第1章 传感器与检测技术基础

第1章传感器与检测技术基础第1章传感器与检测技术基础1.1传感器简述1.2测量误差与准确度1.3弹性敏感元件1.1传感器简述1.1.1传感器的组成与分类1.传感器的定义我国国家标准(GB/T7665—2005)中对传感器(Transducer/Sensor)的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的这一定义包含了以下几方面的意义：1)传感器是测量装置，能够完成检测任务。2)它的输入量是某一被测量，可以是物理量、化学量、生物量等。3)它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，它可以是气、光、电量，但主要是电量。4)输出量与输入量应有对应关系，且应有一定的准确度。1.1传感器简述2.传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，有时还需外加辅助电源提供转换能量，其组成框图如图1-1所示。图1-1传感器的组成框图(1)敏感元件它是直接感受被测量(如温度、压力等)，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件(如弹性敏感元件)。1.1传感器简述(2)转换元件它是将敏感元件输出的非电信号直接转换为电信号，或直接将被测非电信号转换为电信号(如应变式压力传感器的电阻应变片，它作为转换元件将弹性敏感元件的输出转换为电阻)。(3)转换电路它能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、处理和传输的有用信号。3.传感器的分类传感器技术是一门知识密集型技术。1.1传感器简述表1-1传感器的分类1.1传感器简述表1-1传感器的分类1.1传感器简述1.1.2传感器的基本特性传感器是实现传感功能的基本部件，传感器的输入⁃输出关系特性是传感器的基本特性。传感器的各种性能指标都是根据传感器输入与输出对应关系进行描述的。传感器的输入⁃输出特性是其外部特性，但却是由其内部参数决定的，不同的传感器的内部参数决定了它具有不同的外部特性。1.传感器的静态特性传感器的静态特性是指检测系统的输入量为不随时间变化的恒定信号时的输入-输出特性关系。(1)线性度检测系统的线性度是指系统输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。1.1传感器简述图1-2各种直线的拟合方法a)理论直线拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点平移拟合1.1传感器简述(2)灵敏度图1-3传感器的灵敏度a)线性传感器b)非线性传感器1.1传感器简述(3)迟滞迟滞是指在满量程范围内，传感器在升行程(输入量增大)和降行程(输入量减小)测量过程中，输入-输出特性曲线不重合的程度，如图1-4所示。图1-4迟滞特性1.1传感器简述(4)重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得输入-输出特性曲线不一致性的程度，如图1-5所示。图1-5重复性1.1传感器简述(5)漂移漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出量发生与输入量无关的变化，它包括零点漂移和温度漂移。1)零点漂移，简称零漂。2)温度漂移，简称温漂。(6)分辨率分辨率是指在规定测量范围内传感器能检测到的输入量的最小变化量，表示检测系统分辨输入量微小变化的能力，用绝对值表示。2.传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器测量动态信号时，输入对输出的相应特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。1.1传感器简述动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律与输入对时间变化的规律相同，即具有相同的时间函数。但在实际工作中，输出信号与输入信号具有不同的时间函数，这种输入与输出间的差异称为动态误差，动态误差反映的是惯性延迟所引起的附加误差。(1)瞬态响应法在研究传感器的动态特性时，在时域中传感器对所加激励信号的响应称为瞬态响应。