检测与转换.docx

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检测与转换

测量：

采用各种手段将被测量与同类标准量进行比较，从而确定出被测量大小的方法。

误差：

测量结果与被测量真值的差别。

根据获得测量结果的方法不同，可以分为直接测量、间接测量和组合测量。

直接测量：

在仪表上直接读出被测量的大小而无须经过任何运算。

如汽车油位表、油温表.优点：

简单、迅速缺点：

精度差

间接测量：

首先测出与被测量有确定函数关系的物理量，再经过函数运算求出被测量的大小。

如：

测电阻率

组合测量：

又称“联立测量”，即被测物理量必须经过求解联立方程才能导出结果。

举例：

测量一金属导线的温度系数

根据测量条件相同与否，分为等精度测量和不等精度测量。

等精度测量：

在测量过程中，影响测量误差的各种因素不改变。

例如测量一高炉的温度

不等精度测量：

改变测量条件的测量。

例如对瓦斯检测仪器进行温度试验

其它测量方法⑴接触测量和非接触测量⑵静态测量和动态测量

1.算术平均值：

2.几何平均值：

3.均方根平均值：

衡量检测装置性能的指标主要有精度，稳定性等等.

1.精度：

⑴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（离散程度）.反映了随机误差的大小

⑵准确度——它表示测量仪器指示值对真值的偏离程度.反映系统误差的大小

⑶精确度——它是精密度和准确度的综合反映.反映系统综合误差的大小

2.稳定性：

测值随时间的变化程度

零点漂移：

在一定条件下，保持输入信号不变，输出信号随时间而变化

灵敏度变化：

时间t延长,灵敏度下降.灵敏度的衰减反映使用的寿命指标！

对任何一个测量系统，在一定条件下，输出输入存在着一定的函数关系，即静态特性

一般形式有：

灵敏度——传感器或检测仪表在稳态下输出量的变化量△y与输入量的变化量△x之比，用K表示

分辨率——灵敏度阈值，引起输出量产生微小变化所需的最小输入量的变化量,1.对数字显示的测量系统，分辨率是数字显示的最后一位所代表的量度。

2.对指针式测量仪表，分辨率与人们的观察能力和仪表的灵敏度有关。

线性度——检测输入输出特性对理想线性输入输出特性的近似程度。

用实测输入输出特性与理想输入输出特性的最大偏差对量程之比的百分数表示。

线性度=

滞环——说明测量系统正向（输入量增大）和反向（输入量减小）特性不一致的程度

最大滞环误差率：

重复性—在同样的工作条件下，输入按同一方向作全量程多次（三次以上）往复变化时，测量系统刻度特性曲线的一致性

动态特性是描述系统输入输出与时间的关系。

常用微分方程表示。

一阶检测系统又称惯性系统，它的运动方程

y—输出量x—输入量f—阻尼系数K—常数（动力学的刚度系数）

检测系统的传递函数为：

T=f/K称为时间常数表示检测系统的滞后程度。

一阶检测系统在阶跃输入下的响应特性:

响应时间—输出达到稳态值的90%或95%所需的时间，时间常数T反映响应的快慢.

<1衰减振荡波形，=1临界振荡状态，>1惯性特性，超调量%=峰值/稳态值100%

误差的表示方法

绝对误差：

被测量真值，通常无法知道，常用较高精度的仪器示值代替

对误差的特征：

⑴具有量纲，与被测量相同⑵其大小与所取单位有关⑶能反映误差的大小和方向⑷不能反映测量的精细程度

相对误差：

绝对误差与被测量真值之比.

相对误差的特征：

⑴大小与被测量单位无关⑵能反映误差的大小和方向⑶能反映测量工作的精细程度

引用误差：

是一种特殊的相对误差表示法，常用于连续刻度的仪表中，实质给出仪表的最大绝对误差。

引用误差。

A满量程刻度值，xm测量中最大绝对误差

指示仪表通常按进行分类。

例如电工仪表按大小分为7级：

0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0

对一定级别的仪表，其绝对误差为一常数，x=A,不随示值刻度发生变化，但示值相对误差则不同，越接近仪表满刻度，示值相对误差越小，反之则越大。

测量误差的分类

系统误差：

在同一条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化。

这叫“系统误差”。

它又分为两类：

⑴恒值系统误差——指在一定条件下，大小和符号都保持不变的系统误差⑵变值系统误差——在一定条件下，按某一确定规律变化的系统误差。

根据变化规律有以下三种情况：

A.累进性系统误差。

指在整个测量过程中，误差的数值向一个方向变化。

B.周期性系统误差。

指在测量过程中，数值是按周期性变化的。

C.按复杂规律变化的系统误差。

指误差变化的规律复杂，一般用表格、曲线或公式表示。

产生系统误差的原因主要是：

⑴仪器不良，如零点未校准刻度不准；⑵测试环境的变化，如外界湿度、温度、压力变化等；⑶安装不当；⑷测试人员的习惯偏向，如读数偏高；⑸测量方法不当。

随机误差：

在一定测量条件下的多次重复测量，误差出现的数值和正负号没有明显的规律。

这叫“随机误差”。

这类误差是由许多复杂因素微小变化的总和引起的，分析较困难，对于某一次具体测量，不能在测量过程中设法把它去除。

疏失误差:

