项目一.传感器基础知识

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本项目将使学生了解检测技术的含义，检测技术的发展方向、传感器的定义、传感器的组

课程： 传感器应用技术 _ 学年 第_ 学期 第_ 周_ 月_ 日

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成、传感器的动态特性的分析方法。熟悉测量误差的概念和通过误差要求如何选择测量装置的精度等级。掌握传感器的静态特性—线性度、灵敏度、回程误差、测量范围与量程和精度等级等的基本概念。

一、测量的基础知识

1、测量概论

测量是以确定量值为目的的一系列操作。所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。它可由下式表示： n =

或

x

(1—1) u

x =nu (1—2)

式中：x ——被测量值；

u ——标准量，即测量单位； n ——比值（纯数），含有测量误差。

由测量所获得的被测的量值叫测量结果。测量结果可用一定的数值表示，也可以用一条曲线或某种图形表示。但无论其表现形式如何，测量结果应包括两部分：比值和测量单位。确切地讲，测量结果还应包括误差部分。

被测量值和比值等都是测量过程的信息，这些信息依托于物质才能在空间和时间上进行传递。参数承载了信息而成为信号。选择其中适当的参数作为测量信号，例如热电偶温度传感器的工作参数是热电偶的电势，差压流量传感器中的孔板工作参数是差压∆p 。测量过程就是传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得被测量的量值。

2、测量方法

实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。

对于测量方法，从不同角度，有不同的分类方法。根据获得测量值的方法可分为直接测量、间接测量和组合测量；根据测量的精度因素情况可分为等精度测量与非等精度测量； 根据测量方式可分为偏差式测量、零位法测量与微差法测量；根据被测量变化快慢可分为静态测量与动态测量；根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触测量与非接触测量； 根据测量系统是否向被测对象施加能量可分为主动式测量与被动式测量等。

二、测量系统

（1）测量系统构成

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测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。图1—1所示为测量系统原理结构框图。

图1—1 测量系统原理结构框图

理论说法：电子速率做为温度变量的基础，偶合到电量参数而显示。 （2）开环测量系统与闭环测量系统

开环测量系统开环测量系统全部信息变换只沿着一个方向进行，如图1—2

所示。

图1—2 开环测量系统框图

三、测量数据误差估计和处理

测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值。但由于种种原因，例如，传感器本身性能不十分优良，测量方法不十分完善，外界干扰的影响等，都会造成被测参数的测量值与真实值不一致，两者不一致程度用测量误差表示。

测量误差就是测量值与真实值之间的差值。它反映了测量质量的好坏。

测量的可靠性至关重要，不同场合对测量结果可靠性的要求也不同。例如，在量值传递、经济核算、产品检验等场合应保证测量结果有足够的准确度。当测量值用作控制信号时，则要注意测量的稳定性和可靠性。因此，测量结果的准确程度应与测量的目的与要求相联系、相适应，那种不惜工本、不顾场合，一味追求越准越好的作法是不可取的，要有技术与经济兼顾的意识。

（1）测量误差的表示方法

测量误差的表示方法有多种，含义各异。 绝对误差绝对误差可用下式定义：

∆=x -L （1—7） 式中：Δ——绝对误差； x ——测量值； L ——真实值。

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对测量值进行修正时，要用到绝对误差。修正值是与绝对误差大小相等、符号相反的值，实际值等于测量值加上修正值。采用绝对误差表示测量误差，不能很好说明测量质量的好坏。例如，在温度测量时，绝对误差Δ=1℃，对体温测量来说是不允许的，而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。

相对误差相对误差的定义由下式给出：

δ=

∆

⨯100% （1—8） L

式中：δ——相对误差，一般用百分数给出； Δ——绝对误差； L ——真实值。

由于被测量的真实值L 无法知道，实际测量时用测量值x 代替真实值L 进行计算，这个相对误差称为标称相对误差，即

ξ=

∆

⨯100% （1—9） x

引用误差引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。 它是相对仪表满量程的一种误差，一般也用百分数表示，即

γ=

∆

⨯100% (1—10)

测量范围上限-测量范围下限

式中：γ——引用误差；

Δ——绝对误差。

仪表精度等级是根据引用误差来确定的。例如，0.5级表的引用误差的最大值不超过±0.5%，1.0级表的引用误差的最大值不超过±1%。

在使用仪表和传感器时，经常也会遇到基本误差和附加误差两个概念。

基本误差基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。 例如，仪表是在电源电压(220±5)V 、电网频率(50±2)Hz 、环境温度(20±5) ℃、湿度65%±5%的条件下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作，则仪表所具有的误差为基本误差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的。

附加误差附加误差是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。例如，温度附加误差、频率附加误差

（2）误差的性质

根据测量数据中的误差所呈现的规律，将误差分为三种，即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据处理。

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系统误差对同一被测量进行多次重复测量时，如果误差按照一定的规律出现，则把这种误差称为系统误差。例如，标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。

随机误差对同一被测量进行多次重复测量时，绝对值和符号不可预知地随机变化，但就误差的总体而言，具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。电源电压波动附加误差等。 引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的微小因素，一般无法控制。对于随机误差不能用简单的修正值来修正，只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能性的大小。

粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误差，又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。对于粗大误差，首先应设法判断是否存在，然后将其剔除。

传感器的组成和分类

传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。 如在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等，在超声波技术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器。这些提法在含义上有些狭窄，而传感器一词是使用最为广泛而概括的用语。

传感器的输出信号通常是电量 它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此，信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。传感器组成框图如图1—8 所示。

图1—8 传感器组成框图

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传感器技术是一门知识密集型技术，它与许多学科有关。传感器的原理各种各样，其种类十分繁多，分类方法也很多，但目前一般采用两种分类方法：一是按被测参数分类，如温度压力、位移、速度等；二是按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、压电式、磁电式等。本书是按后一种分类方法来介绍各种传感器的，而传感器的工程应用则是根据工程参数进行叙述的。对于初学者和应用传感器的工程技术人来说，应先从工作原理出发，了解各种各样传感器，而对工程上的被测参数应着重于如何合理选择和使用传感器。

五、小结：

检测的方法、测量系统的组成、测量的误差及处理、传感器的种类

六、布置作业：1、详述检测的方法有哪些？ 2、简述测量的误差及处理方法？

3、简述传感器的种类？

七、板书安排

黑板分为三个部分：左边为标题，不擦除。中部为具体讲解，更新擦除。右边以图形为主，也可以写临时性内容。