检测与转换PPT讲义

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,检测与转换技术,福州大学电气工程系自动化教研室,张学颖,绪论,一、研究内容,检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称，是研究自动检测系统中的信息提取，信息转换，信息处理，以及传输的理论和技术为主要内容的一门应用技术。,检测技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。,检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测等必不可少的手段，它起着类似人的感觉器官的作用。,简单的检测系统可以只有一个模块，如下图所示的玻璃管温度计。它直接将被测对象温度的变化转化为温度计液面示值，这中间没有电量的转换和分析处理电路，很简单，但测量精度底，同时也很难实现测量自动化。,现代检测技术的一个明显特点是采用电测法，即电测非电量。首先将被测物理量从研究对象中检出并转换成电量，然后再根据需要对变换后的电信号进行某些处理，最后以适当的形式输出。信号的这种传输过程决定了检测系统的基本组成和他们的相互关系。如图所示,为提高测量精度、增加信号传输、处理、存储、显示的灵活性和提高检测系统的自动化程度，以利于和其它控制环节一起构成自动化测控系统，在测试中通常先将被测对象输出的物理量转换为电量，然后再根据需要对变换后的电信号进行处理，最后以适 当的形式显示、输出。,根据测试任务复杂程度的不同，测试系统中传感器、中间变换装置和显示记录装置等每个环节又可由多个模块组成。,例如，如图所示的机床轴承故障监测系统中的中 间变换装置就由带通滤波器、A/D变换和计算机中的FFT分析软件三部分组成。,测试系统中传感器为,加速度计,，它负责将机床轴承振动信号转换为电信号；,带通滤波器,用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号和对信号进行放大，,A/D信号采集卡,用于对放大后的测量信号进行采样，将其转换为数字量；,FFT（快速 傅里叶变换）分析软件,则对转换后的数字信号进行FFT变换，计算出信号的频谱；,最后由,计算机显示器,对频谱进行显示。,另外，测试系统的测量分析结果还可以和生产过程相连，当机床振动信号超标时发出报警信号，防止加工废品的产生。,因此，检测装置的方块图可表示如图所示,传感器直接与被测对象发生联系，它的功能是将被测参数直接或间接转换成电信号。,它的好坏直接影响检测装置的质量，是检测装置的重要部件；,传感器往往也被称为敏感元件或一次元件。,因此，检测装置的方块图可表示如图所示,电子测量电路。它的作用是将传感器的输出信号进行变换（包括放大、线性化等），,根据传感器要求不同而异，通常分为模拟电路（相敏电路、测量放大器等）和数字逻辑电路（门电路、电压频率变换、AD、DA等）。,因此，检测装置的方块图可表示如图所示,显示器的作用是将被测的非电量用电参数指示或记录出来。,可以是瞬时值的显示、累积值的显示及越限报警显示。,对于变化缓慢均参数可用模拟式显示，,而对变化迅速的动态参量可用光线示波器或数字式显示。,使用显示器既可提高读数精度，还可与计算机连接（包括打印数据和曲线）,一般来说，输入装置、中间变换装置和输出装置是一个检测系统的三个基本组成部分，组成输入装置的关键部件是传感器,传感器是将诸如力、加速度、压力、流量、温度、噪声等非电量转换成电量的装置。,简单的传感器只由一个敏感元件组成（如热电偶）。复杂的传感器可能包括敏感元件、弹性元件、甚至变换电路。有些智能传感器还包括微处理器。,传感器与被测对象直接连接，它位于整个测量系统的最前沿，是信号直接采集者。因此，传感器性能的好坏对检测结果的影响非同小可。,中间变换装置根据不同情况有很大的伸缩性。在简单的检测系统中可能完全省略，而将传感器的输出直接进行显示或记录（比如由热电偶和毫伏表组成的测温系统），但就大多数测试系统而言，中间变换环节是必不可少的。信号的变换包括：放大，调制、解调、滤波等等。功能强大的检测系统往往还要将计算机作为一个中间变换环节，以实现诸如波形存储、数据采集、非线性校正和消除系统误差等功能。远距离测量时还需要数据传输装置。,二、学习本课程的意义,1、现代科学技术的基础,2、国民经济建设的重要技术基础,3、日常生活的需要,在工程技术领域，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等，都离不开测试技术。特别是近代自动控制技术已越来越多地运用检测技术，检测装置已成为控制系统的重要组成部分。,1、现代科学技术的基础,科学技术可以说是由测量开始到测量结束。其测量目的是要获得关于研究对象的物理或化学性质的信息。对于许多基础科学研究的障碍，首先就在于信息的获取存在着困难。而一些新机理和高灵敏度检测传感器的出现，就会导致该领域内技术上的突破。,2、国民经济建设的重要技术基础,力传感器的应用,磁性感生传感器的应用,电感式无触点开关的应用,涡流传感器的应用,光电传感器的应用,在汽车、机床等设备和电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。,下图是汽车制造厂发动机测试系统原理框图，,发动机测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、润滑油压力、燃油压力以及每分钟的转速等。,通过对抽取的发动机进行彻底的测试，工程师可以了解产品的质量。