传感器与检测技术,主编 朱自勤,第1章 检测技术的基本概念,1.1 检测技术的基本概念及作用 1.1.1 检测技术的基本概念 1.1.2 检测技术的发展与展望 1.1.3 课程的任务、特点和学习方法 1.2 测量的基本概念 1.2.1 测量的定义 1.2.2 测量方法的分类 1.3 测量误差的分析 1.3.1 误差的分类 1.3.2 随机误差的处理 1.3.3 系统误差的处理 1.4 有效数字的处理,1.1.1 检测技术的基本概念,(1)测量：以确定客观事物的量值为目的，借助于一定的工具和设备，用比较的方法取得被测量数据的过程，包括数据处理、显示或记录等步骤。 (2)计量：以获得标准为目的的测量，包括基准器的研制、量值的传递、量值单位的定义和管理以及精密测量等，其规程具有一定的法律性和权威性。 (3)检测：利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或仪器所能接收的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成执行器所能接收的信号，实现对被测物理量的控制。 (4)测试：带有试验性质的检测，在特定情况下，检测信号可由模拟被测物理量的信号发生装置产生。,1.1 检测技术的基本概念及作用,1.1.2 检测技术的发展与展望,1.不断扩大测量范围 科学技术的发展要求检测量的范围不断扩大。 2.提高测量精度及可靠性 科学技术的发展对检测精度的要求也越来越高。 3.开发检测的新领域与新技术 随着人类活动领域的扩大，检测对象也在扩大。,3.开发检测的新领域与新技术,(1)新型：其含意有三个方面。 1)采用新型敏感材料、新原理、新效应或新工艺。 2)利用原有的物理和化学效应，根据被测物理量的要求,巧妙地运用于传感技术。 3)利用集成技术和计算机技术开发的新型传感器。 (2)集成化：其含义也有三个方面。 1)将众多单体敏感元件集成在同一衬底上构成二维图像的敏感元件，主要用于光和图像传感器领域。 2)把传感器与放大、运算及温度补偿等环节集成在一个基片上，如集成压力传感器就是将硅膜片、压阻电桥、放大器和温度补偿电阻集成为一个器件，称为“热敏晶闸管器件”。 3)将两种或两种以上敏感元件集成在起，称为多功能传感器。,3.开发检测的新领域与新技术,(3)智能化：由检测系统固体化和智能化的构成及发展过程可知，固体化和智能化的结果，逐渐模糊了检测系统和传感器的界限，智能化传感器本身就是智能化检测系统，从而开创了“材料、器件、电路、仪表”一体化的新途径。,1.1.3 课程的任务、特点和学习方法,1.课程的任务 本课程的主要任务是传授工业生产过程中信息检测技术及常用技术。 2.课程的特点和学习方法,1.课程的任务,1)熟悉传感器的原理、结构、特性和应用，能根据需要合理选用传感器。 2)掌握检测中信号的特点，熟悉传感器接口电路和信号处理电路技术，了解新型仪表电路技术，从而明确如何获得可测量的信号，并生成控制信号。 3)了解常用显示和记录技术，建立一般的检测系统，掌握误差分析和数据处理技术，从而明确如何获取正确的测量结果。 4)了解电动仪表概况，掌握其使用技术，以适应工业生产现状，并作为引入微型计算机应用的依据。 5)能综合运用微型计算机和检测等方面的技术，组成微机化检测系统，为企业技术改造、安装及使用新设备及提高工业生产过程自动化程度奠定基础。,2.课程的特点和学习方法,1)本课程是一门知识和技术都很密集的新型学科，直接与本课程有关的基础课程有数学、物理学、工程力学、电工学、自动控制理论、数字技术和微机原理等。 2)本课程各章内容相互独立，自成体系，联系松散，学习时可能会感到找不到重点，摸不着规律。 3)本课程是一门实践性很强的应用技术，学习时务必联系实际，着眼于应用，要富于设想，善于借鉴，乐于实践，勇于开拓，学而用之。,1.2 测量的基本概念,1.2.1 测量的定义,量就是借助于专用的技术工具或手段，通过实验的方法,把被测量与同性质的标准量进行比较，求取二者比值，从而得到被测量数值大小的过程。其数学表达式为,1.2 测量的基本概念,1.2.2 测量方法的分类,1.按测量过程的特点分类 可分为直接测量和间接测量。 2.按测量仪表是否与被测物体相接触分类 可分为接触测量法和非接触测量法。 3.按测量对象的特点分类 可分为静态测量法和动态测量法。,1.按测量过程的特点分类 可分为直接测量和间接测量。,(1)直接测量:直接测量是针对被测量选用专用仪表进行测量，直接获取被测量值的过程，如用温度表测温度和用电位差计测电动势等。 1)偏差法。 2)零位法。 3)微差法。 (2)间接测量：用直接测量法测得与被测量有确切函数关系的一些物理量，然后通过计算求得被测量值的过程称为间接测量。,2.按测量仪表是否与被测物体相接触分类 可分为接触测量法和非接触测量法。,(1)接触测量法：检测仪表的传感器与被测对象直接接触，承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称接触测量法。 (2)非接触测量法：检测仪表的传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，以达到测量目的的方法，称非接触测量法。,3.