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1、绪论绪论章节导入：章节导入：在信息社会的一切活动中，从日常生活、在信息社会的一切活动中，从日常生活、生产活动到科学试验，时时到处离不开检测。生产活动到科学试验，时时到处离不开检测。现代化的检测手段在很大程度上确定了生产、现代化的检测手段在很大程度上确定了生产、科学技术的发展水平，而科学技术的发展又为科学技术的发展水平，而科学技术的发展又为检测技术供应了新的理论基础和制造工艺，同检测技术供应了新的理论基础和制造工艺，同时对检测技术提出了更高要求。时对检测技术提出了更高要求。本章要点：本章要点：1、检测与传感器基本概念以及检测系统的组、检测与传感器基本概念以及检测系统的组成成2、检测技术的应用、检
2、测技术的应用3、学习任务及学习方法、学习任务及学习方法11/4/20221一、检测与传感器的概念一、检测与传感器的概念检测：检测：利用各种物理、化学效应，选择合适的方利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赐予定性与定量关信息通过检查与测量的方法赐予定性与定量结果的过程。结果的过程。传感器：传感器：从广义的角度来说，检出感知信号器件和信从广义的角度来说，检出感知信号器件和信号处理部分总称为传感器。号处理部分总称为传感器。11/4/20222检测系统的基本组成：检测系统的基本组成：非电量非电量或
3、电量或电量传感器传感器电量电量信号处信号处理电路理电路显示器显示器Uo io f数据处理数据处理装置装置执行机构执行机构1 1、传感器：、传感器：(也可按其他形式分类，例如被测量）也可按其他形式分类，例如被测量）参量型传感器：参量型传感器：输出量是电阻、电感、电容无源电参量，有电输出量是电阻、电感、电容无源电参量，有电阻式、电感式、电容式传感器等。阻式、电感式、电容式传感器等。发电型传感器：发电型传感器：输出量是电压、电流，有热电式、光电式、磁输出量是电压、电流，有热电式、光电式、磁电式、压电式传感器等。电式、压电式传感器等。11/4/202232 2、信号处理电路：、信号处理电路：包括放大或
4、衰减电路、滤波电路、隔离电包括放大或衰减电路、滤波电路、隔离电路等。放大电路把传感器输出电量变成具有确路等。放大电路把传感器输出电量变成具有确定驱动和传输实力的电压、电流或频率信号，定驱动和传输实力的电压、电流或频率信号，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。构。3 3、显示器：、显示器：目前有模拟显示、数字显示、图像显示、目前有模拟显示、数字显示、图像显示、记录仪。记录仪。11/4/202244 4、数据处理装置：、数据处理装置：对测试的数据进行处理、运算、逻辑推断、对测试的数据进行处理、运算、逻辑推断、线性变换，对动态测试结果进行频谱分析、相关
5、线性变换，对动态测试结果进行频谱分析、相关分析，借助计算机。分析，借助计算机。5 5、执行机构：、执行机构：用电压、电流信号驱动继电器、电磁铁、电用电压、电流信号驱动继电器、电磁铁、电磁阀门、伺服电机等，起通断、限制、调整、爱磁阀门、伺服电机等，起通断、限制、调整、爱护等作用。护等作用。11/4/20225二、传感器的应用二、传感器的应用 事实上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、事实上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、事实上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、事实上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。体积、质量和时间。体积、质量和时间。体积
6、、质量和时间。18181818世纪以来科学技术取得飞速发展，被世纪以来科学技术取得飞速发展，被世纪以来科学技术取得飞速发展，被世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象快速扩大。测对象快速扩大。测对象快速扩大。测对象快速扩大。力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；电磁电磁电磁电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；化学领域中有浓度、成分、化学领域中有浓度、
