傳感器概述與測量技術理論基礎

1、第1章 傳感器理論基礎 教學目標教學目標 本章闡述傳感器及傳感技術的作用；傳感器及傳本章闡述傳感器及傳感技術的作用；傳感器及傳感技術的特點；傳感器的發(fā)展趨勢；傳感器的定義與感技術的特點；傳感器的發(fā)展趨勢；傳感器的定義與組成；傳感器的分類方法；傳感器的特性；測量、測組成；傳感器的分類方法；傳感器的特性；測量、測量系統(tǒng)、測量誤差和誤差分析的基本概念。量系統(tǒng)、測量誤差和誤差分析的基本概念。 教學重點教學重點 傳感器的定義、組成及發(fā)展趨勢傳感器的定義、組成及發(fā)展趨勢 傳感器的靜態(tài)特性指標及定量描述方法傳感器的靜態(tài)特性指標及定量描述方法傳感器傳感器技術技術通信通信技術技術傳感器的作用傳感器的作用信息社會

2、的三大技術：信息社會的三大技術：信息的采集信息的采集信息的傳輸信息的傳輸 信息的處理信息的處理計算機計算機技術技術2.1 傳感器的概述傳感器的概述 人和機器進行體力勞動、腦力勞動過程人和機器進行體力勞動、腦力勞動過程五官五官感覺感覺傳感器傳感器大腦大腦筋肉筋肉計算機計算機執(zhí)行器執(zhí)行器來自外界來自外界的信息的信息機器機器人人傳感器傳感器電五官電五官舉例：汽車用傳感器技術是促進汽車電子化發(fā)展的關鍵技術之舉例：汽車用傳感器技術是促進汽車電子化發(fā)展的關鍵技術之一。目前，一般普通汽車大約裝有幾十只到近百只傳感器，而一。目前，一般普通汽車大約裝有幾十只到近百只傳感器，而豪華高級汽車大約使用豪華高級汽車大約

3、使用200300只傳感器。汽車用傳感器主要只傳感器。汽車用傳感器主要使用在發(fā)動機控制系統(tǒng)和汽車狀態(tài)控制系統(tǒng)中。使用在發(fā)動機控制系統(tǒng)和汽車狀態(tài)控制系統(tǒng)中。汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)用傳感器主要有：汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)用傳感器主要有：1、壓力傳感器：主要檢測汽缸負壓、大氣壓、汽缸內壓、油、壓力傳感器：主要檢測汽缸負壓、大氣壓、汽缸內壓、油壓等；壓等；2、溫度傳感器：主要用于檢測發(fā)動機溫度、吸入氣體溫度、溫度傳感器：主要用于檢測發(fā)動機溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度等；冷卻水溫度、燃油溫度等；3、氣體濃度傳感器：主要用于檢測車體內氣體和廢氣排放；、氣體濃度傳感器：主要用于檢測車體內氣體和廢氣排放；4、

4、流量傳感器：主要用于發(fā)動機控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控、流量傳感器：主要用于發(fā)動機控制系統(tǒng)確定燃燒條件、控制空燃比，啟動、點火等；制空燃比，啟動、點火等；5、位置和轉速傳感器：主要用于檢測曲軸轉角、發(fā)動機轉速、位置和轉速傳感器：主要用于檢測曲軸轉角、發(fā)動機轉速、車速等；車速等；6、爆震傳感器：汽油在即將燃燒而沒有發(fā)生明顯爆燃時，燃、爆震傳感器：汽油在即將燃燒而沒有發(fā)生明顯爆燃時，燃燒速度最快、動力性最好。用檢測發(fā)動機機體振動。燒速度最快、動力性最好。用檢測發(fā)動機機體振動。霍爾傳感器安裝位置及作用霍爾傳感器安裝位置及作用作用：感應凸輪軸作用：感應凸輪軸位置和轉速信號，將位置和轉速信號，將此信號傳給此

5、信號傳給ECUECU以確以確定點火時刻和噴油時定點火時刻和噴油時刻?？獭？諝饬髁坑嫲惭b位置及作用空氣流量計安裝位置及作用作用：熱膜式，作用：熱膜式，檢測進氣量的多少，檢測進氣量的多少，給發(fā)動機給發(fā)動機ECUECU提供進提供進氣數(shù)量信號。氣數(shù)量信號。ECUECU的安裝位置及作用的安裝位置及作用作用：發(fā)動機管理作用：發(fā)動機管理系統(tǒng)，接收各種輸入系統(tǒng)，接收各種輸入信號并加以處理，輸信號并加以處理，輸出執(zhí)行命令出執(zhí)行命令水溫傳感器安裝位置及作用水溫傳感器安裝位置及作用作用：感應冷卻水作用：感應冷卻水溫度，并將其變成電溫度，并將其變成電信號傳給信號傳給ECUECU爆振傳感器安裝位置及作用爆振傳感器安裝位

