在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代。人们在从事工业生产和科学实验等活动中，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器是人类感官的延长。它处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。一切科学实验和生产过程，都需要大量的信息，特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息，都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。没有传感器，科学实验和生产过程就无法实现现代化。传感器的工作原理涉及很多学科领域，它的开发带动了边缘学科的发展。 “测量系统”这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物。在
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
中，需要有传感器与多台仪
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组合在一起，才能完成信号的检测，这样便形成了测量系统。为了更好地掌握传感器，需要对测量的基本概念、测量系统的特性、测量误差及数据处理等方面的理论及工程方法进行学习和研究，只有了解和掌握了这些基本理论，才能更有效地完成检测任务。 传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 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、传感器的组成、传感器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。【知识要求】了解检测技术的含义、作用和地位。掌握检测系统的组成。了解误差的基本概念和仪表的精度等级。掌握随机误差和系统误差的处理方法，测量数据的处理方法。了解传感器的组成，即敏感元件、传感元件、检测线路及传感器的分类。掌握传感器的静态特性和动态特性的分析方法。重点：灵敏度的概念、灵敏度与量程、稳定性的关系，多环节系统的灵敏度，传感器的组成。难点：根据误差要求合理选择检测装置的精度等级，测量数据的处理方法。【能力要求】1.能够了解和使用检测技术中的仪表、仪器。2.正确地识别各种传感器及其特点和其在整个工作系统中的作用。3.能够准确判断出传感器的好坏，熟练掌握测量误差的处理方法和测量数据的处理方法。4.能够准确掌握敏感元件、传感元件和检测线路以及传感器的分类方法。（一）测量的基础知识1.测量概念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
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量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。它可由下式表示：(1-1)或(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做测量结果。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，测量结果应包括比值和测量单位两部分。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Δp。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。从不同角度看,测量方法有多种分类方法。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、零位式测量和微差式测量；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。（1）直接测量、间接测量和组合测量在使用仪表或传感器进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的测量方法称为直接测量。例如，用磁电式电流表测量电路的某一支路电流，用弹簧管压力表测量压力等，都属于直接测量。直接测量的优点是测量过程简单而又迅速，缺点是测量精度不高。在使用仪表或传感器进行测量时，首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测量，将被测量代入函数关系式，经过计算得到所需要的结果，这种测量称为间接测量。间接测量的测量手续较多，花费时间较长，一般用在直接测量不方便或者缺乏直接测量手段的场合。若被测量必须经过求解联立方程组，才能得到最后结果，则称这样的测量为组合测量。组合测量是一种特殊的精密测量方法，操作手续复杂，花费时间长，多用于科学实验或特殊场合。（2）等精度测量与非等精度测量用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量，称为等精度测量。用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量称为非等精度测量。（3）偏差式测量、零位式测量和微差式测量用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值，这种测量方法称为偏差式测量。应用这种方法测量时，仪表刻度事先用标准器具标定。在测量时，输入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值，决定被测量的数值。