第一章 检测技术的基本知识第一节 检测与转换第二节 测量（方法）
第三节 检测系统的基本特性第四节 误差第五节 随机误差的处理方法第六节 系统误差的消除第一章 检测与转换技术第一章 检测技术的基本知识
1：有三台测温仪表，量程均为 0~600℃,精度等级分别为 2.5
级,2.0级和 1.5级，现要测量 550℃ 的温度，要求相对误差不超过 2.5%，问选用哪台仪表合理？
2：有两台测温仪表，一台最大量程为 100℃ 的精度等级为
1.0，另一台最大量程为 250℃ 的精度等级为 0.5，问选用哪台仪表测量 80℃ 的温度更精确？
3：现等精度测量某电压 11次，得到的电压值分别是（单位：
V）,10.42,10.43,10.41,10.43,10.42,10.43,10.30，
10.42,10.40,10.41,10.42
求,（ 1）该电压的算术平均值，标准误差和算术平均值的标准误差。
（ 2）写出被测电压的真值 x0和极限值 xm
（ 置信概率取 99.7%）
作业第一章 检测技术的基本知识一、检测技术检测与转换技术是 自动检测技术 与 自动转换技术 的总称。
是研究检测系统中的 信息提取,信息转换 及 信号处理 的理论和技术的应用技术学科。
是研究科学实验或生产实验或生产过程中工程参数的 测量方法,检测仪表 及 测量系统 构成等有关技术的学科。
检测与转换技术与微机、工业过程控制、智能仪表等生产实际和科学研究有密切的联系。是人们认识自然、改造自然的重要手段，也是国民经济建设各部门的重要技术基础。
第一节 检测与转换本章目录第一章 检测技术的基本知识例 1：工业锅炉是工业生产的重要动力设备，它需要产生具有一定指标（温度和压力）的蒸汽和热水。
A、汽锅的液位控制
B、能源 控制例 2：化工工业需要检测。
QNHHN 322 23 催化剂、压力、温度三个特点,A：放热 B：可逆 C：物质的量之比为 3∶ 1
温度压力组成浓度提高合成氨产量一定温度 T
压力 P
H2∶ N2
降低提高
3∶ 1
检测并控制例 3：机械工业、国防工业也需要检测。国内贸易、商品流通需要检测。
第一章 检测技术的基本知识检测与转换技术是当今世界的最重要的热门技术之一。
现代化水平 ← 自动化水平 ← 传感器的种类和数量所谓自动化：就是用各种技术工具与方法代替人来完成检测、分析、判断和控制进行工作。
第一章 检测技术的基本知识电子技术飞速发展，电量的测量技术得到了提高。
二,传感器的出现仪器仪表的发展：机械式仪表 → 光学、电学 → 高级仪表 ……
科学技术和工程技术领域所要检测的参数大多数为非电量 。
1、非电量电测技术第一章 检测技术的基本知识
（ 2）研究如何能正确和快速的测量非电量的技术。
两个研究方向：
（ 1）研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表；
使用一种器件将非电量转换为电量，并进行测量。这种器件就是 传感器 。
非电量电测技术：
第一章 检测技术的基本知识
非电学量电测法的特点（优点）：
（ 1）能够连续、自动地对被测量进行测量和记录。
（ 2）电子装置精度高、频率响应好，不仅能适用于静态测量，选用适当的传感器和记录装置还可以进行动态测量甚至瞬态测量。
第一章 检测技术的基本知识
（ 3）电信号可以远距离传输，便于实现远距离测量和集中控制。
（ 4）电子测量装置能方便地改变量程，因此测量的范围广。
（ 5）可以方便地与计算机相联，进行数据的自动运算、分析和处理。
第一章 检测技术的基本知识
2、传感器的概念传感器是人体“五官”的工程模拟物。
传感器的定义：
一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
重点第一章 检测技术的基本知识
3、传感器的物理定律传感器具有 能量信息转换 的机能。
遵守四个物理基本守衡定律：
（ 1） 守衡定律,能量、动量、电荷量等守衡定律。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2） 场的定律,动力场的运动定律、电磁的感应定律等。
（ 3） 物质定律,物质本身内在性质的定律
（虎克定律、欧姆定律等）。
（ 4） 统计法则,将微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。
第一章 检测技术的基本知识
4、传感器技术传感器技术是涉及传感（检测）原理、传感器设计、
传感器开发和应用的综合技术。
5、传感器技术的发展趋势：
（ 1）开发新型传感器
（ 2）传感器的集成化和多功能化
（ 3）传感器的智能化
（ 4）研究生物感官，开发仿生传感器第一章 检测技术的基本知识检测系统或检测装置通常是由 传感器,测量电路 和显示记录处理装置 等部分组成。
三、检测系统的组成检测系统即为信息的 获取,转换,显示和处理 （传送、执行等）的系统。
被测量 → 传感器 → 测量电路 记录仪指示仪数据处理器
→
电源被测量根据对象分：生物量、物理量、化学量。
第一章 检测技术的基本知识
1、传感器
（ 1）传感器的构成传感器构成法，视被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体情况的不同而有很大差异。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）传感器的分类：
化学量传感器按被测量的性质生物量传感器机械量传感器位移、力、速度、加速度传感器热工量传感器温度、压力、流量传感器第一章 检测技术的基本知识传感器按输出量的性质分类
a,参量型传感器
b,发电型传感器输出为电阻、电感、电容等无源电参量，即电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。
输出为电压、或电流，相应的有：热电偶传感器、光电传感器、磁电传感器、压力传感器等。
第一章 检测技术的基本知识表 1 传感器的分类分类 型 式 说 明按基本效应物理型、化学型、生物型等 分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理结构型 以其转换元件结构参数变化实现信号转换物理型 以其转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系能量转换型（自源） 传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量控制型（外源） 传感器输出量能量由外源供给，但受被测量控制按作用原理应变式、电容式、压电式、热电式等 以传感器对信号转换的作用原理命名按输入量位移、压力、温度、
流量、气体等 以被测量命名（即按用途分类法）