,设备运行状态监控系统,在电力、冶金、石化、化工等众多行业中，某些关键设备的工作状态关系到整个生产线 正常流程，如：汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、电机、压缩机、风机、泵、变速箱等。对这些关键设备运行状态实施24小时实时动态监测，可以及时、准确 地掌握它的变化趋势，为工程技术人员提供详细、全面的机组信息，是实现设备事后维修或定期维修向预测维修转变的基础。,下面是某火力发电厂,30MW,汽轮发电机组的计算机设备运行状态监测系统原理框图。,3、日常生活也需要检测,家电产品中的传感器,在家电产品设计中，人们大量应用了传感器和测试技术来提高产品的性能和质量。,例如全自动洗衣机以人们洗衣操作的经验作为模糊控制的依据，采用 多种传感器将洗衣状态信息检测出来，并将这些信息送到微电脑中，经微电脑处理后，选择出最佳的洗涤参数，对洗衣全过程进行自动控制，达到最佳的洗涤效果。,利用衣量传感器来检测洗衣时衣物量的多少，从而决定设定水位的高低。 利用衣质传感器来检测衣物重量、织物种类，从而决定最优洗涤温度、洗涤时间。 利用水温传感器来检测开机时的环境温度和注水结束时的水温，为模糊推论提供信息。 利用水质传感器来检测水的硬度，进而决定添加洗衣粉的量以期达到最佳洗涤效果。 利用光传感器来检测洗涤液的透光率，从而间接检测洗净程度。 利用传感器监测漂洗过程中的肥皂沫的变化决定漂洗的次数。 利用传感器监测干衣过程中衣物电阻值的变化，决定烘干时间。与传统的定时烘干相比，更具灵活性。 利用压力传感器实现电信号与机械力信号的相互转换，以实现无级调水，从而达到省水、省电的目的。,全自动洗衣机中的滚筒液面高度自动检测,楼宇自动化,楼宇自动化系统，或称建筑物自动化系统是将建筑物(或建筑群)内的消防、安全、防盗、 电力系统、照明、空调、卫生、给排水、电梯等设备以集中监视、控制和管理为目的而构成的一个综合系统。它的目的是使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活环境和高效的工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。 下图是某公司总部的楼宇自动化系统。该系统分为七个子系统：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,身份认证,Veridicom公司推出的固态指纹识别技术，包括固态指纹传感器芯片FPS110 和专用软件包。传感器芯片采用固态电容传感的方法来获得指纹图像，有300300的传感单元阵列，分辨率为500dpi，表面有专利的超硬保护涂层，内 部集成8位带闪存的A/D转换器，还集成了温度传感器和电阻传感器，该芯片提供8位双向微处理器接口。该芯片的尺寸与邮票差不多，在27mm27mm的 芯片上，图像捕捉面积为16mm16mm。 下图是采用固态指纹传感器、IC卡和密码保护的三种,具有身份认证功能的防盗锁。,测试技术的发展概况,1 传感器方面,。,传感器是测试、控制系统中的信息敏感和检测部件，它感受被测信息并输出与其成一定比例关系的物理量（信号），以满足系统对信息传输、处理、记录、显示和控制的要求。,。,早期发展的传感器是利用物理学场的电场、磁场、力场等定律所构成的“结构型”传感器，其基本特征是以其结构部分的变化或变化后引起场的变化来反映待测量（力、位移等）的变化。,可变磁阻位移传感器,利用物质特性构成的传感器称为“物性型”传感器或“物性型”敏感元件。新的物理、化学、生物效应用于物性型传感器是传感技术的重要发展方向之一。每一种新 的物理效应的应用，都会出现一种新型的敏感元件能测量某种新的参数。例如，除常见的力敏、压敏、光敏、磁敏材料之外，还有声敏、湿敏、色敏、气敏、味敏、 化学敏、射线敏材料等。新材料与新元件的应用，有力地推动了传感器的发展，因为物性型敏感元件全赖于敏感功能材料，例如嗅（味）敏传感器、集成霍尔元件、 集成固态CCD图像传感器等。被开发的敏感功能材料有半导体、电介质（晶体或陶瓷）、高分子合成材料、磁性材料、超导材料、光导纤维、液晶、生物功能材 料、凝胶、稀土金属等。,新型光纤温度传感器,检测技术正在向多功能、集成化、智能化发展，进行快变参数动态测量是自动化过程控制系统中的重要一环，其主要支柱是微电子与计算机技术。传感器与微计算机 结合，产生了智能传感器。它能自动选择量程和增益，自动校准与实时校准，进行非线性校正、漂移等误差补偿和复杂的计算处理，完成自动故障监控和过载保护等,HP公司生产的加速度信号测量传感器芯片,2 测量信号处理方面,。,20世纪50年代以前，信号分析技术主要是模拟分析方法，进入20世纪50年代，大型通用数字,计算机在信号分析中有了实际应用,。当时曾经争论过模拟与数字分析方法的优缺点，争论的焦点是运算速度、精度与经济性。,。,进入20世纪60年代，人造卫星、宇航探测及通讯、雷达技术的发展，对信号分析的速度、分辨能力提出了更高的要求。1965年，美国库利和图基提出了,快速傅里叶变换,（Fast Fourier Transform，FFT）计算方法，使计算离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）的复数乘法次数从,N,2,减少到,Nlog,2,N,次，从而大大减少了计算量。这一方法促进了数字信号处理的发展，使其获得了更广泛的应用。因为卷积可以利用DFT来计算，故FFT算法也可用正比于,Nlog,2,N,的运算次数来计算卷积，而卷积运算在电子计算机科学和其它一些领域都有着广泛应用。,。,20世纪70年代以后，大规模集成电路的发展以及微型机的应用，使信号分析技术具备了广阔的发展前景，许多,新的算法不断出现,。