这种方法测量过程比较简单、迅速，但测量结果精度较低。用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值，这种测量方法称为零位式测量。在测量时，已知标准量直接与被测量相比较，已知量应连续可调，指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等，例如天平、电位差计等。零位式测量的优点是可以获得比较高的测量精度，但测量过程比较复杂，费时较长，不适用于测量迅速变化的信号。微差式测量是综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的一种测量方法。它将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。应用这种方法测量时，不需要调整标准量，而只需测量两者的差值。设N为标准量，x为被测量，Δ为二者之差，则x=N+Δ。由于N是标准量，其误差很小，且Δ<
>1时，则（1-5）系统的输入/输出关系为（1-6） 显然，这时整个系统的输入/输出关系由反馈环节的特性决定，放大器等环节特性的变化不会造成测量误差，或者说造成的误差很小。 根据以上分析可知，在构成测量系统时，应将开环系统与闭环系统巧妙地组合在一起加以应用，才能达到所期望的目的。 （二）测量数据误差 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。当测量值用做控制信号时，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做法是不可取的，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。绝对误差可定义为Δ=x－L（1-7）式中Δ——绝对误差；x——测量值；L——真实值。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，不能很好地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。相对误差可定义为（1-8）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来进行计算，这个相对误差称为标称相对误差，即（1-9） 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（1-10）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级仪表的引用误差的最大值不超过±0.5%，1.0级仪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。 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。例如，电源电压波动附加误差等。引起随机误差的原因很多是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。 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。 （三）测量数据的估计和处理 由工程测量实践可知，测量数据中含有系统误差和随机误差，有时还会含有粗大误差。它们的性质不同，对测量结果的影响及处理方法也不同。在测量中，对测量数据进行处理时，首先判断测量数据中是否含有粗大误差，如有，则必须加以剔除。再看数据中是否存在系统误差，对系统误差可设法消除或加以修正。对排除了 系统误差和粗大误差的测量数据，则利用随机误差性质进行处理。总之，对于不同情况的测量数据，首先要加以分析研究，判断情况，分别处理，然后再经综合整理以得出合乎科学性的结果。 1.随机误差的统计处理 在测量中，当系统误差已设法消除或减小到可以忽略的程度时，如果测量数据仍有不稳定的现象，说明存在随机误差。在等精度测量情况下，得n个测量值x1，x2…xn，设只含有随机误差δ1，δ2…δn。这组测量值或随机误差都是随机事件，可以用概率数理统计的方法来研究。随机误差的处理任务是从随机数据中求出最接近真值的值（或称真值的最佳估计值），对数据精密度的高低（或称可信赖的程度）进行评定并给出测量结果。 （1）随机误差的正态分布曲线测量实践表明，多数测量的随机误差具有以下特征： ①绝对值小的随机误差出现的概率大于绝对值大的随机误差出现的概率。 ②随机误差的绝对值不会超出一定界限。 ③测量次数n很大时，绝对值相等，符号相反的随机误差出现的概率相等。由特征③不难推算出，当n→∞时，随机误差的代数和趋近于零。 随机误差的上述三个特征，说明其分布实际上是单一峰值并且是有界限的，且当测量次数无穷增加时，这类误差还具有对称性（即抵偿性）。 在大多数情况下，当测量次数足够多时，测量过程中产生的误差服从正态分布规律。分布密度函数为（1-11）式中y——概率密度；x——测量值（随机变量）；σ——均方根偏差（标准误差）；L——真值（随机变量x的数学期望）；δ——随机误差（随机变量），δ=x－L。 正态分布方程式的关系曲线为一条钟形的曲线如图所示，说明随机变量在x=L或δ=0处的附近区域内具有最大概率。正态分布曲线 （2）正态分布的随机误差的数字特征 在实际测量时，真值L不可能得到。但如果随机误差服从正态分布，则算术平均值处随机误差的概率密度最大。对被测量进行等精度的n次测量，得n个测量值x1，x2…xn，它们的算术平均值为（1-12） 算术平均值是各测量值中最可信赖的，它可以作为等精度多次测量的结果。 