按输出量模电式 输出量为模拟信号数字式 输出量为数字信号第一章 检测技术的基本知识
2、测量电路将传感器输出的微弱的电压或电流信息放大，根据需要还进行阻抗匹配、微分、积分、
线性化补偿等信号处理技术。
3、显示记录装置有些是直接得到数字化数据结果，并由微机来处理。
模拟显示、数字显示、图像显示。
第一章 检测技术的基本知识四、检测与转换技术的发展方向
提高自动检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性。
研究新原理、新材料和新工艺所取得的成果将产生更多品质优良的新型传感器。
微电子技术、微型计算机技术与传感器技术相结合，使检测系统或检测装置迅速地由模拟式、数字式向新一代的智能化自动检测系统发展。
采用多传感器去探索检测线、面和体的空间参数及综合参数，以构成特殊的自动检测系统。
本节首页第一章 检测技术的基本知识第二节 测量（方法）
一、测量的基本概念测量,用实验的方法把被测量与已知标准量进行 比较 的过程。
本章目录测量的过程：比较、示差、平衡、读数。
重点第一章 检测技术的基本知识
测量的目的：以确定量值为目的；
测量的核心,比较 ；
现代检测技术的特征,转换 。 （将非电量转换为电量，用电子装置完成测量过程。）
注意：被测量与标准量应是同类物理量，或是可借以推算出被测量的异类量。
如：（电压） U=I R（电流 × 电阻）。
第一章 检测技术的基本知识二、测量方法
1、按被测量值的获得方法不同：
（ 1）直接测量（法）
不需进行辅助计算即能直接得到被测量值的一种测量方法。
（ 2）间接测量（法）
通过对与被测量有已知关系的另一个或另几个量的直接测量法得到量值的测量方法。
第一章 检测技术的基本知识
2、按测量方法不同：
（ 1）偏差测量在测量过程中，利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位移（即偏差）来决定被测量的方法。
特点：结构简单、迅速、但精度不高，广泛用于工程测量中。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）微差测量法将被测量与同它的量值只有微小差别的已知量相比较，并测出这两个量间的差值，以确定被测量的测量方法称微差测量法。
特点：反应速度快，测量精度高。
测量被测量与标准量之间的差值，当标准量接近被测量时，即使使用精度较低的测量仪表也能得到高精度的测量结果。
第一章 检测技术的基本知识
L l
a
图中 L为被测物体的长度,l为标准量块的尺寸。
被测长度 L为 l+a，如果尺寸 a的测量误差不超过 ±△,
则测量结果可表示为（ a±△ ）或 a（ 1±△ /a），其中
△ /a为测量值 a的相对误差。
被测量 L表示如下：
L=l+(a± △ )=（ l+a） [1± △ /(l+a)]
式中,△ /（ l+a）为测量 L的相对误差,远小于测量 a的相对误差 △ /a。
即,△ /（ l+a）?△ /a
第一章 检测技术的基本知识
L l
a
例：设 l=500mm,a=5mm,△ =0.05mm；试比较测量 a与 L的相对误差。
解：测量 a时的相对误差：
△ /a=0.05/5*100%=1%
测量 L时的相对误差：
△ /(l+a)=0.05/(500+5)*100%≈0.01%
说明微差测量法可以提高测量精确度，适合在线控制参数的测量。
应用：计算机控制的连续轧钢生产线上参与控制过程工作的 x射线测厚仪。
第一章 检测技术的基本知识
特点：仪表内包含有标准具，还有一个指零部件指向零值。偏差为零的状态称为平衡状态。 可以获得比较高的精确度,但测量过程比较复杂，适合于工程参数测量和实验室测量。
（ 3）零位测量法它通过调整一个或几个与被测量有已知平衡关系的
（或已知其值的）量，用平衡法确定被测量的测量方法。
零位测量法又称补偿测量法或平衡测量法。
缺陷：只适合变化缓慢的被测量。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）非接触式测量法
3．按照传感器与被测对象是否接触：
（ 1）接触式测量法本节首页第一章 检测技术的基本知识第三节 检测系统的基本特性一、传感器的一般数学模型
1、静态模型是指在静态条件下（即输入量对时间 t的各阶导数为零）得到的传感器数学模型。
nn xaxaxaxaay332210
式中：
x- 输入量； y- 输出量； a0-零位输出；
a1- 传感器的灵敏度，常用 K或 S表示。
a2,a3,an… - 非线性项的待定常数。
本章目录第一章 检测技术的基本知识
(a) (b)
(d)(c)；xay 1?(a)
(b) ； 55331 xaxaxay
(c) ； 44221 xaxaxay
(d) 。 3
3221 xaxaxay
多项式可能有四种情况，其特性曲线如下图所示。
特性曲线是表示输出量与输出量之间的关系曲线。
（ a）是线性的，（ b），（ c），（ d）是非线性的，必须采取线性化补偿。
第一章 检测技术的基本知识
2、动态模型为了研究动态响应特性而建立的数学模型称为动态模型。
（ 1）微分方程在研究传感器的动态响应时，一般忽略传感器的非线性和随机变化等复杂的因素，将传感器作为线性定常系统考虑。
其动态模型可用线性常系数微分方程表示：
xbdtdxbdt xdbdt xdbyadtdyadt ydadt yda m
m
mm
m
mn
n
nn
n
n 011
1
1011
1
1
a0,a1,an… ； b0,b1,bm… —— 取决于传感器的常数。
对于传感器，除 b0≠0外，一般 b1=b2=bm=0。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）传递函数如果运用拉氏变换将时域的数学模型（微分方程）
转换成 复频域 （ s域）的数学模型（传递函数），上述方法的缺点就得以克服。
01
1
1
01
1
1
)(
)()(
asasasa
bsbsbsb
sx
sysH
n
n
n
n
m
m
m
m
式中,
是个复数，称为拉氏变换的自变量。? js
第一章 检测技术的基本知识传递函数是又一种以传感器参数来表示输出量与输入量之间关系的数学表达式，它表示了 传感器本身的特性,而与输入量无关。
01
1
1
01
1
1
asasasa
bsbsbsb
n
n
n
n
m
m
m
m
x y
第一章 检测技术的基本知识对于多环节串、并联组成的传感器或测量系统，
如果各环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，
总的传递函数可按下列代数式求得：
对于 n个环节的 串联系统 )()(
1
sHsH in
i?