6、置及作用 另一爆振傳感器安裝在三四缸之間的相另一爆振傳感器安裝在三四缸之間的相同位置同位置。作用：感應發(fā)動機工作時的爆作用：感應發(fā)動機工作時的爆振狀況。如產生爆振，將信號傳給振狀況。如產生爆振，將信號傳給ECUECU，ECUECU將對點火時刻進行調整，將對點火時刻進行調整，以消除或減輕爆振。以消除或減輕爆振。1.1.1 傳感器的概念和組成傳感器的概念和組成國標國標GB規(guī)定：傳感器規(guī)定：傳感器(sensor)是是能能感受感受規(guī)定的被規(guī)定的被測量并能按一定的規(guī)律測量并能按一定的規(guī)律轉換轉換成可用輸出信號的成可用輸出信號的器件或裝置器件或裝置。 傳感器亦稱為：傳感器亦稱為：變換器變換器(transd

7、ucer)、轉換器、轉換器(converter)、檢測、檢測器器(detector)和變送器和變送器(transmitter)等等通常由敏感元件和轉換元件組成。通常由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件信處理電路信處理電路電源電源非電量非電量電電 量量通俗的說法通俗的說法，傳感器是對物理、化學、生物等非電量敏感，并能，傳感器是對物理、化學、生物等非電量敏感，并能將其轉換成電信號的器件（元件）。將其轉換成電信號的器件（元件）。非電量非電量電量電量電量電量元元 件件信號處理信號處理信號顯示信號顯示非電量非電量電量電量元元 件件，傳感器是將物理、化學、生物等非電量轉換成電量，傳感

8、器是將物理、化學、生物等非電量轉換成電量，并具有傳輸、顯示等功能的裝置。并具有傳輸、顯示等功能的裝置。1.1.2 傳感器的分類傳感器的分類壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、角度傳感器壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、角度傳感器1. 按輸入量分類：按輸入量分類：傳感器手冊等的編排通常采用這種方法傳感器手冊等的編排通常采用這種方法 2. 按傳感器工作原理進行分類：按傳感器工作原理進行分類： 應變式傳感器，電阻式傳感器，應變式傳感器，電阻式傳感器， 電容式傳感器，電感式傳感器，電容式傳感器，電感式傳感器， 壓電式傳感器，磁阻式傳感器，壓電式傳感器，磁阻式傳感器， 霍爾式傳感器，霍爾式傳感器， 磁

9、光式傳感器。磁光式傳感器。 通常的教科書均采用這種分類方法通常的教科書均采用這種分類方法3.按能量轉換關系分類按能量轉換關系分類 按照傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型和能按照傳感器的能量轉換情況，可分為能量控制型和能量轉換型傳感器兩大類。量轉換型傳感器兩大類。 所謂能量控制型傳感器是指其變換的能量是由外部電所謂能量控制型傳感器是指其變換的能量是由外部電源供給的，而外界的變化源供給的，而外界的變化(即傳感器輸入量的變化即傳感器輸入量的變化)只只起到控制的作用。如電阻、電感、電容等電參數(shù)傳感起到控制的作用。如電阻、電感、電容等電參數(shù)傳感器、霍耳傳感器等都屬于這一類傳感器。器、霍耳傳感器等都屬

10、于這一類傳感器。 能量轉換型傳感器，主要由能量變換元件構成，它不能量轉換型傳感器，主要由能量變換元件構成，它不需要外電源。如基于壓電效應、熱電效應、光電效應需要外電源。如基于壓電效應、熱電效應、光電效應等的傳感器都屬于此類傳感器。等的傳感器都屬于此類傳感器。4. 按輸出按輸出電量電量的形式進行分類：的形式進行分類： 模擬式傳感器模擬式傳感器 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器1.1.3 傳感器的基本特性傳感器的基本特性傳感器特性傳感器特性：描述傳感器：描述傳感器輸出與輸入關系特性輸出與輸入關系特性靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化緩慢時的輸出與靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化緩慢時的輸出與 輸入之間的關系

11、。輸入之間的關系。 動態(tài)特性：當輸入量隨時間較快變化時的輸出與輸入動態(tài)特性：當輸入量隨時間較快變化時的輸出與輸入之間的關系。之間的關系。 一個高精度的傳感器必須有良好的靜態(tài)特性和動一個高精度的傳感器必須有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性才能完成信號無失真的轉換。態(tài)特性才能完成信號無失真的轉換。動態(tài)特性被測量隨時間較快變化動態(tài)靜態(tài)特性或變化很緩慢）被測量不隨時間變化（靜（穩(wěn)）態(tài)2.2.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化緩慢時的輸靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化緩慢時的輸 出與輸出與輸入之間的關系。入之間的關系。 傳感器的靜態(tài)特性一般輸入量與輸出量之間在數(shù)值上具傳感器的靜

