现代检测技术及仪表考试重点

第１章绪论1.1.1传感器的基本概念一、传感器的定义国家标准定义――“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。”（当今电信号最易于处理和便于传输）通常定义――“能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”。二、敏感器的定义――把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置１、当ZX即被测非电量X正是传感器所能接受和转换的非电量(即可用非电量)Z时，可直接用传感器将被测非电量X转换成电量Y。２、当ZX即被测非电量X不是传感器所能接受和转换的非电量(即可用非电量)Z时，就需要在传感器前面增加一个敏感器，把被测非电量X转换为该传感器能够接受和转换的非电量(即可用非电量)Z。1.2.2传感器的分类和命名法一、传感器的类型二、传感器的分类方法：按照被测的非电量分类，按照输出量的性质1.3检测仪表与系统概述1.2.1检测仪表与系统的基本组成传感器:把被测的非电量变换成电量测量电路:把传感器的输出电量变成电压或电流信号显示装置:显示测量结果。模拟显示数字显示图像显示1.3.2常规检测仪表与系统的基本类型二、普通数字式检测仪表（a）模数转换式――A/D转换器把直流电压转换成数字(b)脉冲计数式――计数器对传感器脉冲进行计数三、微机化检测系统具有普通的模拟式和数字式检测仪表所没有的新特点和新功能：(1)自动调零功能(2)量程自动切换功能(3)多点快速测量(4)数字滤波功能(5)自动修正误差(6)数据处理功能(7)多媒体功能(8)通信或网络功能(9)自我诊断功能第２章检测系统的基本特性2.1.2检测系统的静态性能指标一、测量范围和量程1、测量范围：（xmin，xmax）xmin――检测系统所能测量到的最小被测输入量（下限）xmax――检测系统所能测量到的最大被测输入量（上限）。2、量程：minmaxxxL二、灵敏度SdxdyxySx)(lim0串接系统的总灵敏度为各组成环节灵敏度的连乘积321SSSS三、分辨力与分辨率1、分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量minx。2、分辨率：全量程中最大的minx即minmaxx与满量程L之比的百分数。四、精度（见第三章）五、线性度eLmax..100%LLFSey四、迟滞eH%100..maxSFHyHe回程误差――检测系统的输入量由小增大（正行程），继而自大减小（反行程）的测试过程中，对应于同一输入量，输出量的差值。ΔHmax――输出值在正反行程的最大差值即回程误差最大值。第３章误差分析与处理基3.1.1测量误差的概念及表达方式一、绝对误差――测量值与真值之差0xxxX――检测仪表指示或显示被测参量的数值即仪表读数或示值（测量值）X0――在一定时间、空间条件下客观存在的被测量的真实数值（真值），一般情况下，理论真值是未知的，在工程上，通常用高一级标准仪器的测量值来代替真值。二、相对误差（评定测量的精确度）1、实际相对误差%1000xxA2、示值相对误差%100xxx为了减小测量中的示值误差，当选择仪器、仪表量程时，应使被测量的数值接近满度值，一般使这类仪器、仪表工作在不小于满度值2／3以上的区域。三、引用误差1、引用误差――示值绝对误差Δx与仪表量程L之比值q%100Lxq2、最大引用误差maxq仪表量程内出现的最大绝对误差maxx与该仪器仪表量程L之比值，即%100maxmaxLxq仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差qmax不能超过其允许误差Q（以百分数表示）即QLxqmaxmax3、精度等级工业检测系统常以允许误差Q作为判断精度等级的尺度。规定：取允许误差百分数的分子作为精度等级的标志，也即用最大引用误差中去掉百分号（%）后的数字来表示精度等级，其符号是G，100100maxqQG精度等级为G的仪表在规定的条件下使用时，它的绝对误差的最大值的范围是LGx%max[例3-1-1]检定一个满度值为5A的1.5级电流表，若在2.0A刻度处的绝对误差最大，xmax＝+0.1A，问此电流表精度是否合格?解按式(3-1-6)求此电流表的最大引用误差%0.2%10051.0maxq2.0％＞1.5％即该表的基本误差超出1.5级表的允许值。所以该表的精度不合格。但该表最大引用误差小于2.5级表的允许值，若其它性能合格可降作2.5级表使用。[例３-1-2]测量一个约80V的电压，现有两块电压表：一块量程300V、0.5级，另一块量程l00V、1.0级。问选用哪一块为好?解如使用300V、0.5级表、按式(3-1-4)、(3-1-9)求出其示值相对误差为%88.1%10080%5.0300如使用100V、1.0级表，其示值相对误差为%25.1%10080%0.1100可见由于仪表量程的原因，选用1.0级表测量的精度可能比选用0.5级表为高。故选用100V、1.0级表为好。3.1.2测量误差的分类一、随机误差随机误差i是测量结果ix与在重复条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值A之差。即Axii、niinxnA11lim随机误差是测量值与数学期望之差，它表明了测量结果的分散性，经常用来表征测量精密度的高低。随差越小，精密度越高。二、系统误差在相同测量条件下，对同一被测量进行无限多次重复测量所得结果的平均值A与被测量的真值A0之差。即0AA系统误差表明了测量结果偏离真值或实际值的程度。系统误差越小，测量就越准确。所以，系统误差经常用来表征测量准确度的高低。