第1章 检测技术的基础知识

例如：弹簧秤
特点：测量过程简单，较通用。
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微差法
零位法和偏差法的结合。 是将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后， 再用偏差法测得该差值。 微差法测量综合了偏差法和零位法测量的优点。
特点：精度较高，测 量较简单
LX=LB+ΔL
微差法测量示意图
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思考：
1、测量结果的数据分析 随机误差的统计特征
随机误差以不可预定的方式出现，没有明确的规律， 但就误差的整体而言，具有统计规律——正态分布。
集中性 随机误差的 统计特征 对称性 有界性
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在工程测量中，一般用下式表示存在随机误差 时的测量结果：
Δ x表示测量值的误差范围，工程上常表示为：
3、根据输入物理量（用途）分类
同一被测物理量可用不同种传感器测量。
这样分类目的是使读者（工程技术人员）有针
对性地查阅所需的传感器。一般工程书籍及参 考书、手册按此类方法分类。 4、按输出信号的性质分类 模拟式传感器和数字式传感器。
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一般要求:
1、稳定性、可靠性 一般用平均无故障时间来衡量稳定性、可靠性。 在计量、工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重要。 2、静态精度
1、测量
测量的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部 操作。 全部操作 检测器具：传感器,检测仪器,检测装 置,检测系统；
检测过程：信号来源,信号处理,信号
显示,信号输出。
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2、测量方法 从不同的角度，测量方法有不同的分类。
1）直接测量与间接测量
2）模拟量测量与数字量测量 3）静态测量与动态测量 4）接触式测量与非接触式测量 5）开环测量与闭环测量
解：仪表的允许误差为： γ m= ± =±∣4/(700-200)∣×100% =±0.8%
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则数值：S＝0.8 但国家规定的精度没有0.8级仪表，而仪 表的允许误差不允许超过该仪表的精度等 级的百分数，故这台测温仪表的精度等级 为1.0级。
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§1.3 测量结果的数据分析及处理
第1章 检测技术的基础知识
3、测量仪表的精确度与分辨率
精确度：反映测量结果与真值接近程度的量，简
称精度；也是衡量测量仪表优良程度的指标。
与精度有关的指标为：精密度，准确度和精度等 级
精密度 测量仪表指示值不一致程度的量。 不一致程度越小，仪表能显示的有效值位数 越多，精密度越高。
准确度 仪表指示值有规律地偏离真值的程度。
6）零位法，偏差法，微差法
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零位法：
利用指零机构的作用，使被测量与已知标准 量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确 定被测量等于已知标准量。 例如：天平
特点：测量精度高，但平衡复杂。
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偏差法：
利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位 移直接表示被测量的大小。
第1章 检测技术的基础知识
第1章

检测技术的基础知识
本章主要内容：
本章主要介绍测量的基本概念；测量方法； 误差定义及表示法；误差分类及处理；测量仪 表精确度与分辨率；测量结果的数据统计与处 理； 传感器的定义、分类、静特性及技术指标和 传感器中的弹性敏感元件等内容。

