1、1 第三章第三章 过程检测技术过程检测技术 3.1 3.1 测量与误差的基本知识测量与误差的基本知识 3.1.1 3.1.1 测量的基本概念测量的基本概念 1.1.测量：人类对自然界的客观事物取得测量：人类对自然界的客观事物取得“数量概念数量概念”的的认识过程。认识过程。2.2.测量过程：使用专门设备，求出被测未知量的数值。测量过程：使用专门设备，求出被测未知量的数值。3.3.应用领域：生产过程、科学实验与日常生活应用领域：生产过程、科学实验与日常生活 4.4.测量目的：准确获取被测对象特征参数的定量信息。测量目的：准确获取被测对象特征参数的定量信息。5.5.测量技术反映了一个国家的经济发展和
2、科学技术水平测量技术反映了一个国家的经济发展和科学技术水平2 6.6.测量的定义：测量的定义：借助仪器设备，把被检测量与相应单位进行借助仪器设备，把被检测量与相应单位进行比较，求取二者之比值，得到被检测量数值大小比较，求取二者之比值，得到被检测量数值大小的过程。的过程。用数学形式描述测量的基本方程式为用数学形式描述测量的基本方程式为:00/xXu式中式中:-:-被检测量的真实数值，简称为真值；被检测量的真实数值，简称为真值；-被检测量；被检测量；u-u-单位。单位。0X0 x3测量过程三要素：测量过程三要素：测量单位测量单位;测量方法测量方法;测量仪器与设备。测量仪器与设备。3.1.1.23.
3、1.1.2测量方法：测量方法：1 1测量方法的分类测量方法的分类 (1)(1)直接测量法：直接测量法：用用“被检测量被检测量”与单位进行直接比较得到比值；与单位进行直接比较得到比值；能在仪表上直接读出的能在仪表上直接读出的“被检测量被检测量”的数值。的数值。4（2 2）间接测量法）间接测量法 在测量中，被检测量不能与标准量直接进行比较，在测量中，被检测量不能与标准量直接进行比较，只能通过对与被检测量有函数关系的其他物理量进行只能通过对与被检测量有函数关系的其他物理量进行测量，再通过计算得到被测量的值。测量，再通过计算得到被测量的值。例：测量水泵的轴功率例：测量水泵的轴功率N N，是通过可以进行
4、直接测量的转，是通过可以进行直接测量的转矩矩M M和转速和转速n n，然后经过计算得到轴功率，然后经过计算得到轴功率N N。9554MnNKW5(3)(3)等精度测量和不等精度测量等精度测量和不等精度测量 等精度测量法：等精度测量法：在环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法均保持不变情在环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法均保持不变情况下，对同一组被检测量进行次数相同的重复测量。况下，对同一组被检测量进行次数相同的重复测量。利用等精度测量法所得到的每个参数的测量数据，其可靠程利用等精度测量法所得到的每个参数的测量数据，其可靠程度是相同的。度是相同的。不等精度测量法：不等精度测量法：在测量过程
5、中，测量环境条件不相同，如测量仪器精度、重在测量过程中，测量环境条件不相同，如测量仪器精度、重复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度有变化，所得到的测复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度有变化，所得到的测量结果的可靠程度不同，称不等精度测量法量结果的可靠程度不同，称不等精度测量法6等精度测量与不等精度测量的适用场合：等精度测量与不等精度测量的适用场合：在进行科学研究或重要的检定工作时，在众多的被检测量中，为了获在进行科学研究或重要的检定工作时，在众多的被检测量中，为了获得其中某几个参数更可靠和精度更高的测量结果才采用不等精度测量法。得其中某几个参数更可靠和精度更高的测量结果才采用不等精度测量
