传感器与检测技术的理论基础

第1章 传器与感测技术检理的基论

础1.1测量概 论12 测量.据数估的计处和理

第章 1传与检感测技术理论的基础.11 测量论在科概技术高度发学的达代现会社中,人类 已入进息万 瞬的变信时息。人们在从代事业生产工和科学实等验动中, 活主要靠对依信资源息开发的获、取传、输和处理传感器。处于 究研对象测与系控统接的位口, 是臵知、获感取与测信 检的窗息, 口一切学科验实生产和过,程特别 自是检测动自 和控动系统制获取要的息信 都,要通传过器将感其转为容换 传易输与理的处信号电。

在工程实践

和学实验科提中的检出任务是正确测时地掌握 各及信息, 大多种情数况下要是获取被测象信对息大的, 即被小 测的大量小。样这信，采集的息要含义就主是量测,# 取测量数得。据“ 测量系统这一概”念是感传技发术到一定阶段展的物。产在 程工中 需要有传,感器多台仪与组表合一起, 才在完成能号 信的检测,这样便形成 了测系统。量尤 其随着是计算技机及术息 信理处术技的发展 ,量系测统涉及的内所容也断得以充不实 。 为了更好地握传感掌,器 要需对量测基本概的念#, 测量系 统特的性# ,量测差误数据及处理方等的面论理工及方程进法行学 和研习,究只 有解了和掌握这些基本了论理 ,能才有效更完地成 测检务。 任

一 、测量测量是以定量值确目的为一的列操系作 。以测量也就所是将它可 由下式表:

被示量与测种性质同的标准量行比进, 确较被定量测标对量的准倍。

数x un 或中 ： 式

(-1)1

n xux——测量值; 

(1-被2)u——标量准 即测,单量;位 n—比—(值数纯),含有测 量误。差

由测量所得的获测被量的值叫测量果结测。结量可果 一用定的数表值,示 也可以一用条曲线某或图形种表示。无但论其表现形如式, 何测结果量应括两包部分比值：和量测单。位切地确讲 测量结,还果应包括误部分差。 被测量值和比值等是测量过程的都息, 信这信息些依托 于质物能在空间才和间上进行时传。递数参载承了信而息为成 信。 号选择其适当中的参作数测量为信, 例号如热电温度偶传 器的工作感参是数热偶电电的势 ,差压流量感传器中的孔 板作工参是数差Δ压。P量过测程就是感器传被从对象获取测 被量的测息信 建,起立量测号信,经过 换变、传输、处理,从 获得被而量测量的。

值二

测量、方实法被测现与标量准量比较出比值得的法, 称方测量方法。为针对不同测量任务进具行体析以分找出切可实行测量的方法 ,对测量工作 十是重分的。 要对于 测方法量,从不同角 度 ,不有同的分方类法 。根获据得测

量值方的可法为直分测接、量接间测和组量测合量;根 据量的测

精因度情素况分为等可精测量与非等精度度测量 根据测量方式可;分偏为式差量测、位法测零量与微差法量;测根 被测量变据化快 可分为慢静态量与测态动量; 测根据测敏感元件是否与量被测质接介

可触为分接触测量非与触测接量 ;据根测系统是否量被测向对象施加能量分可主为动测式量与动式被测等量。 

. 1接测量、 间直测接与量合测组量在使用仪表或传感进器测行量时, 仪表对数读需要经过不 任运何算就能直接示表量测需所的要结的测量方法称果直接为 测。例如量,磁用式电电流表量测电的某路一路电流支,用 弹管簧力压表测量压力等 ,属都于接直测。量直接量测优的是 点量过测简单程又迅而速,缺 点测是量精不高。 度 在用仪使或表感传器行测进量, 首先对与时测量有定函确数关 的系个量进行几测, 量将被量代测函入数关系式 ,过经计算 到所需得的要结果, 种这量测称为接测量。 间间测接测量 手量续多较,花费 间时长较 一般用,在接直测量方不或者便缺 直接乏测量手段的合。 场

若被测量

须经过求必联解方程立, 才能得到组后结最, 则称 果样这测量为组的测合。量合测量是组一种特殊的密精测方量,法 操作手续 复,杂花 费间长,时多用于 科实验或特殊场学合

。如例，阻值与电温间的度公式为:Rt R 0 2 当2R0,α,都β未为量时：知 t 0 2

2t02

① 改测量温变，度在种温3度t1t,及2t3,分下别得测对的电阻应值 t1RRt,2Rt3;及② 后代然入上述公，式到得一联立组程方 ③解此方；程组，便可后求以α,β得R20。和

.2 精度等测与不等精度量量测用相仪表与测量同法方对一被同量测行多进重次测复量, 称为

精等度量。测用 不精同的度仪表不同或测的方法量,或 环境条件相差在大很 时同对一测量被行多次重复测量称为进等非精度量。测. 3态测静量与态测量动测量被在测过量中是固定不程变，对这的被测种量进的行测量称 为静测量态。静态量不需测考虑时要间素对测因的影量响

。测量在被量过程测是中随间不时变断的化，这对种测被量行进的测称量为态动量测。

.4 差偏式测、 量位零测量式与差式测量用微表指仪的针位(即偏差移)决被测定的量量值,这种测 方量称为偏差式法测。应量这种方法测用时,量 仪刻度事先 用表标准具器标定 在测量时。 ,入被输测量 按,照仪表指在 标针尺的示上, 决定被值测量的数。值种方法测量过这程较简比 、单 迅, 速测量结果但度较精低 