12、態(tài)特性一般輸入量與輸出量之間在數(shù)值上具有一定的對應關系有一定的對應關系 靜態(tài)特性方程靜態(tài)特性方程(不考慮遲滯、蠕變及其他不穩(wěn)定因素）不考慮遲滯、蠕變及其他不穩(wěn)定因素） y=a0+a1x+a2x2+anxn 式中：式中：a0輸入量輸入量x為零時的輸出量；為零時的輸出量； a1 線性項系數(shù)，也是理想的靈敏度，線性項系數(shù)，也是理想的靈敏度， a2，an 非線性項系數(shù)。非線性項系數(shù)。 各項系數(shù)決定了特性曲線的具體形式各項系數(shù)決定了特性曲線的具體形式1.靈敏度靈敏度靈敏度：傳感器達到穩(wěn)定工作狀態(tài)時輸出量的變化與靈敏度：傳感器達到穩(wěn)定工作狀態(tài)時輸出量的變化與引起此變化的輸入量變化之比。引起此變化的輸入量變

13、化之比。xyS輸入變化量輸出變化量輸入、輸出同量綱時，輸入、輸出同量綱時，S稱為放大倍數(shù)稱為放大倍數(shù) 傳感器靜態(tài)特性性能指標：傳感器靜態(tài)特性性能指標： 對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即斜率，即S = y / x。 非線性傳感器的靈敏度為一變量，如圖所示。非線性傳感器的靈敏度為一變量，如圖所示。 一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內是恒一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內是恒定的，即傳感器的輸出定的，即傳感器的輸出輸入特性為直線。輸入特性為直線。線性線性常數(shù)xyxyS非線性非線性 dxdyS nnxaxaxaay22102.

14、 線性度線性度一般可用下列多項式表示輸出一般可用下列多項式表示輸出輸入特性輸入特性在研究線性特性時，可不考慮零位輸出。多項式的輸在研究線性特性時，可不考慮零位輸出。多項式的輸出特性曲線如下圖所示。出特性曲線如下圖所示。（1）理想的線性特性，如下圖所示的直線。在這種）理想的線性特性，如下圖所示的直線。在這種情況下，有情況下，有所以傳感器的靈敏度為所以傳感器的靈敏度為0.320naaaaxay1常數(shù)1axySn1axySn（1）下面介紹多項式的三種特殊情況下面介紹多項式的三種特殊情況（2）僅有偶次非線性項，如下圖所示）僅有偶次非線性項，如下圖所示.其輸出其輸出輸輸入特性方程為入特性方程為.4422

15、1xaxaxay（2）yx0（3）僅有奇次非線性項，如下圖所示。）僅有奇次非線性項，如下圖所示。其輸出其輸出輸入特性方程式為輸入特性方程式為.55331xaxaxay輸入量輸入量x在在相當大的變化范圍內相當大的變化范圍內具有較寬的準線性性。這是比具有較寬的準線性性。這是比較接近于理想直線的非線性特較接近于理想直線的非線性特性，它相對坐標原點是對稱的，性，它相對坐標原點是對稱的，即即)()(xyxy它具有相當寬的近似線性范圍它具有相當寬的近似線性范圍（3） 擬合直線擬合直線:用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性化，所采

16、用的直線稱線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。為擬合直線。(在非線性誤差不大的情況下在非線性誤差不大的情況下,采用直線擬合地辦采用直線擬合地辦法進行線性化法進行線性化) 線性度線性度(非線性誤差非線性誤差):輸入輸出特性曲線偏離擬合直線的程度。輸入輸出特性曲線偏離擬合直線的程度。通常用相對誤差表示。通常用相對誤差表示。%100maxFSLYLyYFSx理 想 特 性 曲 線實 際 特 性 曲 線o擬合直線的方法：擬合直線的方法：采用擬合直線的原則：獲得最小的非線性誤差，使用采用擬合直線的原則：獲得最小的非線性誤差，使用計算方便。計算方便。直線的擬合方法：直線的擬合方

17、法：(a) 理論擬合；理論擬合； (b) 過零旋轉擬合；過零旋轉擬合； (c) 端點連線擬合；端點連線擬合； (d) 端點平移擬合端點平移擬合 （e）最小二乘法）最小二乘法yYFSoLmaxxyYFSL1LmaxL2oxyYFSLmaxxyYFSL1L2L3L3Lmaxox(a)(b)(c)(d)o實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差非線性誤差，如圖中所示的如圖中所示的值，取其中最大值與輸出滿刻度值（值，取其中最大值與輸出滿刻度值（滿量程滿量程）之）之比作為評價非線性誤差（或線性度）的指標。比作為評價非線性誤差（或線性度）的指標。