6、法。通常工程技术中，采用的是等精度测量法。通常工程技术中，采用的是等精度测量法。(4)(4)接触测量与非接触测量接触测量与非接触测量 接触测量法：测量时仪表的某一部分接触测量法：测量时仪表的某一部分(一般为传感器部分一般为传感器部分)必须必须接触被测对象接触被测对象(被测介质被测介质)。非接触测量法：仪表的任何部分均不与被测对象接触。非接触测量法：仪表的任何部分均不与被测对象接触。7(5)(5)静态测量与动态测量静态测量与动态测量 被测参数不随时间变化或随时间变化非常缓慢，称静态被测参数不随时间变化或随时间变化非常缓慢，称静态测量。测量。被测参数随时间变化，称为动态测量。被测参数随时间变化，称
7、为动态测量。动态测量的分析与处理静态测量复杂得多，对测量系统的要动态测量的分析与处理静态测量复杂得多，对测量系统的要求也高得多。求也高得多。83.1.1.33.1.1.3测量仪器与设备测量仪器与设备 测量仪器仪表的组成：测量仪器仪表的组成：传感器、变换器、显示器以及连接各环节的传输通道。传感器、变换器、显示器以及连接各环节的传输通道。9 1.1.传感器：感受被检测量的变化，信息，并将被检测量转换成相应的电传感器：感受被检测量的变化，信息，并将被检测量转换成相应的电信号输出。信号输出。传感器是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分。传感器的好坏，传感器是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分。传感器
8、的好坏，直接影响检测仪表的质量。所以它是检测仪表的重要部件。直接影响检测仪表的质量。所以它是检测仪表的重要部件。对传感器的要求：对传感器的要求：（1 1）准确性）准确性:传感器的输出信号必须准确地反映被检测量的变传感器的输出信号必须准确地反映被检测量的变化，即：化，即：传感器输入输出关系必须是严格的单值函数关系，最好为线传感器输入输出关系必须是严格的单值函数关系，最好为线性关系性关系。10 （2 2）稳定性）稳定性 传感器输入、输出的单值函数关系应不随时间和温度的变化而传感器输入、输出的单值函数关系应不随时间和温度的变化而变化；变化；受外界干扰因素影响应很小；受外界干扰因素影响应很小；工艺上应
9、能准确地复现。工艺上应能准确地复现。（3 3）灵敏性）灵敏性 要求有较小的输入量便可得到较大的输出信号。要求有较小的输入量便可得到较大的输出信号。传感器的别名：传感器的别名：敏感元件、一次仪表敏感元件、一次仪表。112.2.中间变换器中间变换器(变送器变送器)功能及作用功能及作用:将传感器输出的信号进行放大、线性化处理、远距离传送并将传感器输出的信号进行放大、线性化处理、远距离传送并转变成规定的统一信号等。转变成规定的统一信号等。要求要求:准确稳定地传输、放大和转换信号，受外界干扰因素准确稳定地传输、放大和转换信号，受外界干扰因素的影响小，变换信号的误差小。的影响小，变换信号的误差小。3.3.
10、显示件显示件(显示器显示器)作用：显示被检测量的数值，可以显示瞬时量、累积量、越限作用：显示被检测量的数值，可以显示瞬时量、累积量、越限报警等。报警等。类型：指针式类型：指针式(模拟式显示模拟式显示)；数字式；屏幕式；数字式；屏幕式(图像显示式图像显示式)。显示仪表常被称为二次仪表显示仪表常被称为二次仪表。123.1.2 3.1.2 误差误差一一.误差基础误差基础 测量误差：测量结果与被检测量真值之间的差异，称为测量误测量误差：测量结果与被检测量真值之间的差异，称为测量误差。差。只有在得到测量结果的同时，指出测量误差的范围，所得的测只有在得到测量结果的同时，指出测量误差的范围，所得的测量结果才
11、有意义。量结果才有意义。1 1测量误差及分类测量误差及分类根据测量误差的性质，误差分为：根据测量误差的性质，误差分为：系统误差系统误差随机误差随机误差粗大误差粗大误差误差误差13（1 1）系统误差）系统误差 在相同条件下，多次测量同一被检测量的过程中，误差的绝对在相同条件下，多次测量同一被检测量的过程中，误差的绝对值和符号恒定不变，或按某一规律变化。值和符号恒定不变，或按某一规律变化。产生原因：产生原因：a.a.测量工具不准确或安装调整不正确；测量工具不准确或安装调整不正确；b.b.测试人员的分辨能力差或读数习惯有误；测试人员的分辨能力差或读数习惯有误；c.c.测量方法有缺陷。测量方法有缺陷。
