檢測與傳感器技術(shù)緒論

1、第一章 緒論本章重點(diǎn)1.傳感器的定義、組成、分類2.誤差的概念、分類3.測量不確定度4.傳感器的特征傳感器的定義傳感器的定義 傳感器是一種以傳感器是一種以一定精確度把被測量一定精確度把被測量（主要是非電量）轉(zhuǎn)（主要是非電量）轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系換為與之有確定關(guān)系、便于應(yīng)用的某種物、便于應(yīng)用的某種物理量（主要是電量）理量（主要是電量）的測量裝置。的測量裝置。 這一定義包含了這一定義包含了以下幾方面的含義：以下幾方面的含義： 傳感器是測量裝置傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；，能完成檢測任務(wù)； 它的輸入量是某一它的輸入量是某一被測量，如物理量、化被測量，如物理量、化學(xué)量、生物量等；學(xué)量、生物量等；

2、 它的輸出是某種物它的輸出是某種物理量，這種量要便于理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但是氣、光、電量，但主要是電量；主要是電量；輸出與輸入間有對應(yīng)輸出與輸入間有對應(yīng)關(guān)系，且有一定的精關(guān)系，且有一定的精確度。確度。傳感器的組成傳感器的組成傳感器一般由敏感元傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路電路3部分組成。部分組成。敏感元件，它是直敏感元件，它是直接感受被測量，并輸接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元系的某一物理量的元件。件。 轉(zhuǎn)換元件，敏感元件轉(zhuǎn)換元件，敏感元件的

3、輸出就是它的輸入，的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。數(shù)。轉(zhuǎn)換電路，將上述電轉(zhuǎn)換電路，將上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。 誤差理論與數(shù)據(jù)處理誤差理論與數(shù)據(jù)處理1.1.有關(guān)測量技術(shù)中的部分名詞有關(guān)測量技術(shù)中的部分名詞 （1 1）等精度測量：）等精度測量： （2 2）非等精度測量：）非等精度測量： （3 3）真值：）真值： （4 4）實際值：）實際值： （5 5）標(biāo)稱值：）標(biāo)稱值： （6 6）示值：）示值： （7 7）測量誤差：）測量誤差：2.2.誤差分類誤差分類2.12.1、系統(tǒng)誤差、系統(tǒng)誤差 （System er

4、rorSystem error） 在相同的條件下，多次重復(fù)測量同一量時，在相同的條件下，多次重復(fù)測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，或按照一定的規(guī)誤差的大小和符號保持不變，或按照一定的規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差又律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差又可分為恒值系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差?？煞譃楹阒迪到y(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差。2.22.2、隨機(jī)誤差（、隨機(jī)誤差（Random errorRandom error） 在相同條件下，多次測量同一量時，其誤差在相同條件下，多次測量同一量時，其誤差的大小和符號以不可預(yù)見的方式變化，這種誤的大小和符號以不可預(yù)見的方式變化，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。隨

5、機(jī)誤差是測量過程中，許差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是測量過程中，許多獨(dú)立的、微小的，偶然的因素引起的綜合結(jié)多獨(dú)立的、微小的，偶然的因素引起的綜合結(jié)果果。 在任何一次測量中，隨機(jī)誤差總是不可避免的。在任何一次測量中，隨機(jī)誤差總是不可避免的。既不能用實驗方法消除，也不能修正。可利用既不能用實驗方法消除，也不能修正?？衫酶怕收摾碚摵徒y(tǒng)計學(xué)方法，掌握隨機(jī)誤差的分概率論理論和統(tǒng)計學(xué)方法，掌握隨機(jī)誤差的分布特性，確定其對測量結(jié)果的影響。布特性，確定其對測量結(jié)果的影響。2.32.3、粗大誤差（、粗大誤差（Abnormal errorAbnormal error） 明顯歪曲測量結(jié)果的誤差稱做粗大誤差，又明顯歪曲

6、測量結(jié)果的誤差稱做粗大誤差，又稱過失誤差。粗大誤差主要是人為因素造成的稱過失誤差。粗大誤差主要是人為因素造成的。例如，測量人員工作時疏忽大意，出現(xiàn)了讀。例如，測量人員工作時疏忽大意，出現(xiàn)了讀數(shù)錯誤、記錄錯誤、計算錯誤或操作不當(dāng)?shù)?。?shù)錯誤、記錄錯誤、計算錯誤或操作不當(dāng)?shù)取Ａ硗?，測量方法不恰當(dāng)，測量條件意外的突然另外，測量方法不恰當(dāng)，測量條件意外的突然變化，也可能造成粗大誤差。變化，也可能造成粗大誤差。 含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值。含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值。壞值應(yīng)從測量結(jié)果中剔除。壞值應(yīng)從測量結(jié)果中剔除。 3.3.精度精度反映測量結(jié)果與真值接近程度的量反映測量結(jié)果與真值接近程