18、線性化補償方法線性化補償方法擬合直線法差動法非線性補償法補償線路或補償軟件 線性化補償目的：線性化補償目的：使傳感器特性曲線趨于線性，有利于簡化傳感器的理論分析和設計計算，有利于標定和數(shù)據(jù)處理，有利于刻度均勻，提高測量精度。以以差動工作方式差動工作方式可以消除電氣元件中的偶次分量，顯著地改善線性可以消除電氣元件中的偶次分量，顯著地改善線性范圍。例如差動傳感器的一邊輸出為范圍。例如差動傳感器的一邊輸出為 nnxaxaxaxay.332211另一邊反向輸出為另一邊反向輸出為nnnxaxaxaxay) 1(.332212總輸出為二者之差，即總輸出為二者之差，即)(25533121xaxaxayyy從

19、此可見，差動式傳感器消除了偶次項，使線性得到從此可見，差動式傳感器消除了偶次項，使線性得到 改善，同改善，同時使靈敏度提高一倍。時使靈敏度提高一倍。3. 遲滯遲滯 （回程誤差、變差）（回程誤差、變差）Hmax正反行程間輸出的最大差值正反行程間輸出的最大差值 %100maxFSHyH 回程誤差表明的是在正反行程期間輸出回程誤差表明的是在正反行程期間輸出-輸入特性曲輸入特性曲線不重合的程度。線不重合的程度。遲滯（或稱遲環(huán)）特性表明傳感器在正（輸入量增大）遲滯（或稱遲環(huán)）特性表明傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程期間輸出反（輸入量減小）行程期間輸出輸入特性曲線不重合輸入特性曲線不重合的程度

20、。的程度。產生回程誤差的原因：產生回程誤差的原因： 一般滯后現(xiàn)象引起：一般滯后現(xiàn)象引起：由于磁性材料的磁由于磁性材料的磁化和材料受力變形化和材料受力變形 儀器的不工作區(qū)引起：儀器的不工作區(qū)引起：機械部分存在機械部分存在（軸承）間隙、摩擦、（緊固件）松動、材（軸承）間隙、摩擦、（緊固件）松動、材料內摩擦、積塵等缺陷造成輸入變化對輸出料內摩擦、積塵等缺陷造成輸入變化對輸出無影響。無影響。4. 重復性重復性重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線不一致性程度。多次重復測試的曲線重復性好，誤差也小。性曲線不一致性程度。多

21、次重復測試的曲線重復性好，誤差也小。重復特性的好壞是與許多因素有關的，與產生遲滯現(xiàn)象具有相同的重復特性的好壞是與許多因素有關的，與產生遲滯現(xiàn)象具有相同的原因。原因。yx0Rmax2Rmax1 不不重復性指標一般采用輸出最大不重復性指標一般采用輸出最大不重復誤差重復誤差Rmax與與滿量程滿量程輸出的百輸出的百分比表示：分比表示：%100maxSFRyR%100)32(SFRy重復性誤差重復性誤差ez可按下式計算可按下式計算yx0Rmax2Rmax1重復性誤差反應的是校準數(shù)據(jù)的離散程度，屬于隨機誤差。重復性誤差反應的是校準數(shù)據(jù)的離散程度，屬于隨機誤差。取取2：置信概率為：置信概率為95.4%取取3

22、：置信概率為：置信概率為99.73%100)32(SFRy1)(12nyynii 式中：式中： yi測量值；測量值； y測量值的算術平均值；測量值的算術平均值； n測量次數(shù)。測量次數(shù)。 為標準偏差。誤差服從正態(tài)分布，標準偏差可以根據(jù)貝塞為標準偏差。誤差服從正態(tài)分布，標準偏差可以根據(jù)貝塞爾公式來計算：爾公式來計算：5. 漂移漂移 漂移：漂移：指傳感器在輸入量不變的情況下，其輸出量隨著時間變化稱為漂移。 產生原因：傳感器自身結構參數(shù)；周圍環(huán)境（如產生原因：傳感器自身結構參數(shù)；周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）溫度、濕度等） 常見漂移：溫漂常見漂移：溫漂 零點漂移零點漂移6. 精確度（精度）精確度（精度）說

23、明精確度的指標有三個：說明精確度的指標有三個：精密度精密度、正確度正確度和和精確度精確度。 精密度：說明測量結果的分散性。對應精密度：說明測量結果的分散性。對應隨機誤差隨機誤差。. 正確度：測量結果偏離真值的程度。對應正確度：測量結果偏離真值的程度。對應系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差。. 精確度：它含有精密度與正確度之和的意思，即測精確度：它含有精密度與正確度之和的意思，即測量的綜合優(yōu)良程度。簡單情況為上述兩者之和。通常量的綜合優(yōu)良程度。簡單情況為上述兩者之和。通常精度是以測量誤差的相對值來表示。精度是以測量誤差的相對值來表示。 為加深對精密度、準確度和精確度的理解，下面用打為加深對精密度、準確度和精確度的

