章傳感檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)ppt課件

1、第1章 傳感檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ) 1.1 傳感與檢測(cè)的概念1.2 傳感與檢測(cè)技術(shù)概述1.3 傳感器的基本特性1.4 測(cè)量方法1.5 測(cè)量誤差1.6 傳感器標(biāo)定1.1 傳感和檢測(cè)技術(shù)的概念 傳感與檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它與信息系統(tǒng)的輸入端相連，并將檢測(cè)到的信號(hào)輸送到信息處理部分，是感知、獲取、處理與傳輸?shù)年P(guān)鍵。傳感與檢測(cè)技術(shù)是關(guān)于傳感器設(shè)計(jì)制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)，它是信息技術(shù)傳感與控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的三大支柱之一。1.1.1檢測(cè)技術(shù) 檢測(cè)技術(shù)是以研究自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理的理論和技術(shù)為主要內(nèi)容的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)學(xué)科。檢測(cè)技術(shù)任務(wù)是：尋找與自然信息具有對(duì)應(yīng)關(guān)

2、系的種種表現(xiàn)形式的信號(hào)，以及確定二者間的定性、定量關(guān)系；從反映某一信息的多種信號(hào)表現(xiàn)中挑選出所處條件下最為適合的表現(xiàn)形式，以及尋求最佳的采集、變換、處置、傳輸、存儲(chǔ)、顯示等方法和相應(yīng)設(shè)備。 1.1.2 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)： 自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)診斷、自動(dòng)信號(hào)處理等諸多系統(tǒng)的總稱(chēng)。包含被測(cè)量、敏感元件、電子測(cè)量電路、電源和輸出單元，其區(qū)別僅在于輸出單元。 完整檢測(cè)系統(tǒng)： 由傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄裝置等部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能，當(dāng)然其中還包括電源和傳輸通道等不可缺少部分，如圖1.1 所示:傳感器測(cè)量電路記錄儀指示儀數(shù)據(jù)處理儀器電源圖1.1檢測(cè)系統(tǒng)

3、組成框圖被測(cè)量1.2傳感器概述1.2.1 傳感器定義 傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置 1.2.2 傳感器構(gòu)成 傳感器一般是利用物理、化學(xué)和生物等學(xué)科的某些效應(yīng)或機(jī)理按照一定的工藝和結(jié)構(gòu)研制出來(lái)的。因此，傳感器的組成的細(xì)節(jié)有較大差別。但是，總的來(lái)說(shuō)，傳感器應(yīng)由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)調(diào)理電路組成，有些包含有輔助電源電路，如圖1.2所示。轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)理電路輔助電源電路圖1. 2傳感器組成框圖被測(cè)信息敏感元件輸出信息1.2.3 傳感器分類(lèi) 傳感器是一門(mén)知識(shí)密集型技術(shù)，傳感器原理各異，學(xué)科廣泛，種類(lèi)繁多，分類(lèi)方法如下: （1按照傳感器的工作

4、機(jī)理，可分為物理型、化學(xué)型、生物型等。 （2從構(gòu)成原理分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩類(lèi)。 （3按照物理原理分類(lèi)，可分為電參量式傳感器包括電阻式、電感式、電容式等基本型式）、磁電式傳感器包括磁電感應(yīng)式、霍爾式、磁柵式等）、壓電式傳感器、光電式傳感器、氣電式傳感器、波式傳感器包括超聲波 式、微波式等）、射線(xiàn)式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器、其他原理的傳感器如振弦式和振筒式傳感器等)。 （4按傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器。 （5從傳感器應(yīng)用分類(lèi)，分為位移傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器。 另外，根據(jù)傳感器輸出是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器；根據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程