例如，1968年美国雷德提出数论变换FFT算法（Number theoretic transforms FFT，简称NFFT）；1976年美国威诺格兰德提出了一种傅里叶变换算法（Winograd Fourier Transform Algorithm，简称WFTA），用它计算DFT所需的乘法次数仅为FFT算法乘法次数的13；1977年法国努斯鲍默提出了一种多项式变换傅里叶变换算法（Polynomial transbrm Fourier Transform Algorithm，简称PFTA），结合使用 FFT和 WFTA方法，在采样点数较大时，较之FFT算法快3倍左右。上述几种方法与DFT方法比较：当采样点,N=1000,时，DFT算法为200万次；FFT算法为14万次；NFFT算法为08万次；WFTA算法为035万次；PFTA算法为03万次。,此外，,信号处理芯片（DSP）,是近年来出现的一种用于快速处理信号的器件。它的出现，对简 化信号处理系统的结构，提高运算速度，加快信号处理的实时能力等，有很大影响。美国Texas公司1986年推出的TMS320C25芯片，运算速度达每 秒1000万次，用其进行1024复数点FFT运算，只需14ms便可完成。这一进展，在图像处理、语言处理、谱分析、振动噪声和生物医学信号的处理方 面，展示了很宽的应用前景。,。,目前信号分析技术的发展目标是：（1）在线实时能力的进一步提高；（2）分辨力和运算精度的提高；（3）扩大和发展新的专用功能；（4）专用机结构小型化，性能标准化，价格低廉。,Agilent公司数字化信号分析仪器,进入20世纪90年代后，随着个人计算机价格的大幅度降低，出现了用PC机仪器板卡应用软件构成的,计算机虚拟仪器,。虚拟仪器采用计算机开放体系结构来 取代传统的单机测量仪器。将传统测量仪器中的公共部分（如电源、操作面板、显示屏幕、通信总线和CPU）集中起来用计算机共享，通过计算机仪器扩展板卡和 应用软件在计算机上实现多种物理仪器。虚拟仪器的突出优点是与计算机技术结合，仪器就是计算机，主机供货渠道多、价格低、维修费用低，并能进行升级换代； 虚拟仪器功能由软件确定，不必担心仪器是否能永远保持出厂时既定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过更换应用软件来拓展虚拟仪器功能， 适应科研、生产的需要；另外，虚拟仪器能与计算机的文件存储、数据库、网络通讯等功能相结合，具有很大的灵活性和拓展空间。在现代网络化、计算机化的生 产、制造环境中，虚拟仪器更能适应现代制造业复杂、多变的应用需求，能更迅速、更经济、更灵活地解决工业生产、新产品实验中的测试问题。,三、教学目的,1、具有选择传感器的能力。,（工作原理，性能指标，应用场合）,2、具有能组成自动检测单元电路的能力。,3、对自动检测系统中的技术问题具有一定处理能力,（可靠性，抗干扰）,第一章、测量的基本知识,1.1 测量的基本概念,一、测量,人们在认识自然界的过程中，从各个不同方面采用各种不同的方法进行观察和研究自然界的规律。其中常用的方法是收集研究对象在数量上的信息，即对研究对象进行测量。测量一个变量与另一个变量之间的关系，如变化曲线、图表等。从而掌握被测对象的特性、规律或控制某个过程等等。,测量的过程实质上是一个比较的过程。在进行测量时，把被测量与一个被选为测量单位的标准量进行比较，从而确定被测量对标准量的倍数，并以数字表示这个倍数。选定的标准量应该是国际上或国家所公认的，而且必需稳定。,二、测量基本方程,设被测量为,X,，其标准单位为,Q,，二者比值为,x,0,（无量纲的数值），则测量过程可用数学形式描述如下：,上式称为测量的基本方程式。式中数字化后的比值,x,0,称为被测量的真实数值，简称真值。因为在实际求取比值时，只能拥有限位数的数字来表示，并且在测量过程中必然存在各种误差,故测量的基本方程式为：,从上式可以看出，测量过程有三要素,1、测量单位2、测量方法3、测量仪器,通过测量可以得到所需的测量值，然而测量目的还未全部达到，为使测量值精确，还需要对测试结果进行数据处理与误差分析，估计所得结果的准确性。,1.2 测量的基本方法,测量方法指被测量与其标准单位进行比较的具体方法。,测量方法的分类多种多样，,按被测量变化的快慢可分为静态测量与动态测量，,按测量手段可分为直接测量和间接测量；,按测量方式可分为偏差式测量，零位式测量和微差式测量。,一、直接测量和间接测量,1、直接测量,直接测量通常测量仪器已标定好，用它对某个未知量进行测量时，就能直接读出测量值，称为直接测量。例如，用磁电式仪表测电流、电压；用弹簧管式压力表测量锅炉压力等就属直接测量。,直接测量的优点：测量过程简单、迅速，缺点是测量精度不容易达到很高。这种测量方法在一般的工程中大量采用。,2、间接测量,首先确定被测量的函数关系式，然后用标定好的仪器测量函数关系式中的有关量。最后代入函数关系式进行计算，得到被测数，称为间接测量。,例如，测量导线电阻率。其函数关系式为：,需要先直接测量导线的电阻R，导线长度率l和导线直径d，然后代入上式，求出电阻率的值。间接测量广泛用于科学实验中。,二、偏差式测量、零位式测量及微差式测量,1,、偏差式测量以仪表指针相对于表盘上刻度线的位移（相对初始点的偏差）来直接表示被测量值的测量方法，称为偏差式测量。用偏差法测量的指针式仪表，其表盘上的刻度是用标准量具标定过的。,又如，用磁电式电流表测量电路中的电流，当有电流流入电流表时，在电磁力的作用下，经传动机构带动指针转动，并压缩表内的弹性元件，若弹性元件的反作用力矩与电磁力矩平衡，指针就稳定指示在刻度金的某个位置。若该电流表的刻度已用标准量具进行校准，则该位置就对应于所测电流的值。,特点：结构简单、直观、经济，应用广。但其精度较低，且要消耗被测对象的部分能量，损失部分信号。