7、度的量 (1)(1)準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度 (2)(2)精密度精密度 (3)(3)精確度精確度 對于具體的測量，精密度高的而準(zhǔn)確度不對于具體的測量，精密度高的而準(zhǔn)確度不一定高，準(zhǔn)確度高的精密度不一定高，但一定高，準(zhǔn)確度高的精密度不一定高，但精確度高，則精密度和準(zhǔn)確度都高。精確度高，則精密度和準(zhǔn)確度都高。一、測量誤差的表示方法一、測量誤差的表示方法1 1、絕對誤差、絕對誤差測量所得數(shù)據(jù)與其相應(yīng)的真值之差測量所得數(shù)據(jù)與其相應(yīng)的真值之差測量誤差測量誤差 = = 測得值測得值 - - 真值真值 x x = = x x A0 A0a.a.為了消除系統(tǒng)誤差用代數(shù)法加到測量結(jié)果上的值稱為了消除系統(tǒng)誤差用代數(shù)法加到測量

8、結(jié)果上的值稱為修正值，常用為修正值，常用C C表示。將測得示值加上修正值后可表示。將測得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即得到真值的近似值，即 A0= x+CA0= x+C 由此得由此得 C =A0-xC =A0-x在實際工作中，可以用實際值在實際工作中，可以用實際值A(chǔ) A近似真值近似真值A(chǔ)0A0，則上式，則上式變?yōu)樽優(yōu)?C =A-x=- xC =A-x=- xb.b.修正值與誤差值大小相等、符號相反，測得值加修修正值與誤差值大小相等、符號相反，測得值加修正值可以消除該誤差的影響正值可以消除該誤差的影響2 2、相對誤差、相對誤差相對誤差是絕對誤差與被測量的約定值之比。相對誤相對誤差是絕對誤

9、差與被測量的約定值之比。相對誤差有以下表現(xiàn)形式：差有以下表現(xiàn)形式： 實際相對誤差。實際相對誤差。 示值相對誤差。示值相對誤差。 滿度（引用）相對誤差滿度（引用）相對誤差 實際相對誤差。實際相對誤差。 示值相對誤差。示值相對誤差。 滿度（引用）相對誤差滿度（引用）相對誤差%100AxA%100 xxx%100nnxxr3 3、引用誤差、引用誤差 使用相對誤差采評定測量精度，也有局限性。它使用相對誤差采評定測量精度，也有局限性。它只能說明不同測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，但不適用于衡量只能說明不同測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，但不適用于衡量測量儀表本身的質(zhì)量。因為同一臺儀表在整個測量范測量儀表本身的質(zhì)量。因為同一臺儀

10、表在整個測量范圍內(nèi)的相對誤差不是定值。隨著被測量的減小其相對圍內(nèi)的相對誤差不是定值。隨著被測量的減小其相對誤差變大。為了更合理地評價儀表質(zhì)量；采用了引用誤差變大。為了更合理地評價儀表質(zhì)量；采用了引用誤差的概念。誤差的概念。 引用誤差是絕對誤差與儀表量程上的比值；通常以引用誤差是絕對誤差與儀表量程上的比值；通常以百分?jǐn)?shù)表示。引用誤差百分?jǐn)?shù)表示。引用誤差%100Axm1 1.3.3.4 4 隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差的時大時小，時正時負(fù)，以一種不可預(yù)測的隨機(jī)誤差的時大時小，時正時負(fù)，以一種不可預(yù)測的方式隨機(jī)地變化，但是在一定條件下服從統(tǒng)計規(guī)律。方式隨機(jī)地變化，但是在一定條件下服從統(tǒng)計規(guī)律。1.1.隨

11、機(jī)誤差的統(tǒng)計規(guī)律（正態(tài)分布）隨機(jī)誤差的統(tǒng)計規(guī)律（正態(tài)分布） 1 1） 單峰性單峰性; ; 2 2） 對稱性對稱性; ; 3 3） 有界性有界性; ; 4 4） 抵償性。抵償性。2.2.隨機(jī)誤差的評價指標(biāo)隨機(jī)誤差的評價指標(biāo)2.12.1測量結(jié)果的最佳值算術(shù)平均值測量結(jié)果的最佳值算術(shù)平均值nii10 xAxn2.22.2 標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)差1 1）測量列中單次測量的）測量列中單次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差21()1niixxn 標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差所表示的意義是：任作一次測量，所表示的意義是：任作一次測量，測量值誤差落到測量值誤差落到到到之間的可能性為之間的可能性為68.368.3. .2 2）算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏

