16、為另一非電量（應變）。 變換元件變換元件通常不直接感受被測量。通常不直接感受被測量。例如應變例如應變壓力傳感器中的應變片，它并不直接感受壓壓力傳感器中的應變片，它并不直接感受壓力，而是將應變轉換為電阻的變化。力，而是將應變轉換為電阻的變化。 不是所有的傳感器都能明確的區分敏感元件不是所有的傳感器都能明確的區分敏感元件與變換元件。與變換元件。 傳感器的輸出信號通常需要必要的信號調節電傳感器的輸出信號通常需要必要的信號調節電路將其進行放大或轉換，而變成易于傳輸、處路將其進行放大或轉換，而變成易于傳輸、處理、記錄和顯示的形式。理、記錄和顯示的形式。 常見的常見的信號調節電路信號調節電路有放大器、電橋

17、、阻抗變有放大器、電橋、阻抗變換器、振蕩器等。換器、振蕩器等。 信號調節電路通常完成傳感器輸出與后續測量信號調節電路通常完成傳感器輸出與后續測量電路之間的匹配。電路之間的匹配。 實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大實際上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數是多數是開環系統開環系統，也有些是帶反饋的，也有些是帶反饋的閉環系統閉環系統。 最簡單最簡單的傳感器由一個敏感元件的傳感器由一個敏感元件(兼轉換元件兼轉換元件)組成，組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。有些有些傳感器傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路，如壓電式由敏感元件和轉換元

18、件組成，沒有轉換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質量塊加速度傳感器，其中質量塊m是敏感元件，壓電片（塊）是敏感元件，壓電片（塊）是轉換元件。有些傳感器，轉換元件不只一個，要經過是轉換元件。有些傳感器，轉換元件不只一個，要經過若干次轉換。若干次轉換。由于空間的限制或者其他原因由于空間的限制或者其他原因,轉換電路常裝入電箱中。轉換電路常裝入電箱中。然而，因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電然而，因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電信號，從而決定了信號，從而決定了轉換電路轉換電路是傳感器的組成環節之一。是傳感器的組成環節之一。 電容式接近開關在物位測量控制中的應用電容式接近開關在物位測量

19、控制中的應用傳感器與傳感器技術傳感器與傳感器技術 傳感器傳感器傳感器與傳感器技術傳感器與傳感器技術 四、傳感器的分類四、傳感器的分類 1、按傳感器的工作機理，分為物理型、化學型、生物型等、按傳感器的工作機理，分為物理型、化學型、生物型等 2、按構成原理，物性型與結構型兩大類、按構成原理，物性型與結構型兩大類 3、根據傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型傳感器和能、根據傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉換型傳感器量轉換型傳感器4、按照物理原理分類：十種、按照物理原理分類：十種5、按照傳感器的用途分類、按照傳感器的用途分類 ：位移、壓力、振動、溫度傳感器：位移、壓力、振動、溫度

20、傳感器7、根據傳感器輸出信號：模擬信號和數字信號、根據傳感器輸出信號：模擬信號和數字信號 6、根據轉換過程可逆與否、根據轉換過程可逆與否 ：單向和雙向：單向和雙向8、根據傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器、根據傳感器使用電源與否：有源傳感器和無源傳感器 按被測物理量按被測物理量( (用途用途) )分類分類常見的被測物理量常見的被測物理量機械量機械量: :長度長度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉角旋轉角, ,轉數轉數, ,質量質量, ,重量重量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風速風速, ,流速流速, , 流量流量;

21、;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁場磁場. .溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩按構成原理分類按構成原理分類物性型傳感器物性型傳感器是利用是利用物質定律物質定律構成的構成的, ,如虎克定律、如虎克定律、歐姆定律等。物質定律是表示物質某種客觀性質歐姆定律等。物質定律是表示物質某種客觀性質的法則。這種法則，大多數是以物質本身的常數的法則。這種法則，大多數是以物質本身的常數形式給出。這些常數的大小，決定了傳感器的主形式給出。這些常數的大小，決定了傳感器的主要性能。因此，要性能。因此，物性型傳感器的性能隨材料的不