5、可逆與否，可分為雙向傳感器和單向傳感器等。 1.2.4 傳感器技術(shù)的基本概況 1.傳感器的基本要求 可靠性；靜態(tài)特性；動(dòng)態(tài)性能；量程；抗干擾能力；通用性；輪廓尺寸；本錢(qián)；能耗；對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響等。2.傳感器技術(shù)的一般方法（1差動(dòng)技術(shù)（2平均技術(shù)（3補(bǔ)償與修正技術(shù) （4干擾抑制 （5穩(wěn)定性處理 1.3 傳感器的基本特性 傳感器的輸出-輸入關(guān)系特性是傳感器的基本特性，從誤差角度去分析輸出-輸入特性是測(cè)量技術(shù)所要研究的主要內(nèi)容之一。輸出-輸入特性雖是傳感器的外部特性，但與其內(nèi)部參數(shù)有密切關(guān)系。 傳感器特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。 衡量傳感器的特性又有靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。1.3.1靜態(tài)特性 傳

6、感器在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下，其輸出-輸入的關(guān)系稱(chēng)為靜態(tài)特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線(xiàn)性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、零點(diǎn)漂移和溫度漂移等技術(shù)指標(biāo)，傳感器本身的特點(diǎn)、被測(cè)量及外界條件都可能影響這些技術(shù)指標(biāo)。 1. 線(xiàn)性度 所謂傳感器的線(xiàn)性度就是其輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線(xiàn)偏離直線(xiàn)的程度。又稱(chēng)為非線(xiàn)性誤差。非線(xiàn)性誤差可用下式表示： max100%LFSLYLmax輸出量和輸入量實(shí)際曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)之間的最大 偏向； YFS輸出滿(mǎn)量程值。 實(shí)際上許多傳感器的輸出-輸入特性是非線(xiàn)性的，如果不考慮遲滯和蠕變效應(yīng)一般可用下列多項(xiàng)式表示輸出y與輸入x特性。其表達(dá)式如下： ya0a1 x a2 x 2an

7、x n a0零位輸出； a1傳感器線(xiàn)性靈敏度； a2，a3，an待定常數(shù)。 y圖1.3 傳感器靜態(tài)特性yyyxxxx對(duì)于上式對(duì)應(yīng)三種特殊情況：（1理想的線(xiàn)性特性 如圖1.3a所示的直線(xiàn) ，表達(dá)式變?yōu)?y = a1 x a1 為常數(shù)，即為傳感器的靈敏度 。（2僅有偶次非線(xiàn)性項(xiàng) 如圖1.3b所示。其輸出-輸入特性方程為 y= a0+ a2 x2 +a4 x4 + 其線(xiàn)性范圍較窄，一般傳感器設(shè)計(jì)很少采用這種特性 。（3僅有奇次非線(xiàn)性項(xiàng) 如圖1.3c所示，其輸出輸入特性方程式為： y= a1x +a3x3 + a5x5+ 具有這種特性的傳感器，一般在輸入量x相當(dāng)大的范圍內(nèi)具有較寬的準(zhǔn)線(xiàn)性。這是比較接近

8、于理想直線(xiàn)的非線(xiàn)性特性。 在使用非線(xiàn)性特性的傳感器時(shí)，如果非線(xiàn)性項(xiàng)的方次不高，在輸入量變化范圍不大的條件下，可以用切線(xiàn)或割線(xiàn)等直線(xiàn)來(lái)近似地代表實(shí)際曲線(xiàn)的一段，如圖1.3所示。這種方法稱(chēng)為傳感器非線(xiàn)性特性的“線(xiàn)性化”，所采用的直線(xiàn)稱(chēng)為擬合直線(xiàn)。實(shí)際特性曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)之間的偏差稱(chēng)為傳感器的非線(xiàn)性誤差，如圖1.4中所示的Lmax值，取其中最大值與輸出滿(mǎn)度值之比作為評(píng)價(jià)非線(xiàn)性誤差或線(xiàn)性度的指標(biāo)。 圖1.4 輸出輸入特性的非線(xiàn)性YFSyyyYFSYFSxmxmxmxxx L maxLmaxLmax2. 靈敏度 （a傳感器的靈敏度是指穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出增量y與輸入增量x的比值，對(duì)于線(xiàn)性傳感器，其靈敏度就是靜態(tài)特