用。零仪表指零位指示检测测的系统的平衡量状态 ,

在测 量系平统衡时, 用知已标准的决定量测被量的量,值这种测 量 方称法为位零测量式在测。量, 已时知准量标接与被直量相比测 较,已知 量连应续可, 指零仪调指表零时 被,量测已知与标 准相量。等 例如平天。等零式位测量优的是点可以获比较得高的测 量度精, 测但量过程比复杂, 费时较长较 不,适于测量用迅 速化的变号。 信

差微测量是综式了偏合式差量与测零位测式量优点而提 出的一种的量方测法。它被测将与量已的标准知量相较,比取得

值后, 再差用差法测偏此得值差。用应这方种法量测时,不需 要调整准量标 而,需测只量者的两差。设值:N为标 量, x准 为被量, 测为二Δ者之差, 则=xN+Δ。由于N是标量准 ,其误 很小差,且 <ΔN,<因此 可选用灵敏高的度偏差仪式测表 Δ,量 使测量Δ即的度较低精 但,Δ<<x因 故,的测量精总度仍很高。 差式测微量优的是反应快, 点而且量测精度,高特 适别 用在于线控参制的数量。测

三、测系统1量 .测量统构成系测系量是统传感与测器仪表、变换量臵等装有的机合组。图 -1 表示测量系1原统理结构框图。

系

中的统传感是器受被测量感的大并小出相输应对可的用出输信 的号件器装臵。 数据传或环输用节来传输数据当。测量系统的个功能几节环独地立 隔开的分时, 候必则须一个由地向另一个方地传输数据,方 数传据输节 就环是完成种传输功这。能

数据处理节环将是传感器输出号进行信处理和变。 换对信如进号行放大 、运算线、性、 数化模-或-模数换, 变转另一成种数的信号参变或成 种某准化的标一统号等信 ,使输出信其便号于示显记、,录 可既用于 动控制自统系 ,也可与计算机系统接,联以便 对测量号进信行信息理处

。数据显环节将示测被量息变信人成感官接受的能式, 形完以成监视、控制分或析目的的测量结。果可采用以模拟示显, 也可采用数字显, 也示以可记由装臵录进自动记录或行由印机打数据打将 出印来 。

2.开环测系统量与闭环测量统系1)( 环开量测统系环开量测系全统信息变部换只着一沿个方进

向, 行图如1 - 2 示所。其x中输为入量 y为输出,量 ,k 、1k2 、k 3 为各个节环的传 递数。 输系入、出关输为系y=k1kk2x

(13 -)3

采用开

方式环成的构量系统测 ,结构简较,单 各但环特性节 的变化都会造测量成差。 误 () 闭环2测系量-统闭测量系环有统两通个,道一 正向通为,道二 反馈为通道, 其结构图 1如 - 3所 示。

其

Δx中为正向通道的入输量 ,为反β环节的传馈系递数,正 通向的道传总递系k数=kk32。 由图 1- 可3知: xx x f

f=xβyy=kx=k(xΔ1-xf)kx=-1βk 当ky>>1时，则k1 y 1x x1 1 1 k k

y

1

x

k11k k1 x x系 统的输入输出系关：为y 1 k

显, 这时整个然统的输入输出关系系反馈由环节特的性定,决 大器放环等特节的变性化不造会测量误成差,或 者造说的误差成很小 。根 据上分析以可,知 构成在测量统系时 应,开将系统环闭与 系环统巧妙组地合在一起加以应,用 才达到能所望的目期。的 四、测误量差量测的的目希是通望测过获量取被量的测真值实。由于但种种 因原,例 , 传感器本如身能不性十分优,良 测方量法不十分善, 外完界干的影扰等响 都会造成被测,数的参测量值与真值不实一,致 者两一致不度程测量用误差示表。

测量差就是测量误值与真值实之间差值。 它反映了 的测质量的好坏。量 

测量的可性靠关重要, 至不同场合对测量果可靠结的性要求也不。同 例,如 量在传值、递经核算济、品产验检等 场合保证测量应果结足够有准确度。当测量的用作值控信号 制时 ,则注意要量的测稳定和性靠性可。此,因 测结果量的准确程度 应测与量目的的要求相联系、与相应, 那种适惜工不本、顾不场合,一味追 越求越好准作的是不法取的可, 有要技与术经兼济的意识顾 。

1.测量 差的表示方法误量误差测的示方法有表种多 ,义含各。 异

(1 )绝误差对绝误差对用下式可义:Δ=定x- L1 - 6()式中:Δ ——绝对误; 差x —测量—;值 L—真—实。  对值测值进量行修正时 要,用绝到对误差。 正修是与绝值 对误差小大等、符相相号反的,值 实际值于等量值加上测修正值

。采用绝

误差对示表量误差测,不 很好说明能测量质量好坏。的例 , 如在温度量测时,绝 对误差Δ1 =℃ ,体对测温量来是不 说许的,允而 对测钢水量温来度却是一个说好的测极结量果 (。)2相 误差对 δ=

相对误差的义定下由式给:出

式: δ中—相对误—,差一 般百分数给用;出 Δ—绝对—差;误 L—真实值—  。由于测被的量真值实L无法道,知实 测际量时用量测x值代 真实值L替进计算,行这 相对个误差称为称标相误对,差 即 1×0% L0( - 17)

1 00%x

3)( 用引误差 引误差用是表仪中用通的种一差表示 误法。 方是相它仪对表量满的程一误种差,一 般也百分用数 表示即， 100 %(1- 9)  测量 围范上 -限测量范围下 限 中: 式—γ—用误差引 ; Δ——对误绝差。 仪 表度等级精根据是引误用差确来定。的例 如 ,0.级 表的5引误差用最的大值超过±0不5.%,.01级表引用的误 差最的大值超过不1%。  ±在使用表和仪感传器, 时常经也会遇到基本误差和附加误 差两概念。

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