上述的算术平均值是反映随机误差的分布中心，而均方根偏差则反映随机误差的分布范围。均方根偏差愈大，测量数据的分散范围也愈大，所以均方根偏差σ可以描述测量数据和测量结果的精度。如图所示为不同σ下正态分布曲线。由图可见：σ愈小，分布曲线愈陡峭，说明随机变量的分散性小，测量精度高；反之，σ愈大，分布曲线愈平坦，随机变量的分散性也大，则测量精度也低。不同σ下正态分布曲线均方根偏差σ可由下式求取：（1-13）式中n——测量次数；xi——第i次测量值。 在实际测量时，由于真值L是无法确切知道的，可以用测量值的算术平均值来代替，各测量值与算术平均值差值称为残余误差，即（1-14） 用残余误差计算的均方根偏差称为均方根偏差的估计值σs，即（1-15） 通常在有限次测量时，算术平均值不可能等于被测量的真值L，它也是随机变动的。设对被测量进行m组的“多次测量”，各组所得的算术平均值1，2…m，围绕真值L有一定的分散性，也是随机变量。算术平均值x的精度可由算术平均值的均方根偏差来评定。它与σs的关系如下（1-16） （3）正态分布的概率计算 人们在利用分布曲线进行测量数据处理的目的是求取测量的结果，确定相应的误差限以及分析测量的可靠性等。为此，需要计算正态分布在不同区间的概率。分布曲线下的全部面积应等于总概率。由残余误差表示的正态分布密度函数为故（1-17） 在任意误差区间（a，b）出现的概率为 σ是正态分布的特征参数，误差区间通常表示成σ的倍数，如tσ。由于随机误差分布对称性的特点，常取对称的区间，即（1-18）式中t——置信系数；Pa——置信概率；±tσ——误差限。表给出几个典型的t值及其相应的概率t0.674511.9622.5834Pa0.50.68270.950.95450.990.99730.99994值及其相应的概率 随机误差在±tσ范围内出现的概率为Pa，则超出的概率称为显著度，用α表示，即Pa与α关系如图所示。 从表可知，当t=±1时，Pa=0.6827，即测量结果中随机误差出现在-σ~+σ范围内的概率为68.27%，而|v|>σ的概率为31.73%。出现在-3σ~+3σ范围内的概率是99.73%，因此可以认为绝对值大于3σ的误差是不可能出现的，通常把这个误差称为极限误差limσ。按照上面分析，测量结果可表示为或（1-19）例：有一组测量值为237.4、237.2、237.9、237.1、238.1、237.5、237.4、237.6、237.6、237.4，求测量结果。解：将测量值列于表中。序号测量值残余误差1237.4-0.120.0142237.2-0.320.103237.90.380.144237.1-0.420.185238.10.580.346237.5-0.020.00047237.5-0.120.0148237.60.080.00649237.60.080.006410237.4-0.120.014 2.系统误差的通用处理方法 （1）从误差根源上消除系统误差 系统误差是在一定的测量条件下，测量值中含有固定不变或按一定规律变化的误差。系统误差不具有抵偿性，重复测量也难以发现，在工程测量中应特别注意该项误差。 由于系统误差的特殊性，在处理方法上与随机误差完全不同。有效地找出系统误差的根源并减小或消除的关键是如何查找误差根源，这就需要对测量设备、测量对象和测量系统作全面分析，明确其中有无产生明显系统误差的因素，并采取相应
措施
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予以修正或消除。由于具体条件不同，在分析查找误差根源时并无一成不变的方法，这与测量者的经验、水平以及测量技术的发展密切相关。但我们可以从以下几个方面进行分析考虑。 以从以下几个方面进行分析考虑。 ①所用传感器、测量仪表或组成元件是否准确可靠。比如传感器或仪表灵敏度不足，仪表刻度不准确，变换器、放大器等性能不太优良，由这些引起的误差是常见的误差。 ②测量方法是否完善。如用电压表测量电压，电压表的内阻对测量结果有影响。 ③传感器或仪表安装、调整或放置是否正确合理。例如，没有调好仪表水平位置，安装时仪表指针偏心等都会引起误差。 ④传感器或仪表工作场所的环境条件是否符合规定条件。例如，环境、温度、湿度、气压等的变化也会引起误差。⑤测量者的操作是否正确。例如，读数时的视差、视力疲劳等都会引起系统误差。（2）系统误差的发现与判别发现系统误差一般比较困难，下面只介绍几种发现系统误差的一般方法。①实验对比法。这种方法是通过改变产生系统误差的条件从而进行不同条件的测量，以发现系统误差。这种方法适用于发现固定的系统误差。例如，一台测量仪表本身存在固定的系统误差，即使进行多次测量也不能发现，只有用精度更高一级的测量仪表测量，才能发现这台测量仪表的系统误差。②残余误差观察法。这种方法是根据测量值的残余误差的大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形判断有无变化的系统误差。如图所示中把残余误差按测量值先后顺序排列，图（a）的残余误差排列后有递减的变值系统误差；图（b）则可能有周期性系统误差。残余误差变化规律③准则检查法。已有多种准则供人们检验测量数据中是否含有系统误差，不过这些准则都有一定的适用范围。例如，马利科夫判据是将残余误差前后各半分两组，若“∑vi前”与“∑vi后”之差明显不为零，则可能含有线性系统误差。阿贝检验法则检查残余误差是否偏离正态分布，若偏离，则可能存在变化的系统误差。将测量值的残余误差按测量顺序排列，且设若则可能含有变化的系统误差。（1-20）（3）系统误差的消除①在测量结果中进行修正对于已知的系统误差，可以用修正值对测量结果进行修正；对于变值系统误差，设法找出误差的变化规律，用修正公式或修正曲线对测量结果进行修正；对未知系统误差，则按随机误差进行处理。