)(1 sH )(2 sH )(sHn
)(sx )(sy
第一章 检测技术的基本知识
)(1 sH
)(2 sH
)(sH n
)(sx )(sy
对于 n个环节的 并联系统
)()(
1
sHsH
n
i
i?
第一章 检测技术的基本知识二、传感器的特性与指标静态特性当被测量不随时间变化或变化缓慢时，可以认为检测系统的输入量与输出量都和时间无关。也就是说它们之间的函数关系式中不含有时间变量，此种检测装置的性能参数通常称为静态特性。
动态特性当被测量随时间变化很快时，就使得输入量与输出量之间存在动态关系。它们之间的关系时含有时间变量的微分方程。由此引起系统适应快速变化的响应特性称为动态特性。
第一章 检测技术的基本知识
1、静态特性
（ 1）线性度线性度又称非线性，是表征传感器输入 -输出特性曲线与所选定的拟合直线之间的吻合程度的指标。
通常用他们之间的最大偏差与输出满量程的百分比来表示。
%1 0 0/ FSy YmE
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）迟滞迟滞是表明检测系统在正向和反向（即输入量增大和减小）行程期间，输入 — 输出特性曲线表现出的不一致程度。
通常用往返两个不同输出量对应于同一输入量得最大差值与满量程输出比值的百分数（表示）。
%1 0 0/m a x FSt YHE
1.传动机构的摩擦、间隙。
2.仪表元件吸收并暂时储存能量。
迟滞形成的原因：
第一章 检测技术的基本知识
（ 3）重复性在同一工作条件下，传感器（仪表）对同一输入、按同一方向，连续多次测量时，输出值之间的相互一致程度。
（ 4）灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起该变化的输入量变化的比值。
y
0x
x?
y?
x S=△ y/△ x或 dy/dx
第一章 检测技术的基本知识灵敏度也有量纲，只有在当输入量与输出量为同类量时，灵敏度才表示为放大倍数。
1yx
1s 2s 3s
2y y
S=S1*S2*S3 （ 多环节系统灵敏度）
第一章 检测技术的基本知识
（ 6）测量范围与量程测量范围,正常工作条件下，能够测量的被测量的总范围。通常包括测量的上限和下限两个值。
量程,测量范围上下限值的代数差。
（ 5）分辨力分辨力是传感器在规定测量范围内所能检测出被测量的 最小变化量 。
有时用该值与满量程输出值的百分数表示，则称为分辨率。
第一章 检测技术的基本知识
（ 7）精度等级检测系统或装置的精度等级与其引用误差有关。
（下一节介绍）
（ 8）稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。
一般以室温条件下经过一规定的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，
有时也用标定的有效期来表示。
第一章 检测技术的基本知识在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与输入无关的、不需要的变化。
包括 零点漂移 和 灵敏度漂移 。
为了使测量准确，要求静态响应良好：合适的测量范围和量程；足够的灵敏度、分辨率和重复性；尽量小的线性度差、回差、和漂移。
（ 9）漂移第一章 检测技术的基本知识
2、动态特性进行动态分析和定标时，输入信号通常采用：
（ 1）阶跃信号
（ 2）正弦信号对于一阶系统，包括时间常数 T和时滞具有良好的动态特性，可对变化中的被测量保持足够的响应,迅速准确 地测出被测量的大小，再现被测量的波形。
第一章 检测技术的基本知识
1.0
0.632
x(t)
t
带时滞的一阶对象
1.0
0.632
x(t)
tT
一阶对象
T为上升到 63.2%的值，
即时间常数第一章 检测技术的基本知识
t
1.0
0.9
0.1
st
pt
rt
pM
允许误差
2%或 5%
)(tx
上升时间 tr 峰值时间 tp
建立时间 ts 瞬时过冲 Mp
对于二阶系统，包括：
第一章 检测技术的基本知识在频域内，正弦信号用来分析系统的频率响应
（包括幅频特性和相频特性）
大部分检测系统可简化为单自由度一阶或二阶系统，然后建立系统的动态模型，通过拉氏变换求出传递函数的表达式，再根据输入条件得到相应的频率特性，并以此来描述系统的动态特性。
本节首页第一章 检测技术的基本知识第四节 误差
误差：测量值与真值之间异同。
误差的来源：
工具误差、环境误差、方法误差和人员误差。
误差的分类：
1、按误差表示方法分类绝对误差、相对误差。
2、按误差出现的规律系统误差、随机误差、粗大误差。
3、按被测量与时间的关系静态误差、动态误差。
本章目录第一章 检测技术的基本知识一、绝对误差、相对误差和引用误差
1、绝对误差
2、相对误差仪表的指示值 x与被测量的约定真值 x0之间的差值，
记为 δ，即 δ=x－ x0，则 被测量真值
x0 = x－ δ= x +C； C= － δ （修正值或校正量）
绝对误差 δ与被测量约定真值 x0的比值。（常用百分数表示）。
%100%100
0
0
0
x xxxδr
重点第一章 检测技术的基本知识绝对误差 δ与仪表量程 L的比值。（常用百分数表示）
3、引用误差
%1 0 00 Lr?