9、性的斜率，如圖1.5a所示，即： 而非線(xiàn)性傳感器的靈敏度是一個(gè)變量，如圖1.5b所示，即用dy/dx表示傳感器在某一工作點(diǎn)的靈敏度。0nyySxy0 xyy0(a)x0(b)xyyK=y/x圖1.5靈敏度定義0yyKx0yyKx3. 重復(fù)性 重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線(xiàn)不一致的程度見(jiàn)圖1.6） y圖1.6重復(fù)性0Rm1Rm2y FSx FSx不重復(fù)性誤差屬隨機(jī)誤差性質(zhì)，重復(fù)性誤差為 ：其中為標(biāo)準(zhǔn)偏差，如果誤差服從高斯分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差可以按貝塞爾公式計(jì)算： yi某次測(cè)量值； 各次測(cè)量值的平均值， ； n測(cè)量次數(shù)。(2 3)100%RFSY 21()1niiyy

10、ny1niiyyn4. 遲滯回差滯環(huán)景象 遲滯特性能表明傳感器在正向輸入量增大行程和反向輸入量減小行程期間，輸出-輸入特性曲線(xiàn)不重合程度，如圖1.7所示。 YFSyxXFSHmax圖1.7遲滯現(xiàn)象0 對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)x，在x連續(xù)增大的行程中，對(duì)應(yīng)某一輸出量為yi，在x連續(xù)減小過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于輸出量為yd之間的差值叫滯環(huán)誤差，這就是遲滯現(xiàn)象，該誤差用H表示為： H|yi-yd| 在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的最大滯環(huán)誤差用Hmax表示，它與滿(mǎn)量程輸出值YFS的比值稱(chēng)為最大滯環(huán)率H，即： max100%HFSHY00100%tFSYyYt 00100%TFSYyYT 5. 零點(diǎn)漂移 傳感器無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，定

11、時(shí)進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值，即為零點(diǎn)漂移，其值為：Y0為最大零點(diǎn)偏差，t為零點(diǎn)漂移的時(shí)間。 6. 溫度漂移 溫度漂移表示溫度變化時(shí)，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1，輸出最大偏差與滿(mǎn)量程的百分比表示，即： Y0輸出最大偏差，YFS滿(mǎn)量程輸出，T溫度變化范圍。1.3.2 動(dòng)態(tài)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性： 傳感器對(duì)輸入激勵(lì)的輸出響應(yīng)特性 。1、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 研究傳感器動(dòng)態(tài)特性的目的： 主要為了從測(cè)量誤差角度分析產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差的原因以及提出改善措施，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。傳感器動(dòng)態(tài)特性的分類(lèi)： 瞬態(tài)響應(yīng)特性 頻率響應(yīng)特性 （1瞬態(tài)響應(yīng)特性 在時(shí)域內(nèi)研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，常用的激勵(lì)信號(hào)有階躍函數(shù)、脈沖

12、函數(shù)和斜坡函數(shù)等。傳感器對(duì)所加激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)稱(chēng)為瞬態(tài)響應(yīng)。 （2頻率響應(yīng)特性 傳感器對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性稱(chēng)為頻率響應(yīng)特性。2、動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型 對(duì)于線(xiàn)性定常時(shí)間不變系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型為高階常系數(shù)線(xiàn)性微分方程，即： 11101nnnnnnd ydydyaaaa ydtdtdt11101mmmmmmd xdxdxbbbb xdtdtdt t時(shí)間； a0，a1， an常數(shù)； b0，b1， bn常數(shù)； 輸出量對(duì)時(shí)間t的n階導(dǎo)數(shù)； 輸入量對(duì)時(shí)間t的m階導(dǎo)數(shù)。nnd ydtmmd xdt3、傳遞函數(shù) 動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線(xiàn)性或線(xiàn)性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為0時(shí)，為系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換