②消除系统误差的根源在测量之前，仔细检查仪表，正确调整和安装；防止外界干扰影响；选好观测位置，消除视差；选择环境条件比较稳定时进行读数等。③在测量系统中采用补偿措施找出系统误差的规律，在测量过程中自动消除系统误差。如用热电偶测量温度时，热电偶参考端温度变化会引起系统误差，消除此误差的办法之一是在热电偶回路中加一个冷端补偿器，从而进行自动补偿。④实时反馈修正由于自动化测量技术及微机的应用，可用实时反馈修正的办法来消除复杂的变化系统误差。当查明某种误差因素的变化对测量结果有明显的复杂影响时，应尽可能找出其影响测量结果的函数关系或近似的函数关系。在测量过程中，用传感器将这些误差因素的变化转换成某种物理量形式（一般为电量），及时按照其函数关系，通过计算机算出影响测量结果的误差值，对测量结果作实时的自动修正。3.粗大误差如前所述，在对重复测量所得一组测量值进行数据处理之前，首先应将具有粗大误差的可疑数据找出来加以剔除。绝对不能凭主观意愿对数据任意进行取舍，而是要有一定的根据。原则就是要看这个可疑值的误差是否仍处于随机误差的范围之内，是则留，不是则弃。因此要对测量数据进行必要的检验。下面就常用的几种准则进行介绍：（1）3σ准则前面已讲到，通常把等于3σ的误差称为极限误差。3σ准则就是如果一组测量数据中某个测量值的残余误差的绝对值|Vi|>3σ时，则该测量值为可疑值（坏值），应剔除。（2）肖维勒准则肖维勒准则以正态分布为前提，假设多次重复测量所得n个测量值中，某个测量值的残余误差|Vi|>ZC，则剔除此数据。实用中ZC<3，所以在一定程度上弥补了3σ准则的不足。肖维勒准则中的ZC值见表。n3456789101112Zc1.381.541.651.731.801.861.921.962.002.03n13141516182025304050Zc2.072.102.132.152.202.242.332.392.492.58肖维勒准则中的ZC值（3）格拉布斯准则某个测量值的残余误差的绝对值|Vi|>Gσ，则判断此值中含有粗大误差，应剔除。此准则即格拉布斯准则。G值与重复测量次数n和置信概率Pa有关，见表。表格拉布斯准则中的G值置信概率PaG值测量次数n0.990.95置信概率PaG值测量次数n0.990.9531.161.15112.482.2341.491.46122.552.2851.751.67132.612.3361.941.82142.662.3772.101.94152.702.4182.222.03162.742.4492.322.11182.822.50102.412.18202.882.56格拉布斯准则中的G值以上准则是以数据按正态分布为前提的，当偏离正态分布，特别是测量次数很少时，则判断的可靠性就差。因此，对粗大误差除用剔除准则（即上述三种准则）外，更重要的是要提高工作人员的技术水平和工作责任心。另外，要保证测量条件稳定，防止因环境条件剧烈变化而产生的突变影响。4.不等精度测量的权与误差前面讲述的内容是等精度测量的问题。即多次重复测量得到的各个测量值具有相同的精度，可用同一个均方根偏差σ值来表征，或者说具有相同的可信赖程度。严格地说来，绝对的等精度测量是很难保证的，但对条件差别不大的测量，一般都当做等精度测量对待，某些条件的变化，如测量时温度的波动等，只作为误差来考虑。因此，在一般测量实践中，基本上都属等精度测量。但在科学实验或高精度测量中，为了提高测量的可靠性和精度，往往在不同的测量条件下，用不同的测量仪表，不同的测量方法，不同的测量次数以及由不同的测量者进行测量并进行对比，则认为它们是不等精度的测量。（1）“权”的概念在不等精度测量时，对同一被测量进行m组测量，得到m组测量列（进行多次测量的一组数据称为一测量列）的测量结果及其误差，它们不能同等看待。精度高的测量列具有较高的可靠性，将这种可靠性的大小称为“权”。“权”可理解为各组测量结果相对的可信赖程度。测量次数多、测量方法完善、测量仪表精度高、测量的环境条件好、测量人员的水平高，则测量结果可靠，其权也大。权是相比较而存在的。权用符号p表示，有两种计算方法。①用各组测量列的测量次数n的比值表示，并取测量次数较小的测量列的权为1，则有②用各组测量列的误差平方的倒数的比值表示，并取误差较大的测量列的权为1，则有（1-21）（1-22）（2）加权算术平均值加权算术平均值不同于一般的算术平均值，应考虑各测量列的权的情况。若对同一被测量进行m组不等精度测量，得到m个测量列的算术平均值1，2…m，相应各组的权分别为p1，p2…pm，则加权平均值可表示为（1-23）（3）加权算术平均值的标准误差当进一步计算加权算术平均值的标准误差时，也要考虑各测量列的权的情况，标准误差可表示为（四）传感器的概述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广括的用语。 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。认识传感器超声传感器电感传感器电容传感器红外温度传感器磁阻传感器热电偶气体成分传感器流量传感器62使用USB接口的测量硬件及IEEE1451.4TEDS智能传感器热敏电阻 离子感烟器明火探测器传感器实验仪63电阻式远传压力表感应式流量表称重传感器CCD传感器64质子旋进式磁敏传感器压阻式液位传感器光敏传感器温度传感器65风力参数传感器地震检波器反射式光敏传感器磁、气、力敏传感器超声传感器66相关产品67 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所示。传感器组成框图 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员来说，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则应着重于如何合理选择和使用传感器。