目前工程测量中，大多数的测量仪器均依据此原理。,2、零位式测量（又称平衡式测量）。在测量过程中，用指零仪表的零位指示平衡状态，而在检测过程中是通过改变可知的基准量与被测量达到平衡状态，从而决定被测量的值，这种检测方法称为零位式测量。,如天平测量重量就是零位法的典型例子，其中的砝码就是已知的标准量。,又如，用电位差计测量电势，也属于零位式测量法，如图所示,在进行测量前，应先调节,Rl,，校准工作电流,I,。,测量时，接入被测电压,U,x,，使与基准电压,U,k,进行比较，差值,U,为：,U=Ux,U,k,作为检零放大器,G,输入信号，其输出电压,U,G,控制伺服电动机。通过小型减速装置带动电位计滑动触头,A,及指针，从而亦改变基准电压,U,k,，直到,U=0,，系统达到新的平衡。此时,U,k,的指示值即为被测电压,U,x,、,2、微差测量法,例：图中L为被测物体长度，l为量块尺寸，尺寸a的测量误差不超过,二、检测系统的基本特性,检测系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。当检测的目的、要求不同时，所用的检测装置差别很大。简单的温度检测装置只需一个液柱式温度计，而较完整的动刚度检测系统，则仪器多且复杂。本章所指的检测装置可以小到传感器，大到整个检测系统。,在测量工作中，一般把研究对象和测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量,x(t),、系统传输特性,h(t),和输出,y(t),三者之间的关系,对测试系统的基本要求,理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。 其中以输出和输入成线性关系最佳。许多实际测量装置无法在较大工作范围内满足线性要求，但可以在有效测量范围内近似满足线性测量关系要求。,为了获得准确的测量结果，需要对检测系统提出多方面的性能要求。这些性能大致包括四个方面的性能：静态特性、动态特性、负载效应和抗干扰特性。对于那些用 于静态测量的检测系统，一般只需衡量其静态特性、负载效应和抗干扰特性指标。在动态测量中，则需要利用这四方面的特性指标来衡量测量仪器的质量，因为它们 都将会对测量结果产生影响。,检测系统的基本特性分为静态特性和动态特性,静态特性：,当被测量的数值处在稳定状态时，根据测量装置的输入输出关系所确定的性能参数称为静态特性。（被测量不变或变化缓慢）,动态特性：,测量装置在测量动态信号时，根据装置传递函数和频率响应函数所确定的性能参数称为动态特性。（被测量变化迅速）,1.4 检测仪表的基本性能指标,目的：评价仪表质量好坏，便于选用适合的仪表,静态指标,：被测量稳定，变化缓慢（灵敏度，线性度，重复性）,动态指标,：测量变化较快（响应时间，超调量）,温度、压力等对静态性能要求高,冲力、震动等对动态性能要求高,一、测量范围与量程,测量范围：有效精度范围,量程：,已知测量范围，可得到量程。但已知量程却不能得到测量范围，所以一般只告诉测量范围。,二、仪表的基本误差,基本误差规定工作条件下使用所产生的误差,附加误差不正常工作条件下使用所产生的误差,例如测电压,真值A示值X,第一次100V101V1V1%,第二次20V19.2V-0.8V-4%,1、 绝对误差,2、相对误差,3、 引用误差,(为了比较两块仪表在某点上测量精度),4、最大引用误差,例：测量电压，设L=250,示值50V100V150V200V250V,x+1V+2V-1.5V+2.5V+1V,这时,仪表精度等级有,: 0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，5级,1级表说明该仪表,0.5级表说明该仪表,5、允许引用误差Q,应用误差允许值,若则仪表合格,三、静态指标,对于一个测量系统，其静态特性可由一个多项式来表示仪表输出与输入之间的关系,1、线性度,通过校零使,则：,1）理想情况,：,2）实际情况：,线性度误差：,2、灵敏度,特性曲线斜率,3、回差,原因：能量吸收，机械磨损，间隙,4、重复性：概率正态分布,5、飘移,6、可靠性,平均无故障时间,T1,平均修复时间,T2,四、动态指标,阶跃响应、响应时间、超调量等等,1.5误差分析与数据处理,一、测量误差,1、可知真值的情况：,1）理论真值,2）计量学约定真值,3）标准器的相对真值,2、检测装置的精度,检测装置的精度包括精密度、准确度和精确度三个内容。,1精密度,在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度即分散程度，,它反映了随机误差的大小,。,2准确度,它表承测量仪器指示值对真值的偏离程度，,它反映了系统误差的大小,。,3精确度,它是精密度和准确度的综合反映，,它反映了系统综合误差的大小,，并且常用测量误差的相对值表示。,3、误差分类（按性质）,系统误差：,在同一条件下多次测量同一量时，误差的大小和符号保持恒定或按确定的规律变化。系统误差特征：规律性，产生原因可知性,随机误差：,在相同条件下多次测量同一量时，误差的大小和符号均按不可确定方式变化，没有确定的变化规律，但随即误差在多次测量的总体上符合统计规律，因此可以通过统计学的方法来研究这些误差并估计其影响。,粗差：,明显歪曲测量结果，主要因测量方法不当，粗心，读错数，有粗差的测量值称为坏值，应剔除,运用误差理论要解决：,a1),判断一组测量值中是否隐含系统误差，以便采取措施予以补偿,b2),判断一组测值中是否存个别粗差，以便舍去粗差,c3),对上述处理后的数据，在完全符合随机误差的条件下，确定其最佳估计值和误差范围,（工具：数理统计的理论和方法）,4、随机误差,在任何测量过程中，只要仪表有足够高的灵敏度，就会显示出随机误差,随机误差在实践中最常见的误差分布是正态分布。