1、第一章：传感器与检测技术基础第一章：传感器与检测技术基础传感器基础知识传感器基础知识一、传感器的概述一、传感器的概述传感器基础知识传感器基础知识转换元件是指传感器转换元件是指传感器中能将敏感元件感受中能将敏感元件感受或响应的被测量转换或响应的被测量转换成适合于传输或测量成适合于传输或测量的电信号部分。的电信号部分。敏感元件是指传感敏感元件是指传感器中能直接感受或器中能直接感受或响应被测量的部分响应被测量的部分 传感器输出信号一传感器输出信号一般都很微弱，因此般都很微弱，因此传感器输出的信号传感器输出的信号一般需要进行信号一般需要进行信号调理与转换、放大、调理与转换、放大、运算与调制之后才运算与
2、调制之后才能进行显示和参与能进行显示和参与控制控制 传感器的组成按其定义一般由敏感元件、转换元件、信号调理传感器的组成按其定义一般由敏感元件、转换元件、信号调理转换电路三部分组成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有时还需外加辅助电源提供转换能量 传感器基础知识传感器基础知识 传感器基础知识传感器基础知识 传感器基础知识传感器基础知识(1)线性度（详见第二章）线性度（详见第二章）：指传感器输出量与输入量之间的：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差
3、值际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值max与满量程输出值与满量程输出值YFS之比。线性度也称为非线性误差，用表示为之比。线性度也称为非线性误差，用表示为maxFS100%Y 传感器基础知识传感器基础知识(2)灵敏度灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示表示灵敏度，即灵敏度，即它表示单位输入量的变化所它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度显然，灵敏度S值越大，表示值越大，表示传感器越灵
4、敏，如图传感器越灵敏，如图 传感器基础知识传感器基础知识（3）迟滞迟滞：传感器在输入量由小到大：传感器在输入量由小到大(正行程正行程)及输入量由大到及输入量由大到小小(反行程反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程滞，也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。maxHFS100%HY产生迟滞现象的主要原因是由于传感器产生迟滞现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件敏感元件材料
5、的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。隙、紧固件松动等。迟滞误差又称为回差或变差。迟滞误差又称为回差或变差。传感器的迟滞特性传感器的迟滞特性 传感器基础知识传感器基础知识(4)重复性重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度，如图程度，如图1.4所示。重复性误差属于随机误差，常所示。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反
6、行程中最大重复差值用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算，即计算，即maxRFS100%RY RFS(2 3)100%Y xy0Rmax2Rmax1传感器基础知识传感器基础知识(5)漂移漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等如温度、湿度等)。最常。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，见的
7、漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为一般为20)时的输时的输出值的变化量与温度变化量之比出值的变化量与温度变化量之比()来表示，即来表示，即20tyyt式中式中 t工作环境温度工作环境温度t与偏离标准环与偏离标准环境温度境温度t20之差，即之差，即t=tt20；yt传感器在环境温度传感器在环境温度t时的输出；时的输出；y20传感器在环境温度传感器在环境温度t20时的输出。时的输出
8、。传感器基础知识传感器基础知识（6）稳定性测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。传感器基础知识传感器基础知识2111niiyn (7)(7)静态误差静态误差取2 和3 值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即%100/3FSy静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对
9、应值的残差,看成是随机分布,求出其标准偏差,即静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。理论值的偏离程度。yi各测试点的残差；n一测试点数。2222SRLH传感器基础知识传感器基础知识与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)（8）精确度（详见第二章，在这里只了解精确度属于静态指标）准确度准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某某流量传感器的准确度为流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出，表示该传感器的输出值与真值偏离值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系