7、成分、化学领域中有浓度、成分、化学领域中有浓度、成分、pHpHpHpH值等；值等；值等；值等；工业领域工业领域工业领域工业领域 中有流量、压力、温度、黏度等被测量。中有流量、压力、温度、黏度等被测量。中有流量、压力、温度、黏度等被测量。中有流量、压力、温度、黏度等被测量。现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量如电位测量，生物断面测量如电位测量，生物断面测量如电位测量，生物断面测量如B B B B超、超、超、超、CTCTC
8、TCT；工业领域的光泽、触；工业领域的光泽、触；工业领域的光泽、触；工业领域的光泽、触觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的视觉、触觉等各种传感器。视觉、触觉等各种传感器。视觉、触觉等各种传感器。视觉、触觉等各种传感器。11/4/20226 就被测对象而言工业上须要检测的量有电量和就被测对象而言工业上须要检测的量有电量和非电量两大类。早期多用非电量的方法测量，例如：非电量两大类。早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长度；用
9、液体热膨胀的温度计测温度；天用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。平测量物重。传统的传感器与检测系统只是完成从非电量到非电量或传统的传感器与检测系统只是完成从非电量到非电量或传统的传感器与检测系统只是完成从非电量到非电量或传统的传感器与检测系统只是完成从非电量到非电量或电量的转换。电量的转换。电量的转换。电量的转换。现今现今现今现今 1 1 1 1、能够实现现代智能仪器仪表的自动测量，还能够完成、能够实现现代智能仪器仪表的自动测量，还能够完成、能够实现现代智能仪器仪表的自动测量，还能够完成、能够实现现代智能仪器仪表的自动测量，还能够完成过程限制的自动检测与限制。过程限制的自动
10、检测与限制。过程限制的自动检测与限制。过程限制的自动检测与限制。2 2 2 2、随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新、随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新、随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新、随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求。的要求。的要求。的要求。3 3 3 3、尤其对动态变更的物理过程和物理量远距离测量。、尤其对动态变更的物理过程和物理量远距离测量。、尤其对动态变更的物理过程和物理量远距离测量。、尤其对动态变更的物理过程和物理量远距离测量。11/4/20227 对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。对于各种各样的被测量，有各种各样的传
11、感器。下面请看几个传感器应用实例下面请看几个传感器应用实例:在本课程都要学习到。在本课程都要学习到。电子汽车衡电子汽车衡电子汽车衡电子汽车衡计量测试计量测试超声波测流量超声波测流量超声波测流量超声波测流量红外测温红外测温红外测温红外测温11/4/20228传感器的应用传感器的应用 医疗诊断医疗诊断 B超与超与CT11/4/20229传感器的应用传感器的应用家用电器家用电器家用电器家用电器液化气烟雾报警器液化气烟雾报警器液化气烟雾报警器液化气烟雾报警器智能洗衣机智能洗衣机智能洗衣机智能洗衣机遥控器遥控器遥控器遥控器11/4/202210传感器的应用传感器的应用 湿湿 度度 测测 量量 纺纺 织织
12、 品品精确的 烟草烘干烟草烘干木材烘干木材烘干芯片生产要求最高的湿度芯片生产要求最高的湿度稳定性稳定性纸纸 品品湿度传感器湿度传感器11/4/202211三、检测技术的发展趋势三、检测技术的发展趋势 1 1、不断提高检测系统的测量精度、量程范、不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长运用寿命、提高牢靠性：围、延长运用寿命、提高牢靠性：2 2、应用新技术和新的物理效应，扩大检、应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域测领域 例如图像识别、激光测距、红外测温、例如图像识别、激光测距、红外测温、C C型超型超声波无损探伤、放射性测厚、中子探测爆炸物。声波无损探伤、放射性测厚、中子探测爆炸物。3 3、