,正态分布随机误差有如下性质,：,11）,对称性：,正负误差出现的机会相同,22）,单峰性：,误差为,0,出现机会最多,33）,有界性：,随机误差绝对值不会超过一定限度,44）,抵偿性：,相同条件下，测量次数,n,，正负误差出现的机会相同，误差代数和为,0,正态分布解析方程：,（,2,）算术平均值,（,3,）标准偏差,方差：,标准偏差：,标准偏差的意义：（分散度）,（,4,）置信区间置信概率,置信区间：随机变量的取值范围，,置信概率：,置信区间内的取值概率,K,P,0.6745,0.5,1,0.6827,2,0.9545,3,0.9973,（,5,）等精度测量结果的正确表示,前提：等精度，独立的，有限的测量列，没有系统误差和粗差,（,6,）粗差的判别与坏值的舍弃,P,n,k,0.95,3,1.15,0.95,10,2.18,0.95,60,3.03,5、系统误差,（1）系统误差的分类,恒值系统误差：出现数值大小和符号都不变的系统误差,例如用二级标准加速度传感器时，规定使用温度为202，而T=28,变值系统误差：,A）累积性变化系统误差：随时间次数的增加，误差按一定比例增加,B）周期性变化系统误差：误差的大小符号按周期性规律变化,C）复杂规律变化系统误差：按复杂规律变化，比如按指数规律,（,2,）系统误差对测量结果的影响,（,3,）系统误差产生原因,（4）系统误差的消除,为获得正确的实验结果，就必须建系统误差控制在一定的范围内。由于产生系统误差的原因是多方面的，要想完全消除系统误差是不可能的，只能采取一些方法减小这种误差。,变值系统误差的消除,累积性系统误差的消除：（等距离观察法）,例：电压表测电压，测量前调零，系统存在零漂，求被测电压与标准电压源之差,所求量值之差不受累积性系统误差影响。,周期性系统误差的消除,周期性系统误差的特点是每半周期产生误差大小相等，方向相反，所以一对相隔半周期的两侧量值均值不含此项误差。,第二章、电阻式传感器,一、电位器式传感器,滑线式,骨架式,半导体式,液体触点式,常用电位器式传感器有直线位移型，角位移型和非线性型,非线性电位器,电位器式传感器灵敏度,可以采取负载隔离的措施，如图所示,电位器式传感器变换电路（以线性电位器为例）,二、 电阻应变传感器,如图所示，应变片主要由金属丝栅（敏感栅）、绝缘基片及覆盖片三部分组成、,金属丝栅两头焊有引出线，作连接测量导线用。,敏感栅由直径约0.010.05mm高电阻系数的细丝弯曲而成栅状，用粘合剂将其固定在基片上。,基片应保证将试件上的应变准确地传递到敏感栅上去，基片材料有纸、胶膜、玻璃纤维布等。,引出线一般由0.10.2mm低阻镀锡铜丝制成。,当电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值也相应发生变化，这一物理现象就是应变效应,应变效应：,1、分类,金属应变片有,:,丝式和箔式,优点,:,稳定性和温度特性好,.,缺点,:,灵敏度系数小,.,应变片的材料选择：,1、,K,应尽量的大，并在应变范围内保持常数。,2、电阻率要大，使得应变片栅状总长减小,3、电阻温度系数要小，使得应变片受发热影响小。,4、优良加工焊接性能，使应变片拉压自如,主要特性参数：,1、灵敏系数,：,表示单位应变的电阻相对变化率。,3、初始电阻：自由状态下的应变片阻值，一般有：,60,，,120,，,320,4、允许电流：流过应变片的阻值应小于,25mA,5、其他常数：如：横向效应，零漂，机械滞后,6、最高使用温度,所以温度变化会对应变片的测量带来误差。,解决的办法就是在测量电路中加入温度补偿环节。,二、测量电路,应变片可以把应变转换为电阻的变化，为了显示和记录应变大小，还需要把电阻变化再转换为电压或电流的变化。,由于应变信号一般都很微弱，故采用电桥来测量,1、直流电桥不平衡输出,测量前应使电桥平衡，使,U,o,=0，即：,桥式电路中，四个电阻的任何一个都可以是应变片电阻,特点：相邻相减，相对相加,例题1：,R,1,R,2,R,3,R,4,例题2：如图所示，测量一个悬臂梁受力情况，若测量电路已经确定,试摆放4个应变片的位置,R,1,R,2,R,3,R,4,2、应变片电桥的一般组成,1）单臂工作：,以上说明：单臂工作时，输出电压与应变片电阻变化率之间是近似的线性关系，实际上是非线性关系。这会带来非线性误差。,若将输出电压的式子用泰勒级数展开,2）双臂工作（差动半桥）,通过上式，说明双臂工作时，如果差动双臂应变大小一致（极性相反），则不存在（或很小的）非线性误差，并可起到温度补偿作用。,3）三臂工作（同理）,4）四臂工作（同理）,3、其他问题,1）电桥的平衡点的调整,自由状态下进行,串联,并联,2）温度补偿：采用半桥或全桥,3）应变自补偿,四、半导体应变片,金属电阻应变片的缺点是灵敏系数低（k一般为2.03.6），半导体应变片k比金属电阻高约50倍。,1、工作原理：（压阻效应）,对半导体来说：当某一轴向施加一定应力，电阻率发生变化称为压阻效应，不同类半导体，不同加力方向，压阻效应不一样。,半导体应变片灵敏度高，K100可不用放大器，,但半导体应变片有明显缺点：阻值，灵敏度等随温度变化大，非线性大，所以使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。