24、理解，下面用打靶的例子來說明。子彈落在靶心周圍有三種情況：靶的例子來說明。子彈落在靶心周圍有三種情況： 圖圖(a)的彈著點很分散，表明它的精密度很低；的彈著點很分散，表明它的精密度很低； 圖圖(b)的彈著點集中但偏向一方，表明精密度高但準的彈著點集中但偏向一方，表明精密度高但準確度低；確度低； 圖圖(c)的彈著點集中靶心，則表明既精密又準確，即精的彈著點集中靶心，則表明既精密又準確，即精確度高。確度高。%100.SFYAA式中式中A傳感器精度；傳感器精度； A 測量范圍內允許的最大絕對誤差；測量范圍內允許的最大絕對誤差；YF.S滿量程輸出。滿量程輸出。工程應用中，引入一個工程應用中，引入一個精

25、度等級概念精度等級概念，用，用A表示，表示，A的數(shù)的數(shù)值表示傳感器在規(guī)定條件下，其允許的最大絕對誤差相值表示傳感器在規(guī)定條件下，其允許的最大絕對誤差相對于其測量范圍的百分數(shù)。表示為對于其測量范圍的百分數(shù)。表示為指傳感器在規(guī)定測量范內能檢測出被測輸入量的最小變指傳感器在規(guī)定測量范內能檢測出被測輸入量的最小變化量。有時對該值用相對滿量程輸入值的百分數(shù)表示，化量。有時對該值用相對滿量程輸入值的百分數(shù)表示，則稱為分辨率。則稱為分辨率。能使傳感器的輸出端產生可測變化量的最小被測輸入能使傳感器的輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即量值，即零點附近零點附近的分辨能力（死區(qū)被測變化量不的分辨能力（死區(qū)被

26、測變化量不引起響應的區(qū)域）引起響應的區(qū)域）6. 分辨力、閾值分辨力、閾值閾值：閾值：1、動態(tài)參數(shù)測試的特殊問題、動態(tài)參數(shù)測試的特殊問題在實際測試工作中，大量的被測信號是動態(tài)信號，傳感在實際測試工作中，大量的被測信號是動態(tài)信號，傳感器對動態(tài)信號的測量任務不僅需要精確地測量信號器對動態(tài)信號的測量任務不僅需要精確地測量信號幅幅值的大小值的大小，而且需要測量和記錄動態(tài)信號變換過程的，而且需要測量和記錄動態(tài)信號變換過程的波形波形，這就要求傳感器能迅速準確地測出信號，這就要求傳感器能迅速準確地測出信號幅值幅值的的大小和無失真的再現(xiàn)被測信號隨時間變化的大小和無失真的再現(xiàn)被測信號隨時間變化的波形波形。傳感器的

27、動態(tài)特性是指傳感器對傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對激勵激勵（輸入）的（輸入）的響應響應（輸出）特性。一個動態(tài)特性好的傳感器，其（輸出）特性。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出輸出隨隨時間時間變化的規(guī)律變化的規(guī)律，將能同時再現(xiàn)，將能同時再現(xiàn)輸入輸入隨時間隨時間變化的規(guī)變化的規(guī)律律（變化曲線），即具有相同的（變化曲線），即具有相同的時間函數(shù)時間函數(shù)。 這種影響動態(tài)特性的這種影響動態(tài)特性的“固有因素固有因素”任何傳感器都有，只不過它們任何傳感器都有，只不過它們的表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。研究傳感器的動態(tài)特性主要是從的表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產生動態(tài)誤差的原

28、因以及改善措施。測量誤差角度分析產生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。一個測量水溫的實驗過程一個測量水溫的實驗過程T0T 從從T0逐漸上升到逐漸上升到T，熱電偶指示出來溫度從，熱電偶指示出來溫度從T0上升到上升到T，歷經(jīng)了時，歷經(jīng)了時間從間從t0到到t的過渡過程，如圖所示。沒有這樣一個過程就不會得到正的過渡過程，如圖所示。沒有這樣一個過程就不會得到正確的測量結果。而從確的測量結果。而從t0t過渡過程中，測試曲線始終與溫度從過渡過程中，測試曲線始終與溫度從T0跳跳變到變到T的階躍波形存在差值，這個差值就稱為動態(tài)誤差，從記錄波的階躍波形存在差值，這個差值就稱為動態(tài)誤差，從記錄波形看，測試具有一定失真。形

29、看，測試具有一定失真。TtTT0tt02 2、研究傳感器動態(tài)特性的方法及其指標、研究傳感器動態(tài)特性的方法及其指標在對傳感器進行動態(tài)特性的分析和動態(tài)標定時，為了便于比較和評在對傳感器進行動態(tài)特性的分析和動態(tài)標定時，為了便于比較和評價，常常采用價，常常采用正弦變化正弦變化和和階躍變化階躍變化的輸入信號。的輸入信號。在采用正弦輸入研究傳感器頻域動態(tài)特性時，常用在采用正弦輸入研究傳感器頻域動態(tài)特性時，常用幅頻特性幅頻特性和和相頻相頻特性特性來描述傳感器的動態(tài)特性，其重要指標是來描述傳感器的動態(tài)特性，其重要指標是頻帶寬度頻帶寬度，簡稱帶寬。，簡稱帶寬。帶寬是指增益變化不超過某一規(guī)定分貝值的頻率范圍。帶寬