70工业生产需要用各种传感器来监视和控制生产过程中各个参数使设备工作在最佳工作状态，没有传感器现代工业失去基础。71智能建筑降低能耗提高操作者工作效率提高楼宇内部舒适程度提供高效的设备管理手段监控软件缩短投资回收周期降低培训成本红外扫描区域人造卫星在卫星中的应用四川地震中的生命探测仪及其使用 （五）传感器的基本特性 在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出/输入特性。如果把传感器看做二端口网络，即有两个输入端和两个输出端，那么传感器的输出/输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。1.传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出/输入关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 （1）线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能来看，希望具有线性关系，即具有理想的输出/输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示，即（1-25）式中a0——输入量x为零时的输出量；a1，a2…an——非线性项系数。 各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式各不相同。 静态特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，如图所示，使传感器输出/输入特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。几种直线拟合方法 实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常用相对误差表示，（1-26）式中ΔLmax——最大非线性绝对误差；YFS——满量程输出。 从图中可见，即使是同类传感器，拟合直线不同，其线性度也是不同的。选取拟合直线的方法很多，用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。 （2）灵敏度 灵敏度（K）是指传感器的输出量的增量（Δy）与引起输出量增量的输入量的增量（Δx）的比值，即（1-27） 对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即K=Δy/Δx为常数，而非线性传感器的灵敏度为一变量，用K=dy/dx表示。传感器的灵敏度如图所示。传感器的灵敏度 （3）迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出/输入特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图所示。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是由传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如，弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差可表示为（1-28）迟滞性 （4）重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度，如图所示。重复性误差属于随机误差，常用标准偏差表示，也可用正反行程中的最大值的两倍或者三倍与满量程的百分比来表示，即或重复性（1-29）（1-30） 2.传感器的动态特性 传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化（是时间的函数）时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动态特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。为了说明传感器的动态特性，下面简要介绍动态测温的问题。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下，都存在动态测温问题。 如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t1℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的介质温度从t0℃突然上升到t1℃，而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t1℃需要经历一段时间，即有一段过渡过程，如图所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。动态测温 造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因，是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热电偶固有的，它决定了热电偶测量快速温度变化时所产生的动态误差。影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。 