整个量程中，利用出现的绝对误差最大值 δm，
可得到最大引用误差 rom。
%1 0 0 Lmr om?
测量仪表一般以最大引用误差不能超过的允许值（规定）作为 精度等级 。
工业仪表精度等级（ 8个）,0.1级,0.2级,0.5
级,1级,1.5级,2.0级,2.5级,5级。
作业第一章 检测技术的基本知识二、系统误差与随机误差、粗大误差
1、系统误差同条件下对同一被测量的多次测量中，误差的大小和符号保持不变，或其变化是可预计的。
2、粗大误差（过失误差）
超过规定条件下的预计值很大数值的误差。
（明显歪曲测量结果）
3、随机误差同条件下对同一被测量多次测量时，其误差大小和符号以不可预见的方式变化的误差。
本节首页第一章 检测技术的基本知识概率,是随机事件统计规律性的表现，是随机事件的固有特性。大量重复实验才能表现出概率的统计结果。
一、随机误差的性质正态分布 非正态分布型正态分布随机误差的性质：
1、对称性
2、单峰性
3、有界性
4、抵偿性
)(?f
随机误差的正态分布曲线
0
本章目录第五节 随机误差的处理方法第一章 检测技术的基本知识随机误差正态分布曲线（正态概率密度分布函数 ）
)2e x p (21)( 2
2
σ
δ
πσδfy
ζ— 测量值的标准误差。 δ— 测量点的误差。
（高斯误差方程）
第一章 检测技术的基本知识二、算术平均值
n
xxxx
nx
n
n
i
i
.,,1 21
1
利用算术平均值 x 代替真值 x0 则 xxii 0
可改成：
xxv ii vi 称为 剩余误差 。
0)(
1111
xnxnxxxxv n
i
n
i
i
n
v
i
n
v
i
所以 n个剩余误差中，只有（ n－ 1）个是独立的。
第一章 检测技术的基本知识标准误差的估计值
n
i
n
i
i v inxxnσ
1
2
1
2
1
1)(
1
1?（贝塞尔公式）
不严格区分，统称标准误差。
（均方差）
标准误差 在评价正态分布的随机误差时具有特殊的意义。
标准误差 σ的大小表示测量结果的 分散程度 。
σ小则测量精度高。
重点第一章 检测技术的基本知识
1?
2?
3?
321
① 介于（－ ζ,+ζ）的随机误差出现的概率为,
6 8 2 7.0)( df
② 介于（－ 2ζ,+2ζ）的概率为,
22 9545.0df
③ 介于（－ 3ζ,+3ζ）的概率为：
33 %73.999 9 7 3.0)( df
（在这以外的情况很难发生）
第一章 检测技术的基本知识理论证明,算术平均值的标准误差 s为 （ n’组测量，
每组测量 n次）
nnn
s
n
i
x
i
)1(
1
2
（ 5— 10次即可满足精度了）
第一章 检测技术的基本知识三、测量结果的置信度和测量结果的正确表示在只存在随机误差情况下，可以通过积分运算，预计测量值出现于 [X0－ a,X0+a]区间的概率。此 [－ a,a]区间就叫 置信区间,相应的概率为 置信概率 。
置信区间和置信概率联合表明测量的 置信度 。（一般置信区间都取 标准误差的整数倍 K）。
第一章 检测技术的基本知识被测量的真值：
测量值的结果范围（有误差的测量结果的极限值）：
用单次测量值表示的真值：
)?(?0
n
σkxskxx
σkxx m
σkxx i?0
（ k一般为 1,2,3）
作业第一章 检测技术的基本知识四、粗大误差的判别和舍弃当某一测量值的剩余误差绝对值大于 3ζ时，
认为是粗大误差，应舍弃后，重新算取，直到所有剩余误差都小于 3ζ为止。
本节首页第一章 检测技术的基本知识第六节 系统误差的消除一、交换法将引起系统误差的某些条件（如被测量的位置等）
相互交换，而保持其它条件不变，使产生系统误差的因素对测量结果起相反的作用，从而抵消系统误差。
等臂天平有微小差别时，左右交换。
本章目录第一章 检测技术的基本知识二、抵消法改变测量中的某些条件（如测量方向），使前后两次测量结果的误差符号相反，取其平均值以消除系统误差。
千分卡有空行程，即螺旋旋转时，刻度变化，量杆不动。为此，可从正反两个旋转方向测量，将两次测量的数值平均后取值，即可消除系统误差。
第一章 检测技术的基本知识
X TP
替平衡物 T
被测物 X
标准物 P
砝码等三、替代法在测量条件不变的情况下，用已知量替换被测量，
达到消除系统误差的目的。
以天平为例（两边臂长不一致，仅仅交换两侧测量还是不够）。
第一章 检测技术的基本知识四、对称测量法
XR NR
PR
NUXU
ES
I
t
3t2t1t
i
i
2?i
NNX RUUR /X
t1 时刻 RX上电压 U1=iRX
t2 时刻 RN上电压 U2=（ i-ε） RN
t3 时刻 RX上电压 U3=（ i-2ε） RX
所以,Rx=(U1+U3)/2U2*RN
三次测量时间间隔相等，通过前后两次测量求平均正好消除了因为电流缓慢变化引起的系统误差。（电流 i线性变化时）当 i是非线性变化时，在 t1与 t3相隔不远的情况下，仍然可以看成线性变化。
第一章 检测技术的基本知识五、补偿法由于某个条件的变化或仪器某个环节的非线性特性都可能引入变值系统误差。可在测量系统中采取补偿措施，自动消除系统误差。
热电偶测温时，冷端温度的变化会引起变值系统误差。在测量系统中采用补偿电桥，就可以起到自动补偿的作用。
本章结束
第三节 检测系统的基本特性第四节 误差第五节 随机误差的处理方法第六节 系统误差的消除第一章 检测与转换技术第一章 检测技术的基本知识
1：有三台测温仪表，量程均为 0~600℃,精度等级分别为 2.5
级,2.0级和 1.5级，现要测量 550℃ 的温度，要求相对误差不超过 2.5%，问选用哪台仪表合理？
2：有两台测温仪表，一台最大量程为 100℃ 的精度等级为
1.0，另一台最大量程为 250℃ 的精度等级为 0.5，问选用哪台仪表测量 80℃ 的温度更精确？
3：现等精度测量某电压 11次，得到的电压值分别是（单位：
V）,10.42,10.43,10.41,10.43,10.42,10.43,10.30，
10.42,10.40,10.41,10.42
求,（ 1）该电压的算术平均值，标准误差和算术平均值的标准误差。
（ 2）写出被测电压的真值 x0和极限值 xm