30、是指增益變化不超過某一規(guī)定分貝值的頻率范圍。研究動態(tài)特性可以從研究動態(tài)特性可以從時域時域和和頻域頻域兩個方面采用兩個方面采用瞬態(tài)響應法瞬態(tài)響應法和和頻率頻率響應法響應法來分析。由于輸入信號的時間函數(shù)形式是多種多樣的，在來分析。由于輸入信號的時間函數(shù)形式是多種多樣的，在時域內研究傳感器的響應特性時，只能研究幾種特定的輸入時間時域內研究傳感器的響應特性時，只能研究幾種特定的輸入時間函數(shù)如函數(shù)如階躍函數(shù)階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等的響應特性。在頻域內和斜坡函數(shù)等的響應特性。在頻域內研究動態(tài)特性一般是采用研究動態(tài)特性一般是采用正弦函數(shù)正弦函數(shù)得到頻率響應特性。得到頻率響應特性。動態(tài)特性動態(tài)特

31、性好的傳感器頻率響應范圍很寬。好的傳感器頻率響應范圍很寬。3、傳感器的數(shù)學模型（特征方程）、傳感器的數(shù)學模型（特征方程）在動態(tài)測量情況下，如果輸入量隨時間變化時，輸出量能立即隨在動態(tài)測量情況下，如果輸入量隨時間變化時，輸出量能立即隨之無失真地變化的話，那么這樣的傳感器可以看做是理想的。但之無失真地變化的話，那么這樣的傳感器可以看做是理想的。但是實際的傳感器總是存在著諸如彈性、慣性和阻尼等元件。此時，是實際的傳感器總是存在著諸如彈性、慣性和阻尼等元件。此時，輸出輸出y不僅與輸入不僅與輸入x有關，而且還與輸入量的變化速度有關，而且還與輸入量的變化速度dx/dt，加速加速度度d2x/dt2等有關。等

32、有關。要精確地建立傳感器（或測試系統(tǒng)）的數(shù)學模型是很困難的。在要精確地建立傳感器（或測試系統(tǒng)）的數(shù)學模型是很困難的。在工程上總是采取一些近似的方法，忽略一些影響不大的因素，給工程上總是采取一些近似的方法，忽略一些影響不大的因素，給數(shù)學模型的確立和求解都帶來很多方便。數(shù)學模型的確立和求解都帶來很多方便。1.1.4 傳感器的命名、代號和圖形符號傳感器的命名、代號和圖形符號 傳感器的代號：根據(jù)國標傳感器的代號：根據(jù)國標GB 766687 規(guī)定，規(guī)定，一種傳感器的代號應包括以下四部分：一種傳感器的代號應包括以下四部分： 傳感器的圖形符號傳感器圖形符號的說明傳感器圖形符號的說明(1)x被測量符號；被測量

33、符號； 轉換原理轉換原理傳感器圖形符號的說明傳感器圖形符號的說明(2)對角線對角線內在的能量轉換功能；內在的能量轉換功能；(A)、(B)輸入、輸出信號輸入、輸出信號傳感器的電氣引線，應根據(jù)接線圖設計需要，從正方形的三傳感器的電氣引線，應根據(jù)接線圖設計需要，從正方形的三條邊線垂直引出；條邊線垂直引出；如果引線需要接地或接殼體、接線板，應按照如果引線需要接地或接殼體、接線板，應按照GB 4728.2 中的中的規(guī)定繪制，規(guī)定繪制，1.1.5 傳感器的發(fā)展動向傳感器的發(fā)展動向 經(jīng)歷了三代：經(jīng)歷了三代： 1、結構型傳感器、結構型傳感器 2、物性型傳感器、物性型傳感器 3、靈巧型傳感器、靈巧型傳感器 結構

34、型結構型傳感器特征傳感器特征 在將非電量轉換成電量的過程中，傳感器在將非電量轉換成電量的過程中，傳感器結構參數(shù)發(fā)生變化結構參數(shù)發(fā)生變化 如電阻應變式傳感器；電感式傳感器；電容式傳感器等如電阻應變式傳感器；電感式傳感器；電容式傳感器等線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵極板極板1極板極板2物性型物性型傳感器特征傳感器特征 在轉換非電量到電量的過程中，傳感器在轉換非電量到電量的過程中，傳感器結構參數(shù)不發(fā)生變化結構參數(shù)不發(fā)生變化。 半導體溫度傳感器半導體溫度傳感器 磁光電流傳感器磁光電流傳感器 PTC,NTC靈巧型靈巧型傳感器傳感器 靈巧型傳感器是在物性型傳感器基礎上，隨著大規(guī)模集成靈巧型傳感器是在物性型傳感器