,案例：,桥梁固有频率测量,原理,在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,电阻传感器应用,案例：,电子称,原理,将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,第三章、电容式传感器,一、工作原理,二、分类,1、变面积（S）类型,2、变介质（）类型,3、变极距（d）类型,a) 极距变化型;,+,+,+,c) 介质变化型,b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.,+,+,+,+,+,+,3、变极距（d）类型,如图所示,三、差动式电容传感器,提高灵敏度，减小非线性，克服温漂。,1、工作原理,两电容接成差动形式，,练习题：,1、,解释测试系统的静态特性和动态特性？,2、,金属电阻应变效应的表达式和物理意义是什么？,3、,为连续测量轧制钢带的厚度d，在钢带的上下两侧距钢带d1和d2处平行钢带各设置一块极板A，B，若以极板A，B联结为一极，钢带为一极构成电容器，以电容器电容值,C,来反映钢带厚d若以极板A，B各为一极，以电容器电容值,C,AB,来反映钢带厚d,（设极板AB之间的距离为D）,请：,l）写出,C,和钢带厚d间的关系式。,2）写出,C,AB,和钢带厚d间的关系式。,3）若钢带在极板 AB间上下摆动，分别说明对 C、CAB两种检测有什么影响？,1、答：,静态特性：当被测量的数值处在稳定状态时，根据测量装置的输入输出关系所确定的性能参数称为静态特性。（被测量不变或变化缓慢）,动态特性：测量装置在测量动态信号时，根据装置传递函数和频率响应函数所确定的性能参数称为动态特性。（被测量变化迅速）,2、答,（,略）,3、答：,1）A,B连在一起，相当于两个电容并联,2）若A，B各为一极，相当于两个电容串联,3）当钢带在极板之间上下摆动，这相当于k在发生变化，k的变化将对C的检测结果产生影响，从而带来误差。而对C,AB,来讲，它跟k无关，所以钢带的上下摆动对C,AB,的检测不会带来任何影响。,三、电容的边缘效应,补偿措施：增加保护环,消除边缘效应，提高精度,四、测量范围,3.3 电容传感器的测量电路,一、电桥电路,差动接法：,二、差动脉冲调宽电路,电容传感器的特点,电容传感器的优缺点：,优点：,1、需要的动作能量低,2、可获得较大的相对变化量,3、能在恶劣的环境条件下工作,4、本身发热影响小,5、动态响应快,缺点：,1、输出特性为非线性,2、泄漏电容影响较大,影响电容传感器应用的关键问题在于：如何消减泄漏电容给测量带来的影响传感器的电容量及其变化量一般是小于泄漏电容量，泄漏电容是由支持构件及连接电缆所引起的。这些泄漏电容不仅降低了转换效率，还将引起误差。将处理信号的电子线路安装在非常靠近极板的地方可削弱泄漏电容的影响。,4.2 电容传感器的一些特殊问题,一、用加云母片的方法提高灵敏度与耐压,（另一方面，加云母片之后，还可以防止极板短路）,书P91,因此，加云母片由两个目的：增大灵敏度和提高耐压,点此跳转至温度传感器,三、调频电路,特点：1、灵敏度高，分辨率高（分辨率0.01pF）,2、特性稳定，抗干扰性好。,3、电路复杂，非线性,四、谐振电路,工作点选在谐振曲线一侧70%附近,特点：1、工作点不易选取，范围窄,2、对振荡器频率稳定度要求高,3、灵敏度很高,3.4 应用介绍,案例：,电容传声器,案例:,液面高度测量,第四章、电感传感器,电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量,习惯上讲，电感式传感器常指自感式传感器，而互感式传感器是由于它利用变压器原理并制成差动式，故常称为变压器式传感器。,4.1 自感传感器,一、工作原理,实质上就是一个带铁心的线圈，它是利用机械量变化会引起线圈磁路磁阻的变化，从而导致电感变化这一物理现象。,由此可见，当线圈匝数一定，导磁系数一定，,改变,变化。因此自感传感器又可分为变气隙式和变气隙截面积,二、变气隙厚度式（输出特性）,设初始电感,1、当衔铁下移：,2、当衔铁上移：,展开得：,可见二次以上高次项是造成非线性主要原因,另外，自感型传感器由于衔铁和电磁铁心之间存在着较大的电磁吸力，这也会给使用带来不便，并可能引入误差。,对于变面积型的，其自感与磁导材料截面积呈线性关系，但灵敏度较低。,如图，列举了可变磁阻式传感器的四个典型结构,为了减小非线性误差，通常做成差动式，且接成电桥形式,如图所示,显然差动形式具有以下优点：,1、灵敏度提高一倍：,2、非线性减小,作用：将电感变化转变为电压或电流的变化,1、交流电桥式测量电路,如图所示：一个高Q值,差动式传感器,三、测量电路（差动）,2、变压器式交流电桥,二者大小相等方向相反，但由于U是交流电压，故无法加以分辨。,3、带相敏整流的交流电桥,4.2 差动变压器（互感传感器）,差动变压器式电感式传感器的一种，它把被测位移量转换为传感器互感的变化。,互感传感器,自感传感器,差动变压器本身是一个变压器，在其初级线圈加入交流电压后，其次级线圈即感应产生电压信号，当互感有变化时，感应电压也产生相应的变化。由于这种传感器常常做成差动形式，故把它称为差动变压器。,差动变压器的结构形式较多，目前应用最广的是螺管式的差动变压器。,一、工作原理,如图所示，如果两次级线圈输出接成反向串联，这时传感器输出,，因两次级线圈一样，故当铁心处于中央位置时，,，,当铁心移动时，,随位移,成线性增加，其特性曲线如图所示,其特性成,字形，如测得,，就可得到与,成比例的线性读数。,一般不直接用输出u,2,作为传感器的输出电压,二、等效电路,当次级开路时：,这样差动变压器又可以等效为电压U2和输出阻抗z的电动势源,三、零点残余电压及其消除,由于次级反向串联，因此铁心位于中央时，输出应为0，但实际上输出电压并不为0，而是零点残余电压。