12、差）算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差21()(1)niixxxn nn2.2.隨機(jī)誤差的評價指標(biāo)隨機(jī)誤差的評價指標(biāo)2.32.3 測量的極限誤差測量的極限誤差33對物理量對物理量任做一次測量時，測量誤差任做一次測量時，測量誤差落在落在- - 到到+ + 之間的可能性為之間的可能性為68.3%68.3%，落在落在-2-2 到到+2+2 之間的可能性為之間的可能性為95.5%95.5%，落在落在-3-3 到到+3+3 之間的可能性為之間的可能性為99.7 % 99.7 % 。 測量不確定度1. 定義與分類所謂不確定度，可簡單理解為測量值不確定的程度，所謂不確定度，可簡單理解為測量值不確定的程度，是對測量誤差大小

13、取值的測度。它合理地說明了測量是對測量誤差大小取值的測度。它合理地說明了測量值的分散程度和真值所在范圍的可靠程度。不確定度值的分散程度和真值所在范圍的可靠程度。不確定度亦可理解為，一定置信概率下誤差限的絕對值。測量亦可理解為，一定置信概率下誤差限的絕對值。測量不確定度是測量質(zhì)量的指標(biāo)，是對測量結(jié)果殘存誤差不確定度是測量質(zhì)量的指標(biāo)，是對測量結(jié)果殘存誤差的評估。的評估。 測量結(jié)果被測量的估計值不確定度：測量結(jié)果被測量的估計值不確定度：Y Y= =y yU U Y Y代表待測物理量，代表待測物理量，y y為該物理量的測量值，為該物理量的測量值，U U是一個是一個恒正的量，代表測量值恒正的量，代表測量

14、值y y不確定的程度。不確定的程度。 不確定度可分為標(biāo)準(zhǔn)不確定的程度、合成不確定不確定度可分為標(biāo)準(zhǔn)不確定的程度、合成不確定度和擴(kuò)展不確定度。度和擴(kuò)展不確定度。 2 2. . 測量不確定度與誤差測量不確定度與誤差2.12.1聯(lián)系：聯(lián)系： 測量結(jié)果的精度評定參數(shù)測量結(jié)果的精度評定參數(shù) 所有的不確定度分量都用標(biāo)準(zhǔn)差表征，由隨機(jī)誤差所有的不確定度分量都用標(biāo)準(zhǔn)差表征，由隨機(jī)誤差 或系統(tǒng)誤差引起或系統(tǒng)誤差引起, ,都對測量結(jié)果的分散性產(chǎn)生相應(yīng)都對測量結(jié)果的分散性產(chǎn)生相應(yīng) 的影響的影響 誤差是不確定度的基礎(chǔ)誤差是不確定度的基礎(chǔ)2.22.2區(qū)別：區(qū)別： 誤差以真值或約定真值為中心，不確定度以被測量誤差以真值或

15、約定真值為中心，不確定度以被測量 的估計值為中心的估計值為中心 誤差是理想概念，一般難以定量，不確定度反映人誤差是理想概念，一般難以定量，不確定度反映人 們對測量認(rèn)識不足的程度，可以定量評定們對測量認(rèn)識不足的程度，可以定量評定 誤差有三類，界限模糊，難以嚴(yán)格區(qū)分；測量不確誤差有三類，界限模糊，難以嚴(yán)格區(qū)分；測量不確 定度分定度分ABAB兩類，兩種評價方法不分優(yōu)劣，按實際情兩類，兩種評價方法不分優(yōu)劣，按實際情況的可能性加以選用，簡單明了。況的可能性加以選用，簡單明了。 傳感器的基本特性傳感器的基本特性 靜態(tài)模型靜態(tài)模型靜態(tài)模型靜態(tài)模型是指在靜態(tài)條件下是指在靜態(tài)條件下( (輸入量輸入量對時間對時間