13、随着科学技术的不断发随着科学技术的不断发 展，检测技展，检测技术接着往数字化、智能化、远程限制方向发展。术接着往数字化、智能化、远程限制方向发展。11/4/2022121 1、提高测量精度、提高测量精度数字电压、欧姆表数字电压、欧姆表 将量程将量程切换到切换到2V2V时，时，最小显示值为最小显示值为1V1V11/4/2022132 2、提高牢靠性、提高牢靠性11/4/2022143.3.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域月球车月球车11/4/202215火星车火星车3.3.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域11
14、/4/202216“惠更斯惠更斯”号登陆土卫号登陆土卫六的效果图六的效果图土卫六表面土卫六表面3.3.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域11/4/202217平安检查平安检查3.3.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域11/4/2022184.4.发展集成化、功能化的传感器发展集成化、功能化的传感器 可拍照的手机可拍照的手机11/4/2022195.5.接受计算机技术，使检测技术智能化接受计算机技术，使检测技术智能化 面部识别面部识别技术技术11/4/202220接受计算机技术，使检测技术智能化接受计算机技术，使
15、检测技术智能化 智能机械手智能机械手11/4/202221接受计算机技术，使检测技术智能化接受计算机技术，使检测技术智能化 单片机芯片单片机芯片11/4/202222 6.6.发展网络化传感器及检测系统发展网络化传感器及检测系统 区域网与上位机区域网与上位机11/4/202223模模模模 拟拟拟拟 传传传传 感感感感 器器器器放放放放 大大大大 电电电电 路路路路A/D A/D A/D A/D 转转转转 换换换换线线线线 性性性性 化化化化 处处处处 理理理理微微微微 处处处处 理理理理 器器器器标准接口标准接口标准接口标准接口脉冲输出脉冲输出脉冲输出脉冲输出控制门控制门控制门控制门显示显示显
16、示显示 传传感感器器在在总总体体上上呈呈现现出出多多功功能能、微微型型化化、数数字字化化、集集成成化化、智智能能化化和和网网络络化化的的发发展展趋趋势势。将将在第十三章检测系统的综合应用具体学习。在第十三章检测系统的综合应用具体学习。传感器的数字化和网络化结构传感器的数字化和网络化结构11/4/202224三、本课程的任务和学习方法三、本课程的任务和学习方法 任务：任务：在驾驭测量基本原理在驾驭测量基本原理 逐一分析各逐一分析各种传感器是如何将非电量转换为电量种传感器是如何将非电量转换为电量 相应的测量转换电路信号处理电路相应的测量转换电路信号处理电路 各各种传感器在工业中的应用。种传感器在工
17、业中的应用。学习方法：学习方法：学习自动检测与转换技术课程学习自动检测与转换技术课程，涉及到物理，涉及到物理、电工基础、电工基础、电子线路等多方面学问，学习之前应电子线路等多方面学问，学习之前应有所准备。学习中在弄懂基本概念的同时，有所准备。学习中在弄懂基本概念的同时，协作必要的试验、实习环节，理论联系实协作必要的试验、实习环节，理论联系实际。际。11/4/202225第一章第一章 检测技术的基本概念检测技术的基本概念 章节导入：章节导入：测量是检测技术的主要组成部分。现代社会测量是检测技术的主要组成部分。现代社会要求测量必需达到更高的精确度，更小的误要求测量必需达到更高的精确度，更小的误差，
18、更快的速度，更高的牢靠性。差，更快的速度，更高的牢靠性。本章要点：本章要点：1、测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量的基本概念、测量方法、误差分类、会进行会进行 测量结果的数据统计处理。测量结果的数据统计处理。2、传感器的基本特性、传感器的基本特性，驾驭传感器的静态特，驾驭传感器的静态特性。性。11/4/202226 第一节第一节 测量的基本概念及方法测量的基本概念及方法 一、测量的一般概念：一、测量的一般概念：测量是借助特地的技术和仪表设备，接受确测量是借助特地的技术和仪表设备，接受确定的方法取得某一客观事物定量数据资料的相定的方法取得某一客观事物定量数据资料的相识过程。识过程。二、测量