（ 置信概率取 99.7%）
作业第一章 检测技术的基本知识一、检测技术检测与转换技术是 自动检测技术 与 自动转换技术 的总称。
是研究检测系统中的 信息提取,信息转换 及 信号处理 的理论和技术的应用技术学科。
是研究科学实验或生产实验或生产过程中工程参数的 测量方法,检测仪表 及 测量系统 构成等有关技术的学科。
检测与转换技术与微机、工业过程控制、智能仪表等生产实际和科学研究有密切的联系。是人们认识自然、改造自然的重要手段，也是国民经济建设各部门的重要技术基础。
第一节 检测与转换本章目录第一章 检测技术的基本知识例 1：工业锅炉是工业生产的重要动力设备，它需要产生具有一定指标（温度和压力）的蒸汽和热水。
A、汽锅的液位控制
B、能源 控制例 2：化工工业需要检测。
QNHHN 322 23 催化剂、压力、温度三个特点,A：放热 B：可逆 C：物质的量之比为 3∶ 1
温度压力组成浓度提高合成氨产量一定温度 T
压力 P
H2∶ N2
降低提高
3∶ 1
检测并控制例 3：机械工业、国防工业也需要检测。国内贸易、商品流通需要检测。
第一章 检测技术的基本知识检测与转换技术是当今世界的最重要的热门技术之一。
现代化水平 ← 自动化水平 ← 传感器的种类和数量所谓自动化：就是用各种技术工具与方法代替人来完成检测、分析、判断和控制进行工作。
第一章 检测技术的基本知识电子技术飞速发展，电量的测量技术得到了提高。
二,传感器的出现仪器仪表的发展：机械式仪表 → 光学、电学 → 高级仪表 ……
科学技术和工程技术领域所要检测的参数大多数为非电量 。
1、非电量电测技术第一章 检测技术的基本知识
（ 2）研究如何能正确和快速的测量非电量的技术。
两个研究方向：
（ 1）研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表；
使用一种器件将非电量转换为电量，并进行测量。这种器件就是 传感器 。
非电量电测技术：
第一章 检测技术的基本知识
非电学量电测法的特点（优点）：
（ 1）能够连续、自动地对被测量进行测量和记录。
（ 2）电子装置精度高、频率响应好，不仅能适用于静态测量，选用适当的传感器和记录装置还可以进行动态测量甚至瞬态测量。
第一章 检测技术的基本知识
（ 3）电信号可以远距离传输，便于实现远距离测量和集中控制。
（ 4）电子测量装置能方便地改变量程，因此测量的范围广。
（ 5）可以方便地与计算机相联，进行数据的自动运算、分析和处理。
第一章 检测技术的基本知识
2、传感器的概念传感器是人体“五官”的工程模拟物。
传感器的定义：
一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
重点第一章 检测技术的基本知识
3、传感器的物理定律传感器具有 能量信息转换 的机能。
遵守四个物理基本守衡定律：
（ 1） 守衡定律,能量、动量、电荷量等守衡定律。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2） 场的定律,动力场的运动定律、电磁的感应定律等。
（ 3） 物质定律,物质本身内在性质的定律
（虎克定律、欧姆定律等）。
（ 4） 统计法则,将微观系统与宏观系统联系起来的物理法则。
第一章 检测技术的基本知识
4、传感器技术传感器技术是涉及传感（检测）原理、传感器设计、
传感器开发和应用的综合技术。
5、传感器技术的发展趋势：
（ 1）开发新型传感器
（ 2）传感器的集成化和多功能化
（ 3）传感器的智能化
（ 4）研究生物感官，开发仿生传感器第一章 检测技术的基本知识检测系统或检测装置通常是由 传感器,测量电路 和显示记录处理装置 等部分组成。
三、检测系统的组成检测系统即为信息的 获取,转换,显示和处理 （传送、执行等）的系统。
被测量 → 传感器 → 测量电路 记录仪指示仪数据处理器
→
电源被测量根据对象分：生物量、物理量、化学量。
第一章 检测技术的基本知识
1、传感器
（ 1）传感器的构成传感器构成法，视被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体情况的不同而有很大差异。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）传感器的分类：
化学量传感器按被测量的性质生物量传感器机械量传感器位移、力、速度、加速度传感器热工量传感器温度、压力、流量传感器第一章 检测技术的基本知识传感器按输出量的性质分类
a,参量型传感器
b,发电型传感器输出为电阻、电感、电容等无源电参量，即电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。
输出为电压、或电流，相应的有：热电偶传感器、光电传感器、磁电传感器、压力传感器等。
第一章 检测技术的基本知识表 1 传感器的分类分类 型 式 说 明按基本效应物理型、化学型、生物型等 分别以转换中的物理效应、化学效应等命名按构成原理结构型 以其转换元件结构参数变化实现信号转换物理型 以其转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系能量转换型（自源） 传感器输出量直接由被测量能量转换而得能量控制型（外源） 传感器输出量能量由外源供给，但受被测量控制按作用原理应变式、电容式、压电式、热电式等 以传感器对信号转换的作用原理命名按输入量位移、压力、温度、
流量、气体等 以被测量命名（即按用途分类法）
按输出量模电式 输出量为模拟信号数字式 输出量为数字信号第一章 检测技术的基本知识
2、测量电路将传感器输出的微弱的电压或电流信息放大，根据需要还进行阻抗匹配、微分、积分、
线性化补偿等信号处理技术。
3、显示记录装置有些是直接得到数字化数据结果，并由微机来处理。
模拟显示、数字显示、图像显示。
第一章 检测技术的基本知识四、检测与转换技术的发展方向
提高自动检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性。
研究新原理、新材料和新工艺所取得的成果将产生更多品质优良的新型传感器。
