課程任務(wù)：以檢測(cè)的基本知識(shí)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)多種傳感器的測(cè)量原理、使用方法，并加以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鞏固，最后簡(jiǎn)單檢測(cè)技術(shù)中的學(xué)習(xí)抗干擾知識(shí)。學(xué)習(xí)方法：前序課程《電工基礎(chǔ)》《電子技術(shù)》《單片機(jī)技術(shù)》《變流技術(shù)》結(jié)合進(jìn)行學(xué)習(xí)。本門(mén)課程的任務(wù)及學(xué)習(xí)方法2/5/20231緒論一、檢測(cè)與傳感器的概念檢測(cè)：利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各方面的有關(guān)信息通過(guò)檢查與測(cè)量的方法賦予定性與定量結(jié)果的過(guò)程。傳感器：從廣義的角度來(lái)說(shuō)，檢出感知信號(hào)器件和信號(hào)處理部分總稱為傳感器。

2/5/20232一、檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

工業(yè)檢測(cè)涉及的內(nèi)容被測(cè)量類(lèi)型被測(cè)量被測(cè)量類(lèi)型被測(cè)量熱工量溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布、壓力（壓強(qiáng)）、壓差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面物體的性質(zhì)和成分量氣體、液體固體的化學(xué)成分、濃度、粘度、濕度、密度、酸堿度、濁度、透明度、顏色機(jī)械量直線位移、角位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、應(yīng)變、力矩、振動(dòng)、噪聲、質(zhì)量（重量）狀態(tài)量啟停、生產(chǎn)設(shè)備異常狀態(tài)（超溫、過(guò)載、泄漏、變形、磨損、堵塞、斷裂等）幾何量長(zhǎng)度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、干行度、同軸度、粗糙度、硬度、材料缺陷電工量電壓、電流、功率、電阻、阻抗、頻率、脈寬、相位、波形、頻譜、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度、材料的磁性能2/5/20233應(yīng)用領(lǐng)域

實(shí)際上被測(cè)對(duì)象涉及各個(gè)領(lǐng)域。最初的測(cè)量對(duì)象是長(zhǎng)度、體積、質(zhì)量和時(shí)間。18世紀(jì)以來(lái)科學(xué)技術(shù)取得飛速發(fā)展，被測(cè)對(duì)象迅速擴(kuò)大。力學(xué)領(lǐng)域有速度、加速度、力、功和能量等；電磁學(xué)領(lǐng)域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場(chǎng)；化學(xué)領(lǐng)域中有濃度、成分、pH值等；工業(yè)領(lǐng)域中有流量、壓力、溫度、黏度等被測(cè)量。現(xiàn)在的被測(cè)對(duì)象更為廣泛，有人體心電、腦電波等體表電位測(cè)量，生物斷面測(cè)量如B超、CT；工業(yè)領(lǐng)域的光澤、觸覺(jué)等品質(zhì)測(cè)量；衛(wèi)星上監(jiān)視地球的紅外線傳感器；機(jī)器人的視覺(jué)、觸覺(jué)等各種傳感器。2/5/20234對(duì)于各種各樣的被測(cè)量，有各種各樣的傳感器。下面請(qǐng)看幾個(gè)檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例:在本課程都要學(xué)習(xí)到。電子汽車(chē)衡計(jì)量測(cè)試超聲波測(cè)流量紅外測(cè)溫2/5/20235醫(yī)療診斷

B超與CT2/5/20236家用電器液化氣煙霧報(bào)警器智能洗衣機(jī)遙控器2/5/20237二、檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成：非電量或電量傳感器電量信號(hào)處理電路顯示器Uo

iof數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器：如前定義還可理解成將非電量或電量轉(zhuǎn)換成信號(hào)處理電路所需的電量的器件。信號(hào)處理電路：包括放大或衰減電路、濾波電路、隔離電路等。把傳感器輸出電量變成具有一定驅(qū)動(dòng)和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號(hào)，以推動(dòng)后級(jí)的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2/5/20238顯示器：目前有模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示、記錄儀。數(shù)據(jù)處理裝置：對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、邏輯判斷、線性變換，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行頻譜分析、相關(guān)分析，借助計(jì)算機(jī)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：用電壓、電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器、電磁鐵、電磁閥門(mén)、伺服電機(jī)等，起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用。2/5/20239三、檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1、不斷提高檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、量程范圍、延長(zhǎng)使用壽命、提高可靠性：將量程切換到2V時(shí)，最小顯示值為1μV，提高數(shù)字電壓表的精度2/5/202310