又称“过程误差”或“粗大误差”，简称“粗差”，这是一种由于测量人员的粗心或过度疲劳造成的误差。

具有疏失误差的测量值称为“坏值”，在实际计算中应舍去。

误差分析与处理方法

系统误差的判别

（1）恒值系统误差的判断a）实验对比法b）改变测量条件法c）理论计算与分析法

（2）变值系统误差的判断a）残余误差观察法b）残余误差之和相减法（马利科夫判据）:

系统误差的消除与削弱

（1）固定不变的系统误差消除法:

代替法交换法

（2）线性系统误差消除法：

最常用的方法是“对称测量法”（3）周期性变化的系统误差消除法：

可用半周期读数法：

（1）测量列的均方根误差

（2）算术平均值的均方根误差

测量结果的表示方法：

或

粗大误差产生的原因1）测量人员主观的原因:

包括测量人员的经验不足、操作不当、或工作过度疲劳或测量时不细心不耐心、工作责任感不强等等，造成了错误的读数或错误的记录。

2）客观外界条件的原因:

由于测量条件意外的改变，如机械振动、强电磁辐射或电网电压波动等，引起仪表示值或被测对象位置、性能的某些改变而产生误差。

莱依特准则：

设某一测量列中，测量值只含有随机误差，

根据随机误差的正态分布规律，其误差落在3以外的概率约为0.3％，所以若发现有残余误差有

则认为该测值xi是粗大误差，应予剔除。

误差分配原则是：

必须兼顾各环节可以达到的误差水平，合理地进行误差分配。

分配测量环节的误差应满足系统误差要求。

利用正负环节误差可相互抵消的特点，降低系统总误差，或采用质量较低的元器件

传感器的定义及组成

定义：

能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件——能直接感受或响应被测量的部分。

转换元件——将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。

测量电路（信号调节与转换电路）：

传感器的分类

（1）按外界输入的信号变换为电信号采用的效应分类:

利用物理效应进行变换为物理传感器如热敏电阻传感器

利用化学效应进行变换为化学传感器如催化气体传感器

利用生物效应进行变换为生物传感器如生化传感器

（2）按能量的传递方式分类：

有源传感器—无需外加电源便可将被测量转换成电量。

无源传感器—属能源控制型传感器，需辅助电源。

（3）按被测量对象分类:

速度（加速度）,力（力矩、压力），流速，液位，温度，湿度，光，电压，电流，浓度，气体成分，位移等传感器

（4）按工作原理分类:

电阻式,电容式,电感式,涡流式,光电式,应变式,压电式,热电式

传感器的发展趋势:

固态化趋向集成化和多功能化趋向图象化趋向智能化趋向

第一节电阻应变片

电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成电阻变化的检测元件.它由电阻应变片和测量线路两部分组成。

目前应用最广泛的电阻应变片有两种：

电阻丝应变片和半导体应变片。

温度补偿措施

应变片补偿法:

将两个特性相同的应变片，用同样的方法粘贴在同样材质的两个器件上，置于相同的温度中，承受应力的为工作片，不受应力的为补偿片。

应变片R1—测量元件,应变片R2—温度补偿元件.测量时，如温度变化两个应变片引起的电阻增量不但符号相同，而且数量相同，根据电桥平衡条件R1R4＝R2R3，电桥必然保持平衡。

应变片自补偿:

使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量等于零或相互抵消，从而不产生测量误差。

这是利用某些电阻材料的温度系数有正负特性，将这两种不同的电阻丝串联成一个应变片来实现的温度补偿，其条件是这两段电阻丝栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等，方向相反。

即这种温度补偿方法给应变片的应用带来了方便，但不易达到理想的效果，而且成本较高。

热敏电阻补偿法：

将热敏电阻Rt置于应变片相同的温度下，可以进行温度补偿。

2〉电桥分类

按输入电源分：

直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒流源电桥

按被测电阻的接入方式分：

单臂电桥—四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件，其它均为电阻；

差动电桥—四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥臂，这两个敏感元件在测量对象中，阻值变化大小相等，方向相反；

