模塊一傳感檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

本模塊學(xué)習(xí)測(cè)量的基本概念、測(cè)量方法、誤差分類、傳感器組成與分類、傳感器的基本特性等，是傳感檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

為什么要關(guān)注傳感檢測(cè)技術(shù)的參數(shù)/指標(biāo)？

單元一檢測(cè)技術(shù)概述（一）靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量

根據(jù)被測(cè)量是否隨時(shí)間變化分類

一、測(cè)量方法比如：電子卡尺測(cè)量尺寸、電子秤稱量重物

動(dòng)態(tài)測(cè)量

地震測(cè)量振動(dòng)波形可以顯示波形的便攜式儀表電子卡尺測(cè)尺寸（二）直接測(cè)量和間接測(cè)量照度計(jì)測(cè)量照度直接測(cè)量方便、準(zhǔn)確間接測(cè)量測(cè)量到的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)僅僅是中間值，但可由這中間值再推算出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線位移。θ

工作臺(tái)絲杠編碼器進(jìn)給電機(jī)

對(duì)多個(gè)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過計(jì)算求得被測(cè)量。利用勾股定理計(jì)算（三）接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量電子溫度計(jì)電子秤稱重非接觸式測(cè)量不和被測(cè)對(duì)象接觸，方便快捷測(cè)速雷達(dá)光電傳感器用于地鐵檢票機(jī)金屬探測(cè)儀自動(dòng)感應(yīng)門（四）模擬式測(cè)量和數(shù)字式測(cè)量激光測(cè)距儀數(shù)字式測(cè)量常用于精密測(cè)量產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)（五）在線測(cè)量和離線測(cè)量生產(chǎn)線產(chǎn)品識(shí)別、檢測(cè)二、測(cè)量誤差及分類絕對(duì)誤差：

Δ=Ax－Ａ0

某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購員對(duì)賣巧克力的商店意見最大，是何原因？

絕對(duì)誤差能否反映測(cè)量的準(zhǔn)確程度？(1-1)測(cè)量值真值（實(shí)際值A(chǔ)）相對(duì)誤差及精度等級(jí)

2.示值相對(duì)誤差：1.實(shí)際相對(duì)誤差：反映某次測(cè)量的準(zhǔn)確程度。3.滿度相對(duì)誤差4.準(zhǔn)確度等級(jí)（精度等級(jí)）反映儀表本身的準(zhǔn)確程度。

我國(guó)電工儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)S就是按滿度相對(duì)誤差分級(jí)的，依次劃分成0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5及5.0七級(jí)。

例如，某電壓表S=0.5，即表明它的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)，即表示它的滿度誤差不超過0.5%，即0.5%例：某指針式電壓表的精度為2.5級(jí)，用它來測(cè)量電壓時(shí)可能產(chǎn)生的滿度相對(duì)誤差不超過2.5%。1.某壓力儀表廠生產(chǎn)的壓力表滿度相對(duì)誤差均控制在0.4%~0.6%，該壓力表的精度等級(jí)應(yīng)定為（）級(jí)。（0.2級(jí)0.5級(jí)1.0級(jí)1.5級(jí)）2.一家儀器廠需要購買壓力表，希望壓力表的滿度相對(duì)誤差小于2.0%，應(yīng)購買（）級(jí)的壓力表。（0.5級(jí)1.0級(jí)1.5級(jí)2.5級(jí)）精度等級(jí)的選擇三、誤差類型（了解）

1.粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測(cè)量人員的粗心大意及電子測(cè)量?jī)x器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。如測(cè)錯(cuò)、讀錯(cuò)、記錯(cuò)、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時(shí)，應(yīng)予以剔除。

產(chǎn)生粗大誤差的例子

2.系統(tǒng)誤差夏天擺鐘變慢的原因是什么？

系統(tǒng)誤差也稱裝置誤差，它反映了測(cè)量值偏離真值的程度。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。