微电子技术、微型计算机技术与传感器技术相结合，使检测系统或检测装置迅速地由模拟式、数字式向新一代的智能化自动检测系统发展。
采用多传感器去探索检测线、面和体的空间参数及综合参数，以构成特殊的自动检测系统。
本节首页第一章 检测技术的基本知识第二节 测量（方法）
一、测量的基本概念测量,用实验的方法把被测量与已知标准量进行 比较 的过程。
本章目录测量的过程：比较、示差、平衡、读数。
重点第一章 检测技术的基本知识
测量的目的：以确定量值为目的；
测量的核心,比较 ；
现代检测技术的特征,转换 。 （将非电量转换为电量，用电子装置完成测量过程。）
注意：被测量与标准量应是同类物理量，或是可借以推算出被测量的异类量。
如：（电压） U=I R（电流 × 电阻）。
第一章 检测技术的基本知识二、测量方法
1、按被测量值的获得方法不同：
（ 1）直接测量（法）
不需进行辅助计算即能直接得到被测量值的一种测量方法。
（ 2）间接测量（法）
通过对与被测量有已知关系的另一个或另几个量的直接测量法得到量值的测量方法。
第一章 检测技术的基本知识
2、按测量方法不同：
（ 1）偏差测量在测量过程中，利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位移（即偏差）来决定被测量的方法。
特点：结构简单、迅速、但精度不高，广泛用于工程测量中。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）微差测量法将被测量与同它的量值只有微小差别的已知量相比较，并测出这两个量间的差值，以确定被测量的测量方法称微差测量法。
特点：反应速度快，测量精度高。
测量被测量与标准量之间的差值，当标准量接近被测量时，即使使用精度较低的测量仪表也能得到高精度的测量结果。
第一章 检测技术的基本知识
L l
a
图中 L为被测物体的长度,l为标准量块的尺寸。
被测长度 L为 l+a，如果尺寸 a的测量误差不超过 ±△,
则测量结果可表示为（ a±△ ）或 a（ 1±△ /a），其中
△ /a为测量值 a的相对误差。
被测量 L表示如下：
L=l+(a± △ )=（ l+a） [1± △ /(l+a)]
式中,△ /（ l+a）为测量 L的相对误差,远小于测量 a的相对误差 △ /a。
即,△ /（ l+a）?△ /a
第一章 检测技术的基本知识
L l
a
例：设 l=500mm,a=5mm,△ =0.05mm；试比较测量 a与 L的相对误差。
解：测量 a时的相对误差：
△ /a=0.05/5*100%=1%
测量 L时的相对误差：
△ /(l+a)=0.05/(500+5)*100%≈0.01%
说明微差测量法可以提高测量精确度，适合在线控制参数的测量。
应用：计算机控制的连续轧钢生产线上参与控制过程工作的 x射线测厚仪。
第一章 检测技术的基本知识
特点：仪表内包含有标准具，还有一个指零部件指向零值。偏差为零的状态称为平衡状态。 可以获得比较高的精确度,但测量过程比较复杂，适合于工程参数测量和实验室测量。
（ 3）零位测量法它通过调整一个或几个与被测量有已知平衡关系的
（或已知其值的）量，用平衡法确定被测量的测量方法。
零位测量法又称补偿测量法或平衡测量法。
缺陷：只适合变化缓慢的被测量。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）非接触式测量法
3．按照传感器与被测对象是否接触：
（ 1）接触式测量法本节首页第一章 检测技术的基本知识第三节 检测系统的基本特性一、传感器的一般数学模型
1、静态模型是指在静态条件下（即输入量对时间 t的各阶导数为零）得到的传感器数学模型。
nn xaxaxaxaay332210
式中：
x- 输入量； y- 输出量； a0-零位输出；
a1- 传感器的灵敏度，常用 K或 S表示。
a2,a3,an… - 非线性项的待定常数。
本章目录第一章 检测技术的基本知识
(a) (b)
(d)(c)；xay 1?(a)
(b) ； 55331 xaxaxay
(c) ； 44221 xaxaxay
(d) 。 3
3221 xaxaxay
多项式可能有四种情况，其特性曲线如下图所示。
特性曲线是表示输出量与输出量之间的关系曲线。
（ a）是线性的，（ b），（ c），（ d）是非线性的，必须采取线性化补偿。
第一章 检测技术的基本知识
2、动态模型为了研究动态响应特性而建立的数学模型称为动态模型。
（ 1）微分方程在研究传感器的动态响应时，一般忽略传感器的非线性和随机变化等复杂的因素，将传感器作为线性定常系统考虑。
其动态模型可用线性常系数微分方程表示：
xbdtdxbdt xdbdt xdbyadtdyadt ydadt yda m
m
mm
m
mn
n
nn
n
n 011
1
1011
1
1
a0,a1,an… ； b0,b1,bm… —— 取决于传感器的常数。
对于传感器，除 b0≠0外，一般 b1=b2=bm=0。
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）传递函数如果运用拉氏变换将时域的数学模型（微分方程）
转换成 复频域 （ s域）的数学模型（传递函数），上述方法的缺点就得以克服。
01
1
1
01
1
1
)(
)()(
asasasa
bsbsbsb
sx
sysH
n
n
n
n
m
m
m
m
式中,
是个复数，称为拉氏变换的自变量。? js
第一章 检测技术的基本知识传递函数是又一种以传感器参数来表示输出量与输入量之间关系的数学表达式，它表示了 传感器本身的特性,而与输入量无关。
01
1
1
01
1
1
asasasa
bsbsbsb
n
n
n
n
m
m
m
m
x y
第一章 检测技术的基本知识对于多环节串、并联组成的传感器或测量系统，
如果各环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，
总的传递函数可按下列代数式求得：
对于 n个环节的 串联系统 )()(
1
sHsH in
i?