12、（2 2）随机误差）随机误差 在相同条件下多次测量同一被检测量的过程中，出现不可预计的在相同条件下多次测量同一被检测量的过程中，出现不可预计的误差。误差。产生原因：大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响。产生原因：大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响。例如，气温和电源电压的微小波动，气流的微小改变，电磁场微例如，气温和电源电压的微小波动，气流的微小改变，电磁场微变、大地微震等。变、大地微震等。14 单次测量的随机误差的大小和方向都不确定，在多次测量中随单次测量的随机误差的大小和方向都不确定，在多次测量中随机误差服从统计规律。机误差服从统计规律。可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。
13、可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。（3 3）粗大误差：）粗大误差：明显地歪曲测量结果的误差。明显地歪曲测量结果的误差。产生原因：产生原因：操作者的粗心操作者的粗心(如读错、记错、算错数据等如读错、记错、算错数据等)、不正确地操作、不正确地操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到要求而匆忙实验等原因所造实验条件的突变或实验状况尚未达到要求而匆忙实验等原因所造成的。成的。15 异常数据的判别与剔除方法异常数据的判别与剔除方法-采用采用物理判别法物理判别法和和统计统计判别法判别法 物理判别法物理判别法:根据人们对客观事物已有的认识，判别根据人们对客观事物已有的认识，判别由于外界干扰、人为误差
14、等原因造成实测数据偏离正常由于外界干扰、人为误差等原因造成实测数据偏离正常结果，在实验过程中随时判断，随时剔除。结果，在实验过程中随时判断，随时剔除。统计判别法统计判别法:给定一个置信概率，并确定一个置信限，给定一个置信概率，并确定一个置信限，凡超过此限的误差，就认为它不属于随机误差范围，将凡超过此限的误差，就认为它不属于随机误差范围，将其视为异常数据剔除。其视为异常数据剔除。16(1)(1)拉依达准则拉依达准则如果实验数据的总体如果实验数据的总体x x是服从正态分布的，则是服从正态分布的，则式中，式中，与与分别表示正态总体的数学期望和标准差。分别表示正态总体的数学期望和标准差。在实验数据中出
15、现大于在实验数据中出现大于33或小于或小于33数据的概数据的概率是很小的率是很小的 对于大于对于大于33或小于或小于33的实验的实验数据作为异常数据，予以剔除。数据作为异常数据，予以剔除。(|3)0.003P x17具体计算方法如下：具体计算方法如下：对于实验数据对于实验数据x x1 1,x,x2 2,x,x3 3,，x xn n，先计算其均值，先计算其均值 再用贝塞尔公式计算再用贝塞尔公式计算:11niixxn221111lim()lim11nniinniixxvnn如果某个测量值如果某个测量值 的残差满足的残差满足则应剔除该测量值则应剔除该测量值,其他值应重新计算剔除后的标准误差其他值应重
16、新计算剔除后的标准误差,再按准则判断再按准则判断,直至无坏值存在直至无坏值存在.不足不足:建立在无限次测量基础上建立在无限次测量基础上,只能用作粗大误差的近似只能用作粗大误差的近似判断判断3kkVxx18(2)(2)肖维奈准则肖维奈准则:在有限次的等精度测量数据中在有限次的等精度测量数据中,如果某一如果某一测量值剩余误差满足测量值剩余误差满足:bbcVxxk则应剔除该测量值则应剔除该测量值(3)(3)格拉布斯准则格拉布斯准则:根据正态分布理论提出的根据正态分布理论提出的,考虑到测考虑到测量次数及粗大误差误判概率量次数及粗大误差误判概率.凡剩余误差大于格拉布斯鉴凡剩余误差大于格拉布斯鉴别值的误差
