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1、第一章第一章 检测技术的基本概念检测技术的基本概念 本章学习本章学习测量的基本概念、测量方法、测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理，以及误差分类、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基本特性等，他们是检测与转换技传感器的基本特性等，他们是检测与转换技术的理论基础。术的理论基础。12/31/20221第一节第一节 检测技术的基本概念及方法检测技术的基本概念及方法 静态测量静态测量 12/31/20222 对缓慢变化的对对缓慢变化的对象进行测量亦属于静象进行测量亦属于静态测量。态测量。最高、最低最高、最低温度计温度计12/31/20223 动态测量动态测量 地震测量地震测量振
2、动波形振动波形12/31/20224便携式仪表便携式仪表 可以显示波形可以显示波形的便携式仪表的便携式仪表12/31/20225直接测量直接测量 电子卡尺电子卡尺12/31/20226间接测量间接测量 对多个被测量进行测量，经过计算求得对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。12/31/20227接触式测量接触式测量 12/31/20228非接触式测量非接触式测量 例：雷达测速例：雷达测速车载电子警察车载电子警察12/31/20229离线测量离线测量 产品质量检验产品质量检验12/31/202210在线测量在线测量 在流水线上，边加
3、工，边检验，在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。可提高产品的一致性和加工精度。12/31/202211第二节第二节 测量误差及分类测量误差及分类 绝对误差：绝对误差：=A Ax x0 0 某采购员分别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100kg大大米、米、10kg苹果、苹果、1kg巧克力，发现均缺少约巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？最大，是何原因？(1-1)12/31/202212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：12/31/202213仪表的准确度等级和基本
4、误差仪表的准确度等级和基本误差 例：某指针式电压表的精度为例：某指针式电压表的精度为2.52.5级，用它来测量电压时可能产生的满度级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为相对误差为2.5%2.5%。12/31/202214例：某指针式万某指针式万用表的面板如图用表的面板如图所示，问：用它所示，问：用它来测量来测量直流直流、交交流（流（）电压时，电压时，可能产生的满度可能产生的满度相对误差分别为相对误差分别为多少？多少？12/31/202215例：例：用指针式万用用指针式万用表的表的10V量程测量量程测量一只一只1.5V干电池的干电池的电压，示值如图所电压，示值如图所示，问：选择该量示，问：
5、选择该量程合理吗？程合理吗？12/31/202216 用用2.5V量程量程测量同一只测量同一只1.5V干电池的电压，干电池的电压，与上图比较，问与上图比较，问示值相对误差哪示值相对误差哪一个大一个大？12/31/202217误差产生的因素误差产生的因素：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粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的粗心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
6、误差。就数值大界过电压尖峰干扰等造成的误差。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。当发现粗大误差时，应予以剔除。差。当发现粗大误差时，应予以剔除。12/31/202218产生粗大误差的一个例子产生粗大误差的一个例子 12/31/202219 2.2.系统误差：系统误差：夏天摆夏天摆钟钟变慢的原变慢的原因是什么？因是什么？系统误差也称装置误差，它系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的
7、，因系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以新调整测量仪表的有关部件予以消除。消除。12/31/2022203.3.随机误差随机误差 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，有有时时会会发发现现测测量量值值时时大大时时小小，误误差差的的绝绝对对值值及及正正、负负以以不不可可预预见见的的方方式式变变化化，该该误误差差称称为为随随机机误误差差，也也称称偶偶然然误误差差，它它反反映映了了测测量量值值离离散散性性的的大大小小。随随机机误误差差是是测测量量过
8、过程程中中许许多多独独立立的的、微微小小的的、偶偶然的因素引起的综合结果。然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。随机误差都服从正态分布规律。12/31/202221随机误差的随机误差的正态分布规律正态分布规律长度相对测量值长度相对测量值次次数数统统计计12/31/202222随机事例的几个例子随机事例的几个例子 彩票摇奖彩票摇奖12/31/