)(1 sH )(2 sH )(sHn
)(sx )(sy
第一章 检测技术的基本知识
)(1 sH
)(2 sH
)(sH n
)(sx )(sy
对于 n个环节的 并联系统
)()(
1
sHsH
n
i
i?
第一章 检测技术的基本知识二、传感器的特性与指标静态特性当被测量不随时间变化或变化缓慢时，可以认为检测系统的输入量与输出量都和时间无关。也就是说它们之间的函数关系式中不含有时间变量，此种检测装置的性能参数通常称为静态特性。
动态特性当被测量随时间变化很快时，就使得输入量与输出量之间存在动态关系。它们之间的关系时含有时间变量的微分方程。由此引起系统适应快速变化的响应特性称为动态特性。
第一章 检测技术的基本知识
1、静态特性
（ 1）线性度线性度又称非线性，是表征传感器输入 -输出特性曲线与所选定的拟合直线之间的吻合程度的指标。
通常用他们之间的最大偏差与输出满量程的百分比来表示。
%1 0 0/ FSy YmE
第一章 检测技术的基本知识
（ 2）迟滞迟滞是表明检测系统在正向和反向（即输入量增大和减小）行程期间，输入 — 输出特性曲线表现出的不一致程度。
通常用往返两个不同输出量对应于同一输入量得最大差值与满量程输出比值的百分数（表示）。
%1 0 0/m a x FSt YHE
1.传动机构的摩擦、间隙。
2.仪表元件吸收并暂时储存能量。
迟滞形成的原因：
第一章 检测技术的基本知识
（ 3）重复性在同一工作条件下，传感器（仪表）对同一输入、按同一方向，连续多次测量时，输出值之间的相互一致程度。
（ 4）灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起该变化的输入量变化的比值。
y
0x
x?
y?
x S=△ y/△ x或 dy/dx
第一章 检测技术的基本知识灵敏度也有量纲，只有在当输入量与输出量为同类量时，灵敏度才表示为放大倍数。
1yx
1s 2s 3s
2y y
S=S1*S2*S3 （ 多环节系统灵敏度）
第一章 检测技术的基本知识
（ 6）测量范围与量程测量范围,正常工作条件下，能够测量的被测量的总范围。通常包括测量的上限和下限两个值。
量程,测量范围上下限值的代数差。
（ 5）分辨力分辨力是传感器在规定测量范围内所能检测出被测量的 最小变化量 。
有时用该值与满量程输出值的百分数表示，则称为分辨率。
第一章 检测技术的基本知识
（ 7）精度等级检测系统或装置的精度等级与其引用误差有关。
（下一节介绍）
（ 8）稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。
一般以室温条件下经过一规定的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，
有时也用标定的有效期来表示。
第一章 检测技术的基本知识在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与输入无关的、不需要的变化。
包括 零点漂移 和 灵敏度漂移 。
为了使测量准确，要求静态响应良好：合适的测量范围和量程；足够的灵敏度、分辨率和重复性；尽量小的线性度差、回差、和漂移。
（ 9）漂移第一章 检测技术的基本知识
2、动态特性进行动态分析和定标时，输入信号通常采用：
（ 1）阶跃信号
（ 2）正弦信号对于一阶系统，包括时间常数 T和时滞具有良好的动态特性，可对变化中的被测量保持足够的响应,迅速准确 地测出被测量的大小，再现被测量的波形。
第一章 检测技术的基本知识
1.0
0.632
x(t)
t
带时滞的一阶对象
1.0
0.632
x(t)
tT
一阶对象
T为上升到 63.2%的值，
即时间常数第一章 检测技术的基本知识
t
1.0
0.9
0.1
st
pt
rt
pM
允许误差
2%或 5%
)(tx
上升时间 tr 峰值时间 tp
建立时间 ts 瞬时过冲 Mp
对于二阶系统，包括：
第一章 检测技术的基本知识在频域内，正弦信号用来分析系统的频率响应
（包括幅频特性和相频特性）
大部分检测系统可简化为单自由度一阶或二阶系统，然后建立系统的动态模型，通过拉氏变换求出传递函数的表达式，再根据输入条件得到相应的频率特性，并以此来描述系统的动态特性。
本节首页第一章 检测技术的基本知识第四节 误差
误差：测量值与真值之间异同。
误差的来源：
工具误差、环境误差、方法误差和人员误差。
误差的分类：
1、按误差表示方法分类绝对误差、相对误差。
2、按误差出现的规律系统误差、随机误差、粗大误差。
3、按被测量与时间的关系静态误差、动态误差。
本章目录第一章 检测技术的基本知识一、绝对误差、相对误差和引用误差
1、绝对误差
2、相对误差仪表的指示值 x与被测量的约定真值 x0之间的差值，
记为 δ，即 δ=x－ x0，则 被测量真值
x0 = x－ δ= x +C； C= － δ （修正值或校正量）
绝对误差 δ与被测量约定真值 x0的比值。（常用百分数表示）。
%100%100
0
0
0
x xxxδr
重点第一章 检测技术的基本知识绝对误差 δ与仪表量程 L的比值。（常用百分数表示）
3、引用误差
%1 0 00 Lr?