,原因：1、两次级线圈不对称,2、铁磁材料磁饱和（引起输出电压有高次谐波）,3、励磁电压波形中含高次谐波,措施：1、提高对称性,2、相敏整流电路,3、采用补偿电路（图）,四、线性范围,骨架长度的,（中间部分）,五、灵敏度,除结构材料外，与一次侧电源关系较大,1、灵敏度与激励电压幅值V,1,因此V,1,应在允许发热下尽可能的大。,2、,六、测量电路,a) b)电流输出,c) d)电压输出,a)等效电路,（其余电路请自行分析）,4.3 涡流传感器,基于法拉第电磁感应现象，块状金属导体置于变化着的磁场中时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应,根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式,一、基本原理与等效电路,线圈通电i,产生交变磁场,金属中产生涡流,产生反向磁场,线圈电感变化,测量电感变化,等效电路：,s,s,L,j,R,l,r,M,L,L,j,l,r,M,r,R,I,U,z,I,w,w,w,w,w,w,+,=,+,-,+,+,+,=,=,),(,),(,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,1,1,1,2,，整理得,消去,二、涡流传感器的结构形式,三、电涡流的形成范围与导体选择,1、涡流与距离x关系,2、涡流场径向分布,3、电涡流的贯穿深度,4、金属导体的选择,涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。,(2) 高频反射式涡流传感器,高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,(3) 低频透射式涡流传感器,低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,涡流式传感器的应用,涡流式传感器的应用,涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量，它可实现非线性测量。下图是用涡流式传感器测厚和用涡流式传感器进行零件计数的例子。,第五章、温度测量,第一节、热电效应及其热电偶测温原理,热电效应,不同性质的两导体A,B组成如图所示闭合回路，两结点分别处于不同温度，回路中会产生热电势，这种现象称作热电效应。两导体的组合称为热电偶。,在温度测量中，随有许多不同的测量方法，但利用热电偶作为变换器应用最为广泛,。,主要优点：,1、构造简单：由两种不同性质的导体和半导体构成,2、较高的准确度：直接与被测物体接触,3、测量范围宽：常用-501600，特殊场合：-1802800,4、良好的敏感度：可以做的很小，能获得较小的热容量,5、使用方便：电极不受大小形状限制,热电偶产生的热电势由两种电势组成,1、导体内的温差电势（汤姆逊电势）,当同一导体的两端温度不同时，由于高温端的电子能量比低温端的电子能量大（动能大），因此从高温端跑到低温端的电子数目比从低温端跑到高温端的电子数目多得多，最终在低温端聚集了更多的电子而带负电，在高温端则由于缺少电子而带正电。这样在高温端和低温端之间就形成了电场，这个电场将阻止电子的进一步移动，最终达到一种动态平衡。,这表明：热电偶回路的温差系数只与电极材料A,B和两结点温度T，T,0,有关，而与热电极几何尺寸形状无关。,2、导体间的接触电势（珀尔电势）,相互接触的两个金属导体，由于自由电子密度不同（NANB），在结点处发生电子扩散。电子在两个方向上扩散的速率不同，从A到B的电子数目比从B到A的多，结果A因失去电子而带正电荷，B得到的电子带负电荷，在AB接触面上形成从A到B的静电场。这个电场阻碍扩散作用继续进行，并加速电子反向转移。在一定温度下，达到动态平衡。,3、回路内总热电势,二、有关热电偶的几点结论,T,1,T,2,T,3,(1，3),（1，2）,（2，3）,500,300,100,4mV,2mV,2mV,500,200,100,4mV,3mV,1mV,500,800,100,4mV,-3mV,7mV,500,0,100,4mV,5mV,-1mV,用途：选电极,一般以铂为基准,例1：铂铑,30,+铂-,铂铑,10,+铂-,铂铑,30,+铂铑,10,-,例2：铂铑,30,+铂-,铂+镍铝-,铂铑,30,+镍铝-,三、 热电偶的冷端补偿,由热电偶测温的原理可知，（只有当热电偶的冷端温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单值函数，）,在应用时，由于热电偶工作端与冷端离得很近，而且冷端又暴露于空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此采取以下措施：,（一）、补偿导线（冷端延长线）,（热电偶当然可做的很长，但消耗大量贵金属，故一般用一种导线将冷端延伸出来，这种导线在一定温度范围内（0100）具有和所连接的热电偶相似的热电性能，而其材料廉价。）,如Tn稳定，延长线一般用铜导体,如Tn不稳定，延长线选用专用延长线,注意：,1、延长线与热电偶信号必须匹配,2、极性不能相反，否则误差更大,3、连接处两结点温度必须相同，且低于100,（二）、冷端温度校正法,热电偶温度与热电势关系曲线见课本P113 图6-4,该曲线是以冷端为0时得到的，配套仪表以此曲线刻度，故需要校正,实测,修正值,（三）、冰浴法,将冷端置于0的冰水中,（四）、热电偶补偿法,加装补偿热电偶，补偿热电偶材料可以与测量热电偶相同，也可以是补偿导线。,（五）、补偿电桥法,利用不平衡电桥产生的电动势来补偿因冷端温度变化而引起的热电动势变化。,四、 热电偶的测温线路,一、测量某点温度的基本电路,如图所示，只要C的两端温度相等对测量精度无影响。,二、利用热电偶测量两点之间温度差的连接电路,如图所示，两个同型号的热电偶配用相同的补偿导线，通过接线使得两热电动势相互抵消，从而测得温度差值。