19、的方法二、测量的方法 被测量量是否随时间变更，可分为静态测量和被测量量是否随时间变更，可分为静态测量和动态测量。动态测量。测量手段的不同，分为干脆测量和间接测量。测量手段的不同，分为干脆测量和间接测量。测量结果的显示方式不同，分为模拟式测量和测量结果的显示方式不同，分为模拟式测量和数字式测量。数字式测量。测量时是否与被测对象接触，分为接触式测量测量时是否与被测对象接触，分为接触式测量和非接触式测量。和非接触式测量。在线测量：在生产流水线上监视产品质量，反在线测量：在生产流水线上监视产品质量，反之离线测量。之离线测量。11/4/202227静态测量：对缓慢变更的对象进行测量。静态测量：对缓慢变更
20、的对象进行测量。1、静态测量与动态测量、静态测量与动态测量11/4/202228动态测量：测量动态过程动态测量：测量动态过程电涡流传感器测转速电涡流传感器测转速 11/4/202229动态测量：便携式仪表动态测量：便携式仪表 可以显示波形的手可以显示波形的手持示波器持示波器11/4/2022302、干脆测量与间接测量、干脆测量与间接测量干脆测量：用标定仪表干脆读取被测量的测干脆测量：用标定仪表干脆读取被测量的测量结果。量结果。电子卡尺电子卡尺11/4/202231间接测量：对多个被测量进行测量，经过计间接测量：对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量。算求得被测量。测量金球的密度，先测出金球的
21、重量，再测量测量金球的密度，先测出金球的重量，再测量出金球的直径，再计算出金球的体积，最终求出出金球的直径，再计算出金球的体积，最终求出金球的密度。金球的密度。11/4/2022323 3、接触式测量和非接触式测量、接触式测量和非接触式测量 接触测量接触测量11/4/202233非接触式测量不影响被测对象的运行工况非接触式测量不影响被测对象的运行工况 例：红外测速例：红外测速11/4/2022344 4、在线测量和离线测量、在线测量和离线测量 在线测量在流水线上，边加工，边检验，在线测量在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一样性和加工精度。可提高产品的一样性和加工精度。11/4/20223
22、5离线测量：离线测量：产品质量检验产品质量检验11/4/202236依据测量的具体手段来分，分为偏位式、零依据测量的具体手段来分，分为偏位式、零位式、微差式位式、微差式 1、偏位式测量：、偏位式测量：被测量作用于仪表内部的比较装置。例如：被测量作用于仪表内部的比较装置。例如：弹簧秤测量物体质量。弹簧秤测量物体质量。必需事先用标准量具对仪表刻度进行校正。必需事先用标准量具对仪表刻度进行校正。简洁产生灵敏度漂移和零点漂移。过程简洁、快简洁产生灵敏度漂移和零点漂移。过程简洁、快速。但精度不高。速。但精度不高。11/4/2022372 2、零位式测量：、零位式测量：被测量与仪表内部的标准量，系统达到平
23、被测量与仪表内部的标准量，系统达到平衡时，用已知标准量的值确定被测量的值。例衡时，用已知标准量的值确定被测量的值。例如用天平测量物体的质量。如用天平测量物体的质量。零位式测量的特点是精度高，但平衡困难，零位式测量的特点是精度高，但平衡困难，多适用于缓慢信号的测量。多适用于缓慢信号的测量。11/4/2022383 3、微差式测量：、微差式测量：综合了偏位式速度快和零位式测量法精综合了偏位式速度快和零位式测量法精度高的优点。这种方法预先使被测量与测量度高的优点。这种方法预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡，当测量有微小装置内部的标准量取得平衡，当测量有微小变更时，测量装置失去平衡，用偏位式仪
24、表变更时，测量装置失去平衡，用偏位式仪表指示出其变更部分的数值。指示出其变更部分的数值。11/4/202239其次节其次节 测量误差及分类测量误差及分类 一、确定误差和相对误差一、确定误差和相对误差1 1、确定误差：、确定误差：=Ax=Ax0 0某选购某选购员分别在三家商店购买员分别在三家商店购买100kg100kg大米、大米、10kg10kg苹果、苹果、1kg1kg巧克力，发觉均缺少约巧克力，发觉均缺少约0.5kg0.5kg，但，但该选购该选购员对卖巧克力的商店看法最大，是何员对卖巧克力的商店看法最大，是何缘由？缘由？确定误差虽然都是确定误差虽然都是0.5kg0.5kg，但巧克力的相对误差最