10、统误差大小的标志，。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度高。精密度精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随精密度是随机误差大小的标志，精密度高
11、，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。传感器基础知识传感器基础知识精确度精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。（a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。传感器基础知识传感器基础知识2)反映传感器动态特性的性能指标反映传感器动态特性的性能指标动态特性动态特性是指检测系统的输入为随时间变化是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。的信号时，系统的输出与输入之间的
12、关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。应性能指标和频域频率特性性能指标。传感器基础知识传感器基础知识单位阶跃响应性能指标：单位阶跃响应性能指标：如图所示为如图所示为衰减振荡的二阶传感衰减振荡的二阶传感器器输出的单位阶跃响应曲线。输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的性能指标主要有单位阶跃响应的性能指标主要有最大超调量最大超调量 响应曲线偏离单位阶跃曲线的最大值；响应曲线偏离单位阶跃曲线的最大值；上升时间上升时间tr 响应曲线从稳态值的响应曲线从稳态值的10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%所需的时间；所需的时间；延
13、迟时间延迟时间td 响应曲线上升到稳态值的响应曲线上升到稳态值的50%所需的时间；所需的时间；调节时间调节时间ts 响应曲线进入并且不再超出误差带所需要的最短时间。误差响应曲线进入并且不再超出误差带所需要的最短时间。误差 带带 通常规定为稳态值的或；通常规定为稳态值的或；稳态误差稳态误差ess 系统响应曲线的稳态值与希望值之差。系统响应曲线的稳态值与希望值之差。0101欠阻尼传感器基础知识传感器基础知识单位阶跃响应性能指标：单位阶跃响应性能指标：如图所示为一阶传感如图所示为一阶传感器输出的单位阶跃响器输出的单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应曲线。单位阶跃响应的性能指标主要有：应的性能指标主要有：时
14、间常数时间常数一阶传感器输出上升到稳态值的一阶传感器输出上升到稳态值的63.2%所需的时间；所需的时间；延迟时间延迟时间td传感器输出达到稳态值的传感器输出达到稳态值的50%所所需的时间；需的时间；上升时间上升时间tr传感器输出达到稳态值的传感器输出达到稳态值的90%所所需的时间。需的时间。最大超调量反映传感器响应的平稳性最大超调量反映传感器响应的平稳性(即即稳定性）；上升时间、延迟时间、调节时稳定性）；上升时间、延迟时间、调节时间等反映传感器响应的快速性；稳态误差间等反映传感器响应的快速性；稳态误差反映传感器响应的稳态精确度。反映传感器响应的稳态精确度。另外，反映传感器频率响应的频域性能指另
15、外，反映传感器频率响应的频域性能指标主要有通频带标主要有通频带(或频带或频带)，上、下限截止，上、下限截止频率度及固有频率等。频率度及固有频率等。1过阻尼传感器基础知识传感器基础知识二提高传感器性能的技术途径二提高传感器性能的技术途径 1、采用线性化技术、采用线性化技术传感器一般有非线性，放大器是线性的。加入非线性补偿传感器一般有非线性，放大器是线性的。加入非线性补偿环节，使仪表的输出与输入间为线性关系。环节，使仪表的输出与输入间为线性关系。传感器基础知识传感器基础知识2、采用闭环技术、采用闭环技术111k kkyxxk开环控制系统不能检测误差，也不能校正开环控制系统不能检测误差，也不能校正误
16、差。控制精度和抑制干扰的性能都比较误差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。合闭差，而且对系统参数的变动很敏感。合闭环控制系统不管出于什么原因（外部扰动环控制系统不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，差。控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。因此，一而且对系统参数的变动很敏感。因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一
17、些场合。或精度要求不高的一些场合。传感器基础知识传感器基础知识3、采用差动技术、采用差动技术差动放大电路：抑制温漂传感器基础知识传感器基础知识4、采用补偿和校正技术、采用补偿和校正技术234xRRRR一是并联补偿RS；二是旁路补偿R1传感器基础知识传感器基础知识三传感器中的弹性敏感元件三传感器中的弹性敏感元件(了解了解)物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件
18、。形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。传感器中把用来直接感受被测量为力、力矩或传感器中把用来直接感受被测量为力、力矩或压力，并且输出与力、力矩或压力成相应确定压力，并且输出与力、力矩或压力成相应确定关系的应变或位移的元件称为弹性敏感元件。关系的应变或位移的元件称为弹性敏感元件。传感器基础知识传感器基础知识0dlimdxFFCxx刚度是弹性元件受外力刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度作用下变形大小的量度传感器基础知识传感器基础知识波登管压力表动圈式显示仪表 Y-50/60/100/150波登管压力表波登管压力表 波登管压力表适用测量无爆炸，不结晶，不凝固，对铜和铜合金无腐蚀作用的液体、