35、基礎上，隨著大規(guī)模集成技術發(fā)展而誕生的集成型傳感器。它具有部分人工智能。技術發(fā)展而誕生的集成型傳感器。它具有部分人工智能。1.1.1 測量方法測量方法 測量的定義測量的定義: : 確定被測量的值或獲取測量結果為目的確定被測量的值或獲取測量結果為目的的一系列操作。的一系列操作。 該操作可以通過手動的或自動的方式來進行。該操作可以通過手動的或自動的方式來進行。 從計量學的角度上講從計量學的角度上講 測量就是利用實驗手段，把待測量與已知的同類測量就是利用實驗手段，把待測量與已知的同類量進行直接或間接的比較，將已知量作為計量單位，量進行直接或間接的比較，將已知量作為計量單位，求得比值的過程求得比值的過

36、程。nux uxn 1.2.1 測量技術理論基礎測量技術理論基礎1.根據(jù)獲得測量值的方法分類：根據(jù)獲得測量值的方法分類： （1）直接測量）直接測量被測量之間從測量儀器上讀出。被測量之間從測量儀器上讀出。（2） 間接測量間接測量 被測量通過與其有函數(shù)關系的幾個直接測量值計算被測量通過與其有函數(shù)關系的幾個直接測量值計算得到。得到。 （3）組合測量）組合測量被測量必須通過求解方程組而得到。被測量必須通過求解方程組而得到。2.根據(jù)測量方式分類：根據(jù)測量方式分類：（1） 偏差法測量偏差法測量被測量的值從儀表指針的位移來得到。屬于直讀被測量的值從儀表指針的位移來得到。屬于直讀 （2）零位法測量）零位法測量

37、用測量儀表的零位反映測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)用測量儀表的零位反映測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài) （3）微差法測量）微差法測量有機結合了偏差法測量和零位法測量有機結合了偏差法測量和零位法測量 3.根據(jù)測量條件不同分類根據(jù)測量條件不同分類 ： 等精度測量等精度測量 非等精度測量非等精度測量 4.根據(jù)被測量變化快慢分類根據(jù)被測量變化快慢分類 ： 靜態(tài)測量靜態(tài)測量 動態(tài)測量動態(tài)測量 5.根據(jù)測量敏感元件是否與被測介質接觸根據(jù)測量敏感元件是否與被測介質接觸分類分類 ： 接觸式測量、非接觸式測量接觸式測量、非接觸式測量 6.根據(jù)測量結果的獲取方式分類：根據(jù)測量結果的獲取方式分類： 工程測量、工程測量、 精密測量精密測量1.

38、2.2 測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)1測量系統(tǒng)構成測量系統(tǒng)構成 完成一個檢測任務，往往需要多臺裝置有機地組合在一完成一個檢測任務，往往需要多臺裝置有機地組合在一起，形成一個測量系統(tǒng)。起，形成一個測量系統(tǒng)。 測量系統(tǒng)的功能：應具有對被測對象的特征量進行檢測、測量系統(tǒng)的功能：應具有對被測對象的特征量進行檢測、傳輸、處理及顯示等。傳輸、處理及顯示等。 檢測系統(tǒng)組成：傳感器、變送器（變換器）和其他變換檢測系統(tǒng)組成：傳感器、變送器（變換器）和其他變換裝置等組成。裝置等組成。測量系統(tǒng)組成框圖測量系統(tǒng)組成框圖 各部分作用各部分作用?被測量被測量被測對象被測對象傳感器傳感器變送器變送器傳輸對象傳輸對象信號處理信號處理顯示

39、裝置顯示裝置2測量系統(tǒng)類型測量系統(tǒng)類型 包括：開環(huán)測量系統(tǒng)、閉環(huán)測量系統(tǒng)包括：開環(huán)測量系統(tǒng)、閉環(huán)測量系統(tǒng) （1）開環(huán)測量系統(tǒng)）開環(huán)測量系統(tǒng) 開環(huán)測量系統(tǒng)是由多個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，信息變換開環(huán)測量系統(tǒng)是由多個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，信息變換只沿著一個方向進行。只沿著一個方向進行。被 測 對 象x傳 感 、 變 送k1x1放 大k2x2顯 示k3y特性特性? 特點：結構簡單；儀表精度不易提高；儀表的靈特點：結構簡單；儀表精度不易提高；儀表的靈敏度與儀表的環(huán)節(jié)個數(shù)有關敏度與儀表的環(huán)節(jié)個數(shù)有關.（2）閉環(huán)測量系統(tǒng)）閉環(huán)測量系統(tǒng) 閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道，一為正向通道，一為閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道，一為正向通道，一為反饋