22、物性型傳感器的性能隨材料的不同而異同而異。如，光電管，它利用了物質法則中的外。如，光電管，它利用了物質法則中的外光電效應。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料光電效應。顯然，其特性與涂覆在電極上的材料有著密切的關系。又如，所有半導體傳感器，以有著密切的關系。又如，所有半導體傳感器，以及所有利用各種環境變化而引起的金屬、半導體、及所有利用各種環境變化而引起的金屬、半導體、陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型陶瓷、合金等性能變化的傳感器，都屬于物性型傳感器。傳感器。 結構型傳感器結構型傳感器是利用物理學中是利用物理學中場的定律場的定律構成構成的，包括動力場的運動定律，電磁場的電磁定律的，包括動力

23、場的運動定律，電磁場的電磁定律等。物理學中的定律一般是以方程式給出的。對等。物理學中的定律一般是以方程式給出的。對于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時于傳感器，這些方程式就是許多傳感器在工作時的數學模型。這類傳感器的特點是的數學模型。這類傳感器的特點是傳感器的工作傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變原理是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎化為基礎，而不是以材料特性變化為基礎。 物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現信號變換實現信號變換. .如如: :水銀溫度計水銀溫度計. .結

24、構型結構型: :依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變依靠傳感器結構參數的變化實現信號轉變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. . 根據能量轉換情況：根據能量轉換情況：能量轉換型傳感器能量轉換型傳感器，又稱有，又稱有源型或發生器型，源型或發生器型，傳感器將從被測對象獲取的信息能傳感器將從被測對象獲取的信息能量直接轉換成輸出信號能量量直接轉換成輸出信號能量，主要由能量變換元件構，主要由能量變換元件構成，它不需要外電源。如基于壓電效應、熱電效應、成，它不需要外電源。如基于壓電效應、熱電效應、光電動勢效應等的傳感器都屬于此類傳感器。光電動勢效應等的傳感器都屬于此類傳感器。

25、能量控制型傳感器能量控制型傳感器，在信息變化過程中，在信息變化過程中，傳感傳感器將從被測對象獲取的信息能量用于調制或控制外器將從被測對象獲取的信息能量用于調制或控制外部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形部激勵源，使外部激勵源的部分能量載運信息而形成輸出信號成輸出信號，這類傳感器必須由外部提供激勵源，這類傳感器必須由外部提供激勵源，如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一如電阻、電感、電容等電路參量傳感器都屬于這一類傳感器。基于應變電阻效應、磁阻效應、熱阻效類傳感器。基于應變電阻效應、磁阻效應、熱阻效應、光電效應、霍爾效應等的傳感器也屬于此類傳應、光電效應、霍爾效應等的傳感器也屬于此

26、類傳感器。感器。 能量轉換型能量轉換型: :直接由被測對象輸入能量使其工作直接由被測對象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計壓電式加速度計. .能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測量控制外部從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電阻應變片電阻應變片. .按照物理原理分類：按照物理原理分類：電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等；電參量式傳感器：電阻式、電感式、電容式等； 磁電式傳感器：磁電感應式、霍爾式、磁柵式等；磁電式傳感器：磁電感應式、霍爾式、磁柵式等； 壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波

27、傳感器；壓電式傳感器：聲波傳感器、超聲波傳感器； 光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電光電式傳感器：一般光電式、光柵式、激光式、光電碼盤式、光導纖維式、紅外式、攝像式等；碼盤式、光導纖維式、紅外式、攝像式等；氣電式傳感器：電位器式、應變式；氣電式傳感器：電位器式、應變式； 熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻；熱電式傳感器：熱電偶、熱電阻； 波式傳感器：超聲波式、微波式等；波式傳感器：超聲波式、微波式等；射線式傳感器：熱輻射式、射線式傳感器：熱輻射式、射線式；射線式；半導體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；半導體式傳感器：霍耳器件、熱敏電阻；其他原理的傳感器：差動變壓器、振弦式等。其他原理的傳感

28、器：差動變壓器、振弦式等。 有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復合形式有些傳感器的工作原理具有兩種以上原理的復合形式,如不少半導體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。如不少半導體式傳感器，也可看成電參量式傳感器。 五、傳感器的發展趨勢五、傳感器的發展趨勢 傳感技術的發展分為兩個方面：提高與改善傳感器的技術性能提高與改善傳感器的技術性能；尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。尋找新原理、新材料、新工藝及新功能等。 一）改善傳感器的性能的技術途徑一）改善傳感器的性能的技術途徑1 1差動技術差動技術 差動技術是傳感器中普遍采用的技術。它的應用可顯著地減小溫度變化溫度變化、電源波動電源波動、外界干擾

