傳感器和測(cè)量基本概念第一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)傳感器基本概念

一、檢測(cè)技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用

檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代化領(lǐng)域中很有發(fā)展前途的技術(shù)，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著極其重要的作用。

第二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日二、檢測(cè)系統(tǒng)組成

目前，非電量的檢測(cè)多采用電測(cè)量法，即首先將各種非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚缓蠼?jīng)過一系列的處理，將非電量參數(shù)顯示出來，其原理框圖如1—1所示。第三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日傳感器（Transducer）是指一個(gè)能把被測(cè)的非電量變換成電量的器件。信號(hào)處理電路的作用是把傳感器輸出的電量變成具有一定功率的電壓或電流、頻率信號(hào)等，以推廣后級(jí)的顯示電路、數(shù)據(jù)處理電路及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。第五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日目前常用的顯示器有四類：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示及記錄儀等。第六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)據(jù)處理裝置用來對(duì)測(cè)試所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理、運(yùn)算、分析，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果作頻譜分析、幅值譜分析、能量譜分析等，完成以上工作必須采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。第七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)據(jù)處理的結(jié)果通常送到顯示器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中去，以顯示運(yùn)算處理的各種數(shù)據(jù)及控制各種被控對(duì)象。而在不帶數(shù)數(shù)據(jù)處理裝置的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，顯示器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)由信號(hào)處理電路直接驅(qū)動(dòng)，如圖1—1中的虛線所示。第八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日所謂執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥門、伺服電動(dòng)機(jī)等在電路中起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用的電器設(shè)備。許多檢測(cè)系統(tǒng)能輸出與被測(cè)量有關(guān)的電流或電壓信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供信號(hào)。第九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日現(xiàn)在的檢測(cè)系統(tǒng)越來越多地使用計(jì)算機(jī)（微機(jī)）來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等配合就能構(gòu)成工業(yè)中的某些控制系統(tǒng)。第十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日三、檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1)不斷提高檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、量程范圍延長(zhǎng)使用壽命、提高可靠性2)應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域3)發(fā)展集成化、功能化的傳感器4)采用微機(jī)技術(shù)，使檢測(cè)技術(shù)智能化第十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)測(cè)量的基本概念一.測(cè)量定義：將被測(cè)量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量用專門的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行比較，獲得被測(cè)量對(duì)比該標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，從而在量值上給出被測(cè)量的大小和符號(hào)。第十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日表示式：X=A*X0其中：X為被測(cè)量；X0為標(biāo)準(zhǔn)量；A為比值（無量綱）。第十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日標(biāo)準(zhǔn)量必須有單位，單位越小，A數(shù)值越大，A=X/X0，測(cè)量精度越高。例：以mm最小分格，以cm最小分格，哪個(gè)測(cè)量精度高。而人眼分辨1/10。標(biāo)準(zhǔn)量：國(guó)際上或國(guó)家特定機(jī)構(gòu)所指定的。第十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日測(cè)量方法：直接測(cè)量（如電壓表測(cè)電壓）從事先分度好的表盤讀被測(cè)量。間接測(cè)量（如伏安法測(cè)電阻）利用被測(cè)量與某中間量之函數(shù)關(guān)系，先測(cè)出中間量，再通過函數(shù)關(guān)系計(jì)算被測(cè)量。第十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日二、測(cè)量?jī)x表的精確度與分辨率精確度〈精度〉指標(biāo)有三個(gè)：精密度、準(zhǔn)確度、精度等級(jí)。精密度（隨機(jī)誤差）：描述測(cè)量?jī)x表指示值不一致程度的量。第十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日精確度：精密度和準(zhǔn)確度的總和，以測(cè)量誤差相對(duì)值反映測(cè)量?jī)x表的優(yōu)良程度。精度等級(jí)：在規(guī)定工作條件下，其最大絕對(duì)允許誤差相對(duì)儀表測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)。式A%=Δgmax/Xmax-Xmin*100%第十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日Δgmax為最大絕對(duì)允許誤差值。Xmax/Xmin為測(cè)量范圍的上、下限。A為精度等級(jí)，以標(biāo)準(zhǔn)百分?jǐn)?shù)分檔。A可為0.001，0.005，0.02，0.05…1.5，2.5，4.0，6.0等第十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日分辨率：顯示儀表能夠檢測(cè)到被測(cè)量最小變化量的本領(lǐng)。模擬表為最小刻度一半（讀數(shù)誤差）/數(shù)字表為最后一位數(shù)字的一個(gè)字（讀數(shù)誤差）。第十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日三、直接測(cè)量的三種方法第二十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日零位法：被測(cè)量與已知標(biāo)準(zhǔn)量在比較儀器中進(jìn)行比較，使這兩種量對(duì)儀器的作用抵消為零（例如天平測(cè)量砝碼，已知標(biāo)準(zhǔn)量）。測(cè)量精度高。偏差法：測(cè)量?jī)x表用指針相對(duì)于表盤上刻度線的位移來直接表示被測(cè)量的大小（用標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)定過，例如彈簧秤）。測(cè)量精度不高。微差法：零位法和偏差法的結(jié)合，先將被測(cè)量與一個(gè)已知標(biāo)準(zhǔn)兩進(jìn)行比較，即不徹底的零位法，不足部分，即被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量之差，再用偏差法測(cè)出（例如長(zhǎng)度測(cè)量）。誤差小，不需反復(fù)平衡操作。第二十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日四、測(cè)量誤差及分類（一）絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差絕對(duì)誤差：測(cè)量值A(chǔ)x與真值A(chǔ)0之間的差值。Δ=Ax-A0修正值α=-Δ第二十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日相對(duì)誤差：實(shí)際相對(duì)誤差rA：絕對(duì)誤差Δ與被測(cè)量真值A(chǔ)0的百分比。rA=Δ/A0*100%示值相對(duì)誤差rx：絕對(duì)誤差Δ與被測(cè)量Ax的百分比。rx=Δ/Ax*100%滿度相對(duì)誤差rm：絕對(duì)誤差Δ與滿度值A(chǔ)m的百分比。rm=Δ/Am*100%第二十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日精度等級(jí)s：當(dāng)Δ取最大值Δm時(shí)，滿度相對(duì)誤差。S=︱Δm/Am︳*100%我國(guó)電工儀表0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0，七個(gè)級(jí)別。第二十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日（二）粗大誤差、系統(tǒng)誤差和隨即誤差粗大誤差：明顯偏離真值的誤差。應(yīng)剔除系統(tǒng)誤差：誤差數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者。隨機(jī)誤差：誤差的絕對(duì)值和正負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。第二十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日（三）靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差靜態(tài)誤差：被測(cè)量不隨時(shí)間變化。動(dòng)態(tài)誤差：被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，系統(tǒng)輸出在時(shí)間上不能與被測(cè)量的變化吻合。第二十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)傳感器特性一、傳感器的一般特性傳感器將被測(cè)量的變化能否不失真地變換成相應(yīng)電量取決于傳感器本身基本特性。輸出—輸入特性。靜態(tài)特性：被測(cè)量的數(shù)值在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系。靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。線性度(非線性誤差)：實(shí)際輸出—輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差再與輸出滿度值相比。如圖1—2所示。第二十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第二十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日rL=Δmax/ym*100%其中：rL為線性度；Δmax為最大非線性絕對(duì)誤差；Ym為輸出滿度值。第二十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日靈敏度：在穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化與輸入變化的比值K。(輸出變化量Δy與引起該變化的輸入變化量Δx之比，校正曲線斜率。線性傳感器K為常數(shù)。)K=輸出量的變化量/輸入量的變化量=遲滯（實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得）：輸入量增大行程期間和輸入量減小行程期間，輸出—輸入特性曲線不重合的程度。如圖1—3所示。第三十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第三十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日yH=1/2*Δmax/ym*100%其中：Δmax為正、反行程輸出最大差值。重復(fù)性：輸入量在同一方向〈增或減〉做全量程內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量，所得輸出—輸入特性曲線不一致的程度。如圖1-4

