检测与转换技术2009讲义第二部分

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、分辨率、线性度、 包括：灵敏度、分辨力、分辨率、线性度、 稳定度、电磁兼容性、可靠性等。 稳定度、电磁兼容性、可靠性等。
检测系统的基本特性
检测系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。当检测的目的、要求不 同时，所用的检测装置差别很大。简单的温度检测装置只需一个液柱式温度计， 而较完整的动刚度检测系统，则仪器多且复杂。本章所指的检测装置可以小到传 感器，大到整个检测系统。
滑线式 骨架式
液体触点式 半导体式
非线性电位器
电位器式传感器灵敏度 电位器式传感器变换电路（以线性电位器为例）
设R长度为1，x为位移 理想情况：RL = ∞，则Vo = xE 实际情况：RL ≠ ∞ ( xR // RL ) ∴Vo = ⋅E (1 − x) R + ( xR // RL ) = xE R 2 R 1+ x −x RL RL
弹性敏感元件（弹簧管） 弹性敏感元件（弹簧管） 敏感元件 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α
弹簧管放大图 当被测压力p增大时，弹簧管撑直， 当被测压力 增大时，弹簧管撑直，通过齿 增大时 条带动齿轮转动， 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。
变值系统误差的消除
累积性系统误差的消除：（等距离观察法） 例：电压表测电压，测量前调零，系统存在零漂，求被测电压 与标准电压源之差
t1时 t 2时 t3时 t 4时
u 01 = u 0 + ε 1 ux2 = ux + ε 2 u x3 = u x + ε 3 u 04 = u 0 + ε 4
只要零漂为线性，则 t 2 − t1 = t 4 − t 3，ε 2 − ε 1 = ε 4 − ε 3 ∴ u x − u 0 = (u x 2 + u x 3 ) / 2 − (u 01 + u 04 ) / 2
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 换为角位移或直线位移。 换为角位移或直线位移。
压力传感器的外形及内部结构 压力传感器的外形及内部结构
被测量通过敏感元件转换后， 被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电 参量
在右图中， 在右图中， 电位器为传感 元件， 元件，它将角 位移转换为电 参量——电阻 参量 电阻 的变化（ ） 的变化（∆R）
a0 = 0
y = a1 x = kx
2）实际情况： 实际情况：
线性度误差：
∆E =
∆y max L
× 100%
线性度：
线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合 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 。线 性度的计算公式如下：
测量不确定度的来源
对被测量的定义不完善； ①对被测量的定义不完善； 被测量定义复现的不理想； ②被测量定义复现的不理想； 被测量的样本不能代表定义的被测量； ③被测量的样本不能代表定义的被测量； 环境条件对测量过程的影响考虑不周，或环境条件的测量不完善； ④环境条件对测量过程的影响考虑不周，或环境条件的测量不完善； 模拟仪表读数时人为的偏差； ⑤模拟仪表读数时人为的偏差； 仪器分辩力或鉴别阈不够； ⑥仪器分辩力或鉴别阈不够； 赋予测量标准或标准物质的值不准； ⑦赋予测量标准或标准物质的值不准； 从外部来源获得并用以数据计算的常数及其他参数不准； ⑧从外部来源获得并用以数据计算的常数及其他参数不准； 测量方法和测量过程中引入的近似值及假设； ⑨测量方法和测量过程中引入的近似值及假设； ⑩在相同条件下被测量重复观测值的变化等 。
Vo = xE，RL =106 ~ 1012 Ω
从中可以看出：x与Vo是非线性关系
可以采取负载隔离的措施，如图所示
这显然不是我们所期望的
第一节 电阻应变传感器
导体或半导体材料在外界力的作用下， 导体或半导体材料在外界力的作用下， 会产生机械变形， 会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变 这种现象称为应变效应。 化，这种现象称为应变效应。 电阻应变传感器主要由电阻应变片及测 量转换电路等组成。 量转换电路等组成
温度、压力等对静态性能要求高 冲力、震动等对动态性能要求高
对测试系统的基本要求 理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入－输出关系。对于每一输入 量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。 其中以输出和输入成线性关系最佳。许多实际测量装置无法在较大工作范围内 满足线性要求，但可以在有效测量范围内近似满足线性测量关系要求。
3、回差
原因：能量吸收，机械磨损，间隙
4、重复性：概率正态分布 、重复性：
5、飘移 、
时漂：输入不变，输出 随时间变化 温漂：输入不变，输出 随温度变化
6、可靠性
平均无故障时间T1
平均修复时间T2
T1 有效度 = T1 + T2