19、气体或蒸汽的压力。传感器基础知识传感器基础知识四四 传感器的标定和校准传感器的标定和校准 标定标定是利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面是利用某种标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度。的技术检定和标度。(包括刻度、量程、精度、测量不确包括刻度、量程、精度、测量不确定度等定度等)校准校准是指对传感器在使用中和储存后进行的性能再次测试。是指对传感器在使用中和储存后进行的性能再次测试。标定的基本方法是利用标准仪器产生已知的非电量并输入到标定的基本方法是利用标准仪器产生已知的非电量并输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准待标定的传感器中，然后将传感器的输出
20、量与输入的标准量进行比较从而得到一系列标准数据或者曲线。实际应用量进行比较从而得到一系列标准数据或者曲线。实际应用中输入的标准量可以用标准传感器检测得到，中输入的标准量可以用标准传感器检测得到，即将待标定即将待标定的传感器与标准传感器进行比较。的传感器与标准传感器进行比较。传感器的标定是通过实验建立传感器输入量与输出量之间的传感器的标定是通过实验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。传感器基础知识传感器基础知识静态标定静态标定静态标定是指在输入信号不随时间变化的静态标准条静态标定是指在输入信号不随时间变化的静态标准
21、条件下，对传感器的静态特性的检定。件下，对传感器的静态特性的检定。静态标定的目的是确定传感器的静态特性指标，如线静态标定的目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。性度、灵敏度、滞后和重复性等。动态标定动态标定动态标定主要是研究传感器的动态响应。常用的标准激励信动态标定主要是研究传感器的动态响应。常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。号源是正弦信号和阶跃信号。动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。时间常数、固有频率和阻尼比等。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比
22、被标定的传标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度感器的精度高一个等级高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。传感器基础知识传感器基础知识标定过程步骤标定过程步骤(1)将传感器全量程将传感器全量程(测量范围测量范围)分成若干等间距点。分成若干等间距点。(2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值。量值，并记录下与各输入值相对应的输出值。(3)
23、将输入值由大到小一点一点的减小，同时记录下与各输入值相将输入值由大到小一点一点的减小，同时记录下与各输入值相对应的输出值；对应的输出值；(4)按按(2)、(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出与输入测试数据用表格列出或画成曲线。测试，将得到的输出与输入测试数据用表格列出或画成曲线。(5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。传感器基础知识传感器基础知识五传感器选
24、用原则五传感器选用原则 通常，选用传感器应从以下几个方面考虑。通常，选用传感器应从以下几个方面考虑。(1)测试条件：主要包括测量目的、被测试物理量特性、测试条件：主要包括测量目的、被测试物理量特性、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。测量所需时间要求等。(2)传感器性能：主要包括精度、稳定性、响应速度、输传感器性能：主要包括精度、稳定性、响应速度、输出量出量(模拟量还是数字量模拟量还是数字量)、对被测物体产生的负载效应、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。校正周期、输入端保护等。(3)使用条件：主
25、要包括设置场地的环境条件使用条件：主要包括设置场地的环境条件(温度、湿度、温度、湿度、振动等振动等)、测量时间、所需功率容量、与其他设备的连接、测量时间、所需功率容量、与其他设备的连接、备件与维修服务等。备件与维修服务等。传感器基础知识传感器基础知识具体来讲，可以从以下几个方面考虑。具体来讲，可以从以下几个方面考虑。要进行一次具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要进行一次具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，究竟哪
26、一种原理的传感器更为合适，则有多种原理的传感器可供选用，究竟哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的
27、传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型根据测量对象与测量环境确定传感器的类型比如温度计的选择：海关，红外温度计；诊所：体温计；高炉：热电偶电子设备：DS18B20；传感器基础知识传感器基础知识2灵敏度的选择灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度
28、高，与被测量无关的外界噪声号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身也容易混入，也会被系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好则要求传