整个量程中，利用出现的绝对误差最大值 δm，
可得到最大引用误差 rom。
%1 0 0 Lmr om?
测量仪表一般以最大引用误差不能超过的允许值（规定）作为 精度等级 。
工业仪表精度等级（ 8个）,0.1级,0.2级,0.5
级,1级,1.5级,2.0级,2.5级,5级。
作业第一章 检测技术的基本知识二、系统误差与随机误差、粗大误差
1、系统误差同条件下对同一被测量的多次测量中，误差的大小和符号保持不变，或其变化是可预计的。
2、粗大误差（过失误差）
超过规定条件下的预计值很大数值的误差。
（明显歪曲测量结果）
3、随机误差同条件下对同一被测量多次测量时，其误差大小和符号以不可预见的方式变化的误差。
本节首页第一章 检测技术的基本知识概率,是随机事件统计规律性的表现，是随机事件的固有特性。大量重复实验才能表现出概率的统计结果。
一、随机误差的性质正态分布 非正态分布型正态分布随机误差的性质：
1、对称性
2、单峰性
3、有界性
4、抵偿性
)(?f
随机误差的正态分布曲线
0
本章目录第五节 随机误差的处理方法第一章 检测技术的基本知识随机误差正态分布曲线（正态概率密度分布函数 ）
)2e x p (21)( 2
2
σ
δ
πσδfy
ζ— 测量值的标准误差。 δ— 测量点的误差。
（高斯误差方程）
第一章 检测技术的基本知识二、算术平均值
n
xxxx
nx
n
n
i
i
.,,1 21
1
利用算术平均值 x 代替真值 x0 则 xxii 0
可改成：
xxv ii vi 称为 剩余误差 。
0)(
1111
xnxnxxxxv n
i
n
i
i
n
v
i
n
v
i
所以 n个剩余误差中，只有（ n－ 1）个是独立的。
第一章 检测技术的基本知识标准误差的估计值
n
i
n
i
i v inxxnσ
1
2
1
2
1
1)(
1
1?（贝塞尔公式）
不严格区分，统称标准误差。
（均方差）
标准误差 在评价正态分布的随机误差时具有特殊的意义。
标准误差 σ的大小表示测量结果的 分散程度 。
σ小则测量精度高。
重点第一章 检测技术的基本知识
1?
2?
3?
321
① 介于（－ ζ,+ζ）的随机误差出现的概率为,
6 8 2 7.0)( df
② 介于（－ 2ζ,+2ζ）的概率为,
22 9545.0df
③ 介于（－ 3ζ,+3ζ）的概率为：
33 %73.999 9 7 3.0)( df
（在这以外的情况很难发生）
第一章 检测技术的基本知识理论证明,算术平均值的标准误差 s为 （ n’组测量，
每组测量 n次）
nnn
s
n
i
x
i
)1(
1
2
（ 5— 10次即可满足精度了）
第一章 检测技术的基本知识三、测量结果的置信度和测量结果的正确表示在只存在随机误差情况下，可以通过积分运算，预计测量值出现于 [X0－ a,X0+a]区间的概率。此 [－ a,a]区间就叫 置信区间,相应的概率为 置信概率 。
置信区间和置信概率联合表明测量的 置信度 。（一般置信区间都取 标准误差的整数倍 K）。
第一章 检测技术的基本知识被测量的真值：
测量值的结果范围（有误差的测量结果的极限值）：
用单次测量值表示的真值：
)?(?0
n
σkxskxx
σkxx m
σkxx i?0
（ k一般为 1,2,3）
作业第一章 检测技术的基本知识四、粗大误差的判别和舍弃当某一测量值的剩余误差绝对值大于 3ζ时，
认为是粗大误差，应舍弃后，重新算取，直到所有剩余误差都小于 3ζ为止。
本节首页第一章 检测技术的基本知识第六节 系统误差的消除一、交换法将引起系统误差的某些条件（如被测量的位置等）
相互交换，而保持其它条件不变，使产生系统误差的因素对测量结果起相反的作用，从而抵消系统误差。
等臂天平有微小差别时，左右交换。
本章目录第一章 检测技术的基本知识二、抵消法改变测量中的某些条件（如测量方向），使前后两次测量结果的误差符号相反，取其平均值以消除系统误差。
千分卡有空行程，即螺旋旋转时，刻度变化，量杆不动。为此，可从正反两个旋转方向测量，将两次测量的数值平均后取值，即可消除系统误差。
第一章 检测技术的基本知识
X TP
替平衡物 T
被测物 X
标准物 P
砝码等三、替代法在测量条件不变的情况下，用已知量替换被测量，
达到消除系统误差的目的。
以天平为例（两边臂长不一致，仅仅交换两侧测量还是不够）。
第一章 检测技术的基本知识四、对称测量法
XR NR
PR
NUXU
ES
I
t
3t2t1t
i
i
2?i
NNX RUUR /X
t1 时刻 RX上电压 U1=iRX
t2 时刻 RN上电压 U2=（ i-ε） RN
t3 时刻 RX上电压 U3=（ i-2ε） RX
所以,Rx=(U1+U3)/2U2*RN
三次测量时间间隔相等，通过前后两次测量求平均正好消除了因为电流缓慢变化引起的系统误差。（电流 i线性变化时）当 i是非线性变化时，在 t1与 t3相隔不远的情况下，仍然可以看成线性变化。
第一章 检测技术的基本知识五、补偿法由于某个条件的变化或仪器某个环节的非线性特性都可能引入变值系统误差。可在测量系统中采取补偿措施，自动消除系统误差。
热电偶测温时，冷端温度的变化会引起变值系统误差。在测量系统中采用补偿电桥，就可以起到自动补偿的作用。
本章结束