可靠性 ：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种综合性的质 件下， 量指标。 量指标。
∆Lmax γL = ×100% ymax − ymin
作图法求端基线性度演示 首先作一根理论直线——将仪表输出起始点与满量程点连 接起来的直线。
2、灵敏度
∆y K= ∆x
特性曲线斜率
灵敏度 ：
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， 来表示： 化值与输入变化值之比，用K 来ຫໍສະໝຸດ 示：磨合期又称 早期失效期
期
稳定期又称 偶然失效期 失效期又称 衰老失效期 浴盆曲线
“老化”试验：在检测设备通电的情况下，将之放置于 老化”试验：在检测设备通电的情况下， 老化
高温环境→ 低温环境→ 高温环境……反复循环。老化之后的 反复循环。 高温环境→ 低温环境→ 高温环境 反复循环 系统在现场使用时， 系统在现场使用时，故障率大为降低 。
分辨率：将分辨力除以仪表的满量 分辨率：将分辨力除以仪表的满量 就是仪表的分辨率， 程就是仪表的分辨率，分辨率常以 百分比或几分之一表示， 百分比或几分之一表示，是量纲为 1的数。 的数。
右表的满量程为199.9A， 右表的满量程为199.9A，问：该表 199.9A 的分辨率为多少？ 的分辨率为多少？
所求量值之差不受累积性系统误差影响。
周期性系统误差的消除
• 周期性系统误差的特点是每半周期产生误差 大小相等，方向相反，所以一对相隔半周期 的两侧量值均值不含此项误差。
二、传感器分类
传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有： 传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有： 力矩、转速、振动、 １）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、 按被测量分类：可分为位移、 加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。 加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。 按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、 2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热 电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。 电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。 本教材采用哪一种分类法？ 本教材采用哪一种分类法？
为了获得准确的测量结果，需要对检测系统提出多方面的性能要求。这些性 能大致包括四个方面的性能：静态特性、动态特性、负载效应和抗干扰特性。 对于那些用 于静态测量的检测系统，一般只需衡量其静态特性、负载效应和 抗干扰特性指标。在动态测量中，则需要利用这四方面的特性指标来衡量测 量仪器的质量，因为它们 都将会对测量结果产生影响。
在左图中， 在左图中，当电 位器的两端加上电源 后，电位器就组成分 压比电路，它的输出 压比电路， 量是与压力成一定关 系的电压U 系的电压 o 。
分压比电路的计算公式如下： 分压比电路的计算公式如下： 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：
360度圆盘形电位器传感器(测量角位移) 360度圆盘形电位器传感器(测量角位移) 度圆盘形电位器传感器 右图所 示的360度圆 示的 度圆 盘形电位器 的中间焊片 为滑动片， 为滑动片， 右边焊片接 地，左边焊 片接电源。 片接电源。 接地
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、电流或频率量。 量转换成易于处理的电压、电流或频率量。
为了正确地评定测量结果的不确定度， 为了正确地评定测量结果的不确定度，应 全面分析影响测量结果的各种因素，仔细列出 全面分析影响测量结果的各种因素，仔细列出 测量结果的所有不确定度来源 所有不确定度来源。 测量结果的所有不确定度来源。 不确定度评定得太大，会造成资源浪费， 不确定度评定得太大，会造成资源浪费， 评定得太小，将影响工程质量。 评定得太小，将影响工程质量。在完成不确定 度的分析和评定后，应给出不确定度报告 度的分析和评定后，应给出不确定度报告 。
检测系统的基本特性分为静态特性和动态特性 静态特性：当被测量的数值处在稳定状态时，根据测量装置的输 静态特性： 入输出关系所确定的性能参数称为静态特性。（被测量不变或变 化缓慢）
动态特性：测量装置在测量动态信号时，根据装置传递函数和频率 动态特性： 响应函数所确定的性能参数称为动态特性。（被测量变化迅速）
在测量工作中，一般把研究对象和测量装置作为一个系统来看待。 在测量工作中，一般把研究对象和测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理 输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系
检测仪表的基本性能指标
目的：评价仪表质量好坏，便于选用适合的仪表
静态指标：被测量稳定，变化缓慢（灵敏度，线性度，重复性） 静态指标 动态指标：测量变化较快（响应时间，超调量） 动态指标