动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究传感器动态特性时，通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。虽然传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶系统（高阶可以分解成若干个低阶环节），因此一阶和二阶传感器是最基本的。传感器的输入量随时间变化的规律是各种各样的，下面在对传感器动态特性进行分析时，采用最典型、最简单、易实现的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。 （1）瞬态响应特性 传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面用传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。 ①一阶传感器的单位阶跃响应 在工程上，一般将视为一阶传感器单位阶跃响应的通式。式中x(t)、y(t)分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函数，表征传感器的时间常数，具有时间“秒”的量纲。一阶传感器的传递函数为（1-31）对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号时，一阶传感器的单位阶跃响应信号为（1-32） 相应的响应曲线如图所示。由图可见，传感器存在惯性，它的输出不能立即出现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值，但实际上，当t=4τ时,其输出达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。τ越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线。因此，τ值是一阶传感器重要的性能参数。一阶传感器单位阶跃响应②二阶传感器的单位阶跃响应二阶传感器的单位阶跃响应的通式为（1-33）式中，ωn为传感器的固有频率。二阶传感器的传递函数为传感器输出的拉氏变换为（1-34）（1-35） 二阶传感器对阶跃信号的响应在很大程度上取决于阻尼比ξ和固有频率ωn。固有频率ωn由传感器主要结构参数所决定，ωn越高，传感器的响应越快。当ωn为常数时，传感器的响应取决于阻尼比ξ。如图所示为二阶传感器的单位阶跃响应曲线。阻尼比ξ直接影响超调量和振荡次数。ξ=0为临界阻尼，超调量为100%，产生等幅振荡，达不到稳态值。ξ>1为过阻尼，无超调也无振荡，但达到稳态值所需时间较长。ξ<1为欠阻尼，衰减振荡，达到稳态值所需时间随ξ的减小而加长。ξ=1时响应时间最短。但实际应用中常按稍欠阻尼调整，ξ取0.7～0.8为最好。（2）瞬态响应特性指标①时间常数τ：一阶传感器时间常数τ越小，响应速度越快。②延时时间：传感器输出达到稳态值的50%所需时间。③上升时间：传感器输出达到稳态值的90%所需时间。④超调量：传感器输出超过稳态值的最大值。二阶传感器的单位阶跃响应曲线（一）实施要求（1）通过本项目的实施，在掌握传感器的基本结构和工作原理的基础上掌握各种传感器件并了解其实际应用。（2）该项目需要传感器实训台和测量设备、导线若干、相关的仪表、万用表、示波器。（二）实施步骤（1）找出各种传感器在实训电路中的位置，并判断是什么类型的传感器。（2）分析测量电路的工作原理，观察传感器工作过程中的现象。（3）找出各个单元电路，记录其电路组成形式。（4）按照原理图用导线将电路连接好，检查确认无误后，启动电源。（5）观察各单元电路的工作情况，记录其在工作过程中不同状态下的数据。（一）屏蔽、隔离与干扰抑制传感器大都应用在生产现场，现场的条件往往是难以充分预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素都会影响传感器的精度和性能。为了减小测量误差，保证其原有性能，就应设法削弱或消除外界因素对传感器的影响。其方法有：（1）减小传感器对影响因素的灵敏度。（2）降低外界因素对传感器实际作用的程度。对于电磁干扰，可以采用屏蔽、隔离措施，也可采用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。1.开发新型传感器新型传感器的开发包括：采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器等方面。传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够，世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力和物力来加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。2.开发新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。利用半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。3.新工艺的采用在发展新型传感器中，应该采用新工艺。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术，该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。例如，利用半导体技术制造压阻式传感器；利用薄膜工艺制造快速响应的气敏、湿敏传感器。日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，制造出全硅谐振式压力传感器。4.集成化、多功能化为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如，一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。把多个功能不同的传感器件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感器件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。5．智能化对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机相互对话的功能，可以自行选择最佳