图1-6阶跃响应特性1.1传感器简述1)超调量σ：传感器输出超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。2)延滞时间td：阶跃响应达到稳态值的50%所需要的时间。3)上升时间tr：传感器的输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所需的时间。4)峰值时间tp：传感器从阶跃输入开始到输出值达到第一个峰值所需的时间。5)响应时间ts：传感器从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需的时间。(2)频率响应法频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。1.2测量误差与准确度1.2.1测量误差的基本概念1.测量误差的有关术语(1)真值真值即真实值，是指在一定时间及空间条件下，被测物理量本身所具有的真实数值。(2)标称值标称值是指测量仪器或测量器具上标示的量值，如标准砝码上标出的1kg。(3)测量误差测量误差是指用仪器测量出来的结果与被测量的真值之差，即测量误差=测量结果－真值。(4)测量准确度测量准确度即测量结果的准确度，反映测量结果与真值接近程度的量。(5)等准确度测量等准确度测量是指在同一条件下所进行的一系列重复测量。1.2测量误差与准确度(6)非等准确度测量非等准确度测量是指在多次测量中，对测量结果准确度有影响的一切条件不能维持完全不变的测量。(7)测量不确定度测量不确定度是表征被测量的真值在某数值范围内不能肯定的程度，就是对测量误差极限估计值的评价。2.测量误差的表示方法(1)绝对误差(2)相对误差(3)引用误差例1-1一个电压表的满量程为100V，校准该表时得到最大绝对误差为0.15V，试确定该电压表的准确度等级。解：由式(1-11)可知，该电压表的最大引用误差为1.2测量误差与准确度例1-2现需选择一台测温范围为0~500℃的测温仪表。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±4℃，试问应选哪一级准确度等级的测温仪表？解：工艺允许的最大引用误差为1.2.2误差的分类方法在测量过程中，由于被测量千差万别，产生误差的原因也不相同，所以，误差的种类也很多。若按照误差产生的原因及其性质来分，误差分为系统误差、随机误差和粗大误差。1.系统误差在相同的测量条件下，对同一被测量进行多次测量时，误差的大小和符号保持不变或按照一定规律出现，则把这种误差称为系统误差(systemerror)。1.2测量误差与准确度系统误差可分为定值系统误差和变值系统误差。定值系统误差是指数值和符号都保持不变的系统误差。变值系统误差是指数值和符号按照一定规律变化的系统误差。变值系统误差按照其变化规律的不同，又可分为线性系统误差、周期性系统误差和复杂规律系统误差。2.随机误差在相同的测量条件下，对同一被测量进行多次测量时，其误差的大小和符号以不可预知的方式变化着，把这种误差称为随机误差(randomerror)。1.2测量误差与准确度随机误差按其概率分布的特点，可分为正态分布随机误差和非正态分布随机误差。随机误差是独立的、微小的、偶然的，因此，随机误差的大小表明测量结果的分散性。通常用精密度表示随机误差的大小。随机误差大，测量结果分散，精密度低；随机误差小，测量结果的重复性好，精密度高。3.粗大误差在相同的测量条件下，对同一被测量进行多次测量时，显著偏离测量结果的误差，称为粗大误差(abnormalerror)。1.2.3误差的分析方法1.系统误差的分析系统误差的特点是在一定条件下对同一被测量的多次测量中误差保持恒定，而当条件改变时误差按一定规律变化。1.2测量误差与准确度(1)发现系统误差的方法发现系统误差的根本方法应从系统误差来源上去研究，分析实验条件，注意每一个因素的影响。1)实验对比法。2)残余误差观察法。3)计算数据比较法。(2)系统误差的减小与消除分析和研究系统误差的最终目的是减小和消除系统误差，常用的方法有以下几种。1)从产生误差的根源上消除系统误差，如采用符合实际的理论公式,正确地安装和调整仪器装置,实验中严格保证仪器装置的测量条件,防止外界的各种干扰等。2)修正测量结果。3)抵消系统误差。1.2测量误差与准确度(3)系统误差分析的特点系统误差具有确定的规律性，发现了就能消除，针对性强。2.