系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實(shí)驗(yàn)的方法或引入修正值的方法計(jì)算修正，也可以重新調(diào)整測(cè)量?jī)x表的有關(guān)部件予以消除。

3.隨機(jī)誤差

在同一條件下，多次測(cè)量同一被測(cè)量，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量值時(shí)大時(shí)小，誤差的絕對(duì)值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差，也稱偶然誤差，它反映了測(cè)量值離散性的大小。隨機(jī)誤差是測(cè)量過程中許多獨(dú)立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果。存在隨機(jī)誤差的測(cè)量結(jié)果中，雖然單個(gè)測(cè)量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，既不能用實(shí)驗(yàn)的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。

隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律長(zhǎng)度相對(duì)測(cè)量值次數(shù)統(tǒng)計(jì)隨機(jī)事例彩票搖獎(jiǎng)4.動(dòng)態(tài)誤差

由心電圖儀放大器帶寬不夠引起的動(dòng)態(tài)誤差

當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上不能與被測(cè)量的變化精確吻合，這種誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。

單元二傳感器基礎(chǔ)知識(shí)一、傳感器的定義與作用

傳感器（Sensor）的定義：利用物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)或生物效應(yīng)，把被測(cè)量（物理量、化學(xué)量或生物量）等非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件或裝置。

本課程主要介紹物理量的轉(zhuǎn)換。比如：電子秤（輸入力→電阻變化→電壓變化）

電子溫度計(jì)（輸入溫度→電阻變化→電壓變化）

光電傳感器（輸入光信號(hào)→電壓變化）

傳感器（系統(tǒng)核心）負(fù)責(zé)“信息采集”，相當(dāng)于人的“感官”。人類感官的延伸，被稱為“電感官”

傳感器（Sensor）的作用：

人對(duì)外界的感受有觸覺、視覺、聽覺、嗅覺和味覺等，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)自然界的各種信息都需要通過傳感器進(jìn)行采集。

人們把電子計(jì)算機(jī)比作人的大腦，把傳感器比作人的五種感覺器官，執(zhí)行器比作人的四肢，便制造出了工業(yè)機(jī)器人。

在諸如高溫、高濕、深井、高空等環(huán)境及高精度、高可靠性、遠(yuǎn)距離、超細(xì)微等方面是人的感覺器官所不能代替的。

傳感器（Sensor）在各領(lǐng)域的應(yīng)用：(1)傳感器在制造業(yè)中的應(yīng)用比如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線、工業(yè)機(jī)器人；(2)傳感器在汽車中的應(yīng)用

汽車水溫、壓力、轉(zhuǎn)速傳感器、氧濃度檢測(cè)、自動(dòng)大燈、倒車?yán)走_(dá)等；(3)傳感器在智能建筑中的應(yīng)用

自動(dòng)門、紅外入侵、空氣質(zhì)量檢測(cè)、智能照明、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等

；

(4)傳感器在家用電器中的應(yīng)用

空調(diào)、電冰箱、洗衣機(jī)、電熱水器等；(5)傳感器在安全防范中的應(yīng)用

防火、防盜（光電、壓電、紅外及圖像傳感器等）(6)傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用

視覺、觸覺、壓覺等傳感器(7)傳感器在人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用B超檢查、血壓、心腦電波檢查、骨密度檢查等；

(8)傳感器在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

監(jiān)測(cè)大氣、水質(zhì)及噪聲污染等(9)傳感器在航空航天中的應(yīng)用

每個(gè)航天器用到多達(dá)幾千個(gè)傳感器（壓力、溫度、速度

姿態(tài)、紅外圖像采集等）(10)傳感器在遙感技術(shù)中的應(yīng)用

利用紫外、紅外傳感器探測(cè)氣象、地質(zhì)等；(11)傳感器在軍事方面的應(yīng)用

紅外探測(cè)儀、紅外通訊、紅外夜視、熱成像技術(shù)等；

二、傳感器的組成與分類

（一）傳感器的組成：

傳感器通常由敏感元件、傳感（轉(zhuǎn)換）元件及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路等部分組成。

敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，在非電量到電量的轉(zhuǎn)換時(shí)，往往先轉(zhuǎn)換為另一種易于變成電量的非電量，然后再轉(zhuǎn)換成電量（如應(yīng)變式傳感器的彈性體將力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量），傳感器中各種類型的彈性元件，常被稱為彈性敏感元件。

傳感元件是指能將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件或元件（如光電池將光的變化量轉(zhuǎn)為電動(dòng)勢(shì)）。有些傳感器的敏感元件與傳感元件是合二為一（如壓電元件、光電池、熱電偶等）。彈簧管熱敏電阻氣敏電阻光敏電阻敏感元件（二）傳感器的分類

傳感器的種類名目繁多，分類不盡相同。常用的分類方法有：１）按被測(cè)量分類：可分為位移、力、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、加速度、溫度、壓力、流量、液位等傳感器。

2）按測(cè)量原理分類：可分為電阻式、電容式、電感式、壓電式、光電式、熱電偶、超聲波、霍爾式、光柵、光導(dǎo)纖維等傳感器。

本教材采用第二種分類法。

三、傳感器的基本特性

傳感器的特性參數(shù)有很多，且不同類型的傳感器，其特性參數(shù)的要求和定義也各有差異。

這里主要介紹傳感器的靜態(tài)特性，即傳感器在被測(cè)各量值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入與輸出的關(guān)系，主要包括：靈敏度、分辨力、測(cè)量范圍和量程、線性度、遲滯、穩(wěn)定性、電磁兼容性及可靠性等。

動(dòng)態(tài)特性是描述傳感器在被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)的輸出和輸入的關(guān)系（自動(dòng)控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域）。

傳感器產(chǎn)品類型不同，特性指標(biāo)不同1、靈敏度

靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示：

（1-6）線性傳感器靈敏度K為常數(shù)，靈敏度有量綱。作圖法求靈敏度過程xyx1ΔxΔy0切點(diǎn)傳感器特性曲線xmax2、分辨力

分辨力指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定測(cè)量范圍內(nèi)能檢出被測(cè)量的最小變化量。

當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。對(duì)數(shù)字儀表而言，一般認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。分辨率則是分辨力與量程的比值，通常用分?jǐn)?shù)表示。電子體溫計(jì)

分辨力：0.1℃電子秤分辨力：0.01g3、測(cè)量范圍和量程

在允許誤差范圍內(nèi)，傳感器能夠測(cè)量的下限值（

）到上限值（

）之間的范圍稱為測(cè)量范圍，表示為

；

上限值與下限值的差稱為量程，表示為

。

如某溫度計(jì)的測(cè)量范圍

是-20℃～100℃，量程則為120℃。

4、線性度

線性度又稱非線性誤差，指?jìng)鞲衅餍?zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與滿量程的百分比。非線性誤差越小越好。非線性誤差的計(jì)算公式：（1-7）

5、遲滯

指在相同工作條件下，傳感器正行程特性與反行程特性

的不一致的程度。（1-8）

設(shè)計(jì)者和使用者總是希望傳感器的遲滯小一些。

6、穩(wěn)定性

穩(wěn)定性包括穩(wěn)定度和環(huán)境影響量?jī)蓚€(gè)方面。穩(wěn)定度指

的是儀表在所有條件都不變的情況下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)維持其示值不變的能力（是系統(tǒng)能夠正常工作的首要條件）。

穩(wěn)定度一般以儀表的示值變化量和時(shí)間的長(zhǎng)短之比來表示。例如某儀表的輸出電壓值在5h內(nèi)的最大變化量為1.0mV，則穩(wěn)定度表示為1.0mV/5h。

環(huán)境影響量?jī)H指由外界環(huán)境變化而引起的示值變化。

7、電磁兼容性

電磁兼容性是指電子設(shè)備在規(guī)定到的電磁干擾環(huán)境中能按原設(shè)計(jì)要求正常工作的能力，而且向處于