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，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是传感器重要的发展方向之一。如，DS18B20传感器测量系统。（一）THSRZ-1型传感器系统综合实验装置THSRZ-1型传感器系统综合实验装置适应不同类别、不同层次专业教学实验、培训、考核的需求，是一套多功能、全方位、综合性、动手型的实验装置，可以与普教中的“物理”，职教、高教中的“传感器技术”、“工业自动化控制”、“非电测量技术与应用”、“工程检测技术与应用”等课程的教学实验配套。（二）设备构成主要由实验台部分、三源板部分、处理（模块）电路部分和数据采集通讯部分组成。1.实验台这部分由1Hz～10kHz音频信号发生器、1～30Hz低频信号发生器、四组直流稳压电源（±15V、+5V、±2~±10V、2~24V可调）、数字式电压表、频率/转速表、定时器以及高精度温度调节仪组成。2.三源板热源：0~220V交流电源加热，温度可控制在室温0~120℃，控制精度±1℃。转动源：2~24V直流电源驱动，转速可调在0~4500r/min。振动源：振动频率1~30Hz（可调）。3.处理（模块）电路包括电桥、电压放大器、差动放大器、电荷放大器、电容放大器、低通滤波器、涡流变换器、相敏检波器、移相器、温度检测与调理、压力检测与调理等共11个模块。4.数据采集通讯为了加深对自动检测系统的认识，本实验台增设了USB数据采集卡及微处理机组成的微机数据采集系统（含微机数据采集系统软件）。14位A/D转换、采样速度达300kHz，利用该系统软件，可对学生实验现场采集数据，对数据进行动态或静态处理和分析，并在屏幕上生成十字坐标曲线和表格数据，对数据进行求平均值、列表、作曲线图以及对数据进行分析、存盘、打印等处理，实现软件为硬件服务、软件与硬件互动、软件与硬件组成系统的功能。更注重考虑根据不同数据设定采集的速率。本实验台作为教学实验仪器，大多都做成透明的，以便学生有直观的认识，测量连接线用定制的接触电阻极小的迭插式联机插头连接。（三）实验内容结合本装置的数据采集系统，不需另配示波器，可以完成大部分常用传感器的实验及应用。包括金属箔应变传感器、差动变压器、差动电容、霍耳位移、霍耳转速、磁电转速、扩散硅压力传感器、压电传感器、电涡流传感器、光纤位移传感器、光电转速传感器、集成温度传感器（AD590）、K型热电偶、E型热电偶、PT100铂电阻、湿敏传感器、气敏传感器共17种30多个实验。 温度是国际单位制给出的基本物理量之一。它是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数，也是与人们日常生活紧密相关的一个重要的物理量。温度传感器是开发最早、应用最广的一类传感器。现在，温度传感器的市场份额大大超过了其他传感器的市场份额。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、热敏电阻温度传感器和集成温度传感器等。【知识要求】 1.了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势。 2.掌握热电偶三定律及相关计算。 3.掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合。 4.掌握集成温度传感器使用方法。 5.了解其他温度传感器工作原理。 重点：理解热电偶、热电阻、热敏电阻传感器的工作原理，掌握其性能特点，了解其应用。【能力要求】 1.正确识别各种温度传感器及其特点和其在整个工作系统中的作用。 2.在设计中，能够根据工作系统的特点及温度要求，找出匹配的温度传感器。 3.能够正确使用温度传感器，熟练掌握温度传感器的测量方法。 4.能够设计一个简单的温度测量电路。温度传感器热敏电阻用于CPU的温度测量热敏电阻用于电热水器的温度测量及控制热敏电阻体温表 （一）温度概述 1.温度与温标 温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度。从热平衡的观点来看，温度是物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志，温度高的物体，其内部分子平均动能大；温度低的物体，其内部分子的平均动能小。温度不能直接测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。随着科学技术的发展，对温度的测量越来越普遍，而且对温度测量的准确度也有了更高的要求。 为了定量地描述温度的高低，必须建立温度标尺，即温标。温标是衡量温度的标准尺度，它保证了温度量值的统一和准确的数值表示方法。各种温度计和温度传感器的温度数值均由温标确定。热力学温标确定的温度数值为热力学温度（符号为T），单位为开尔文（符号为K），1K等于水三相点热力学温度的1/273.16。