第三十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第三十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日Yr=±△max/ym*100%△max為△m1、△m2之較大者。第三十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日動(dòng)態(tài)特性：測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。實(shí)際中大量的被測(cè)量隨時(shí)間變化的是動(dòng)態(tài)信號(hào)；若輸出隨時(shí)間的變化規(guī)律再現(xiàn)輸入量隨時(shí)間的變化規(guī)律，說明性能好。動(dòng)態(tài)誤差：實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不會(huì)具有相同的時(shí)間常數(shù)。（對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。第三十五頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日二、傳感器中的彈性敏感元件傳感器一般由敏感元件和傳感元件兩個(gè)基本部分組成。如圖1-5所示。第三十六頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第三十七頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日敏感元件：直接感受被測(cè)非電量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有確定關(guān)系的其它量〈一般仍為非電量〉的元件。例如膜片將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)變成位移。傳感元件：將敏感元件感受到的非電量轉(zhuǎn)換為別的非電量的器件。例如電阻應(yīng)變片將應(yīng)變（位移）轉(zhuǎn)換成電阻的變化。轉(zhuǎn)換電路：傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)。例如電橋、放大器、振蕩器等。第三十八頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日然而，并不是所有傳感器必須包括敏感元件和傳感元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為傳感元件。如果傳感元件直接感受被測(cè)非電量而輸出與之成確定關(guān)系的電量，此傳感器無敏感元件。例如壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻等。敏感元件與傳感元件合二為一。第三十九頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)械彈性敏感元件的輸入量，可以是集中的力、力矩、流體壓力和溫度等各種非電量。而輸出量是彈性元件本身的變形〈應(yīng)變、位移、轉(zhuǎn)角等〉。第四十頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第四十一頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日彈性元件分類：兩大類（變換力和變換壓力）變換力：力變換成應(yīng)變或位移的彈性元件。變換壓力：壓力變換成應(yīng)變或位移的彈性元件。第四十二頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日。但威力標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望得到線性關(guān)系。可采用各種方法，包括計(jì)算機(jī)硬件或軟件補(bǔ)償，進(jìn)行線性化處理。但這些辦法都較復(fù)雜。所以在非線性誤差不太大的情況下，采用直線擬合的辦法來線性化。理論擬合：如圖1—7，與測(cè)試無關(guān)，簡(jiǎn)單但很大，擬合直線為傳感器理論特性。第四十三頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日第四十四頁(yè)，共五十頁(yè)，2022年，8月28日過零旋轉(zhuǎn)擬合：如圖1—8，常用校正曲線過零的傳感器，擬合時(shí)，使=。簡(jiǎn)單且誤差小。第四十五頁(yè)