17、属于粗大误差别值的误差属于粗大误差,相应的测量值应予剔除相应的测量值应予剔除.g(n,a)g(n,a)为格拉布斯准则判别系数为格拉布斯准则判别系数,与测量次数及粗大误与测量次数及粗大误差误判概率有关差误判概率有关.教材教材P64P64页页 表表3-23-2格拉布斯准则判别系数表格拉布斯准则判别系数表(,)bbVxxg n a193.1.33.1.3仪器仪表的主要性能指标仪器仪表的主要性能指标 仪表的性能指标是评价仪表性能差异、质量优劣的仪表的性能指标是评价仪表性能差异、质量优劣的主要依据。主要依据。仪表的性能指标包括：仪表的性能指标包括：技术指标；技术指标；经济指标；经济指标；使用指标。使用指
18、标。20 仪表技术指标包括：仪表技术指标包括：仪表误差；仪表误差；精度等级；精度等级；灵敏度；灵敏度；量程；量程；响应时间；响应时间；漂移等。漂移等。仪表经济的指标包括：仪表经济的指标包括：使用寿命；使用寿命；功耗；功耗；价格。价格。仪表使用的指标包括：仪表使用的指标包括：操作维修是否方便；操作维修是否方便；运行的可靠与安全；运行的可靠与安全；抗干扰与防护能力；抗干扰与防护能力；重量和体积重量和体积 ；自动化程度的高低。自动化程度的高低。21 1 1量程与精度量程与精度 （1 1）量程）量程 测量范围：仪表在规定精确度下，所测量的区域。测量范围：仪表在规定精确度下，所测量的区域。仪表量程：仪表
19、测量范围的上限与下限的代数差。仪表量程：仪表测量范围的上限与下限的代数差。上限上限-仪表测量的最高值或称满量程值；仪表测量的最高值或称满量程值；下限下限-仪表测量的最低值或称零位。仪表测量的最低值或称零位。3.1.1.33.1.1.3量程与精度量程与精度例例1 1：温度计的测量范围：温度计的测量范围：-200-200800800，仪表的测量上限：仪表的测量上限：800800；测量下限：测量下限：-200-200；仪表量程：仪表量程：10001000。例例2 2：温度计的测量范围：温度计的测量范围：0 0800800，仪表的测量上限：仪表的测量上限：800800；测量下限：测量下限：00；仪表量
20、程：仪表量程：800800。22（2 2）精度等级）精度等级 基本误差的最大允许值，称仪表的基本误差限基本误差的最大允许值，称仪表的基本误差限,仪表测量范围内各处指示值的误差不应超过此限值。仪表测量范围内各处指示值的误差不应超过此限值。仪表的基本误差限是定量地描述仪表精确度的仪表的基本误差限是定量地描述仪表精确度的重要指标，用重要指标，用“引用误差引用误差”表示。表示。1 0 0%qdS 引用误差：仪表的绝对误差与仪表的量程之比，引用误差：仪表的绝对误差与仪表的量程之比，用百分数表示。用百分数表示。式中：式中：q-q-用引用误差表示的基本误差限；用引用误差表示的基本误差限；-用绝对误差表示的基
21、本误差；用绝对误差表示的基本误差；S-S-仪表的满量程；仪表的满量程；d-d-常数常数23工业自动化仪表精度等级的划分：工业自动化仪表精度等级的划分：仪表的精确度等级只能从下列数据中选取最接近的仪表的精确度等级只能从下列数据中选取最接近的合适数值作为精确度等级：合适数值作为精确度等级：0.10.1，0.20.2，0.50.5，1.01.0，1.51.5，(2)(2)，2.52.5，5.05.0级。级。工业生产过程中常用仪表等级为：工业生产过程中常用仪表等级为：1.01.05.05.0级。级。例：一毫伏表量程为例：一毫伏表量程为1V1V，精度为，精度为5.05.0级。级。100%5.0qS 1