16、t t的各階導(dǎo)數(shù)為零的各階導(dǎo)數(shù)為零) )得到的傳感器數(shù)學(xué)模型。得到的傳感器數(shù)學(xué)模型。 傳感器的靜態(tài)模型可用一代數(shù)方程式表示傳感器的靜態(tài)模型可用一代數(shù)方程式表示: :nn0 xaxaxaay221非線性項的待定常數(shù)傳感器的靈敏度零位輸出輸出量輸入量n0aaaaayx,321基準(zhǔn)曲線的不同擬合方法基準(zhǔn)曲線的不同擬合方法 目的目的: :減小其最大偏差至最小減小其最大偏差至最小 方法方法: :改變斜率或使其最大正負(fù)偏差絕對值相等改變斜率或使其最大正負(fù)偏差絕對值相等 實線表示實際特性曲線；虛線表示擬合曲線實線表示實際特性曲線；虛線表示擬合曲線端點(diǎn)擬合端點(diǎn)擬合過零旋轉(zhuǎn)擬合過零旋轉(zhuǎn)擬合端點(diǎn)平移擬合端點(diǎn)平移擬

17、合靜態(tài)特性指標(biāo)之靈敏度靜態(tài)特性指標(biāo)之靈敏度 傳感器輸出的變化量傳感器輸出的變化量y y與引起該變化量的輸入變與引起該變化量的輸入變化量化量 x x之比即為其靜態(tài)靈敏度。傳感器輸出曲線的之比即為其靜態(tài)靈敏度。傳感器輸出曲線的斜率斜率就是其靈敏度。對線性特性的傳感器，其特性就是其靈敏度。對線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度曲線的斜率處處相同，靈敏度k k是一常數(shù)，與輸入是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。量大小無關(guān)。 xyx fxxdfxy00XXYYKddS對于線性系統(tǒng)，則為：斜率實為擬合曲線上某點(diǎn)的靜態(tài)特性指標(biāo)之分辨力和閾值靜態(tài)特性指標(biāo)之分辨力和閾值 分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸

18、入增量。分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。有些傳感器有些傳感器, ,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時當(dāng)輸入量連續(xù)變化時, ,輸出量只作階梯變輸出量只作階梯變化化, ,則分辨力就是輸出量的每個則分辨力就是輸出量的每個“階梯階梯”所代表的輸所代表的輸入量的大小。分辨力用絕對值表示入量的大小。分辨力用絕對值表示, ,用與滿量程的百用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時稱為分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分分?jǐn)?shù)表示時稱為分辨率。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值。辨力稱為閾值。 靜態(tài)特性指標(biāo)之遲滯靜態(tài)特性指標(biāo)之遲滯 遲滯即傳感器在正遲滯即傳感器在正( (輸入量增大輸入量增大) )反（輸入量減?。┬谐讨蟹矗ㄝ斎肓繙p?。┬谐?/p>

19、中輸出輸入特性曲線不重合的程度。遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存輸出輸入特性曲線不重合的程度。遲滯可由傳感器內(nèi)部元件存在能量的吸收造成在能量的吸收造成. .滿量程輸出最大輸出誤差定：遲滯誤差有實驗方法確FSmaxFSmaxHy%100y210yxHmaxyFS遲滯特性遲滯特性靜態(tài)特性指標(biāo)之重復(fù)性靜態(tài)特性指標(biāo)之重復(fù)性重復(fù)性即傳感器的輸入在按同一方重復(fù)性即傳感器的輸入在按同一方向變化時，在全量程內(nèi)連續(xù)重復(fù)測向變化時，在全量程內(nèi)連續(xù)重復(fù)測試得到的各特性曲線的重復(fù)程度。試得到的各特性曲線的重復(fù)程度。重復(fù)性誤差也常用絕對誤差表示。檢測時選取幾個重復(fù)性誤差也常用絕對誤差表示。檢測時選取幾個測試點(diǎn)，對應(yīng)每一點(diǎn)多次從

20、同一方向趨近，獲得輸測試點(diǎn)，對應(yīng)每一點(diǎn)多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列出值系列yi1yi1，yi2yi2，yi3yi3，yin yin ，算出最大值與，算出最大值與最小值之差或最小值之差或33作為重復(fù)性偏差作為重復(fù)性偏差RiRi，在幾個，在幾個RiRi中取出最大值中取出最大值Rmax Rmax 作為重復(fù)性誤差。作為重復(fù)性誤差。yx0Rmax2Rmax1Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差， Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。滿量程輸出最大輸出誤差FSmaxmaxy %100FSRy%100/)32(FSRy靜態(tài)特性指標(biāo)之穩(wěn)定性靜態(tài)特性指標(biāo)之穩(wěn)定性1 1、 穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，相隔測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，相隔4h4h、8h8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩或一定的工作次數(shù)后，