29、感器的交叉灵敏度越小越好3频率响应特性频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因此频率低的传感器可测信号的频率较低。影响，机械系统的惯性较大，因此频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，
30、应根据信号的特点在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产响应特性，以免产生过大的误差。生过大的误差。传感器基础知识传感器基础知识4线性范围线性范围传感器的线性范围是指输出与输入成直线关系的范围。从理论上讲，在传感器的线性范围是指输出与输入成直线关系的范围。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。后首先
31、要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作是线性的，这会给测量带来极大的方便。传感器近似看作是线性的，这会给测量带来极大的方便。5稳定性稳定性要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环在选择传感器之前，应对其使用环
32、境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。传感器基础知识传感器基础知识6精度精度
33、精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵。因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就贵。因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量的目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，如果测量的目的是定性分析的，选用重复精度
34、高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。为了提高测量精度，平时正常显示值要在满刻度的为了提高测量精度，平时正常显示值要在满刻度的50%左右来左右来选定测量范围选定测量范围(或刻度范围或刻度范围)。总之，应从传感器的基本工作原。总之，应从传感器的基本工作原理出发，注意被测对象可能产生的负载效应，所选择的传感器，理出发，注意被测对象可能产生的负载效应，所选择的传感器，应既能适应被测物理量，又能满足量程、测量结果的精度
35、要求，应既能适应被测物理量，又能满足量程、测量结果的精度要求，同时还要具有可靠性高、通用性强，有尽可能高的静态性能和同时还要具有可靠性高、通用性强，有尽可能高的静态性能和动态性能以及较强的适应环境的能力而又具有较高的性价比和动态性能以及较强的适应环境的能力而又具有较高的性价比和良好的经济性。良好的经济性。检测的基本概念检测的基本概念 一测量、计量、测试与检测一测量、计量、测试与检测 测量、计量，测试、检测是测量、计量，测试、检测是4个密切相关的技术术语。个密切相关的技术术语。测量是以确定被测对象的量值为目的的全部操作。测量是以确定被测对象的量值为目的的全部操作。测试是具有实验性质的测量，或者可
36、以理解为测量和实验的综合。测试是具有实验性质的测量，或者可以理解为测量和实验的综合。计量是实现测量单位统一和量值准确可靠。唯有计量部门从事的测量才计量是实现测量单位统一和量值准确可靠。唯有计量部门从事的测量才被称作被称作计量计量。检测检测(Detection)就是对系统中各被测对象的信息进行提取、转换以及处就是对系统中各被测对象的信息进行提取、转换以及处理，即利用各种物理效应，将物质世界的有关信息通过检查与测量的方理，即利用各种物理效应，将物质世界的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程
37、的技术称为自动检测与转换技术。术称为自动检测与转换技术。检测的基本概念检测的基本概念 二二 检测技术的任务检测技术的任务检测技术是以研究检测与控制系统中信息的提检测技术是以研究检测与控制系统中信息的提取、转换以及处理的理论和技术为主要内容的取、转换以及处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术科学。一门应用技术科学。检测技术的任务是以测量系统的输出来评价被检测技术的任务是以测量系统的输出来评价被测物理量测物理量(测量系统的输入量测量系统的输入量)，也就是在工程实，也就是在工程实践和科学实验中要正确及时地掌握各种信息，践和科学实验中要正确及时地掌握各种信息，即获取被测对象信息即获取被测对象信息(被
38、测量被测量)的大小。所以信息的大小。所以信息采集的主要含义就是测量和取得测量数据。采集的主要含义就是测量和取得测量数据。检测的基本概念检测的基本概念 三、检测的分类 1电量与非电量检测技术电量与非电量检测技术 2.检测原理的分类检测原理的分类物理原理：检测仪器物理原理：检测仪器(或设备或设备)按一定的物理规律或效应对被测按一定的物理规律或效应对被测量进行检测，如按电阻、电容、电感等变化规律进行检测，按量进行检测，如按电阻、电容、电感等变化规律进行检测，按电磁感应原理、电磁力定律、涡流原理等进行检测。电磁感应原理、电磁力定律、涡流原理等进行检测。化学原理：检测仪器化学原理：检测仪器(或设备或设备
39、)按一定的化学规律或效应对被测按一定的化学规律或效应对被测量进行检测，如化学反应原理、摩尔原理等。量进行检测，如化学反应原理、摩尔原理等。光学原理：检测仪器光学原理：检测仪器(或设备或设备)按一定的光学规律或效应对被测按一定的光学规律或效应对被测量进行检测，如光电效应等。量进行检测，如光电效应等。生物原理：检测仪器生物原理：检测仪器(或设备或设备)按一定的生物规律对被测量进行按一定的生物规律对被测量进行检测，如生物免疫原理、酶的催化反应原理等。检测，如生物免疫原理、酶的催化反应原理等。检测的基本概念检测的基本概念 3检测方法的分类检测方法的分类检测方法是指在实施测试中所涉及的理论运算和实际操作