25、，但巧克力的相对误差最大。大。11/4/2022402、相对误差及精度等级、相对误差及精度等级 几个重要公式：几个重要公式：示值相对误差示值相对误差满度相对误差满度相对误差精确度精确度(精度精度)确定误差确定误差 =Ax =Ax0 0 11/4/2022413 3、仪表的精确度等级和基本误差表、仪表的精确度等级和基本误差表 等级等级0.10.20.20.50.51.01.01.51.52.52.55.05.0基本误差基本误差0.1%0.1%0.2%0.2%0.5%0.5%1.0%1.0%1.5%1.5%2.5%2.5%5.0%5.0%举例：在正常状况下，用举例：在正常状况下，用0.50.5级、
26、量程为级、量程为100100温度表温度表 来来 测量温度时，可能产生的最大确定误差为：测量温度时，可能产生的最大确定误差为：mm（0.5%0.5%）AmAm（0.5%1000.5%100）0.50.511/4/202242例：某指针式万用表例：某指针式万用表 的面板如图所示。的面板如图所示。问：用它来测量直流、问：用它来测量直流、沟通电压时，可沟通电压时，可 能产生的满度相能产生的满度相 对误差分别为多少对误差分别为多少？解：直、沟通电压的满解：直、沟通电压的满 量程为量程为500V500V，最大，最大 满度误差为：满度误差为：5.0%500=25V 5.0%500=25V对相对误差以及仪表的
27、精度等级进行练习对相对误差以及仪表的精度等级进行练习11/4/202243例：用指针式万用表例：用指针式万用表 的的10V10V量程测量量程测量 一只一只1.5V1.5V干电池干电池 的电压，示值如的电压，示值如 图所示图所示问：选择该量程合理问：选择该量程合理 吗？吗？结论：不合理。指针结论：不合理。指针 应在满量程的应在满量程的 处。处。11/4/202244例：用例：用2.5V2.5V量量程测量同一只程测量同一只1.5V1.5V干电池的干电池的电压，与上图电压，与上图比较，问示值比较，问示值相对误差哪一相对误差哪一个大？个大？结论：结论：10V10V大。大。11/4/202245例：某压
28、力表精确度为例：某压力表精确度为2.5级，量程为级，量程为01.5MPa，求：，求：1）可能出现的最大满度相对误差）可能出现的最大满度相对误差 m。2）可能出现的）可能出现的最大确定误差最大确定误差 m为多少为多少kPa 。3）测量结果显示为）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差时，可能出现的最大示值相对误差 x。解解:1）可能出现的最大满度相对误差可以从精确度）可能出现的最大满度相对误差可以从精确度 等级干脆得到，即等级干脆得到，即 m2 5%。2）m m Am2 5.5MPa 0.0375MPa37.5kPa 结论：结论：x的确定值总是大于（在满度时等于）的确定值总是
29、大于（在满度时等于）m11/4/202246例：例：现有精确度为现有精确度为0.5级的级的0300的和精确度为的和精确度为1.0级的级的0100的两个温度计，要测量的两个温度计，要测量80的温的温度，试问接受哪一个温度计好？度，试问接受哪一个温度计好？解解：计算用计算用0.5级表以及级表以及1.0级表测量时，可能级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为出现的最大示值相对误差分别为1.88%和和1.25%。计算结果表明，用计算结果表明，用1.0级表比用级表比用0.5 级表的示值相对级表的示值相对误差的确定值反而小，所以更合适。误差的确定值反而小，所以更合适。由上例得到的结论：在选用仪表时应兼
30、顾精确由上例得到的结论：在选用仪表时应兼顾精确度等级和量程，通常希望示值落在仪表满度值的度等级和量程，通常希望示值落在仪表满度值的2/3以上。以上。11/4/202247二、误差产生的性质：二、误差产生的性质：1.1.粗大误差粗大误差 明显偏离真值的误差称为粗大误差，也明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的马虎大意及电子测量仪器受到突然而强大的马虎大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大界过电压尖峰干扰等造成的误差。
31、就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发觉粗大误差时，应予以剔除。差。当发觉粗大误差时，应予以剔除。11/4/202248产生粗大误差的一个例子产生粗大误差的一个例子雷电产生尖峰干扰雷电产生尖峰干扰 11/4/202249 在重复性条件下，对同一被在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固称为系统误差。凡误差的数值固定或按确定规律变更者，均属于定或按确定规律变更者，均属于系统误差。系统误差。系统误差是有规律性的，因此系统误
