第2章传感器与检测技术

(3)、分析处理部分
不断注入新内容 ---- 检测系统的研究中心 计算机系统 ---- 强大问题分析能力、复杂系统的实时控制 自动化、智能化
(4)、通信接口与总线部分
功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换
接口 --- 分系统和上位机之间/分系统之间交换信息
通用标准接口 --- 不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联 USB、 IEEE-488、 RS-232（串行）、并行 （硬件系统） 总线：传送数字信号的公共通道 ---- 信号线的集合 RS-232C、VXI、Centronics（并行） （规范、结构形式）
课 程 内 容 1
2. 测量方法及分类
直接测量 间接测量 接触式测量 非接触式测量 静态测量 动态测量 在线测量 离线测量
3. 非电量测量（现代测量）系统的组成
显示器与 记录装置 被测量 传感器 电量
信号处理与 测量电路
数据处理 器 控制装置
课 程 内 容 2
信号处理电路：将传感器的输出信号进行 放大、转换、和传输等，使其 适合于显示、 记录、数据处理或控制。
通常检测仪器、检测系统设计师对传感器有如 下要求： (1)准确性 传感器的输出信号必须准确地反 应其输入量，即被测量变化。因此，传感 器的输出与输入关系必须是严格的单值函 数关系，最好是线性关系； (2)稳定性 传感器的输入、输出的单值函数 关系最好不随时间和温度而变化，受外界 其它因素的干扰影响亦应很小，重复性要 好；
误差理论基本知识 检测是指含有检查、测量等比较宽广意义的测 量，测量的目的是为了准确地获取被测对象的某 些参数的定量信息。
然而任何测量中，无论采用多么完美的测量方
法和多么精确的测量装置进行测量，都存在误差。 测量的结果不仅要确定被测量的大小，而且要说 明其误差的大小，给出可信度。
因此需要对实验结果进行数据处理与误差分析，
给出科学的测量结果。
主要内容：
测量误差的概念ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分类
测量误差的分析、处理
粗差剔除
误差合成 误差传递
系统误差修正 随机误差估算
获取与真值逼近的测量结果
误差的处理
根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统误 差、粗大误差三类。 1.系统误差及其处理（恒差） 定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测 量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变 时按一定规律变化的误差，称为系统误差。 例如仪器的刻度误差和零位误差。
传感器的信噪比小、输出信号弱 ---- 信号淹没在噪声中
4）传感器的输出特性呈线性或非线性
5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性
选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件 以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制
(2)、信号变换部分
检出信号 适合于分析和处理的信号
信号调理电路
在检测系统由零状态起始时，对其一般数学 模型作拉氏变换后得系统传递函数H(s):
bm s m bm 1s m 1 ... b1s b0 y(s) H ( s) . n n 1 x( s ) an s an 1s ... a1s a0
动态标定
动态标定主要是研究传感器的动态响应特 性。常用的标准激励信号源是正弦信号和 阶跃信号。根据传感器的动态特性指标， 传感器的动态标定主要涉及到一阶传感器 的时间常数，二阶传感器的固有角频率和 阻尼系数等参数的确定。
变送器
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件或装置的总称。当传 感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。 那么，变送器可定义为将物理测量信号或普通电 信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方 式输出的设备，它是从传感器发展而来的。 一般分为：温度/湿度变送器，压力变送器，差压 变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器， 流量变送器，重量变送器等。
系统实现不失真测量时的最大输入信号范围; 测量上限值与下限值的代数差称为量程,但并不 代表仪器的有效量程.
2.传感器与测量系统的基本特性——动态特性 动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 研究动态特性时通常根据标准输入特性来考虑传感器的响应特 性。
1、标准输入有正弦变化和阶跃变化两种形式。 正弦函数：任何复杂输入可分解为多次谐波的正弦函数；
y kx y k x
y
y dy y dy k 或s x dx x dx
y
k
y x
dy dx
0
x
0
x
灵敏度定义 a) 线性传感器 b) 非线性传感器
5）分辨力（Resolution）
能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量.
L
x YFS
6 ）测量范围及量程
H max H 100 % YF .S
H max
3）重复性： 表示传感器在输入量按同一方向作全量 程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程 度。特性曲线一致，重复性好误差就小。
R R 100 % YF .S .
4）灵敏度：
线性传感器校准的斜率就是其静态灵敏度， 非线性则随输入量而变化。
小结：
1、现代测量系统由那几部分组成？各组成部分 的功能？
2、什么是传感器的静态特性？静态特性主要技 术指标有那些？
实验数据的表示 测量误差的概念及分类 测量误差的分析、处理 测量结果的表述
实验数据的表示方法
表述方法的要求： 能确切反应规律、便于分析和应用 表格、图解、经验公式
自阅
误差的定义和分类
(1)静态特性定义




当被测对象处于静态,即检测系统的输入量为常量或 随时间做缓慢变化时,系统输出与输入之间呈现的关系。 通过使用前对系统进行标定或定期校验获得的，传 感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定） 的。 静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非 这些参数本身就是被测量）；环境温度一般为室温 20±5℃；相对湿度不大于85%；大气压力为 10137±7800Pa（760±60mmHg）的情况。 在这种标准工作状态下，利用一定等级的校准设备 对传感器反复进行循环测试，得到的输入-输出数据一般 用表格列出或画成曲线。 若实际测试时工作条件偏离了标定的标准条件，将 产生误差，必要时须对测试系统进行修正。

2.随机误差（偶然误差）
定义: 在同一测量条件下，多次重复测量同一量值时 （等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不 可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差， 简称随差。 指在测量环境、测量人员、测量技术和测 量仪器都相同的条件下