双差动电桥--四个敏感元件，分成大小相等、方向相反的两对。

相对臂电桥—四个桥臂中两个敏感元件是相对桥臂，变化大小相对，方向相同。

按桥臂电阻的配备方式分：

a）对称电桥：

串联对称电桥（第一类对称电桥）R1＝R2,R3＝R4

并联对称电桥（第二类对称电桥）R1＝R3，R2＝R4

等臂电桥R1＝R2＝R3＝R4又称“全对称电桥

b）不对称电桥：

不满足上述条件的电桥

按电桥的工作方式分：

平衡电桥：

满足R1R4＝R2R3不平衡电桥

不平衡单臂电桥的工作特性

单臂R1为敏感元件变化的电桥输出为：

电桥电压灵敏度：

非线性度：

差动电桥的工作特性

灵敏度

线性度

双差动电桥的工作特性

灵敏度

线性度

提高不平衡电桥输出线性度的方法：

采用差动电桥工作方式；电桥输出端串接一大阻值的电阻RL；采用恒流源供电方式；采用有源电桥方式

电桥调零

串联调零：

应用于R1、R2值较大的场合，此时，RW越小，对传感器灵敏度的影响越小。

并联调零：

该方式应用于桥臂电阻R2、R4值较小的场合。

此时，Rw越大，对桥路影响越小。

平板电容器的电容为

电容式传感器分为：

变极距型、变面积型、变介质型三类。

变极距型电容传感器

传感器灵敏度

可见，灵敏度与d2成反比，极距越小，灵敏度越高。

为减小非线性误差，该类传感器通常只用于微小位移的测量。

（0.005～0.01mm）

变面积型电容传感器

1>平行线位移传感器

2>角位移型传感器

此类传感器适用于较大线位移或角位移的测量。

变介质型电容传感器

互感传感器的应用1）呼吸测定2）流量测量3）气压测量

电涡流式传感器原理及应用涡流—块状金属在变化磁场中运动时产生的电流.

涡流传感器原理:

涡流大小与金属板的磁导率，电阻率，厚度以及激磁线圈与金属板的的距离、激磁电流的频率等参数有关，固定其中一些参数，就能根据涡流的大小测出另外的参数。

高频反射涡流传感器:

工作原理：

线圈通以高频交流电流I1，线圈周围产生交变磁通1，它通过金属板形成闭路。

金属导体便产生涡流i2，由于集肤效应，高频电磁场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅作用于表面的薄层内，电涡流i2除要消耗在金属板发热之外，还将产生交变磁通2。

根据楞次定律，2与1方向相反。

由于2的反作用，抵销部分1，故两个磁场叠加后，使原来的电感量减小，导致其阻抗的变化，随之线圈电流i1的大小和相位都要发生变化，变化的程度与x有关，据此可进行测量。

低频透射涡流传感器:

根据电路理论，由于集肤效应，金属导体产生的电涡流贯穿深度与传感器线圈激磁电流的频率有关。

频率越低，电涡流的贯穿深度越厚。

利用此原理，制成低频透射涡流传感器，适合测量金属材料的厚度。

工作原理：

图中L1为发射线圈L2为接收线圈，L1通入音频信号后，产生交变磁场。

磁力线在金属板上产生涡流I，涡流I产生的磁场抵销L1的部分磁力线，使L2接收的磁力线减少，感应电压U2减小，金属板越厚，涡流损耗越大，U2越小，由此可以检测出金属板的厚度。

涡流传感器的应用:

轴向位移测定;轴径向振动测量;线膨胀系数测量;接近检测开关;转速测量;零件数的检测;表面光洁度测量;大直径电涡流探雷器;偏心和振动检测;通过测量间隙来测量径向跳动;测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器;测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪;测量封口机工作间隙;间隙越大，电涡流越小;振动测量测量悬臂梁的振幅及频率汽轮机叶片测试;转速测量若转轴上开z个槽（或齿），频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为:

热电阻式传感器---利于导电物体的电阻率随温度变化的温度电阻效应。

主要用于温度以及与温度有关的参量的测量。

按照热电阻的性质可分为两大类：

金属热电阻－简称“热电阻”；半导体热电阻－简称“热敏电阻”

热电阻1.铂热电阻－－国际上公认的高精度测温标准传感器。

铂电阻是用很细的铂丝绕在云母支架上制成。

2.铜热电阻：

用于测量精度要求不高，温度范围在－50～150℃的场合。

★铜热电阻的优点是：

1.价格便宜2.铜的电阻与温度几乎是线性关系，即Rt=R0（1+t）3.电阻温度系数较大，＝（4.25～4.28）×10-3/℃★铜热电阻的缺点是：

1.电阻率较小，体积较大2.易氧化，使用环境要求高3.测量温度范围小

半导体热敏电阻—由金属氧化物（如锰、镍、铜和铁的氧化物）粉料按一定配方挤压成型，经过1000～1500℃高温烧结而成。

热敏电阻的优点是温度系数大、体积小、热惯性小。

热敏电阻是非线性电阻。

主要表现在电阻值与温度间呈指数关系；电流随电压的变化不服从欧姆定律。

按半导体电阻随温度变化的特性分为三种类型：

1、负电阻温度系数热敏电阻2、正电阻温度系数热敏电阻3、临界温度热敏电阻