传感器与检测技术第一章

检测技术
通信技术
计算机技术
传感器是检测系统的第一个环节，是信息的入口。
1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用
应用领域主要有： 石化行业的自动 化控制。如右图， 需进行液位、温度、 压力等常规检测。
1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用
城市生活污水处理 流量检测
液位检测
成分量检测
Ph值检测
D i i
i 1 is
k
n
当n为偶数时，取k=n/2、s=n/2+1；当n为奇数时，取 k=(n+1)/2=s 。 若D近似等于零，表明不含线性系统误差；若D明显 不为零（接近或大于νi），则表明存在线性系统误差。
1系统误差的判别和确定
阿贝—赫尔默特准则
阿贝—赫尔默特准则适用于确定周期性系统误 差。
1.1.3 传感器与检测技术的发展趋势
检测技术的发展方向 不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性
突破超高温、超低温度、混相流量、脉动流量的实时检测、微 差压、超高压在线检测、高温高压下物质成分的实时检测等难题。
重视非接触式检测技术研究
加快光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、核辐射检 测仪表、红外检测与红外成像仪器等非接触检测技术的研究。
1.1传感器与检测技术概述
1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用 1.1.2 传感器与检测系统的分类 1.1.3 传感器与检测技术的发展趋势
1.1.3 传感器与检测技术的发展方向
传感器的发展方向
传感器技术的发展依赖于新现象的发现和 新材料、新工艺的开发。
』探索新现象，研发新型传感器。 』采用新技术、新工艺、新材料，提高现有传 感器的性能。 』研究和开发集成化、微型化与智能化传感器。
1.2 测量误差与不确定度
1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5
检测系统误差分析基础 系统误差处理 随机误差处理 粗大误差处理 测量不确定度的评定
1.2.1
检测系统误差分析基础
一、误差的基本概念
1. 等精度测量：同一条件下所进行的一系列重复测量。 2. 真值： 被测量客观存在的真实大小。 • 约定真值
1.2.3
测量不确定度的评定
一、测量误差的分类
根据测量误差的性质、产生测量误差的原因，可分为 系统误差、随机误差和粗大误差三类。 系统误差 在相同条件下，多次重复测量同 一被测参量时，测量误差大小和符号 保持不变，或在条件改变时，误差按 照某一确定规律变化，称为系统误差。 系统误差的特点是测量误差出现的有规律性和误差产生原因 的可知性，因而可以被设法确定并尽量减小。
检测系统智能化
具有系统故障自测、自诊断、自调零、自校准、自选量程、自动测 试和自动分选功能，数据处理，远距离数据通信，可方便接入不同规模 的自动检测、控制与管理信息网络系统。
参考书目
• 周杏鹏.《传感器与检测技术》科学出版社 • 陈裕泉，葛文勋.《现代传感器原理与应用》 科 学出版社 • 赵天池.《传感器和探测器的物理原理和应用》科 学出版社 • 何希才.《传感器技术及应用》北京航空航天大学 出版社
max
x max L
* 100%
最大引用误差是检测系统的基本误差，是检 测系统的最主要质量指标，表征了检测系统的 测量精确度。
1.2.1
检测系统误差分析基础
三、检测仪器的精度等级与工作误差 1 精度等级
取最大引用误差百分数的分子作为工业检测仪器 （系统）精度等级的标志。 我国取0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七个等 级，作为工业检测仪器（系统）常用精度等级 。 检测仪器（系统）的精度等级按就近选大不选
1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用 检测系统的组成
信号输出单元 信号处理单元
1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用 传感器与检测技术的地位与作用
检测技术是自动化和信息化的基础与前提，是信 息技术三大支柱之一，代表了科技发展的前沿。
外部信息 可利用信息 可利用信息 结果输出
采集.
传输.
处理.
一、测量误差的分类
粗大误差 粗大误差是指明显超出规定条件下预期的误 差。特点是误差数值大，明显歪曲了测量结果。
正常的测量数据应是剔除了粗大误差的数 据，因此我们通常研究的测量结果误差中仅包含 系统和随机两类误差。
二、系统误差处理
在一般工程测量中，系统误差与随机误差 总是同时存在的，在某些情况下系统误差远 远大于随机误差。
A表： B表：
G A % * LA 1.5% * 30 0.45V
GD %* LD 0.2%* 360 0.72V
为了减小测量 误差，应选择 与测量值接近 的量程。
用A表进行测量所产生的测量误差较小。
1.2 测量误差与不确定度
1.2.1 1.2.2