29、外界干擾等對傳感器精度的影響，抵消了共模誤差共模誤差，減小非線非線性誤差性誤差等。不少傳感器由于采用了差動技術，還可使靈敏度增大靈敏度增大。 2 2平均技術平均技術 在傳感器中普遍采用平均技術可產生平均效應，其原理是利用若干個傳感單元同時感受被測量，其輸出則是這些單元輸出的平均值，若將每個單元可能帶來的誤差均可看作隨機誤差且服從正態分布，根據誤差理論，總的誤差將減小為=/n式中 n傳感單元數。 可見，在傳感器中利用平均技術不僅可使傳感器誤差減小，且可增大信號量，即增大傳感器靈敏度。3 3補償與修正技術補償與修正技術 補償與修正技術的運用大致針對兩種情況： 針對傳感器本身特性針對傳感器本身特性

30、針對傳感器的工作條件或外界環境針對傳感器的工作條件或外界環境 對于傳感器特性傳感器特性，找出誤差的變化規律，或者測出其大小和方向，采用適當的方法加以補償或修正。 針對傳感器工作條件或外界環境傳感器工作條件或外界環境進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力技術措施。不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀。為了解決這個問題，必要時可以控制溫度，搞恒溫裝置，但往往費用太高，或使用現場不允許。而在傳感器內引入溫度誤差補償又常常是可行的。這時應找出溫度對測量值影響的規律，然后引入溫度補償措施。補償與修正，可以利用電子線路（硬件）來解決，也可以采用微型計算機通過軟件來實現。4 4屏蔽、隔離與干

31、擾抑制屏蔽、隔離與干擾抑制 傳感器大都要在現場工作，現場的條件往往是難以充分預料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度與各有關性能。為了減小測量誤差，保證其原有性能，就應設法削弱或消除外界因素對傳感器的影響。其方法有：u 減小傳感器對影響因素的靈敏度u 降低外界因素對傳感器實際作用的程度對于電磁干擾，可以采用屏蔽屏蔽、隔離隔離措施，也可用濾濾波波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、甚至氣流等，可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成為電量后對干擾信號進行分離或抑制，減小其影響。 5 5穩定性處理穩定性處理 在使用傳感器時，若測量要求較高，必要

32、時也應對附加的調整元件、后續電路的關鍵元器件進行老化處理。提高傳感器性能的穩定性措施：對材料、元器件或傳對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩定性處理感器整體進行必要的穩定性處理。如永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩磁處理、電氣元件的老化篩選等。造成傳感器性能不穩定的原因是：隨著時間的推移和隨著時間的推移和環境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性環境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將發生變化。能將發生變化。傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期標定的場合。二）傳感器的發展動向v 開發新型傳感器

33、開發新型傳感器 v 開發新材料開發新材料 v 新工藝的采用新工藝的采用 v 集成化、多功能化集成化、多功能化v 智能化智能化 開展基礎研究，發現新現象，開發傳感器的新開展基礎研究，發現新現象，開發傳感器的新材料和新工藝；實現傳感器的集成化與智能化材料和新工藝；實現傳感器的集成化與智能化 傳感器的工作機理是基于各種效應和定律，由此啟發人們進一步探索具有新效應的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件物性型傳感器件，這是發展高性能、多功能、低成本和小型化高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。結構型傳感器發展得較早，目前日趨成熟。結結構型傳感器構型傳感器，一般說它的結構復雜

34、，體積偏大，價格結構復雜，體積偏大，價格偏高偏高。物性型傳感器大致與之相反，具有不少誘人的優點，加之過去發展也不夠。世界各國都在物性型傳感器方面投入大量人力、物力加強研究，從而使它成為一個值得注意的發展動向。 (micro-electromechanical systems (MEMS)微電機系統微電機系統 )1 1開發新型傳感器開發新型傳感器新型傳感器包括：采用新原理；填補傳感器空白；仿生傳感器等方面。它們之間是互相聯系的。傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，由于材料科學的進步，人們在制造時，可任意控制它們的成分，從而設計制造出用于各種傳感器的功能材料。用復雜材料來制造性能更加良好的傳感器是今