2、應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域例如圖像識(shí)別、激光測(cè)距、紅外測(cè)溫、C型超聲波無(wú)損探傷、放射性測(cè)厚、中子探測(cè)爆炸物。月球車(chē)安全檢查2/5/202311面部識(shí)別技術(shù)智能機(jī)械手單片機(jī)芯片

3、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)

展，檢測(cè)技術(shù)繼續(xù)往數(shù)字化、智能化、遠(yuǎn)程控制方向發(fā)展。2/5/202312

區(qū)域網(wǎng)與上位機(jī)2/5/202313模擬傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換線性化處理微處理器標(biāo)準(zhǔn)接口脈沖輸出控制門(mén)顯示傳感器在總體上呈現(xiàn)出多功能、微型化、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)。將在第十三章檢測(cè)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用詳細(xì)學(xué)習(xí)。

傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)2/5/202314第一章檢測(cè)技術(shù)的基本概念

章節(jié)導(dǎo)入：測(cè)量是檢測(cè)技術(shù)的主要組成部分。現(xiàn)代社會(huì)要求測(cè)量必須達(dá)到更高的準(zhǔn)確度，更小的誤差，更快的速度，更高的可靠性。

本章要點(diǎn)：

1、測(cè)量的基本概念、測(cè)量方法、誤差分類(lèi)、會(huì)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理。

2、傳感器的基本特性，掌握傳感器的靜態(tài)特性。2/5/202315

第一節(jié)測(cè)量的基本概念及方法

一、測(cè)量的一般概念：測(cè)量是借助專(zhuān)門(mén)的技術(shù)和儀表設(shè)備，采用一定的方法取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的認(rèn)識(shí)過(guò)程。二、測(cè)量的方法被測(cè)量量是否隨時(shí)間變化，可分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。測(cè)量手段的不同，分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。測(cè)量結(jié)果的顯示方式不同，分為模擬式測(cè)量和數(shù)字式測(cè)量。測(cè)量時(shí)是否與被測(cè)對(duì)象接觸，分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。在線測(cè)量：在生產(chǎn)流水線上監(jiān)視產(chǎn)品質(zhì)量，反之離線測(cè)量。2/5/2023161、靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量

靜態(tài)測(cè)量：對(duì)緩慢變化的對(duì)象進(jìn)行測(cè)量。

2/5/202317

動(dòng)態(tài)測(cè)量：測(cè)量動(dòng)態(tài)過(guò)程

可以顯示波形的手持示波器電渦流傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速2/5/2023182、直接測(cè)量與間接測(cè)量

直接測(cè)量：用標(biāo)定儀表直接讀取被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果。

電子卡尺直接測(cè)量長(zhǎng)度間接測(cè)量：對(duì)多個(gè)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)計(jì)算求得被測(cè)量。

測(cè)量金球的密度，先測(cè)出金球的重量，再測(cè)量出金球的直徑，再計(jì)算出金球的體積，最后求出金球的密度。

2/5/2023193、接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量

接觸測(cè)量非接觸式測(cè)量不影響被測(cè)對(duì)象的運(yùn)行工況例：紅外測(cè)速2/5/2023204、在線測(cè)量和離線測(cè)量

在線測(cè)量在流水線上，邊加工，邊檢驗(yàn)，可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。

離線產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)在線檢測(cè)滾珠是否脫離2/5/202321根據(jù)測(cè)量的具體手段來(lái)分，分為偏位式、零位式、微差式

1、偏位式測(cè)量：被測(cè)量作用于儀表內(nèi)部的比較裝置。例如：彈簧秤測(cè)量物體質(zhì)量。必須事先用標(biāo)準(zhǔn)量具對(duì)儀表刻度進(jìn)行校正。容易產(chǎn)生靈敏度漂移和零點(diǎn)漂移。過(guò)程簡(jiǎn)單、快速。但精度不高。2/5/2023222、零位式測(cè)量：

被測(cè)量與儀表內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)量，系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，用已知標(biāo)準(zhǔn)量的值決定被測(cè)量的值。例如用天平測(cè)量物體的質(zhì)量。