40、通道反饋通道被 測 對 象x傳 感 、 變 送k1x1x放 大k2x2輸 出 、 顯 示k3y反 饋xf特性特性? 特點：精度高；靈敏度高。閉環(huán)結構的儀表當正向特點：精度高；靈敏度高。閉環(huán)結構的儀表當正向通道總傳遞系數(shù)通道總傳遞系數(shù)K足夠大的情況下，采取較小的反饋足夠大的情況下，采取較小的反饋系數(shù)系數(shù)，則可獲得較高的靈敏度和儀表精度。，則可獲得較高的靈敏度和儀表精度。1.3.1測量誤差測量誤差測量誤差的定義測量誤差的定義: 測量誤差測得值真值測量誤差測得值真值 真值真值： 是指一個特定的物理量在一定條件下所定義的客觀量值又稱為理論值或定義值。 約定真值約定真值: 是指對于給定用途具有適當不確定

41、度的、賦予特定量的值。 誤差是針對真值而言的，真值一般都是指約定真值。誤差是針對真值而言的，真值一般都是指約定真值。 1.3 測量誤差及數(shù)據(jù)處理測量誤差及數(shù)據(jù)處理1測量誤差的表示方法測量誤差的表示方法 （1）絕對誤差）絕對誤差 （2）實際相對誤差）實際相對誤差 （3）引用誤差）引用誤差 （4）基本誤差）基本誤差 傳感器或儀表在規(guī)定的標準條件下所具有的誤差傳感器或儀表在規(guī)定的標準條件下所具有的誤差 （5）附加誤差）附加誤差 傳感器或儀表偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差傳感器或儀表偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差%100LLx %100測量范圍下限測量范圍上限例例1：滿度值為：滿度值為100mA、1.0級的電流表

42、，求測量值分級的電流表，求測量值分別為別為 100mA、20mA 時的絕對誤差和實際相對誤差。時的絕對誤差和實際相對誤差。解：精度等級解：精度等級S=1.0，則引用誤差，則引用誤差1.0 %可求得最大絕對誤差可求得最大絕對誤差100( 1.0 )1.0mmxmAmA %實際相對誤差實際相對誤差2221.0100%5%20 xxmAxmA 1111.0100%1%100 xxmAxmA 為了減小相對誤差，儀表的滿刻度值應接近測量值。為了減小相對誤差，儀表的滿刻度值應接近測量值。例例2 2：某被測電壓為：某被測電壓為8080伏左右，現(xiàn)有伏左右，現(xiàn)有0.50.5級、量級、量程為程為300300伏和伏

43、和1.01.0級、量程為級、量程為100100伏兩塊電壓表，伏兩塊電壓表，問選用哪一塊合適？問選用哪一塊合適？解：對于解：對于0.5級電壓表可能產生的最大絕對誤差級電壓表可能產生的最大絕對誤差為為111mmxx( 0.5 ) 3001.5VV % 按照誤差整量化原則，該電壓表的絕對誤差為按照誤差整量化原則，該電壓表的絕對誤差為111.5mxxV 實際相對誤差為實際相對誤差為111100 xx% = 1.875% 同理，我們可以算出同理，我們可以算出1.0級電壓表的誤差，并比較。級電壓表的誤差，并比較。對于對于1.0級電壓表可能產生的最大絕對誤差為級電壓表可能產生的最大絕對誤差為222mmxx(

44、 1.0 ) 1001.0VV % 按照誤差整量化原則，該電壓表的絕對誤差為按照誤差整量化原則，該電壓表的絕對誤差為221.0mxxV 實際相對誤差為實際相對誤差為222100 xx% = 1.25%結論：結論：2.2.測量誤差的性質測量誤差的性質（1 1）隨機誤差）隨機誤差 在同一測量條件下，多次測量同一量在同一測量條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號以不可預知隨機變化著的誤差稱值時，絕對值和符號以不可預知隨機變化著的誤差稱為隨機誤差。為隨機誤差。 但就誤差的總體而言，服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。但就誤差的總體而言，服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。ixx隨即誤差等于：隨即誤差等于：隨即誤差不能用簡單的修正值

45、來修正，要用統(tǒng)計的方隨即誤差不能用簡單的修正值來修正，要用統(tǒng)計的方法計算她出現(xiàn)的可能性。法計算她出現(xiàn)的可能性。12()/nxxxxn（2 2）系統(tǒng)誤差）系統(tǒng)誤差 在同一測量條件下，對同一被測在同一測量條件下，對同一被測量多次測量時，按一定規(guī)律（如線性、多項式、量多次測量時，按一定規(guī)律（如線性、多項式、周期性等函數(shù)規(guī)律）出現(xiàn)的誤差稱為周期性等函數(shù)規(guī)律）出現(xiàn)的誤差稱為系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差。（3）粗大誤差）粗大誤差 明顯偏離預期范圍的測量誤差稱為粗明顯偏離預期范圍的測量誤差稱為粗大誤差，粗大誤差又稱疏忽誤差。大誤差，粗大誤差又稱疏忽誤差。系統(tǒng)誤差等于系統(tǒng)誤差等于xL系統(tǒng)誤差的特點：系統(tǒng)誤差的特點： 只要測量條件不變，誤差即為確定值。只要測量條件不變，誤差即為確定值。產生系統(tǒng)誤差的原因很多產生系統(tǒng)誤差的原因很