35、后的發展方向之一。2 2開發新材料開發新材料（1）半導體敏感材料（2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料如，半導體氧化物可以制造各種氣體傳感器，而陶瓷傳感器工作溫度遠高于半導體，光導纖維的應用是傳感器材料的重大突破，用它研制的傳感器與傳統的相比有突出的特點。有機材料作為傳感器材料的研究，引起國內外學者的極大興趣。在發展新型傳感器中，離不開新工藝的采用。新工藝的含義范圍很廣，這里主要指與發展新型傳感器聯系特別密切的微細加工技術。該技術又稱微機械加工技術，是近年來隨著集成電路工藝發展起來的，它是離子束、電子束、分子束、激光束和化學刻蝕等用于微電子加工的技術，目前已越來越多地用于傳感器領域。

36、3 3新工藝的采用新工藝的采用例如利用半導體技術制造出壓阻式傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應的氣敏、濕敏傳感器，日本橫河公司利用各向異性腐蝕技術進行高精度三維加工，在硅片上構成孔、溝棱錐、半球等各種開頭，制作出全硅諧振式壓力傳感器。 4 4集成化、多功能化集成化、多功能化同一功能的多元件并列化同一功能的多元件并列化，即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，如CCD圖像傳感器。(Charge Coupled Device電荷耦合器件) 多功能一體化多功能一體化，即將傳感器與放大、運算以及溫度補償等環節一體化，組裝成一個器件。把多個功能不同的傳感元件集成在一起把多個功能不同的傳

37、感元件集成在一起，除可同時進行多種參數的測量外，還可對這些參數的測量結果進行綜合處理和評價，可反映出被測系統的整體狀態。 為同時測量幾種不同被測參數，可將幾種不同的傳感器元件復合在一起，作成集成塊。例如一種溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器已經研制成功。5 5智能化智能化對外界信息具有檢測檢測、數據處理數據處理、邏輯判斷邏輯判斷、自診斷自診斷和自適應自適應能力的集成一體化多功能傳感器，這種傳感器具有與主機互相對話的功能，可以自行選擇最佳方案，能將已獲得的大量數據進行分割處理，實現遠距離、高速度、高精度傳輸等。智能傳感器是傳感器技術與大規模集成電路技術相結合的產物，它的實現取決于傳感技術與半導體集成化工

38、藝水平的提高與發展。這類傳感器具有多功能、高性能、體積小、適宜大批量生產和使用方便等優點，是傳感器重要的發展方向之一。智能傳感器的結構框圖 被測量傳感器預處理及接口微型機輸出接口執行機構顯示和記錄信號預處理模擬信號數字化輸入接口MP、ROM、RAM信息處理及校正軟件D / A轉換、驅動電路智能式應力傳感器的硬件結構圖應 力 傳 感 器 1應 力 傳 感 器 2應 力 傳 感 器 n多路開關程 控放 大 器A / D控 制邏 輯鍵 盤 及顯 示 器打 印 機RAMROMD / A串 行通 信 口8031單 片 機模 擬 量 輸出智能式應力傳感器的軟件結構圖 開機主程序模塊信號采集模塊信號處理模塊

39、故障診斷模塊鍵盤輸入及顯示模塊輸出及打印模塊通信模塊1.2 測量方法和測量誤差測量方法和測量誤差一、測量的意義一、測量的意義 1 1測量的意義：測量的意義： 測量是人類對自然界中客觀事物取得測量是人類對自然界中客觀事物取得數量觀念數量觀念的一種認識過程。在這一過程中，人們借助于專門的一種認識過程。在這一過程中，人們借助于專門工具，通過試驗和對試驗數據的分析計算，求得被工具，通過試驗和對試驗數據的分析計算，求得被測量的值，獲得對于客觀事物的定量的概念和內在測量的值，獲得對于客觀事物的定量的概念和內在規律的認識。規律的認識。 1.2.1 測量的意義及方法測量的意義及方法u測量技術可分為若干分支，如