热力学温度是国际上公认的最基本温度，国际温标最终以它为标准而不断完善。我国目前实行的是1990年国际温标（ITS-90），它同时定义了国际开尔文温度（T90）和国际摄氏温度（t90），T90和t90之间的关系为式中 C—摄氏温度的单位； K—开尔文温度单位。 2．温度测量的主要方法和分类及发展方向 (1)温度传感器的组成 在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器，就测量系统的功能而言，通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成，如图所示。简单的温度传感器往往是由感温元件和显示装置组成一体的，一般在现场使用。各种传感器因测量范围不同而被使用在不同的场合，其测温范围分类见表。温度传感器组成框图测温范围分类特征传感器名称超高温用传感器1500℃以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器1000～1500℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中高温用传感器500～1000℃光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0～500℃热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅低温用传感器-250～0℃晶体管、热敏电阻、压力式玻璃制温度计极低温用传感器-270～-250℃BaSrTiO3陶瓷温度传感器测温范围分类 (2)温度测量方法及分类 测量方法按感温元件是否与被测介质接触，可以分为接触式与非接触式两大类。 接触式测温方法是使温度敏感元件直接和被测温度对象相接触，当被测温度与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测温度对象的温度相等。这类温度传感器具有结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低廉等优点。使用这类测温方法的温度传感器主要有膨胀式温度传感器、电阻式温度传感器、热电偶温度传感器。 常用的接触式温度传感器的材料有以下几种： ①常用热电阻。测量范围为-260～＋850℃，精度为0.12级。改进后可连续工作2000小时，失效率小于1%，使用期为10年。 ②管缆热电阻。测量范围为-20～＋500℃，最高上限为1000℃，精度为0.5级。 ③陶瓷热电阻。测量范围为-200～+500℃，精度为0.3、0.15级。 ④超低温热电阻。两种碳电阻，可分别测量-268.8～253℃和-272.9～272.9℃的温度。 ⑤热敏电阻器。适用于高灵敏度的微小温度测量场合。经济性好、价格便宜。 非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关，并且以电磁波形式向四周辐射。当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。非接触式温度传感器理论上不存在热接触式温度传感器的测量滞后和在温度范围上的限制，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低，使用不太方便。 非接触式温度传感器的材料有以下几种： ①辐射高温计。用来测量1000℃以上高温。一般分为光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。 ②光谱高温计。其测量范围为400～6000℃，它是采用电子化自动跟踪系统，保证有足够准确的精度进行自动测量。 ③超声波温度传感器。特点是响应快(约为10ms)，方向性强。目前国外有可测到5000℃的产品。 ④激光温度传感器。适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1%。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚变研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。 （3）温度传感器的发展方向 ①超高温与超低温传感器，如+3000℃以上和-250℃以下的温度传感器。 ②提高温度传感器的精度和可靠性。 ③研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。 ④发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏CA型热电偶以及各类非接触式温度传感器。 ⑤发展适应特殊测温要求的温度传感器。 ⑥发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。 （二）热电偶温度传感器 热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除了具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号，便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶可用于测量快速及动态变化的温度。 1.热电偶测温工作原理 两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示回路，若导体A和B的连接
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