三、粗大误差在相同的条件下，多次重复测量同一量时，明显地歪曲了测量结果的误差，称粗大误差，3.3系统误差的处理3.3.3系统误差的消除方法一、消除产生误差的根源二、对测量结果进行修正三、采用特殊测量法1、恒定系差消除法(1）零值法(2)替代法(3)交换法(4)补偿法（5）微差法（虚零法2、变值系差消除法3.4粗大误差的处理3.4.1粗大误差的判别3.4.2拉依达准则3.4.3格拉布斯准则第四章阻抗型传感器４.1电阻式传感器４.1.1电位器式传感器三、结构形式2．非接触式――光电电位器图4－1－2（c）4.1.2电阻式应变传感器和固态压阻式传感器一、电阻式应变传感器（一）电阻应变效应——应变使电阻变化（二）电阻应变片3、安装——粘贴在试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致）4、应变片灵敏系数――应变片电阻相对变化与粘贴处试件表面应变之比RRK/yyxxkkRRxxHk)1(xkx——试件表面纵向线应变y——试件表面横向线应变xk——纵向灵敏系数，yk——横向灵敏系数应变片灵敏系数小于应变电阻材料灵敏系数0)1(kkHkkxx5、温度误差的产生及危害1）温度误差产生原因①应变电阻随温度变化②试件材料与应变法的线膨胀系数不一致2）温度误差的危害――产生应变测量误差即“虚假视应变”温度变化产生的应变片电阻的相对变化可折算成的“虚假视应变”为二、固态压阻式传感器（一）半导体压阻效应——应力使半导体电阻率变化（二）固态电阻式传感器特点：在半导体硅材料基底上制成扩散电阻，作为测量传感元件，优点：无须粘贴，便于传感器的集成化缺点：易受温度影响。4.1.3热电阻和热敏电阻一、热电阻——金属电阻1．电阻——温度特性Rt（正温度特性）2．对热电阻材料的要求①温度特性的线性度好②温度系数大且稳定③电阻率④物理化学性能稳定二、热敏电阻——半导体电阻PTCPositivetemperaturecoefficientCTCcriticaltemperaturecoefficientNTCnegativetemperaturecoefficientNTC——常用于温度测量和温度补偿PTC、CTC——常用作开关元件3．NTC热敏电阻①电阻——温度特性结论：1°温度系数比热电阻大几十倍2°非线性比热电阻严重②伏安特性——图4-1-10应根据允许功能确定电流4.1.4气敏电阻一、工作原理半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化；1接触氧化性气体，电阻↑2接触还原性气体，电阻↓3浓度越大，电阻变化越大。用途：气体识别，浓度检测1．材料——SnO2应用最广2．组成气敏电阻体加热器4.1.6电阻传感器接口电路一、电桥电路2、电桥开路输出电压：恒压源供电时))((43214231434211ZZZZZZZZEZZZZZZEU恒流源供电时)(43214231ZZZZZZZZIU表4-1-1传感器电桥几种工作情况的对比传感器电桥的工作情况恒压源供电恒流源供电图4-1-15(a)TRRRZ1RZZZ432RRRRRREUTT211412ReRRRRRRIUTT411)(414ReR图4-1-15(b)TRRRZZ31RZZ42RRRRRREUTT211212ReRRRRRRIUTT211)(212ReR图4-1-15(c)TRRRZ1RRRREUT112RRRIUT2112TRRRZ2RZZ430e0e图4-1-15(d)TRRRZZ31TRRRZZ42RRRREUT110eRIU0eiiiRRZ（4,3,2,1i）当iiRR时444322114RRRRRRRREUU4443221121RRRRRRRRUUUe3、几点结论：1）由于温度引起的电阻变化是相同的，因此，如果电阻传感器接在电桥的相邻两臂，温度引起的电阻变化将相互抵消，其影响将减小或消除；2）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相同，则应将这两电阻传感器接在电桥的相对两臂，但是这只能提高电桥输出电压，并不能减小温度变化的影响和非线性误差。3）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相反，则应将这两电阻传感器接在电桥的相邻两臂，即构成差动电桥，这既能提高电桥输出电压，又能减小温度变化的影响和非线性误差。4）恒流源供电时单臂电桥和差动半桥的温度误差都比恒压源供电时小，恒流源供电时差动全桥在理论上无温度误差。4、应变电桥将四个电阻应变片接入图4－1－14(a)电路构成应变电桥。设这四个应变片的型号相同，粘贴处的应变分别为,,,,4321因应变电阻的变化iiRR，故应变电桥的输出电压近似为444322114RRRRRRRREUU将（4－1－19）式即)4,3,2,1(,ikRRiii代入上式得43214kEUU例题４－１采用上下两个如图４－１－１（b）所示的电位器式传感器，构成一个圆形电桥电路。随转动轴转动的绝缘连杆的两端装有电位器的滑臂且作为电压输出端。两电位器的连接端作为电桥电源端。设电位器的电阻为R，其圆弧长为L，圆弧半径为r，即绝缘连杆长2r。试导出电桥输出电压与转角的关系式。解：圆形电桥电路如图T－4－1所示。其等效电路如图4－1－15(c)所示，图T－4－1902)22(000000LrUURRURRRRRRUU测量范围为2/（二）有源电桥――电桥输出电压U0与传感器电阻相对变化RR成线性关系４.2电容式传感器4.2.1基本原理与结构类型二、结构类型：变极距、变面积、变介质4.2.2输入－输出特性一、变极距型1、单一式图4-2-1（a）初始时00/dsc动极板上移d000001)1(ddcdddsddsc2、差动式图4-2-1（b）)1/(01dsdcc)1/(002ddcc02121ddcccc二、变面积型1．线位移式：①单一式图4-2-2（a）