40、測量技術可分為若干分支，如力學測量、電學測量、熱工測量力學測量、電學測量、熱工測量等。等。u熱工測量是指熱工測量是指溫度、濕度、壓力、流量、煙氣成分溫度、濕度、壓力、流量、煙氣成分等參數的測量。等參數的測量。2 2應用方面應用方面 （1）過程監測：過程監測：對過程參數的監測。對過程參數的監測。 （2）過程控制：過程控制：為生產過程的自動控制為生產過程的自動控制提供依據。提供依據。 （3）試驗分析與系統辨識：試驗分析與系統辨識：解決科學上解決科學上的和過程上的問題，一般需要綜合運用理的和過程上的問題，一般需要綜合運用理論和實驗的方法。測量技術應用于實驗分論和實驗的方法。測量技術應用于實驗分析，是

41、測量技術的一個典型應用。析，是測量技術的一個典型應用。 二、測量方法二、測量方法u測量的定義：測量的定義：就是用實驗的方法，就是用實驗的方法，借助于一定的借助于一定的儀器或設備，將被測量與同性質的單位標準量進行儀器或設備，將被測量與同性質的單位標準量進行比較，并確定被測量對標準量的倍數，從而獲得關比較，并確定被測量對標準量的倍數，從而獲得關于被測量的定量信息。于被測量的定量信息。 測量的結果包括數值測量的結果包括數值大小大小和測量和測量單位單位兩部分。數值兩部分。數值的大小可以用數字表示，也可以是曲線或者圖形。的大小可以用數字表示，也可以是曲線或者圖形。無論表現形式如何，在測量結果中必須注明單

42、位。無論表現形式如何，在測量結果中必須注明單位。測量過程的核心是測量過程的核心是比較比較。u使測量結果有意義的要求：使測量結果有意義的要求：u用來進行比較的標準量應該是國際上或國家所公用來進行比較的標準量應該是國際上或國家所公認的，且性能穩定。認的，且性能穩定。u進行比較所用的方法和儀表必須經過驗證。進行比較所用的方法和儀表必須經過驗證。測量的基本方程式：測量的基本方程式： X = aU 式中，式中， X 被測量；被測量； U 標準量（即選用的測量單位）；標準量（即選用的測量單位）； a 被測量與標準量的數字比值。被測量與標準量的數字比值。u測量方法測量方法就是實現被測量與標準量比較的方法。就

43、是實現被測量與標準量比較的方法。 測量方法是實現測量過程所采用的具體方法，應當測量方法是實現測量過程所采用的具體方法，應當根據被測量的性質、特點和測量任務的要求來選擇根據被測量的性質、特點和測量任務的要求來選擇適當的測量方法。按照測量手續可以將測量方法分適當的測量方法。按照測量手續可以將測量方法分為為直接測量和間接測量直接測量和間接測量；按照獲得測量值的方式可；按照獲得測量值的方式可以分為以分為偏差式測量、零位式測量和微差式測量偏差式測量、零位式測量和微差式測量；此；此外，根據傳感器是否與被測對象直接接觸，可區分外，根據傳感器是否與被測對象直接接觸，可區分為為接觸式接觸式測量和測量和非接觸式非

44、接觸式測量；而根據被測對象的測量；而根據被測對象的變化特點又可分為變化特點又可分為靜態靜態測量和測量和動態動態測量等。測量等。 u測量方法的分類（按測量結果產生的方式分）：測量方法的分類（按測量結果產生的方式分）： （1）直接測量法：直接測量法：使被測量直接與選用的標準量進行比較，使被測量直接與選用的標準量進行比較，或者預先或者預先分度或分度或標定好了的測量儀表進行測量，從而直接求標定好了的測量儀表進行測量，從而直接求得被測量數值的測量方法。得被測量數值的測量方法。 直接測量是工程技術中大量采用的方法，其優點是直觀、簡直接測量是工程技術中大量采用的方法，其優點是直觀、簡便、迅速，但不易達到很高