13、之比。 1111011110( )( )( )mmmmnnnnb sbsb sby sH sx sa sasa sa 正弦輸入下傳感器的動(dòng)態(tài)特性即頻率特性為： 11101110()()()()()()()()()mmmmnnnnbjbjbjbyjHjxjajajaja 4、零階傳感器的動(dòng)態(tài)特性 零階傳感器微分方程為：00byxkxa 式中k為靜態(tài)靈敏度 零階傳感器的傳遞函數(shù)為： Hs）Ys）/ Xs） k 當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào)時(shí)，零階傳感器單位階躍響應(yīng)為： yt）k通常由稱(chēng)該環(huán)節(jié)為比例環(huán)節(jié)。其頻率特性為： H） k 100d yaaybxd t 5、一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性（1一階傳感器的微分方程

14、（2一階傳感器的傳遞函數(shù)( )( )( )1Y skHsXss（3一階傳感器的頻率特性 1)(）（jkjH幅頻特性為：211)(）（A 相頻特性為： ）-arctan） A）（a幅頻特性）（b相頻特性圖1.9 一階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)6、二階傳感器的動(dòng)態(tài)特性 （1二階傳感器的微分方程 221002d ydyaaa yb xdtdt（2二階傳感器的瞬態(tài)響應(yīng) 2002202)()()(sskSxsYSH k靜態(tài)靈敏度，k = b0/ a0； 0 傳感器無(wú)阻尼時(shí)的固有頻率，傳感器阻尼系數(shù)，200aa2012aaayt）nt 1為臨界阻尼，響應(yīng)時(shí)間最短； 1為過(guò)阻尼，無(wú)超調(diào)也無(wú)振蕩，但反應(yīng)遲鈍，動(dòng)

15、作緩慢，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間較長(zhǎng)； 1為欠阻尼，衰減振蕩，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間隨著減少而加長(zhǎng)。 0，零阻尼，超調(diào)量為100，產(chǎn)生等幅振蕩，達(dá)不到穩(wěn)態(tài)。（3二階傳感器瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo) 1超調(diào)量p 最大超調(diào)量就是響應(yīng)曲線(xiàn)偏離階躍曲線(xiàn)的最大值，最大超調(diào)量能說(shuō)明傳感器的相對(duì)穩(wěn)定性。 2滯時(shí)間td td是階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50所需要的時(shí)間。 3)上升時(shí)間tr 4)峰值時(shí)間tP 響應(yīng)曲線(xiàn)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間 5)響應(yīng)時(shí)間tS 響應(yīng)曲線(xiàn)衰減到穩(wěn)態(tài)值之差不超過(guò)5或2時(shí)所需要的時(shí)間，有時(shí)稱(chēng)為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。（4二階傳感器的頻率特性 二階傳感器的頻率特性、幅頻特性、相頻特性分別為： 2100()1 ()2H jj21

16、20220)2()(1)(A2()arctan(2) /1() nn A）/0(a) 幅頻特性圖1.13 二階傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)）(b) 相頻特性/0（5頻率響應(yīng)特性指標(biāo) 1頻帶。傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)上幅值衰減3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍，稱(chēng)為傳感器的頻帶或通頻帶，對(duì)應(yīng)有上、下截止頻率。2時(shí)間常數(shù)。用時(shí)間常數(shù)表征一階傳感器的動(dòng)態(tài)特性，越小，頻帶越寬。3固有頻率0。二階傳感器的固有頻率0表征了其動(dòng)態(tài)特性。1.4 測(cè)量方法1.4.1 直接測(cè)量、間接測(cè)量與聯(lián)立測(cè)量1、直接測(cè)量 在使用儀表測(cè)量時(shí)，對(duì)儀表讀數(shù)不需要經(jīng)過(guò)任何運(yùn)算，就能直接表示測(cè)量所需的結(jié)果，稱(chēng)為直接測(cè)量

