機電類本科

《自動檢測技術及應用》

第一章檢測技術的基本概念

多媒體課件

統一書號：ISBN978-7-111-19926-X

作者：梁森，歐陽三泰，王侃夫

附帶光盤第一章傳感器與檢測技術《自動檢測技術及應用》目錄第一章檢測技術的基本概念第一節測量的基本概念及方法，第二節測量誤差及數據處理，第三節測量不確定度，第四節傳感器及其基本特性第二章電阻傳感器第一節電阻應變傳感器，第二節測溫熱電阻傳感器，第三節氣敏電阻傳感器，第四節濕敏電阻傳感器，第五節磁敏電阻傳感器，第六節工程項目設計實例——利用鉑熱電阻測控電烘箱溫度第三章電感傳感器第一節自感傳感器，第二節差動變壓器傳感器，第三節電感傳感器的應用，第四節工程項目設計實例——電感傳感器在軸承滾子直徑分選中的應用第一章傳感器與檢測技術《自動檢測技術及應用》目錄第四章電渦流傳感器第一節電渦流傳感器的工作原理，第二節電渦流傳感器的結構及特性，第三節電渦流傳感器的測量轉換電路，第四節電渦流傳感器的應用，第五節接近開關及應用，第六節工程項目設計實例——電渦流傳感器在棉包金屬檢測中的應用第五章電容傳感器第一節電容傳感器的工作原理及結構形式，第二節電容傳感器的測量轉換電路，第三節電容傳感器的應用，第四節壓力、液位和流量的測量，第五節工程項目設計實例——利用電容壓力傳感器測量地面沉降第六章壓電傳感器第一節壓電傳感器的工作原理，第二節壓電傳感器的測量轉換電路，第三節壓電傳感器的結構和應用，第四節振動測量及頻譜分析，第五節工程項目設計實例——壓電傳感器在齒輪箱故障診斷中的應用第一章傳感器與檢測技術《自動檢測技術及應用》目錄第七章超聲波傳感器第一節超聲波物理基礎，第二節超聲波換能器及耦合技術，第三節超聲波傳感器的應用，第四節無損探傷，第五節工程項目設計實例——超聲波傳感器在鐵路鋼軌探傷中的應用第八章霍爾傳感器第一節霍爾元件的工作原理及特性，第二節霍爾集成電路，第三節霍爾傳感器的應用，第四節工程項目設計實例——霍爾傳感器在油氣管道無損探傷中的應用第九章熱電偶傳感器第一節溫度測量的基本概念，第二節熱電偶傳感器的工作原理，第三節熱電偶的種類及結構，第四節熱電偶冷端的延長，第五節熱電偶的冷端溫度補償與集成溫度傳感器第六節熱電偶的應用及配套儀表，第七節工程項目設計實例——熱電偶在熱力學測量水泵效率中的應用第一章傳感器與檢測技術《自動檢測技術及應用》目錄第十章光電傳感器第一節光電效應與光電元件，第二節光電元件的基本應用電路，第三節光電傳感器的應用，第四節光電開關及光電斷續器，第五節CCD圖像傳感器及應用，第六節工程項目設計實例——光電傳感器在帶鋼開卷機糾偏中的應用第十一章數字式位置傳感器第一節位置測量方式，第二節角編碼器，第三節光柵傳感器，第四節磁柵傳感器，第五節容柵傳感器，第六節工程項目設計實例——鞋楦機的數字化逆向制造系統第十二章檢測系統的抗干擾技術第一節噪聲及防護，第二節檢測技術中的電磁兼容原理，第三節幾種電磁兼容控制技術，第四節工程項目設計實例——K型熱電偶抗干擾放大器的設計第一章傳感器與檢測技術《自動檢測技術及應用》目錄第十三章傳感器在現代檢測系統中的應用第一節現代檢測系統的基本結構，第二節現代檢測系統的接口總線，第三節基于虛擬儀器的檢測系統，第四節傳感器在現代汽車中的應用，第五節傳感器在數控機床中的應用，第六節傳感器在機器人中的應用，第七節傳感器在智能樓宇中的應用附錄附錄A常用傳感器的性能及選擇，附錄B壓力單位及換算，附錄C工業熱電阻分度表，附錄D鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）K熱電偶分度表習題參考答案第一章傳感器與檢測技術主講教師：

上海電機學院

測控教研室梁森教授聯系方法：

自動檢測技術課程網“梁老師答疑網”（)