40、方法。检测方法是指在实施测试中所涉及的理论运算和实际操作方法。检测方法可按多种原则分类，如：检测方法可按多种原则分类，如：按是否直接测定被测量的原则分类，可分为直接测量法和间按是否直接测定被测量的原则分类，可分为直接测量法和间接测量法。接测量法。按测量时是否与被测对象接触的原则，可分为接触式测量和按测量时是否与被测对象接触的原则，可分为接触式测量和非接触式测量。非接触式测量。按被测量是否随时间变化的原则，可分为静态测量和动态测按被测量是否随时间变化的原则，可分为静态测量和动态测量。量。按被测量的性质可分为时域测量、频域测量、数据域测量和按被测量的性质可分为时域测量、频域测量、数据域测量和随机测
41、量。随机测量。检测的基本概念检测的基本概念 4检测对象的分类检测对象的分类按检测对象是否随时间变化分为静态检测对象和时变检测对按检测对象是否随时间变化分为静态检测对象和时变检测对象象。按动态检测对象随时间变化的快慢，又可分为快速变化的检按动态检测对象随时间变化的快慢，又可分为快速变化的检测对象和缓慢变化的检测对象。测对象和缓慢变化的检测对象。按动态检测对象随时间变化的规律可分为周期变化对象和随按动态检测对象随时间变化的规律可分为周期变化对象和随机变化对象。机变化对象。按检测对象是否为电量可分为电量检测对象和非电量检测对按检测对象是否为电量可分为电量检测对象和非电量检测对象。象。检测的基本概念检
42、测的基本概念 四四 检测系统的组成检测系统的组成一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量电路、显示记一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置和电源等几部分组成。录装置或调节执行装置和电源等几部分组成。被 测 对 象 传 感 器、变 送 器 测 量 电 路 电 源 被 测 量 记 录 仪 表 指 示 仪 表 数 据 处 理 开环自动检测系统的方框开环自动检测系统的方框图图 传感器是感受被测量传感器是感受被测量(物理量、化学量、生物量物理量、化学量、生物量等等)的大小，并输出相对应的可用输出信号的大小，并输出相对应的可用输出信号(一般一般多为电量多为电量)的器件或装
43、置。的器件或装置。变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号，大多数变送器的输出信号是统一处理的信号，大多数变送器的输出信号是统一的标准信号的标准信号(目前多为目前多为4mA20mA直流电流直流电流)。信号标准是系统各环节之间的通信协议。信号标准是系统各环节之间的通信协议。测量电路将传感器输出的信号进行测量电路将传感器输出的信号进行处理和变换。如对信号进行放大、处理和变换。如对信号进行放大、运算、线性化、运算、线性化、(模数模数A/D)或或(数模数模D/A)转换等，使其输出信号便于显转换等，使其输出信号便于显示、记录。示、记录。闭环自动检测系统1
44、11k kkyxxk显然，这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定，放大器显然，这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定，放大器等环节特性的变化不会造成检测误差，或者说造成的误差很小。等环节特性的变化不会造成检测误差，或者说造成的误差很小。本 章 小 结(1)传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成传感器是指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。一般处于研究对象或检测控可用输出信号的器件或装置。一般处于研究对象或检测控制系统的最前端，是感知、获取与检测信息的窗口。由敏制系统的最前端，是感知、获取与检测信息的窗口。由敏感元件、转换元件、信号调理电
45、路三部分组成。感元件、转换元件、信号调理电路三部分组成。(2)传感器的静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的传感器的静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。(3)传感器中的弹性敏感元件是指具有弹性变形特性的物体。传感器中的弹性敏感元件是指具有弹性变形特性的物体。弹性敏感元件的基本特性有刚度、灵敏度、弹性滞后、固弹性敏感元件的基本特性有刚度、灵敏度、弹性滞后、固有振荡频率等。有振荡频率等。v(4)检测检测(Detecti
46、on)就是对系统中各被测对象的就是对系统中各被测对象的信息进行提取、转换以及处理，即利用各种物理信息进行提取、转换以及处理，即利用各种物理效应，将物质世界的有关信息通过检查与测量的效应，将物质世界的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过方法赋予定性或定量结果的过 程。检测技术是以程。检测技术是以研究检测与控制系统中信息的提取、转换以及处研究检测与控制系统中信息的提取、转换以及处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术科学理的理论和技术为主要内容的一门应用技术科学。v(5)一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量一个完整的检测控制系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置和电源等几电路、显示记录装置或调节执行装置和电源等几部分组成。检测系统按信号在系统中的传递情况部分组成。检测系统按信号在系统中的传递情况可以分为开环检测系统和闭环检测系统。可以分为开环检测系统和闭环检测系统。v(6)检测的方法有多种，在实际应用中应该从被测检测的方法有多种，在实际应用中应该从被测量本身的特点、检测所要求的精确度、灵敏度、量本身的特点、检测所要求的精确度、灵敏度、检测环境等多方面因素综合考虑。检测环境等多方面因素综合考虑。本 章 小 结