零位式測(cè)量的特點(diǎn)是精度高，但平衡復(fù)雜，多適用于緩慢信號(hào)的測(cè)量。3、微差式測(cè)量：

綜合了偏位式速度快和零位式測(cè)量法精度高的優(yōu)點(diǎn)。這種方法預(yù)先使被測(cè)量與測(cè)量裝置內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)量取得平衡，當(dāng)測(cè)量有微小變化時(shí)，測(cè)量裝置失去平衡，用偏位式儀表指示出其變化部分的數(shù)值。2/5/202323第二節(jié)測(cè)量誤差及分類(lèi)

一、絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差1、絕對(duì)誤差：Δ=Ax－Ａ0某采購(gòu)員分別在三家商店購(gòu)買(mǎi)100kg大米、10kg蘋(píng)果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購(gòu)員對(duì)賣(mài)巧克力的商店意見(jiàn)最大，是何原因？絕對(duì)誤差雖然都是0.5kg，但巧克力的相對(duì)誤差最大。

2/5/2023242、相對(duì)誤差及精度等級(jí)

幾個(gè)重要公式：示值相對(duì)誤差滿度相對(duì)誤差準(zhǔn)確度(精度)絕對(duì)誤差Δ=Ax–Ａ0實(shí)際相對(duì)誤差2/5/2023253、儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)和基本誤差表

等級(jí)0.10.20.51.01.52.55.0基本誤差±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%舉例：在正常情況下，用0.5級(jí)、量程為100℃溫度表來(lái)測(cè)量溫度時(shí)，可能產(chǎn)生的最大絕對(duì)誤差為：Δm＝（±0.5%）×Am＝±（0.5%×100）℃＝±0.5℃2/5/202326例：某壓力表準(zhǔn)確度為2.5級(jí)，量程為0～1.5MPa，求：1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差m。2）可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差m為多少kPa

。3）測(cè)量結(jié)果顯示為0.70MPa時(shí)，可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差x。

解:1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差可以從準(zhǔn)確度等級(jí)直接得到，即m＝±25%。

2）m＝mAm＝±25％１.5MPa＝

±0.0375MPa＝±37.5kPa

結(jié)論：x的絕對(duì)值總是大于（在滿度時(shí)等于）m2/5/202327例：現(xiàn)有準(zhǔn)確度為0.5級(jí)的0～300℃的和準(zhǔn)確度為1.0級(jí)的0～100℃的兩個(gè)溫度計(jì)，要測(cè)量80℃的溫度，試問(wèn)采用哪一個(gè)溫度計(jì)好？解：計(jì)算用0.5級(jí)表以及1.0級(jí)表測(cè)量時(shí)，可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差分別為±1.88%和±1.25%。計(jì)算結(jié)果表明，用1.0級(jí)表比用0.5級(jí)表的示值相對(duì)誤差的絕對(duì)值反而小，所以更合適。由上例得到的結(jié)論：在選用儀表時(shí)應(yīng)兼顧準(zhǔn)確度等級(jí)和量程，通常希望示值落在儀表滿度值的2/3以上。2/5/202328二、誤差產(chǎn)生的性質(zhì)：

1.粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過(guò)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(guò)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(guò)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。

2/5/202329產(chǎn)生粗大誤差的一個(gè)例子

雷電產(chǎn)生尖峰干擾

2/5/202330

在重復(fù)性條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值與被測(cè)量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。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(guò)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。

2.系統(tǒng)誤差夏天擺鐘變慢的原因是什么？2/5/2023313.隨機(jī)誤差

測(cè)量結(jié)果與在重復(fù)條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值之差稱為隨機(jī)誤差。也可以采用如下的表達(dá)：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(jiàn)的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差。

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。2/5/202332

隨機(jī)事件與隨機(jī)誤差有區(qū)別，隨機(jī)事件并不一定符合正態(tài)分布規(guī)律。彩票搖獎(jiǎng)屬于隨機(jī)事件

彩票搖獎(jiǎng)隨機(jī)誤差的正態(tài)分布2/5/2023334.靜態(tài)誤差、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

前面所述為靜態(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。

2/5/202334對(duì)測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理主要有兩點(diǎn)要求：

一是得到最接近被測(cè)量的近似值

二是估計(jì)出測(cè)量結(jié)果的近似值的范圍

1、隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律長(zhǎng)度相對(duì)測(cè)量值三、對(duì)測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理：2/5/2023351）集中性：大量的測(cè)量值集中分布于算術(shù)平均值附近。隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律2）對(duì)稱性：測(cè)量值大致對(duì)稱地分布于兩側(cè)。３）有界性：在一定的條件下，測(cè)量值有一定的分布范圍，超過(guò)這個(gè)范圍的可能性非常小，即出現(xiàn)絕對(duì)誤差很大的情況很少。粗大誤差的測(cè)量值應(yīng)予以剔除。2/5/202336nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.982、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