32、差是有规律性的，因此可以通过试验的方法或引入修正可以通过试验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消调整测量仪表的有关部件予以消退。退。2.2.系统误差系统误差夏天摆钟变慢的夏天摆钟变慢的缘由是什么？缘由是什么？11/4/2022503.3.随机误差随机误差 测测量量结结果果与与在在重重复复条条件件下下，对对同同一一被被测测量量进进行行无无限限多多次次测测量量所所得得结结果果的的平平均均值值之之差差称称为为随机误差。随机误差。也也可可以以接接受受如如下下的的表表达达：在在同同一一条条件件下下，多多次次测测量量同同一一被被测测量量，有有
33、时时会会发发觉觉测测量量值值时时大大时时小小，误误差差的的确确定定值值及及正正、负负以以不不行行预预见见的的方方式式变更，该误差称为随机误差。变更，该误差称为随机误差。存存在在随随机机误误差差的的测测量量结结果果中中，虽虽然然单单个个测测量量值值误误差差的的出出现现是是随随机机的的，既既不不能能用用试试验验的的方方法法消消退退，也也不不能能修修正正，但但是是就就误误差差的的整整体体而而言言，多数随机误差都听从正态分布规律。多数随机误差都听从正态分布规律。11/4/202251 随机事务与随机误差有区分，随机事务随机事务与随机误差有区分，随机事务并不确定符合正态分布规律。彩票摇奖属于并不确定符合
34、正态分布规律。彩票摇奖属于随机事务随机事务 彩票摇奖彩票摇奖随机误差的正态分布随机误差的正态分布11/4/2022524.4.静态误差、动态误差静态误差、动态误差 由心电图仪放由心电图仪放大器带宽不够引起大器带宽不够引起的动态误差的动态误差 前面所述为静态误差，当前面所述为静态误差，当被测量随时间快速变更时，系被测量随时间快速变更时，系统的输出量在时间上不能与被统的输出量在时间上不能与被测量的变更精确吻合，这种误测量的变更精确吻合，这种误差称为动态误差。差称为动态误差。11/4/202253 对测量结果的数据处理主要有两点要求：对测量结果的数据处理主要有两点要求：一是得到最接近被测量的近似值一
35、是得到最接近被测量的近似值 二是估计出测量结果的近似值的范围二是估计出测量结果的近似值的范围1 1、随机误差的正态分布规律、随机误差的正态分布规律长度相对长度相对测量值测量值三、对测量结果的数据处理：三、对测量结果的数据处理：11/4/2022541 1）集中性：大量的测量值集中分布于算术平均值）集中性：大量的测量值集中分布于算术平均值 旁边。旁边。随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律2）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。）有界性：在确定的条件下，测量值有确定的分布）有界性：在确定的条件下，测量值有确定的分布 范围，超过这个范围的可能性特别小，范
36、围，超过这个范围的可能性特别小，即出现确定误差很大的状况很少即出现确定误差很大的状况很少 。粗大。粗大 误差的测量值应予以剔除。误差的测量值应予以剔除。11/4/202255nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.982 2、测量结果的数据处理、测量结果的数据处理 例：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行例：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行6 6次等精次等精度测量，所得数据如下表（单位为度测量，所得数据如下表（单位为mmmm），请指出哪几），请指出哪几个数值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术平均个数值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术平均值公式求出钢板厚度。值公式求
37、出钢板厚度。11/4/202256解：解：5.995.99以及以及9.339.33为粗大误差，予以剔除，将剩余为粗大误差，予以剔除，将剩余4 4 个测量值计算算术平均值：个测量值计算算术平均值：nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.9811/4/2022573 3、误差的处理：、误差的处理：假如一个测量系统由若干个单元组成，将误假如一个测量系统由若干个单元组成，将误差合成。差合成。（1 1）确定值合成法）确定值合成法（2 2）方均根合成法）方均根合成法 x1n32y1y2y3yn1yn11/4/202258 例：用核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，已知例：用核辐射钢板测