17、。2、間接測(cè)量 測(cè)量時(shí)先對(duì)與被測(cè)物理量有確定函數(shù)關(guān)系量測(cè)量，將測(cè)量值代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)計(jì)算得到所需要結(jié)果。3、聯(lián)立測(cè)量 測(cè)量時(shí)，若被測(cè)物理量必須經(jīng)過(guò)求解聯(lián)立方程組，才能得到最后結(jié)果，則稱(chēng)這樣的測(cè)量為聯(lián)立測(cè)量。1.4.2偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量和微差式測(cè)量 1、偏差式測(cè)量 在測(cè)量過(guò)程中，用測(cè)量?jī)x表指針的位移即偏差決定被測(cè)量的測(cè)量方法，稱(chēng)為偏差式測(cè)量法。 2、零位式測(cè)量 又稱(chēng)補(bǔ)償式或平衡式測(cè)量，測(cè)量時(shí)用指零儀表零位指示，檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)；在測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，用已知的基準(zhǔn)量決定被測(cè)未知量的測(cè)量方法，稱(chēng)為零位式測(cè)量法。 3、微差式測(cè)量 微差式測(cè)量法是綜合了偏差式測(cè)量法與零位式測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)，這種方

18、法是將被測(cè)的未知量與已知標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并取得差值，然后，用偏差法測(cè)得此差值。 1.5 測(cè)量誤差 測(cè)量過(guò)程中，首先因?yàn)闇y(cè)量設(shè)備、儀表、測(cè)量對(duì)象、測(cè)量方法、測(cè)量者都不同程度受到本身和周?chē)鞣N因素的影響，而且這些影響因素也在經(jīng)常不斷的變化。其次，被測(cè)量對(duì)測(cè)量系統(tǒng)施加作用之后，才能使測(cè)量系統(tǒng)給出測(cè)量結(jié)果，也就是說(shuō)，測(cè)量過(guò)程一般都會(huì)改變被測(cè)對(duì)象原有的狀態(tài)。因此，測(cè)量結(jié)果所反映的并不是被測(cè)對(duì)象的本來(lái)面貌，而只是一種近似，故測(cè)量不可避免地總存在測(cè)量誤差。1.5.1 誤差的概念與分類(lèi)1有關(guān)測(cè)量技術(shù)的概念（1等精度測(cè)量指在同一條件下所進(jìn)行的一系列重復(fù)測(cè)量稱(chēng)為等精度測(cè)量。（2非等精度測(cè)量是指在多次測(cè)量中，如對(duì)測(cè)

19、量結(jié)果精確度有影響的一切條件不能完全維持不變的測(cè)量稱(chēng)為非等精度測(cè)量。（3真值。被測(cè)量本身所具有的真正值稱(chēng)之為真值，真值是一個(gè)理想的概念，一般不知道，但在某些特定情況下，真值又是可知的。 （4實(shí)際值 通常只能把精度更高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具所測(cè)得的值作為真值。為了強(qiáng)調(diào)它并非是真正的真值，故把它稱(chēng)為實(shí)際值。（5標(biāo)稱(chēng)值指測(cè)量器具上所標(biāo)出來(lái)的數(shù)值。（6示值是由測(cè)量器具讀數(shù)裝置所指示出來(lái)的被測(cè)量的數(shù)值。（7測(cè)量誤差。用測(cè)量器具進(jìn)行測(cè)量時(shí)，所測(cè)量出來(lái)的數(shù)值與被測(cè)量的實(shí)際值或真值之間的差值）。 2系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差 （1系統(tǒng)誤差 在相同條件下多次測(cè)量同一物理量時(shí)，其誤差的絕對(duì)值和符號(hào)保持恒定；或者在條件改