例：用核輻射式測(cè)厚儀對(duì)鋼板的厚度進(jìn)行6次等精度測(cè)量，所得數(shù)據(jù)如下表（單位為mm），請(qǐng)指出哪幾個(gè)數(shù)值為粗大誤差？在剔除粗大誤差后，用算術(shù)平均值公式求出鋼板厚度。

2/5/202337解：5.99以及9.33為粗大誤差，予以剔除，將剩余4

個(gè)測(cè)量值計(jì)算算術(shù)平均值：nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.982/5/2023383、誤差的處理：

如果一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由若干個(gè)單元組成，將誤差合成。（1）絕對(duì)值合成法（2）方均根合成法

x1n32y1y2y3yn－1yn…2/5/202339例：用核輻射鋼板測(cè)厚儀測(cè)鋼板厚度，已知PIN型γ射線二極管的測(cè)量誤差為±5%，微電流放大器誤差為±2%，指針表誤差為±1%，求測(cè)量的總誤差。

2）用絕對(duì)值合成法計(jì)算測(cè)量誤差解：1）用方均根合成法結(jié)論：1、用方均根合成法估算測(cè)量的總誤差較為合理2、不必提高顯示儀表的精度，應(yīng)提高誤差最大的某個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)量精度。2/5/202340第三節(jié)傳感器及基本特性

一、傳感器的組成非電量或電量敏感元件非電量傳感元件電參量測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電量敏感元件：傳感器中直接感受被測(cè)量的元件，即被測(cè)量通過(guò)傳感器的敏感元件轉(zhuǎn)換成被測(cè)量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量傳感元件：將非電量轉(zhuǎn)換成電量。測(cè)量轉(zhuǎn)換電路：傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流、頻率。

2/5/2023411-彈簧管（敏感元件）2-電位器（傳感元件、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路）

3-電刷4-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪、齒條）舉例測(cè)量壓力的電位式壓力傳感器

2/5/202342傳感器的特性：一般指輸入、輸出特性。有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。本課程學(xué)習(xí)靜態(tài)特性的有關(guān)指標(biāo)。

靜態(tài)特性包括：靈敏度、分辨力、線性度、遲滯、穩(wěn)定性、電磁兼容性、可靠性。二、傳感器的特性2/5/2023431、靈敏度在穩(wěn)定條件下輸出微小增量與輸入微小增量的比值對(duì)線性傳感器靈敏度是直線的斜率：S=ΔY/ΔX對(duì)非線性傳感器靈敏度為一變量：S=dy/dx

靈敏度單位，mv/mmmv/℃yyxxΔYΔXS=ΔY/ΔXS=dy/dx

2/5/202344分辨力：

指?jìng)鞲衅髂軝z出被測(cè)信號(hào)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(wú)任何反應(yīng)。對(duì)數(shù)字儀表而言，如果沒(méi)有其他附加說(shuō)明，可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說(shuō)，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對(duì)誤差。

分辨率：

將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。

2/5/2023453、線性度YXYiXi△LmaxY=kx+b線性度：又稱非線性誤差，處理的方法是：作圖法、端基曲線法、最小二乘法，準(zhǔn)確度依次升高，現(xiàn)多用計(jì)算機(jī)處理。△Lmax——最大非線性絕對(duì)誤差

YFS——滿量程輸出

γ——線性度線性度是表征實(shí)際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)2/5/2023464、遲滯

傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯。正向曲線是在輸入量x從零開(kāi)始增大到滿量程所得曲線，反向特性與之相反。磁滯會(huì)引起分辨力差，造成測(cè)量盲區(qū)，希望磁滯越小越好。yoxy1y2yFSHmax2/5/202347產(chǎn)生遲滯誤差的原因：由于敏感元件材料的物理性質(zhì)缺陷造成的。如彈性元件的滯后、外加磁場(chǎng)、電場(chǎng)作用的鐵磁體、鐵電體。遲滯誤差的存在使輸入輸出不能一一對(duì)應(yīng)。出現(xiàn)的誤差大、小視具體情況而定。例：一電子秤增加砝碼10g——50g——100g——