38、厚仪测钢板厚度，已知PINPIN型型射线二极管的测量误差为射线二极管的测量误差为5%5%，微电流放大器误，微电流放大器误差为差为2%2%，指针表误差为，指针表误差为1%1%，求测量的总误差。，求测量的总误差。2 2）用确定值合成法计算测量误差）用确定值合成法计算测量误差解：解：1）用方均根合成法）用方均根合成法结论：结论：1、用方均根合成法估算测量的总误差较为合理、用方均根合成法估算测量的总误差较为合理2、不必提高显示仪表的精度，应提高误差最大的某、不必提高显示仪表的精度，应提高误差最大的某 个环节的测量精度。个环节的测量精度。11/4/202259第三节第三节 传感器及基本特性传感器及基本特
39、性 一、传感器的组成一、传感器的组成 非电量非电量或电量或电量敏感敏感元件元件非电量非电量传感传感元件元件电参量电参量测量转测量转换电路换电路电量电量敏感元件：敏感元件：传感器中干脆感受被测量的元件，即被测量通过传感器传感器中干脆感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成被测量有确定关系、更易于转换的非的敏感元件转换成被测量有确定关系、更易于转换的非电量电量传感元件：传感元件：将非电量转换成电量。将非电量转换成电量。测量转换电路：测量转换电路：传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流、传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流、频率。频率。11/4/2022601-弹簧管（
40、敏感元件）弹簧管（敏感元件）2-电位器（传感元件、测量转换电路）电位器（传感元件、测量转换电路）3-电刷电刷 4-传动机构（齿轮、齿条）传动机构（齿轮、齿条）举例测量压力的电位式压力传感器举例测量压力的电位式压力传感器 11/4/202261传感器的特性：传感器的特性：一般指输入、输出特性。有静态、动态特性。一般指输入、输出特性。有静态、动态特性。本课程学习静态特性的有关指标。本课程学习静态特性的有关指标。静态特性包括：静态特性包括：灵敏度、辨别力、线性度、迟滞、稳定性、灵敏度、辨别力、线性度、迟滞、稳定性、电磁兼容性、牢靠性。电磁兼容性、牢靠性。二、传感器的特性二、传感器的特性11/4/20
41、22621 1、灵敏度、灵敏度 在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S=Y/X S=Y/X 对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量：S=dy/dx S=dy/dx 灵敏度单位，灵敏度单位，mv/mm mv/yyxxYYX X S=Y/XS=Y/XS=dy/dx S=dy/dx 11/4/202263辨别力：辨别力：指传感器能检出被测信号的最小变更量。指传感器能检出被测信号的最小变更量。当被测量的变更小于辨别力时，传感器对输入当被测量的变更小于辨别力时，传感器
42、对输入量的变更无任何反应。对数字仪表而言，假如量的变更无任何反应。对数字仪表而言，假如没有其他附加说明，可以认为该表的最终一位没有其他附加说明，可以认为该表的最终一位所表示的数值就是它的辨别力。一般地说，辨所表示的数值就是它的辨别力。一般地说，辨别力的数值小于仪表的最大确定误差。别力的数值小于仪表的最大确定误差。辨别率：辨别率：将辨别力除以仪表的满量程就是仪表的辨将辨别力除以仪表的满量程就是仪表的辨别率，辨别率常以百分比或几分之一表示，是别率，辨别率常以百分比或几分之一表示，是量纲为量纲为1 1的数。的数。11/4/2022643 3、线性度、线性度YXYiXiLmaxY=kx+b线性度：线性