随机误差的分析就某一次测量来说，随机误差的大小和方向是不可预知的，但对同一量进行多次重复测量就会发现，随机误差是按一定的统计规律分布的，可以利用这种规律对测量结果做出随机误差的估计。(1)随机误差的概率无数次的实验事实和统计理论都证明，大部分测量中的随机误差都服从正态分布规律。1)单峰性。2)有界性。3)对称性。4)抵偿性。1.2测量误差与准确度(2)随机误差的处理3.粗大误差的分析方法粗大误差是由于测量者的粗心大意导致测量结果明显偏离真值的误差，含有粗大误差的数据必须被剔除。对于粗大误差的判断最常用的准则为拉依达准则——3σ准则。1.2.4有效数字与测量数据的处理1.有效数字因为在测量中不可避免地存在误差，所以测量数据只能是一个近似数。(1)数字的舍入规则当需要n位有效数字时，对超过n位的数字要根据舍入规则进行处理。1)小于第n位单位数字的0.5就舍掉。2)大于第n位单位数字的0.5，则第n位加1。1.2测量误差与准确度3)恰为第n位单位数字的0.5，则第n位为偶数或零时就舍去，为奇数时则进1。(2)参加中间运算的有效数字的处理1)加法运算：运算结果的有效数字位数应与参与运算的各数中小数点后面的有效位数相同。2)乘除运算：运算结果的有效数字位数，应与参与运算的各数中有效位数最小的相同。3)乘方及开方运算：运算结果的有效数字位数比原数据多保留一位。4)对数运算：取对数前后有效数字位数应相同。2.测量数据的处理常用的数据处理方法有列表法、图示法、最小二乘法线性拟合。1.2测量误差与准确度(1)列表法列表法是把被测量的数据列成表格，可以简明地表示有关物理量之间的对应关系，便于随时检查测量结果是否合理，及时发现和分析问题。(2)图示法图示法是用图形或曲线表示物理量之间的关系，它能更直观地表示物理量之间的变化规律，如递增或递减。(3)最小二乘法线性拟合图示法虽然能很直观方便地将测量中的各种物理量之间的关系、变化规律用图像表示出来，但是，在图像的绘制上往往会引起一些附加的误差。1.3弹性敏感元件1.3.1弹性敏感元件的特性物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状，称为变形。如果外力去掉后物体能够完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称之为弹性形变。弹性敏感元件直接感受力、压力、力矩等物理量，其输出为弹性元件本身的变形（应变、位移、转角）。作用在弹性敏感元件上的外力与该外力引起的相应的变形之间的关系称之为弹性敏感元件的特性。弹性敏感元件是很多传感器的核心部分，它能够将各种形式的非电量转换成应变或位移量，然后由传感元件将这些量转换成电量。1.弹性敏感元件的特性(1)刚度1.3弹性敏感元件(2)灵敏度灵敏度表示弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小。(3)弹性滞后弹性滞后是指在弹性敏感元件弹性变形范围内，对弹性敏感元件进行加、卸载的升、降行程测量中曲线不重合的现象。1.3弹性敏感元件图1-7刚度特性1.3弹性敏感元件图1-8弹性滞后现象(4)弹性后效当弹性敏感元件上载荷从一个值变化到另一个值时1.3弹性敏感元件，相应的变形不能立即完成，而要经过一定的时间间隔逐渐完成，这种现象称之为弹性后效。图1-9弹性后效1.3弹性敏感元件(5)温度特性周围环境温度的变化会引起弹性敏感元件材料的弹性模量E的变化，变化的大小用温度系数βt表示。(6)固有频率弹性敏感元件的动态特性和变换被测载荷时的滞后现象，都由弹性敏感元件的固有频率所决定。2.弹性敏感元件的材料弹性敏感元件直接参与传感器中的变换和测量，因此对于材料的选用十分重要。1)弹性极限和强度极限要高。2)弹性模量的温度系数要小且要稳定。3)弹性滞后和弹性后效要小。4)线膨胀系数要小且要稳定。5)有良好的抗氧化性。6)有良好的机械加工和热处理性能。1.3弹性敏感元件7)在特殊条件下，要有良好的耐腐蚀性，并且具有良好的导电性或较高的绝缘性。表1-2常用弹性敏感元件的材料性能1.3.2弹性敏感元件的类型1.3弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件的输入量通常是力、力矩或流体的压力，其输出量为应变或位移，即弹性敏感元件是将力或压力转换为应变或位移的器件。因此弹性敏感元件有两种基本形式：一是将力或力矩转换为应变或位移的变换