45、的測量精度。便、迅速，但不易達到很高的測量精度。(電流表測電流、彈簧秤稱稱重量) （2）間接測量法：間接測量法：通過直接測量與被測量有某種確定函數關通過直接測量與被測量有某種確定函數關系的其它各個變量，然后將所測得的數值代入函數關系進行系的其它各個變量，然后將所測得的數值代入函數關系進行計算，從而求得被測量數值的方法。計算，從而求得被測量數值的方法。 測量結果測量結果y和直接測量值和直接測量值xi(i1，2，3)之間的關系式為：之間的關系式為：yf(x1x2x3) 。間接測量手續多，花費時間長，當被測量不便間接測量手續多，花費時間長，當被測量不便于直接測量或沒有相應直接測量的儀表時才采用。于直

46、接測量或沒有相應直接測量的儀表時才采用。(測水塔的水量、曹沖稱象)（3）組合測量法：組合測量法：測量中使各個未知量以不同測量中使各個未知量以不同的組合形式出現（或改變測量條件以獲得這種的組合形式出現（或改變測量條件以獲得這種不同組合），根據直接測量或間接測量所獲得不同組合），根據直接測量或間接測量所獲得的數據，通過解聯立方程組以求得未知量的數的數據，通過解聯立方程組以求得未知量的數值，這類測量稱為組合測量。值，這類測量稱為組合測量。(若干個被測量及測量量的情況)偏差式測量：偏差式測量： 在測量過程中，利用測量儀表指針相對于刻度初始點的位在測量過程中，利用測量儀表指針相對于刻度初始點的位移移(即

47、偏差即偏差)來決定被測量的測量方法，稱為偏差式測量。它來決定被測量的測量方法，稱為偏差式測量。它以間接方式實現被測量和標準量的比較。以間接方式實現被測量和標準量的比較。 偏差式測量儀表在進行測量時，一般利用被測量產生的偏差式測量儀表在進行測量時，一般利用被測量產生的力或力矩，使儀表的彈性元件變形，從而產生一個相反的作力或力矩，使儀表的彈性元件變形，從而產生一個相反的作用，并一直增大到與被測量所產生的力或力矩相平衡時，彈用，并一直增大到與被測量所產生的力或力矩相平衡時，彈性元件的變形就停止了，此變形即可通過一定的機構轉變成性元件的變形就停止了，此變形即可通過一定的機構轉變成儀表指針相對標尺起點的

48、位移，指針所指示的標尺刻度值就儀表指針相對標尺起點的位移，指針所指示的標尺刻度值就表示了被測量的數值。表示了被測量的數值。 偏差式測量偏差式測量簡單、迅速，但精度不高簡單、迅速，但精度不高，這種測量方法廣，這種測量方法廣泛應用于工程測量中。泛應用于工程測量中。 模擬電流/壓表、體重秤等。u根據測量方式分為根據測量方式分為 偏差式測量、零位式測量和微差式測量偏差式測量、零位式測量和微差式測量零位式測量：零位式測量： 用已知的標準量去平衡或抵消被測量的作用，并用指用已知的標準量去平衡或抵消被測量的作用，并用指零式儀表，從而判定被測量值等于已知標準量的方法稱作零式儀表，從而判定被測量值等于已知標準量

49、的方法稱作零位式測量。用天平測量物體的質量就是零位式測量的一零位式測量。用天平測量物體的質量就是零位式測量的一個簡單例子。個簡單例子。指零儀表指零時，被測量與已知標準量相等。指零儀表指零時，被測量與已知標準量相等。天平、電位差計等。 采用零位式測量法進行測量時，優點是可以獲得比較采用零位式測量法進行測量時，優點是可以獲得比較高的測量精度，但是測量過程比較復雜。采用自動平衡操高的測量精度，但是測量過程比較復雜。采用自動平衡操作以后，雖然可以加快測量過程，但它的反應速度由于受作以后，雖然可以加快測量過程，但它的反應速度由于受工作原理所限工作原理所限,也不會很高。因此，這種測量方法不適用也不會很高。

50、因此，這種測量方法不適用于測量變化迅速的信號，只于測量變化迅速的信號，只適用于測量變化較緩慢的信號適用于測量變化較緩慢的信號。電位差計簡化等效電路 在進行測量之前，應先調在進行測量之前，應先調R R1 1，將回路工作電流，將回路工作電流I I校準；在校準；在測量時，要調整測量時，要調整R R的活動觸點，使檢流計的活動觸點，使檢流計G G回零，這時回零，這時I Ig g=O=O，即即U Uh h=U=Ux x，這樣，標準電壓，這樣，標準電壓U Uh h的值就表示被測未知電壓值的值就表示被測未知電壓值U Ux x. .微差式測量：微差式測量： 將被測量與已知的標準量相比較將被測量與已知的標準量相比