43、度：又称非线性误差，处理的方法是：作图法、端基又称非线性误差，处理的方法是：作图法、端基曲线法、最小二乘法，精确度依次上升，现多用计算曲线法、最小二乘法，精确度依次上升，现多用计算机处理。机处理。Lmax 最大非线性确定误差 YFS 满量程输出 线性度 线性度是表征实际特性与拟合直线 不吻合的参数11/4/2022654 4、迟滞、迟滞 传感器在正、反行程传感器在正、反行程传感器在正、反行程传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重期间输入、输出曲线不重期间输入、输出曲线不重期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。正向曲合的现象称迟滞。正向曲合的现象称迟滞。正向曲合的现象称迟滞。正向曲线是在输入量
44、线是在输入量线是在输入量线是在输入量x x x x从零起先从零起先从零起先从零起先增大到满量程所得曲线，增大到满量程所得曲线，增大到满量程所得曲线，增大到满量程所得曲线，反向特性与之相反。反向特性与之相反。反向特性与之相反。反向特性与之相反。磁滞会引起辨别力差，磁滞会引起辨别力差，磁滞会引起辨别力差，磁滞会引起辨别力差，造成测量盲区，希望磁滞造成测量盲区，希望磁滞造成测量盲区，希望磁滞造成测量盲区，希望磁滞越小越好。越小越好。越小越好。越小越好。yoxy1y2yFSHmax11/4/202266产生迟滞误差的缘由：产生迟滞误差的缘由：由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。由于敏感元件材料的物理
45、性质缺陷造成的。如如弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。出电体。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。出现的误差大、小视具体状况而定。现的误差大、小视具体状况而定。例：一电子秤例：一电子秤 增加砝码增加砝码 10g 50g 100g 200g 10g 50g 100g 200g 电桥输出电桥输出 0.5mv 2mv 4mv 10mv 0.5mv 2mv 4mv 10mv 减砝码输出减砝码输出 1mv 3mv 6mv 10mv 1mv 3mv 6mv 10mv由此例看出加载时，读数变大，此误差为系
46、统误差。由此例看出加载时，读数变大，此误差为系统误差。11/4/2022675 5、稳定性、稳定性 表示传感器在一较长时间内保持性能参数的实表示传感器在一较长时间内保持性能参数的实力。包含稳定度、环境影响两个方面。力。包含稳定度、环境影响两个方面。稳定度指全部条件不变，规定时间维持示值不稳定度指全部条件不变，规定时间维持示值不变的实力。例如某仪表输出电压值在变的实力。例如某仪表输出电压值在8h8h内的最大变内的最大变更量更量1.3mV1.3mV。环境影响指由外界环境变更而引起的示值变更。环境影响指由外界环境变更而引起的示值变更。一般由零漂和灵敏度漂移。零漂可以由重新调零克一般由零漂和灵敏度漂移
47、。零漂可以由重新调零克服。或者与灵敏度漂移可以由计算机处理。服。或者与灵敏度漂移可以由计算机处理。环境影响的因素有：温度、湿度、气压、电源环境影响的因素有：温度、湿度、气压、电源电压、电源频率，其中温度的影响最大，具体克服电压、电源频率，其中温度的影响最大，具体克服方法在第十三章学习。方法在第十三章学习。11/4/2022686 6、牢靠性、牢靠性 ：牢靠性是反映检测系统在规定的条件下，牢靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。指标。浴盆曲线浴盆曲线磨合期又称磨合期又称早期失效期早期失效期稳定期又称稳定期又称偶然失
48、效期偶然失效期失效期又称失效期又称苍老失效期苍老失效期11/4/202269“老化老化”试验：试验：在检测设备通电的状况下，将之放置于高温环境在检测设备通电的状况下，将之放置于高温环境 低低温环境温环境 高温环境高温环境反复循环。老化之后的系统在反复循环。老化之后的系统在现场运用时，故障率大为降低现场运用时，故障率大为降低 。11/4/202270（七）电磁兼容性：（七）电磁兼容性：对检测技术来说，主要考虑在恶劣的对检测技术来说，主要考虑在恶劣的电磁干扰环境中，系统必需能正常工作，并电磁干扰环境中，系统必需能正常工作，并能取得精度等级范围内的正确测量结果。能取得精度等级范围内的正确测量结果。具体的抗电磁干扰、提高电磁兼容实力具体的抗电磁干扰、提高电磁兼容实力的方法在十三章学习。的方法在十三章学习。11/4/202271本章小结本章小结1、检测与传感器基本概念以及检测系统的、检测与传感器基本概念以及检测系统的 组成组成2、测量的基本概念、测量方法、驾驭误差、测量的基本概念、测量方法、驾驭误差 分类以及测量结果的数据统计处理分类以及测量结果的数据统计处理3、传感器的基本特性、传感器的基本特性 11/4/20227211/4/202273