传感器与检测技术的理论基础

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1、第1章传感器与检测技术的理论基础1.1测量概论1.2测量数据的估计和处理返回主目录第1章传感与检测技术的理论基础1.1测量概论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,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。检测与转换技术：（自动检测技术和自动转换技术的总

2、称）是以研究检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论与技术为主要内容的一门应用技术学科。检测与转换技术研究的主要内容:对被测物理量的测量原理、测量方法、测量系统和数据处理四个方面。测量原理：指用什么样的原理去测量被测量量。一、测量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标准量进行比较,确定被测量对标准量的倍数。它可由下式表示:或（1-1）（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测

3、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,测量结果应包括两部分：比值和测量单位。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。选择其中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。二、测

4、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。对于测量方法,从不同角度,有不同的分类方法。根据获得测量值的方法(测量手段)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情况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、零位法测量与微差法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

5、与被动式测量等。1．直接测量、间接测量与组合测量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。间接测量测量手续较多,花费时间较长,一般用在直接测量

6、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．等精度测量与不等精度测量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、零位式测量与微差式测量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

7、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。（电磁式电流表）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

8、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ΔN,因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量Δ,即使测量Δ的精度较低,但因Δx,故总的测量精度仍很高。微差式测量的优点是反应快,而且测量精度高