51、較, , 取得差值后取得差值后, , 再再用偏差法測得此差值。用偏差法測得此差值。游標卡尺等。 這是綜合零位式測量和偏差式測量的優點而提出的這是綜合零位式測量和偏差式測量的優點而提出的一種測量方法，基本思路是將被測量一種測量方法，基本思路是將被測量x x的大部分作用先的大部分作用先與已知標準量與已知標準量N N的作用相抵消，剩余部分即兩者差值的作用相抵消，剩余部分即兩者差值xNxN，這個差值再用偏差法測量。微差式測量中，總，這個差值再用偏差法測量。微差式測量中，總是設法使差值很小，因此可選用高靈敏度的偏差式儀是設法使差值很小，因此可選用高靈敏度的偏差式儀表。即使差值的測量精度不高，但最終結果仍

52、可達到較表。即使差值的測量精度不高，但最終結果仍可達到較高的精度。高的精度。 微差式測量法是偏差式測量法和零位式測量法的結合。它通過測量待測量與標準量之差（通常該差值很小）來得到待測量量值。 u測量方法的其它分類方式：測量方法的其它分類方式：u按按不同的測量條件分：不同的測量條件分：等精度測量：等精度測量：用相同儀表與測量方法對同一被測量進行多次重復測量非等精度測量：非等精度測量：用不同精度的儀表或不同的測量方法, 或在環境條件相差很大時對同一被測量進行多次重復測量u按被測量在測量過程中的狀態不同分：按被測量在測量過程中的狀態不同分： 靜態測量與動態測量靜態測量與動態測量 (即根據被測量變化的

53、快慢分為) 三、測量系統的組成三、測量系統的組成 測量系統由四個基本環節組成：傳感測量系統由四個基本環節組成：傳感器、變換器或變送器、傳輸通道和顯示裝器、變換器或變送器、傳輸通道和顯示裝置。置。傳感器變換器傳輸通道顯示裝置被測量測量值四、測量環節的功能四、測量環節的功能1、傳感器（敏感元件）、傳感器（敏感元件）u它是測量系統直接與被測對象發生聯系的部分。它是測量系統直接與被測對象發生聯系的部分。u理想敏感元件應滿足的要求：理想敏感元件應滿足的要求：u敏感元件輸入與輸出之間應該有穩定的單值函數關敏感元件輸入與輸出之間應該有穩定的單值函數關系。系。u敏感元件應該只對被測量的變化敏感，而對其它一敏感

54、元件應該只對被測量的變化敏感，而對其它一切可能的輸入信號不敏感。切可能的輸入信號不敏感。u在測量過程中，敏感元件應該不干擾或盡量少干擾在測量過程中，敏感元件應該不干擾或盡量少干擾被測介質的狀態。被測介質的狀態。2、變換器（變送器）變換器（變送器）u它是傳感器和顯示裝置中間的部分，它是將傳它是傳感器和顯示裝置中間的部分，它是將傳感器輸出的信號變換成顯示裝置易于接收的部感器輸出的信號變換成顯示裝置易于接收的部件。件。u對變換器的要求：性能穩定，精確度高，使信對變換器的要求：性能穩定，精確度高，使信息損失最小。息損失最小。3、顯示裝置、顯示裝置u它是測量系統直接與觀測者發生聯系的部分它是測量系統直接

55、與觀測者發生聯系的部分u顯示裝置的基本形式：顯示裝置的基本形式：u模擬式顯示元件模擬式顯示元件u數字式顯示元件數字式顯示元件u屏幕式顯示元件屏幕式顯示元件4、傳輸通道、傳輸通道u它是儀表各環節間輸入、輸出信號的連接部分。它是儀表各環節間輸入、輸出信號的連接部分。u分為電線、光導纖維和管路等。分為電線、光導纖維和管路等。 在工程實踐中經常碰到這樣的情況：某個新設計、在工程實踐中經常碰到這樣的情況：某個新設計、研制、調試成功的檢測研制、調試成功的檢測(儀器儀器)系統在實驗室調試時測系統在實驗室調試時測得的精度已經達到甚至超過設計指標，但一旦安裝到得的精度已經達到甚至超過設計指標，但一旦安裝到環境比