两热电偶冷端温度必须相同。,a)图中，输入到仪表两端的毫伏值为三个热电偶输出热电动势的平均值，每个热电偶需串联较大电阻,特点：仪表分度跟单配一个热电偶一样，缺点是当某一热电偶烧断时，不易察觉。,b)图中，输入到仪表两端的热电动势为三个热电偶热电动势总和，因此可直接从仪表读出平均值。,特点：热电偶烧坏可以可知道，还可获得较大的热电动势。,三、利用热电偶测量设备中的平均温度,第三节、热,电阻传感器,几乎所有物质的电阻率都随其本身温度的变化而变化，这种现象称为热电阻效应。,热电阻传感器就是利用电阻随温度变化的特性而制成的传感器。,一、电阻与温度的关系,二、热电阻,纯金属是热电阻的主要制造材料。虽然大多数金属均有一定的温度系数，但作为热电阻材料应具有以下特性：,1）电阻与温度具有良好线性关系，温度系数大而稳定,2）电阻率高（使得元件体积变小，热容量小）,3）在使用温度范围内，材料物理性质和化学性质稳定,4）复现性好和工艺性好,目前世界上大都采用铂和铜作为热电阻材料,1、铂（作为基准，适用范围-,200 650,）,特点：在氧化介质中，甚至高温环境下，其物理化学性质都很稳定，,因此铂被认为是一种理想的热电阻材料，所以1968年国际实用温标中规定从-,259.34 630.74,范围内，以铂电阻为标准仪器（耐氧化，稳定性好，精度高，作为标准电阻）,目前国内统一设计一般工业用标准铂电阻Pt50，Pt100，即R0值为50和100,Pt50，Pt100为分度号，是将Rt值与t的关系列成表格称为分度表，分度号分别为Pt50，Pt100。,铂电阻的复现性取决于材料的纯度，铂的纯度通常用百度电阻比W(100)来表征,即：W(100)=R100/R0,式中：R100表示水的沸点时电阻值，R0表示水冰点时的电阻值,纯度越高，百度电阻比W(100)越高,1968年国际温标中W(100)1.3925,一般工业常用1.3871.390,目前可提纯到1.393，相应的铂纯度为99.9995%,2、铜,铂是贵金属，在一些测量精度要求不高且温度较低的场合（-50150）普遍采用铜电阻。,铜电阻的优点：,1）在（-50150）范围内，铜电阻与温度成线性关系,2）电阻温度系数高，,3）易提纯，价格低,缺点是电阻率低，所以制成一定阻值时电阻丝较细、较长，这使得热电阻体积较大。机械强度降低。分度号CU50，CU100，W(100)1.425,三、热电阻的测量电路,1、测量电路,1）起点校正：,2）满程校正：,3）正常测量：,2、二线制与三线制,热电阻结构,二线制、三线制、四线制,二线制改三线制,1）不平衡电桥三线制接法,3、实用电路,三、热敏电阻,（一）热敏电阻的阻值温度特性,一条指数曲线：,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示,（二）分类,按电阻温度变化特性，热敏电阻分三种类型,1、负温度系数热敏电阻（NTC）:线性度较好，用于温度测量,2、正温度系数热敏电阻（PTC）:,3、临界温度热敏电阻（CTR）,后二者用于温度开关，温度保护等场合,（当温度高于居里点，材料结构发生相变）,PTC，CTR虽不能作为广温度范围的温度传感器使用，但用于检测是否超过特定温度（电阻急变的温度）是方便的。例如，PTC上流过电流就发热，若超过急变温度，电阻就变大，电流变小而不发热，所以装在恒温器上能保持一定的内部温度；装在干燥器上使其起到温度开关的作用。,（三）特点（与金属热电阻比较）,优点：1、体积小（现已作出10-2cm的珠状热敏电阻），价格便宜）,2、阻值大，灵敏度高（电阻率高大阻值，小体积，为铂的12倍）,缺点：1、测温范围小（-100300），非线性大（指数规律，非线性严重）,2、互换性差，稳定性差（同一型号产品特性参数差异大）,（四）伏安特性,1）NTC:,oa：线性工作区,ab：非线性工作曲,bc：非线性负阻区,但流过热敏电阻的电流很小时，热敏电阻伏安特性遵循欧姆定律。但电流增大到一定时，由于热敏电阻本身温度升高时热敏电阻出现负阻特性，虽然电流增大，但其电阻减小，端电压下降,所以使用热敏电阻时，要尽量减小电流，而且不能把热敏电阻并联使用,2）PTC,应用,温控器,热敏电阻,第六章、磁电传感器,1、基本原理：,把被测量转换为感应电动势,对于一个匝数为W的线圈，,磁电传感器按结构不同分为动圈式与磁阻式,2、动圈式：,3、磁阻式,测转速,测偏心,测震动,由于磁电传感器输出电动势大小与运动速度呈正比，实质上只是测速传感器，,速度量,经积分之后得到,位移量,，,速度量,经微分之后得到,加速度量,，所以实际测量中也用来测位移和加速度。,K=1，积分，测位移,K=2，比例，测速度,K=3，微分，测加速度,4、磁电式速度传感器工作原理,第七章、压电式传感器,一、压电效应,当某些单晶体或多晶体陶瓷在一定方向上受到外力作用时，在某两个对应的晶面上，会产生符号相反的电荷，当外力取消后，电荷也消失。作用力改变方向（相反）时，两个对应面上电荷符号改变，该现象称正压电效应；反之，某些晶体在一定方向上受到电场（加电压）作用时，在一定的晶轴方向上将产生机械变形，外加电场消失，变形也随之消失，该现象称逆压电效应。,压电式传感器的工作原理是基于某些电介质材料的压电效应。它是典型的有源传感器。电介质材料中石英晶体（SiO2）电介质是最常用的压电材料。还有一类人工合成的多晶体陶瓷电介质，如钛酸钡、铁钛酸铅等，也作为压电材料得到应用。,二、压电式传感器及其等效电路,压电式传感器中的压电元件是石英晶体切片或压电陶瓷，当受力作用后，在相应的两块电极板表面上出现异性电荷Q，两电极板间有电位差，即电压U,O,；压电材料是电介质（绝缘材料），故压电