随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的 大量因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电 磁场微变、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气 扰动、大地微震、测量人员感官的无规律变化等。
(3)灵敏度 即要求被测参量较小的变化就可 使传感器获得较大的输出信号； (4)其他 如耐腐蚀性好、低能耗、输出阻抗 小和售价相对较低等。 各种传感器输出信号形式也不尽相同， 通常有电荷、电压、电流、频率等；在设 计检测系统、选择传感器时对此也应给予 重视。
第二章 测量与测量系统的基本知识
2.1 测量的基本知识
阻抗变换 ---- 输出阻抗很高时； 信号放大 ---- 输出信号微弱时； 噪声抑制 ---- 信号淹没在噪声中； 电压/电流（V/A）转换 ---- 需要电流输出时； 模拟/数字（A/D）转换 ---- 需要输出数字信号时 目的： 1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量 2） 消除或抑制传感器输出量中的无用信号 3）提高测量、分析的准确度 4）简化后续系统的组成
标定：
用已知的标准来矫正仪器或测量系统的过程
标定的作用：
1 确定仪器或量程系统的输入输出关系，赋予仪器和测 量系统分度值 2 确定静态标定指标 3 消除系统误差改善仪器和测量系统的正确度
（2）静特性指标（线性度、迟滞
、重复性、 灵敏度、分辨率、
量程）
1） 线性度：对于实际的传感器测出的输出—输入 校准（标定）曲线与其理论拟和直线间的偏差就称 为该曲线的“非线性”或 “线性度”。 理想的拟合直线：能反映校准曲线的一般趋 势，又能使误差绝对值为最小的参考直线。常用有 端基线法、端点平移法、最小二乘法等。

产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正 确，环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理 中使用近似计算公式，测量人员不良的读数习惯等。 系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。 系差越小，测量就越准确。
减小消除系统误差的方法： 发现判断：实验对比、残余误差观察、准则检测 减少消除：修正、特殊测量法（替代、差值、误 差补偿、对称观察）
第二章 测量与测量系统的基本知识
◆ 课时授课计划 ◆提
纲 ◆课 程 内 容
第二章 测量与测量系统的基本知识
目的与要求： 本章学习测量的基本概念、测量方法、传感器的 基本特性等，他们是检测与转换技术的理论基础。 课 时 授 课 计 划 了解测量的基本概念、测量方法； 掌握自动检测系统组成 知道传感器的特性由静态和动态特性来表示。 重点与难点： 重点：自动测试系统组成和传感器的一般特性； 难点：传感器的动态特性
2.2 传感器与测量系统的基本特性
1. 传感器与测量系统的基本特性---静态特性 进行检测时,首先要根据检测目的和误差 要求,正确选用传感器及组成测试系统,使测 量结果不失真地反映被测量,因此就必须了解 传感器或测试系统地基本特性。 按被测量在检测过程中的状态,检测系统 的基本特性可分为静态特性和动态特性。 传感器与测量系统的基本特性主要指输 出与输入之间的关系。
变送器输出的标准信号是物理量的形式和数值范 围都符合国际标准的信号。 例如直流电流0～10mA、4～20mA是当前通用 的标准信号。无论被测变量是哪种物理或化学参 数，也不论测量范围如何，经过变送器之后的信 息都必须包含在标准信号之中。 有了统一的信号形式和数值范围，就便于把各 种变送器和其它仪表组成检测系统或调节系统， 这些仪表有一次仪表、二次仪表。无论什么仪表 或装置，只要有同样标准的输入电路或接口，就 可以从各种变送器获得被测变量的信息。
(1)、信号检出部分
传感器（Sensor）---- 检出功能的器件 信号提取（被测量）、传输（信号变换部分） 特点： 1）输出量为电压、电流、频率 电阻、电容、电感
两种：数字量、模拟量 2）输出的电信号一般较微弱：
电压 ---- 毫伏级、微伏级；电流 ---- 毫安级、纳安级 3）输出信号与噪声混杂在一起 ---- 传感器内部噪声
阶跃函数：当输入突然变化时的极端。 2、动态特性的一般数学模型 使用最广泛的数学模型是常系数线性微分方程、传递函数 .
一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律， 将能再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数
对于线性系统的动态响应使用最广泛的数学 模型是高阶常系数微分方程。
dny d n 1 y dy d mx d m 1 x dx an n an 1 n 1 a1 a0 y bm m bm 1 m 1 b1 b0 x dt dt dt dt dt dt 式中： x —系统输入，即被检测信号； y —系统输出，即系统的检测结果； a0、a1、...、an；b0、b1、...、bn —常系数；
测量的概念 测量方法 测量系统的组成
2.2 传感器与测量系统的基本特性
传感器与测量系统的静态特性 传感器与测量系统的动态特性
2.1 测量的基础知识
1.
测量的基本概念
它是以确定被测物属性量值为目的的一组操作, 通过实验使人们对事物获得定性或定量的分析。广 义地讲,测量是对被测量进行检出、变换分析处理、 判断、控制等的综合认识过程。
Lmax L YFS
L
非线性误差（线性度）
Lmax 标定曲线与基准拟合直线的最大偏差；
YFS
传感器满量程输出值
作图法求线性度演示
（ 1—拟合曲线 2—实际特性曲线 ）
2）迟 滞 ：
表明了传感器在正（输入量增大）反（输入量 减小）行程间输出—输入曲线不重合的程度。由机 械部分的缺陷引起。迟滞反映了传感器机械部分不 可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松紧、元 件腐蚀或碎裂、材料的内摩擦、积塞灰尘等。