2011.1.1第一章傳感器與檢測技術第一章檢測技術的基本概念

本章學習測量的基本概念、測量方法、誤差分類、測量結果的數據統計處理、測量不確定度，以及傳感器的基本特性等，是檢測技術的理論基礎。

第一章傳感器與檢測技術第一節檢測技術的基本概念及方法

靜態測量

第一章傳感器與檢測技術

對緩慢變化的對象進行測量亦屬于靜態測量。

最高、最低溫度計第一章傳感器與檢測技術

動態測量

地震測量振動波形第一章傳感器與檢測技術便攜式儀表

可以顯示波形的手持示波器第一章傳感器與檢測技術直接測量

電子卡尺第一章傳感器與檢測技術間接測量

對多個被測量進行測量，經過計算求得被測量。

（阿基米德測量皇冠的比重）第一章傳感器與檢測技術接觸式測量

第一章傳感器與檢測技術非接觸式測量

例：雷達測速車載電子警察第一章傳感器與檢測技術離線測量

產品質量檢驗第一章傳感器與檢測技術在線測量

在流水線上，邊加工，邊檢驗，可提高產品的一致性和加工精度。第一章傳感器與檢測技術第二節測量誤差及分類

絕對誤差：

Δ=Ax－Ａ0

某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發現均缺少約0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？第一章傳感器與檢測技術相對誤差及精度等級

幾個重要公式：示值相對誤差滿度相對誤差準確度(精度)第一章傳感器與檢測技術例：用同一臺磅秤測量三個不同重量物體的示值相對誤差的比較，請得出結論！第一章傳感器與檢測技術儀表的準確度等級和基本誤差

例：某指針式電壓表的準確度為2.5級，用它來測量電壓時可能產生的最大滿度相對誤差為2.5%。

某公司生產測量溫度的儀表，滿度誤差均在1.1~1.6％之間，該系列產品屬于哪一級溫度表？

某車間希望測量溫度的儀表滿度相對誤差控制在1.1~1.6％之間，應購買哪一級溫度表？第一章傳感器與檢測技術例：某指針式萬用表的面板如圖所示，問：用它來測量直流、交流（~）電壓時，可能產生的滿度相對誤差分別為多少？第一章傳感器與檢測技術

例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？第一章傳感器與檢測技術

用2.5V量程測量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問示值相對誤差哪一個大？第一章傳感器與檢測技術作業講評“第三節測量不確定度”的關鍵詞

關鍵詞是用來描述文獻資料主題和給出檢索文獻資料的一種新型的情報檢索語言詞匯。正是由于它的出現和發展，才使得情報檢索（計算機檢索）成為可能。關鍵詞一定是實詞，一般是用來概括你的論文所涉及的領域，以及你認為重要的研究方法。比如，一篇關于水處理的論文關鍵詞可以是：飲用水、紫外消毒、有機物、氯化物等。一篇論文可選取3~8個詞作為關鍵詞。第一章傳感器與檢測技術作業講評“第三節測量不確定度”的關鍵詞錯誤的選?。赫J為本章學習中，對學生較為關鍵的內容，如：“重要”、“概念”、“定義”、“區別”、“分類”、“評定”、“報告”等一般性的單詞。正確的選?。簻y量不確定度，不確定度評定，置信水平，約定概率，分布密度，不確定度合成，儀器誤差，真值，等等。第一章傳感器與檢測技術誤差產生的因素：

1.粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當發現粗大誤差時，應予以剔除。

第一章傳感器與檢測技術產生粗大誤差的一個例子

第一章傳感器與檢測技術

在重復性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統誤差。凡誤差的數值固定或按一定規律變化者，均屬于系統誤差。系統誤差是有規律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調整測量儀表的有關部件予以消除。

2.系統誤差：夏天擺鐘變慢的原因是什么？第一章傳感器與檢測技術3.隨機誤差

測量結果與在重復條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值之差稱為隨機誤差。也可以采用如下的表達：在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發現測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差。

存在隨機誤差的測量結果中，雖然單個測量值誤差的出現是隨機的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數隨機誤差都服從正態分布規律。第一章傳感器與檢測技術

隨機事件與隨機誤差有區別，并不一定符合正態分布規律。

彩票搖獎第一章傳感器與檢測技術隨機誤差的正態分布規律長度相對測量值次數統計第一章傳感器與檢測技術隨機誤差的正態分布規律長度相對測量值次數統計第一章傳感器與檢測技術

1）集中性：大量的測量值集中分布于算術平均值附近。隨機誤差的正態分布規律2）對稱性：測量值大致對稱地分布于兩側。３）有界性：在一定的條件下，測量值有一定的分布范圍，超過這個范圍的可能性非常小，即出現絕對誤差很大的情況很少。粗大誤差的測量值應予以剔除。第一章傳感器與檢測技術nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98例1：用核輻射式測厚儀對鋼板的厚度進行6次等精度測量，所得數據如下表（單位為mm），請指出哪幾個數值為粗大誤差？在剔除粗大誤差后，用算術平均值公式求出鋼板厚度。

第一章傳感器與檢測技術根據P13的例1-3，經計算可知，5.99以及9.33為粗大誤差，予以剔除，剩余4個測量值計算算術平均值：nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98第一章傳感器與檢測技術4.動態誤差