按测量对象的特点分类 可分为静态测量法和动态测量法。,(1)静态测量法:静态测量方法是指被测对象处于稳定情况下的测量。 (2)动态测量法:动态测量是指在被测对象处于不稳定的情况下进行的测量。,1.3 测量误差的分析,1.3.1 误差的分类,1.按误差的表示方法分类 可分为绝对误差和相对误差。 2.按误差的性质分类 可分为系统误差、随机误差和粗大误差。 3.按被测量与时间关系分类 可分为静态误差和动态误差。,1.3 测量误差的分析,1.按误差的表示方法分类 可分为绝对误差和相对误差。,(1)绝对误差：某被测量的仪表示值Ax与其约定真值A0的差值，称为绝对误差，即,1.按误差的表示方法分类 可分为绝对误差和相对误差。,(2)相对误差：即百分比误差，分为实际相对误差、示值(标称)相对误差和满度(引用)相对误差。 1)实际相对误差等于绝对误差与约定真值的百分比，用A表示，即,2)示值相对误差等于绝对误差与示值的百分比，用x表示，即,3)满度相对误差等于绝对误差与仪表满量程值AFS的百分比，用n表示，即,2.按误差的性质分类 可分为系统误差、随机误差和粗大误差。,(1)系统误差：在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化，此类误差称作系统误差。 (2)随机误差：在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差没有固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误差称为随机误差。 (3)粗大误差：明显偏离约定真值的误差称为粗大误差。,3.按被测量与时间关系分类 可分为静态误差和动态误差。,(1)静态误差：被测量不随时间变化时测得的测量误差称为静态误差。 (2)动态误差：被测量在随时间变化过程中所测得的测量误差称为动态误差。,1.3.2 随机误差的处理,1.随机误差的特性 2.随机误差的计算方法 国内外广泛采用标准误差(方均根误差)来评定测量随机误差的大小。,1.随机误差的特性,(1)对称性：绝对值出现正误差和负误差的概率相等。,图1-1 正态分布曲线,1.随机误差的特性,(2)单峰性：只有一个峰值，峰值就是概率密度函数的极大值。(3)互抵性：对一系列等精度的n次测量，当n+时，各次测量的随机误差i(i=1，2，n)的代数和趋于零。 (4)有界性：绝对值很大的误差出现的概率趋近于零，即误差的绝对值实际上不会超过某个限值。,表1-1 置信系数与置信概率的对应关系,2.随机误差的计算方法 国内外广泛采用标准误差(方均根误差)来评定测量随机误差的大小。,(1)标准法贝塞尔公式：设n次等精度测量的测得值为x1,x2,xn。 1)测得值的算术平均值为,2)各测得值xi的剩余误差(残差)vi为,3)标准误差为,2.随机误差的计算方法 国内外广泛采用标准误差(方均根误差)来评定测量随机误差的大小。,(2)绝对差法佩特斯公式,2.随机误差的计算方法 国内外广泛采用标准误差(方均根误差)来评定测量随机误差的大小。,(3)极差法：所谓极差,就是在x1,x2,xn中的最大值与最小值之差,用Rn表示,即,2.随机误差的计算方法 国内外广泛采用标准误差(方均根误差)来评定测量随机误差的大小。,表1-2 n为10以内的极差系数表,1.3.3 系统误差的处理,1.系统误差的分类及产生原因 产生系统误差的原因主要有：检测所用传感器和仪表本身性能有限；检测系统安装、布置及调整不当；测量者视觉原因；测量环境条件(如温度和压力等)变化；测量方法不完善；测量依据的理论不完善等。 2.系统误差的发现 3.消除或减弱系统误差的测量方法,1.系统误差的分类及产生原因,(1)已定系差:指在测量过程中误差大小和符号都不变的系差。 (2)未定系差:在测量过程中大小和符号变化不定，或按一定规律变化的系差。 1)线性变化(或累进变化)系差。 2)周期性变化的系差。 3)复杂规律变化的系差。,2.系统误差的发现,(1)恒定系差的检验:恒定系差不影响剩余误差的计算，即不影响测量结果的精密度，在处理随机误差时不可能发现。 (2)未定系差的发现 1)剩余误差观察法。 2)马利科夫判据用于检查线性系差。,3.消除或减弱系统误差的测量方法,(1)已定系差的消除方法 1)替代法。 2)相消法及交校法。 (2)未定系差的消除方法 1)用对称观测法(又称等距观测法)消除线性系差。 2)采用补偿法消除因某个条件变化或仪器的某个环节的非线性引起的系差。 3)对周期性变化的系差，只要读取相隔半周期的两次测量值，取其算术平均值便可消除。,1.4 有效数字的处理,1.有效数字与测量误差 2.数字的舍入规则 3.参加中间运算的有效数字的处理 1.填空： 2.计算题： 3.问答题：,1.有效数字与测量误差 因为在测量中不可避免地存在误差，所以测量数据只能是一个近似数。,2.数字的舍入规则 当需要n位有效数字时，对超过n位的数字要根据舍入规则进行处理，目前广泛采用舍入规则。,1)小于第n位单位数字的0.5就舍掉。 2)大于第n位单位数字的0.5，则第n位加1。 3)恰为第n位单位数字的0.5，则第n位为偶数或零时就舍去，为奇数时则进1。,3.参加中间运算的有效数字的处理,1)加法运算。 2)乘除运算。 3)乘方及开方运算。 4)对数运算。,