9、2022234.4.动态误差动态误差 由心电图仪放大器由心电图仪放大器带宽不够引起的动带宽不够引起的动态误差态误差 当被测量随时间迅速变化当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。这种误差称为动态误差。12/31/202224第一章、第三节第一章、第三节 传感器及基本特性传感器及基本特性 一、传感器一、传感器的的组成组成 举例：测量压力的电位器式压力传感器举例：测量压力的电位器式压力传感器 1-弹簧管弹簧管 2-电位器电位器图图1-4传感器传感器 组成框图组成框图12/31/202225弹
10、性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。的非电量。12/31/202226弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）在下图中，在下图中，弹簧管将压力转换为角位移弹簧管将压力转换为角位移12/31/202227弹簧管放大图弹簧管放大图 当被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。角位移。12/31/202228其他各种弹性敏
11、感元件其他各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。换为角位移或直线位移。12/31/202229压力传感器的压力传感器的外形及内部结构外形及内部结构12/31/202230被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量换成电参量 在右图在右图中，中，电位器电位器为传感元件，为传感元件，它将角位移它将角位移转换为电参转换为电参量量-电阻电阻的变化的变化（R）12/31/202231 360360度圆盘形电位器度圆盘形电位器 右图所右图所示的示的360度圆度圆盘形电位器盘形电位器的中间焊
12、片的中间焊片为滑动片，为滑动片，右边焊片接右边焊片接地，左边焊地，左边焊片接电源。片接电源。接地接地12/31/202232 测量转换电路的作用是将传感元件输出测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。率量。在左图中，在左图中，当电当电位器的两端加上电源位器的两端加上电源后，电位器就组成分后，电位器就组成分压比电路，它的输出压比电路，它的输出量是与压力成一定关量是与压力成一定关系的电压系的电压Uo。12/31/202233分压比电路的计算公式如下分压比电路的计算公式如下：直直滑滑电电位位器器式式传传感感器器的的输输出出电
13、电压压Uo与与滑滑动动触触点点C的的位位移量移量x成正比成正比：对圆盘式电位器来说，对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：与滑动臂的旋转角度成正比：12/31/202234二、传感器分类二、传感器分类 传传感感器器的的种种类类名名目目繁繁多多，分分类类不不尽尽相相同。常用的分类方法有：同。常用的分类方法有：）按按被被测测量量分分类类：可可分分为为位位移移、力力、力力矩矩、转转速速、振振动动、加加速速度度、温温度度、压压力力、流量、流速等传感器。流量、流速等传感器。2）按按测测量量原原理理分分类类：可可分分为为电电阻阻、电电容容、电电感感、光光栅栅、热热电电耦耦、超超声声波波、激激光
14、光、红红外、光导纤维等传感器。外、光导纤维等传感器。本教材采用第二种分类法。本教材采用第二种分类法。12/31/202235三、传感器基本特性三、传感器基本特性 传感器的特性一般指输入、输出特性，传感器的特性一般指输入、输出特性，包括：灵敏度、分辨力、线性度、稳定度、包括：灵敏度、分辨力、线性度、稳定度、电磁兼容性、可靠性等。电磁兼容性、可靠性等。12/31/202236灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态下输出变化灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用值与输入变化值之比，用K 来表示：来表示：（16）12/31/202237作图法求灵敏度过程xyx1xy0切点切点传感器 特性曲线x
15、max12/31/202238分辨力：分辨力：指传感器能检出被测信指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。数值小于仪表的最大绝对误差。12/31/202239线性度：线性度又称非线性误差，是指传感器实际线性度又称非线性误差，是指
16、传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小越好性度，非线性误差越小越好 。线性度。线性度的计算公的计算公式如下：式如下：（17）12/31/202240作图法求线性度演示 （1 1拟合曲线拟合曲线 2 2实际特性曲线实际特性曲线）12/31/202241 可靠性可靠性 ：可靠性是反映检测系统在规可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指标。种综合性的质量指标。浴盆浴盆曲线曲线12/31/202242 “老化老化”试验：试验：在检测设备通电的情况下，在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境将之放置于高温环境 低温环境低温环境 高温环境高温环境反复循环。老化之后的系统在现场使用时，反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低故障率大为降低 。老化老化试验台试验台12/31/202243