22、5.0%50mV 无论毫伏表的指针在何处，最大的绝对误差不会超过无论毫伏表的指针在何处，最大的绝对误差不会超过50mV50mV。但各点的相对误差是不同的。但各点的相对误差是不同的。24 利用仪表的引用误差描述仪表的测量精度，并确利用仪表的引用误差描述仪表的测量精度，并确定仪表精度等级。定仪表精度等级。引用误差是一种简化的、实用方便的相对误差。引用误差是一种简化的、实用方便的相对误差。仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不能超过规定的允许值，此值称为允许引用误差能超过规定的允许值，此值称为允许引用误差Q Q：maxqQ25示值误差示值误差 error o
23、f indicationerror of indication示值误差示值误差=计量器具计量器具指示出来的测量值指示出来的测量值与与被测量值的实被测量值的实际数值际数值之差。它是由于计量器具本身的各种误差所引起之差。它是由于计量器具本身的各种误差所引起的。该误差的大小可通过计量器具的检定来得到。的。该误差的大小可通过计量器具的检定来得到。区分区分绝对误差绝对误差,实际相对误差实际相对误差,示值相对误差示值相对误差,引用误差引用误差。P125P125页页 5.5.检定一只量程为检定一只量程为5A5A的电流表的电流表,结果如下结果如下:输入量输入量/A A1 12 23 34 45 5示值示值/A
24、 A1.101.101.981.983.013.014.084.085.025.02(1)(1)试求仪表各示值的绝对误差试求仪表各示值的绝对误差,实际相对误差实际相对误差,示值示值相对误差相对误差,引用误差引用误差.(2)(2)确定仪表的精度等级确定仪表的精度等级.26 3.1.3.23.1.3.2静态性能指标静态性能指标仪表特性：仪表特性：描述仪表输出变量与输入变量之间的对描述仪表输出变量与输入变量之间的对应关系。应关系。静态特性：静态特性：当输入变量处于稳定状态时，仪表的输出当输入变量处于稳定状态时，仪表的输出与输入之间的关系。与输入之间的关系。动态特性：动态特性：当输入变量随时间变化时，
25、仪表的输出与当输入变量随时间变化时，仪表的输出与输入之间的关系。输入之间的关系。27（1 1）灵敏度）灵敏度 输入变化量与输出变化量的比值。输入变化量与输出变化量的比值。或输出增量或输出增量yy与输入增量与输入增量xx之比，即：之比，即：yKx式中式中:K K灵敏度；灵敏度；yy输出变量输出变量y y的增量；的增量；xx输入变量输入变量x x的增量。的增量。对于带有指针和标度盘的仪表，灵敏度可直观地理解对于带有指针和标度盘的仪表，灵敏度可直观地理解为单位输入变量所引起的指针偏转角度或位移量。为单位输入变量所引起的指针偏转角度或位移量。仪表仪表“输出输出-输入输入”关系为线性时，灵敏度为常数。关
26、系为线性时，灵敏度为常数。仪表具有非线性特性时，灵敏度将随着输入变量的变仪表具有非线性特性时，灵敏度将随着输入变量的变化而改变化而改变。28（2 2）线性度线性度 仪表应具有线性特性，其特性曲线为直线。在测试仪表应具有线性特性，其特性曲线为直线。在测试技术中，采用线性度指标来描述仪表的标定曲线与拟合技术中，采用线性度指标来描述仪表的标定曲线与拟合直线之间的吻合程度：直线之间的吻合程度：maxmax100%NLLYmaxLmaxY -实际标定曲线与直线实际标定曲线与直线间最大偏差；间最大偏差；-仪表满量程仪表满量程A A；LN-LN-线性度。线性度。29（3 3）迟滞误差迟滞误差正行程：仪表的输
27、入量从起始值增正行程：仪表的输入量从起始值增至最大值的过程。至最大值的过程。反行程：输入量从最大值减至起始反行程：输入量从最大值减至起始值的过程值的过程 迟滞差值：正行程与反行程之差迟滞差值：正行程与反行程之差HH。迟滞误差：全量程中最大的迟滞差迟滞误差：全量程中最大的迟滞差值与满量程之比值的百分比。值与满量程之比值的百分比。maxmax100%kHY -最大迟滞差值；最大迟滞差值；-仪表满量程仪表满量程A A；-迟滞误差。迟滞误差。maxHmaxYk 迟滞误差产生原因：迟滞误差产生原因：a.a.仪表内有吸收能量的元仪表内有吸收能量的元件件(如弹性元件、磁化元件等如弹性元件、磁化元件等)；b.