检测系统误差分析基础 测量误差的分类与处理
值得注意的是：工作误差说明该仪表可能出现的最大误差， 它决不意味着某次实际测量的具体误差值是多少。
三、检测仪器的精度等级与工作误差
例1.1 被测电压实际值约为21.7 V，现有四种电压表： A表，1.5级、量程为0～30 V； B表，0.2级、量程为0～360 V。 选用哪个电压表所产生的测量误差较小? [解]：计算各表的工作误差：
（4）采用半周期法减小周期性系统误差
实验比对（恒差系统误差） 实验比对的方法又可分为标准器件法（简 称标准件法）和标准仪器法（简称标准表法） 两种。
1系统误差的判别和确定
残差观察法（变差系统误差） 残差（剩余偏差）：各测量值与全部测量数据 算术平均值之差。 多次等精度重复测量：x1，x2，…xi, …，xn
v i xi x
† 电工量
† 热工量 † 机械量
电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁 场强度、磁通密度等；
温度、热量、比热、热流、热分布、压力、压差、 真空度、流量、流速、物位、液位、界面等； 位移、形状，力、应力、力矩、重量、质量、转 速、线速度、振动、加速度、噪声等；
† 物性和成分量 气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、 盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；
外界信号 (被测量)
电信号
自动检测系统
传感器通常由敏感元件、转换元件、转换电路组合而成。
1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用
温度传感器
电磁流量计
红外线传感器
1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用
检测的定义
检测是指在生产、科研、试验及服务等各个 领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实 时或非实时地对一些参量进行的定性检查和定量测 量。
为保证和提高测量精度，需要研究发现系 统误差，进而设法校正和消除系统误差。
1系统误差的判别和确定
原理分析与理论计算
产生恒差型系统误差的常见原因：传感器转换 过程中存在零位误差、传感器输出信号与被测 参量间存在非线性、传感器与信号调理电路阻 抗匹配不佳，处理信号时略去高次项或采用简 化的电路模型等。
† 光学量 † 状态量 光强、光通量、光照度、辐射能量等；
颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表 面质量等。
1.1.2 传感器与检测系统的分类
2. 按使用性质分类
通常可分为标准表、实验室表和工业用表等三种 。 标准表：各级计量部门专门用于精确计量、校准送检 样品和样机的标准仪表。 实验室表：多用于各类实验室中，使用环境条件较好， 往往无特殊的防水、防尘措施。对于温度、相对湿度、 机械振动等的允许范围也较小。 工业用表：是长期使用于实际工业生产现场的检测仪 表与检测系统。
传感器与检测技术
• 特点：
– 与实际应用、工业生产实践联系紧密 – 理论体系庞杂，涉及科目众多
数学、物理、化学、生物学 材料学、加工制造工艺 电子技术、计算机、通讯
第一章
绪论
传感器与检测技术
1.1传感器与检测技术概述
1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用 1.1.2 传感器与检测系统的分类 1.1.3 传感器与检测技术的发展趋势
X0 X C C称为修正值。 C x
1.2.1
检测系统误差分析基础
描述一次测 量的精确度
2 相对误差
检测系统测量值的绝对误差Δx与被测参量真值X0的 比值，称为检测系统测量的相对误差δ，常用百分数表示 ：

X X0 x 100% 100% X0 X0
一般来说相对误差值越小，其测量精确度就越高。 相对误差是一个量纲为一的量。
1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用 传感器的定义
传感器是能以一定精确度把某种被测量（主要 为各种非电量）按一定规律转换为便于人们应用、处理 的另一参量（主要为电参量）的器件或测量装置。 主干：传感器是把被测量转换为另一参量的器件或测量装置。
传感器类似于动物的感官。
外界信号 动物 感官 传感 器 神经信号 动物身体系统
（2） 采用修正法减小恒差系统误差
利用修正值来减小和消除系统误差是常见和有效的 方法。
（3）采用交叉读数法减小线性系统误差
交叉读数法（对称测量法）：在时间上将测量顺 序等间隔对称安排，取各对称点两次交叉读入测量值， 然后取其算术平均值作为测量值，即可有效地减小测量 的线性系统误差。
2减小和消除系统误差的方法
使用前提：系统误差比随机误差大 。
1系统误差的判别和确定
马利科夫准则
马利科夫准则适用于判断线性系统误差。
1）将同一条件下等时间间隔重复测量值X1、X2 、 …、Xi 、…、Xn按序排列，并求出相应的残差ν1、ν2 、…、 νi 、…、νn，
2）将残差序列以中间值νk为界分为前后两组，分
别求和，然后把两组残差和相减，即
小的原则套用标准化精度等级值 。精度等级用符号G