56、較惡劣、干擾嚴重的工作現場，其實測精度往環境比較惡劣、干擾嚴重的工作現場，其實測精度往往大大低于實驗室能達到的水平往大大低于實驗室能達到的水平,甚至出現嚴重超差和甚至出現嚴重超差和無法正常運行的情況；無法正常運行的情況； 在檢測過程中，被測對象、檢測系統、檢測方法在檢測過程中，被測對象、檢測系統、檢測方法和檢測人員都會受到各種變動因素的影響。而且，對和檢測人員都會受到各種變動因素的影響。而且，對被測量的轉換，有時也會改變被測對象原有的狀態。被測量的轉換，有時也會改變被測對象原有的狀態。這就造成了檢測結果和被測量的客觀真值之間存在一這就造成了檢測結果和被測量的客觀真值之間存在一定的差別。這個差值

57、稱為定的差別。這個差值稱為測量誤差測量誤差。測量誤差的主要。測量誤差的主要來源可以概括為工具誤差、環境誤差、方法誤差和人來源可以概括為工具誤差、環境誤差、方法誤差和人員誤差等。員誤差等。1.2.2 檢測系統誤差分析基礎檢測系統誤差分析基礎 誤差的表示方法誤差的表示方法 絕對誤差絕對誤差 相對誤差相對誤差 引用誤差引用誤差 基本誤差基本誤差(儀表在規定的標準條件下所具有的誤差。) 附加誤差附加誤差(儀表的使用條件偏離額定條件下出現的誤差。) 測量誤差的性質測量誤差的性質 隨機誤差隨機誤差 系統誤差系統誤差 粗大誤差粗大誤差1.1.測量誤差的定義測量誤差的定義 由于檢測系統由于檢測系統( (儀表儀

58、表) )不可能絕對精確，測量不可能絕對精確，測量原理的局限、測量方法的不盡完善、環境因素和原理的局限、測量方法的不盡完善、環境因素和外界干擾的存在以及測量過程可能會影響被測對外界干擾的存在以及測量過程可能會影響被測對象的原有狀態等，使得測量結果不能準確地反映象的原有狀態等，使得測量結果不能準確地反映被測量的真值而存在一定的偏差，這個偏差就是被測量的真值而存在一定的偏差，這個偏差就是測量誤差測量誤差。一、基本概念一、基本概念測量誤差是測得值減去被測量的真值。測量誤差是測得值減去被測量的真值。2.2.真值：真值： 在分析測量誤差時，人們采用的被測量真值是指在在分析測量誤差時，人們采用的被測量真值是

59、指在確定的時間、地點和狀態下，被測量所表現出來的確定的時間、地點和狀態下，被測量所表現出來的實際大小。一般來說，真值是未知的，所以誤差也實際大小。一般來說，真值是未知的，所以誤差也是未知的。但有些值可以作為真值來使用。例如是未知的。但有些值可以作為真值來使用。例如理理論真值論真值，它是理論設計和理論公式的表達值。還有，它是理論設計和理論公式的表達值。還有計量學計量學約定真值約定真值，它是由國際計量學大會確定的長，它是由國際計量學大會確定的長度、質量、時間等基本單位。度、質量、時間等基本單位。 一個量嚴格定義的理論值通常叫一個量嚴格定義的理論值通常叫理論真值理論真值.(1)(1)約定真值約定真值

60、 約定真值約定真值是一個接近真值的值，它與真值之差可忽是一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計。實際測量中以在沒有系統誤差的情況下，略不計。實際測量中以在沒有系統誤差的情況下，足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。約定真值約定真值(conventional true value) (conventional true value) 是對于給定目的是對于給定目的具有適當不確定度的、賦予特定量的值，有時該值是約具有適當不確定度的、賦予特定量的值，有時該值是約定采用的。實際上對于給定目的，并不需要獲得特定量定采用的。實際上對于給定目的，并不需要獲得特定量的真值