由心電圖儀放大器帶寬不夠引起的動態誤差

當被測量隨時間迅速變化時，系統的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態誤差。

第一章傳感器與檢測技術誤差的合成（1）絕對值合成法（2）方均根合成法

第一章傳感器與檢測技術例1-4用圖1-2核輻射鋼板測厚儀測鋼板厚度，已知PIN型γ射線二極管的測量誤差為±5%，微電流放大器誤差為±2%，指針表誤差為±1%，求測量的總誤差。結論：測量系統中的γ射線二極管的測量誤差最大，應提高其精度等級。第一章傳感器與檢測技術第三節測量不確定度

表征合理地賦予被測量之值的分散性的參數稱為不確定度。測量不確定度是對測量結果的不可信程度或對測量結果有效性的懷疑程度。不確定度表征被測量的真值在某個量程范圍內的一個估計，是測量結果的一個重要參數，用以表征被測量的分散程度。

不確定度越小，測量結果越可信。

第一章傳感器與檢測技術測量不確定度的分類

為了正確地評定測量結果的不確定度，應全面分析影響測量結果的各種因素，仔細列出測量結果的所有不確定度來源。不確定度評定得太大，會造成資源浪費，評定得太小，將影響工程質量。在完成不確定度的分析和評定后，應給出不確定度報告。第一章傳感器與檢測技術測量不確定度的來源

①對被測量的定義不完善；②被測量定義復現的不理想；③被測量的樣本不能代表定義的被測量；④環境條件對測量過程的影響考慮不周，或環境條件的測量不完善；⑤模擬儀表讀數時人為的偏差；⑥儀器分辯力或鑒別閾不夠；⑦賦予測量標準或標準物質的值不準；⑧從外部來源獲得并用以數據計算的常數及其他參數不準；⑨測量方法和測量過程中引入的近似值及假設；⑩在相同條件下被測量重復觀測值的變化等。第一章傳感器與檢測技術第四節傳感器及基本特性

一、傳感器的組成舉例：測量壓力的電位器式壓力傳感器

1-彈簧管2-電位器

請畫出右圖所示傳感器的組成框圖第一章傳感器與檢測技術電位器式壓力傳感器原理框圖第一章傳感器與檢測技術彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉換成與被測量有確定關系、更易于轉換的非電量。第一章傳感器與檢測技術彈性敏感元件（彈簧管）

在下圖中，彈簧管將壓力轉換為角位移α第一章傳感器與檢測技術彈簧管放大圖

當被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉動，從而帶動電位器的電刷產生角位移。第一章傳感器與檢測技術其他各種彈性敏感元件

在上圖中的各種彈性元件也能將壓力轉換為角位移或直線位移。第一章傳感器與檢測技術壓力傳感器的外形及內部結構第一章傳感器與檢測技術被測量通過敏感元件轉換后，再經傳感元件轉換成電參量

在右圖中，電位器為傳感元件，它將角位移轉換為電參量——電阻的變化（ΔR）第一章傳感器與檢測技術

360度圓盤形電位器傳感器(測量角位移)

右圖所示的360度圓盤形電位器的中間焊片為滑動片，右邊焊片接地，左邊焊片接電源。

接地第一章傳感器與檢測技術

測量轉換電路的作用是將傳感元件輸出的電參量轉換成易于處理的電壓、電流或頻率量。

在左圖中，當電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關系的電壓Uo

。

第一章傳感器與檢測技術分壓比電路的計算公式如下：

直滑電位器式傳感器的輸出電壓Uo與滑動觸點C的位移量x成正比：

對圓盤式電位器來說，Uo與滑動臂的旋轉角度成正比：第一章傳感器與檢測技術二、傳感器分類

傳感器的種類名目繁多，分類不盡相同。常用的分類方法有：１）按被測量分類：可分為位移、力、力矩、轉速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。

2）按測量原理分類：可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導纖維等傳感器。

本教材采用哪一種分類法？

第一章傳感器與檢測技術三、傳感器基本特性

傳感器的特性一般指輸入、輸出特性，包括：靈敏度、分辨力、分辨率、線性度、穩定度、電磁兼容性、可靠性等。

第一章傳感器與檢測技術靈敏度：

靈敏度是指傳感器在穩態下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示：

第一章傳感器與檢測技術作圖法求靈敏度過程xyx1ΔxΔy0切點傳感器特性曲線xmax第一章傳感器與檢測技術分辨力：指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應。對數字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認為該表的最后一位所表示的數值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數值小于儀表的最大絕對誤差。右表的分辨力為多少？

第一章傳感器與檢測技術分辨率：將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數。

右表的滿量程為199.9A，問：該表的分辨率為多少？

第一章傳感器與檢測技術線性度：

線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內的輸出之百分比。將傳感器輸出起始點與滿量程點連接起來的直線作為擬合直線，這條直線稱為端基理論直線，按上述方法得出的線性度稱為端基線性度，非線性誤差越小越好。線性度的計算公式如下：第一章傳感器與檢測技術作圖法求端基線性度演示

首先作一根理論直線——將儀表輸出起始點