28、b.机械结构中有间隙；机械结构中有间隙；c.c.运动系统的摩擦。运动系统的摩擦。30（4 4）漂移：输入量不变时，一段时间后输出量产生了漂移：输入量不变时，一段时间后输出量产生了变化。变化。零漂：当输入量固定在零点不变时，输出量有变化。零漂：当输入量固定在零点不变时，输出量有变化。漂移产生原因：漂移产生原因：a.a.仪表弹性元件的失效；仪表弹性元件的失效；b.b.电子元件的老化等。电子元件的老化等。（5 5）重复性：在同一工作条件下，仪表对同一输入值重复性：在同一工作条件下，仪表对同一输入值按同一方向连续多次测量时，所得输出值之间的相互一按同一方向连续多次测量时，所得输出值之间的相互一致程度称
29、为重复性。致程度称为重复性。重复性误差：重复性误差：maxmax100%RRY-最大的重复性差值最大的重复性差值 -仪表满量程仪表满量程 -重复性误差重复性误差RmaxYmaxR313.2 3.2 传感器概述传感器概述3.2.1 3.2.1 传感器定义传感器定义 将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换能器量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换能器或探测器或探测器.传感器作用传感器作用:自动测试与自动控制领域自动测试与自动控制领域.电子电子,自动控制与计算机发展互相促进自动控制与计算机发展互相促进 新
30、技术新技术,新材料新材料,新工艺新工艺323.2.2 3.2.2 传感器组成传感器组成敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。被测量有确定关系的其它量的元件。转换元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量转换元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。直接转换成电量的器件。信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。常用的电路有电桥、
31、放大器、变阻器、振荡器等。辅助电常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。辅助电路通常包括电源等。路通常包括电源等。33 压 力 作 用 膜片形变（应变）应变片电阻改变 转换元件转换元件敏感元件敏感元件34353.2.2 3.2.2 传感器的分类传感器的分类1 1按工作机理分类：根据物理和化学等学科的原理、规按工作机理分类：根据物理和化学等学科的原理、规律和效应进行分类律和效应进行分类:压电式压电式,压阻式压阻式,热阻式热阻式2 2按被测量分类：根据输入物理量的性质进行分类按被测量分类：根据输入物理量的性质进行分类:温度温度,压力压力,流量。流量。3 3按敏感材料分类：根据制造传感器按敏感材
32、料分类：根据制造传感器 所使用的材料进所使用的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。4.4.按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器放大器,如如:压电式、热电式、电磁式等。压电式、热电式、电磁式等。5.5.按输出信号的性质分类按输
33、出信号的性质分类:模拟式和数字式模拟式和数字式3637383.2.4 3.2.4 新型传感器新型传感器光纤传感器光纤传感器 光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。个，即振幅（强
34、度）、相位、波长和偏振方向。39光纤传感器光纤传感器外形外形 40 保护管内保护管内为高温为高温光纤光纤低温低温光纤光纤光纤温度传感器光纤温度传感器 41光纤的结构光纤的结构 42光的反射、折射光的反射、折射 当一束光线以一定的入射角当一束光线以一定的入射角11从介从介质质1 1射到介质射到介质2 2的分界面上时，一部分能的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。分界面，在另一介质内继续传播。43 光的全反射光的全反射 当减小入射角时，进入介质当减小入射角时，进入介质2 2的折射光与分界面的夹角将的折射光与分界面的夹
35、角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角值时的入射角，定义为临界角cc。当入射角小于。当入射角小于cc时，入射光时，入射光线将发生全反射。线将发生全反射。44光在光在光纤中光纤中的全反射的全反射 45光纤传感器结构原理 把被测量的状态转变为可测的光信号的装置把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。46光纤传感
36、器光学测量的基本原理 光就是一种电磁波，光的电矢量光的电矢量E)sin(tBE被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制47光纤在传感器中的作用功能型非功能型拾光型 48(a)功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。49(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器
37、非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。50(c)拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器51根据光受被测对象的调制形式根据光受被测对象的调制形式(a)光纤传感器的分类52光纤传感器的分类传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电
38、致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力
39、、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注：注：MM多模光纤；多模光纤；SM单模光纤；单模光纤；PM偏