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§1.1
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5、分辨力与阈值 分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨力可用绝对值表示，也可用与满量程的百分
数表示。
数字式传感器一般用分辨力为输出的数字指示 值最后一位数字。 在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。
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休 息
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人体称重秤、磅秤和天平分别属于何种检 测方法？
偏差法，微差法，零位法
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§1.2
测量误差及分类
1、误差的表达方式 绝对误差 某量值的测量值 Ax 与真值 A0 之间的差为绝对 误差Δ Δ=Ax-Ao
1) 实际相对误差 2）示值相对误差 3）引用相对误差
相对误差
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§1.5
定义：
传感器中的弹性敏感元件
所谓的弹性元件是指物体因外力作用而改变形状
或尺寸，而外力撤除后能完全恢复其原形的物体；
在传感器中应用的弹性元件称为弹性敏感元件。
它能把某些形式的非电量变换成应变或位移量，然
后由各种不同形式的转换元件变换成电量。
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一、弹性元件的基本特性 1、刚度
例 3 ：某传感器在测量过程出现了以下误差情 况，敏感元件的测量误差为±4% ，转换电路环 节中出现的误差为±3% ，仪表的指示环节出现
的误差为±1% ，请问此测量过程中出现的总误
差为多大？
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解： 由题意可知r1=±4% ,r2=±3%,r3=±1% 1) 用绝对值合成法计算测量总误差
传感器精度应满足系统的精度要求。
3、动态性能 如响应速度、工作频率、稳定时间等。
4、量程
测量被测量的范围。一般量程越大，精度越低。
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5、抗干扰能力
工业现场环境较恶劣，存在温湿度、电磁等干扰， 设计的传感器能克服这些干扰，安全稳定运行。 6、体积小、能耗低、成本低 结构型传感器向物性型半导体传感器发展。
每个环节误差的绝对值之和。
即：
m i ( 1 2 3 ...... n )
i 1
n
方均根合成法：当各环节误差的大小和方向都不
能确切掌握时:
m 2 3 ...... n
2 1 2 2
2
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弹性元件的变形 始终不能迅速跟 上力的改变
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实际的弹性元件在不同程度上普遍存在弹性滞 后和弹性后效现象。 这两种现象在弹性元件的工作过程中是相随出
现的，其后果是降低元件的品质因数并引起测量
误差和零点漂移。 在传感器的设计中应尽量使它们减小。
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二、弹性敏感元件的形式
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射击举例：
仪表的精密度和准确度都高，其精确度才高。
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仪表精确度等级： 仪表在规定工作条件下，其最大绝对允许误差值
对仪表测量范围的百分数绝对值：
Δ
max——最大绝对允许误差值；
Axmax、Axmin——测量范围的上、下限值；
S ——精度等级，无“%”号的数值。
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思考：
某采购员分别在三家商店购买100kg大米，
10kg苹果，1kg巧克力，发现均缺少0.5kg，
采购员对哪家商店的意见最大？是何原因？
示值相对误差
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2、测量误差的分类 特点与性质 系统误差 随机误差 粗大误差 （应剔除） 静态误差 测量速度
动态误差
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2、组成
被测量 中间量 转换元件 传感器组成框图 电量 转换电路 电信号
敏感元件
敏感元件：直接感受被测量，并输出某一物理量； 转换元件：把输入转换为电路参数量； 转换电路：转换成电量输出。
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转换 元件
敏感 元件
P
膜盒
S
差动电感
L
电桥电路
U0
气体压力传感器组成框图
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二、传感器的分类
1、按能量转换情况
能量控制型传感器。需外供电源，只起信号转换，不起
能量转换。
能量转换型传感器。不需外加电源，本身起能量转换。
2、按物理工作原理分类（教科书）
按传感器的结构、原理、测量电路及应用讲授。条理较 清晰。 同一原理的传感器可测不同的非电量。
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3、弹性滞后
指弹性元件在加载、卸载的正、反行程中，变形曲线是 不重合的，此现象称为弹性滞后现象。
弹性滞后现象会给测 量带来误差，因此在
滞环
选取弹性敏感元件时， 要选择弹性滞后小的 元件。
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4、弹性后效
指负载在停止变化之后，弹性元件在一段时间内逐渐 完成变化，即在一段时间内还会继续产生类似蠕动的 位移，此现象称为弹性后效，又称弹性蠕变。
一般n 略大于 10次
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系统误差的统计特征 系统误差是固定的或服从一定函数规律的误差。 下图为各种系统误差变化曲线。
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粗大误差的判别准则 测量过程中可能存在的粗大误差，必须从测量 结果中剔除。判别粗大误差采用3σ准则。
3
若在测量中发现有大于 3σ 的残余误差的测量值即应 予以剔除。
8%
2）用方均根合成法计算测量总误差
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由上例子的计算合成总误差的方法可看出：
用方均根合成法估算测量的总误差较为合理。
值得注意的是，在整个测量系统的一个或几个
环节的精度较高，对提高整个测量系统的总的精
度末必是有效的 , 反而还会提高了测量系统的成 本，造成资源浪费，而应该是努力提高误差最大 的某个环节的测量精度，以达到最佳的性价比。
如测人体血压的电子血压计。（uW mW级）
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三、传感器的基本特性 1、线性度
线性度也称非线性误差。
指传感器实际特性曲线与拟 合直线（也称理论直线）之 间的最大偏差与传感器满量 程输出的百分比。
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2、迟滞
传感器在正（输入量增大） 反（输入量减小）行程中输出 输入曲线不重合的现象。 正反行程的特性曲线是不重 合的，且反行程特性曲线的终 点与正行程特性曲线的起点也 不重合。 一般希望迟滞越小越好。
1）实际相对误差 绝对误差Δ 与被测量的真值A0之比，并用百 分数表示：
2）示值相对误差 因测量值与真值相近，则用测量值Ax代替真值 A0 ：
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3）引用相对误差（满度相对误差） 为了合理的评价仪表的测量质量引入了引用 误差。
引用误差γm就是用被测量的绝对误差Δ 与测
量仪表的上限（满度）值Am的百分比之值：
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仪表的允许误差 指在规定的正常情况下允许的相对百分数误
差的最大值。即：γm=± S%。
仪表的分辨率 分辨率显示仪表能够检测到被测量最小变化量。 一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格数 的一半。数字式仪表的分辨率规定为最后一位的 数字。
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例1：某台测温仪表的测温范围是200～700℃， 而该仪表的最大绝对误差为＋4℃，试确定该仪 表的允许误差与精度等级。
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3、重复性
重复性是指传感器在输
入按同一方向作全量程连 续多次变动时所得特性曲 线不一致的程度。
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4、灵敏度与灵敏度误差
传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变
化量与引起此变化的输入变化量之比。
灵敏度误差用相对误差表示： γs=(△K/K)×100%
1、力（力矩）变换成应变或位移的变换力的弹性 元件。
a）实心柱 b）空心圆柱 c）矩形柱
d）e）等截面圆环
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上图e）的圆环弹性元件，主要用于1~10千牛
顿范围的各式拉、压力传感器中，如被测力超
过5千牛顿时，为了增加刚度和减小非线性，将
圆环制成变截面式，如图所示。
第1章 检测技术的基础知识
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2、测量系统静态误差的合成
一个测量系统有多个环节组成时：
若第 i个环节的引用相对误差为 ri时，则输出端 的引用相对误差的关系rm与ri之间的关系，可用 以下两种方法来求得：
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绝对值合成法：此法认为各环节误差同时出现
正值或同时出现负值。则总的合成静态误差为
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§1.4
传感器及其基本特性
一、传感器的定义及组成 1、定义 （Sensor）
能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出 信号的器件或装置。（GB7665—87） 它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定 对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 输入量是物理量、化学量和生物量。 输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理 及显示）
刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的定量描述。 表明是F-X 曲线的任一 点的斜率
当测量力较大时，必须选择刚度大的弹性敏感元件。
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2、灵敏度
通常用刚度的倒数表示弹性元件的特性，称为弹性元 件的灵敏度：
弹性元件的灵敏度是单位力作用下弹性元件产生的变
形的大小。
灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。