40、振保持光纤偏振保持光纤 53光纤传感器的特点（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。54霍尔传感器工作原理半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势 半导体薄片称霍尔元件55霍尔效应原理dIBRUHH56BeFbUEHHBveeEH载流子受洛仑兹力载流子受洛仑兹力 霍尔电场强度霍尔电场强度平衡状态平衡状态 BvEHbdneIv 电子运动平均速度电子运动平均速度 evnbdI 因为57霍尔常数霍尔常数 neRH1霍尔常数大小
41、取决于导体的载流子密度霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度霍尔电势与导体厚度d成反比成反比：为了提高霍尔电势值，为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件制成薄片形状。BIKUHHneddRKHH1霍尔元件灵敏度（灵敏系数）霍尔元件灵敏度（灵敏系数）半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此因此N型半导体型半导体较适合于制造灵
42、敏度高的霍尔元件较适合于制造灵敏度高的霍尔元件.dIBneUH1霍尔电势霍尔电势582 霍尔元件的结构和基本电路霍尔元件霍尔元件 59 图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。图（b）是霍尔元件通用的图形符号。图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。图（d）是基本测量电路。60霍尔式传感器的应用优点:结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动
43、态特性好和寿命长应用：电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；自动检测系统：多用于位移、压力的测量。61微位移和压力的测量微位移和压力的测量 测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度 62产生梯度磁场的示意图 位移量较小，适于测量微位移和机械振动位移量较小，适于测量微位移和机械振动 63霍尔式压力传感器 1.弹簧管弹簧管 2.磁铁磁铁 3.霍尔片霍尔片 64加速度传感器 65生物机电湿度传感器依据使用材料分类：湿度传感器依据使用材料分类：电
44、解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。蒸气的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通通过浸渍或涂覆过浸渍或涂覆,使其在基板
45、上附着一层有机高分子感使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各工作原理也各不相同。不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFETMOSFET湿度敏感器湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。6667湿度传感器的主要参数湿度传感器的主要参数 1 1、湿度量程、湿度量程指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围指湿度传感器技术规范中所规定的感湿
46、范围。全湿度范围用相对湿度用相对湿度(0(0100)100)RHRH表示，它是湿度传感器工作性能表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。的一项重要指标。2 2、感湿特征量、感湿特征量相对湿度特性相对湿度特性 每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值
47、随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如大，这种为正特性湿敏电阻器，如Fe3O4Fe3O4湿敏电阻器。有湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如如TiO2(TiO2(二氧化钛）二氧化钛）SnO2SnO2（二氧化锡）陶瓷湿敏电阻器。（二氧化锡）陶瓷湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。和测量系统或控制仪表相连接。68生物机电3 3、感湿灵敏度、感湿灵敏度简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿简称灵敏度，
48、又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变度范围内，相对湿度改变1 1RHRH时，湿度传感器电参量时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。的变化值或百分率。各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。给配制二次仪表带来不
49、利，所以灵敏度的大小要适当。4 4、特征量温度系数、特征量温度系数5 5、感湿温度系数、感湿温度系数6 6、响应时间、响应时间7 7、电压特性、电压特性69 生物机电电解质湿度传感器电解质湿度传感器电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相与溶液
50、的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。对湿度的函数。氯化锂湿度传感器的结构AB B 钯丝 A 涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒电解质氯化锂湿度传感器最为典型电解质氯化锂湿度传感器最为典型03060900.010.1110R/108相对湿度/%1.0%LiCl 2.2%LiCl 0.5%LiCl 0.25%LiCl PVAC氯化锂湿度传感器的阻湿特性组合式氯化锂的阻湿特性030 60 900.010.1110相对湿度/%R/108把不同感湿范围的单片湿把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来度传感器组合起来,可制成可制成相对湿度工作量程为相对湿度工作量程为2090RH的湿度传感器的