20、變時(shí)，按某一確定的規(guī)律變化的誤差，稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。其誤差值不變的又稱(chēng)為定值系統(tǒng)誤差，其變化的則稱(chēng)為變值系統(tǒng)誤差。 （2隨機(jī)誤差 在相同條件下和短時(shí)間內(nèi)，多次測(cè)量同一物理量時(shí)，在已經(jīng)消除引起系統(tǒng)誤差的因素之后，測(cè)量結(jié)果仍有誤差，而其變化是無(wú)規(guī)律的隨機(jī)變化，這類(lèi)誤差稱(chēng)為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如正態(tài)分布、均勻分布等。引起隨機(jī)誤差的原因都是一些微小因素，且無(wú)法控制。只能用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法去計(jì)算它出現(xiàn)的可能大小。（3粗大誤差 粗大誤差的產(chǎn)生是由于測(cè)量者在測(cè)量時(shí)疏忽大意或環(huán)境條件的突變而造成的，粗大誤差一般都比較大，沒(méi)有規(guī)律性。 在測(cè)量中，系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差三者同時(shí)存在，但其對(duì)測(cè)量

21、過(guò)程及結(jié)果的影響不同，因此測(cè)量精度也有不同的劃分。 1.5.2 一般測(cè)量誤差的表示方法 1、絕對(duì)誤差 X XA0 X測(cè)量值， A0真值2、相對(duì)誤差 （1實(shí)際相對(duì)誤差 %100AXA X絕對(duì)誤差， A約定值在實(shí)際測(cè)量中，常用某一被測(cè)量多次測(cè)量的平均值，或上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量所得的示值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0，A稱(chēng)為約定真值。 ）（2示值相對(duì)誤差 %100XXX X絕對(duì)誤差 X 儀器示值3、引用誤差 %100FSFXX X絕對(duì)誤差 XFS 儀器滿(mǎn)度值 當(dāng)X取最大值時(shí)的滿(mǎn)度相對(duì)誤差常用來(lái)確定儀表的精度等級(jí)。國(guó)家規(guī)定電工儀表精確度等級(jí)分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七級(jí)。 1.5.3 測(cè)

22、量誤差的估計(jì)與校正 測(cè)量誤差中的性質(zhì)不同，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及處理方法也不同。定值系統(tǒng)誤差一般可用實(shí)驗(yàn)對(duì)比法發(fā)現(xiàn)并用修正法等予以消除；變值系統(tǒng)誤差一般可用殘余誤差觀(guān)察法發(fā)現(xiàn)，并從硬件和軟件不同方面采取措施消除。 在測(cè)量中，隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量過(guò)程及結(jié)果的影響是必然的，但有明顯的不確定性，只能借助概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及必要的數(shù)據(jù)處理描述出隨機(jī)誤差的影響極限范圍，并進(jìn)而給出最接近真值的測(cè)量結(jié)果，但隨機(jī)誤差無(wú)法消除。但有粗大誤差的測(cè)量結(jié)果是不可取的，并予剔除。 系統(tǒng)誤差估計(jì)與校正 （1系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)與判別 1實(shí)驗(yàn)對(duì)比法 該方法通過(guò)改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件進(jìn)行測(cè)量，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差，此法適用于發(fā)現(xiàn)固定的系統(tǒng)誤差。 2

23、剩余誤差觀(guān)察法 剩余誤差為某測(cè)量值與測(cè)量平均值之差即 Pi=xi- ，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的各個(gè)剩余誤差大小和符號(hào)的變化規(guī)律，可以直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線(xiàn)圖形來(lái)判斷有無(wú)系統(tǒng)誤差。這種方法主要適用于發(fā)現(xiàn)有規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。 ix圖1.14 剩余誤差變化規(guī)律0u00nuunn(a)(b)(c) （a存在線(xiàn)性系統(tǒng)誤差 （b存在周期性系統(tǒng)誤差 （c同時(shí)存在線(xiàn)性系統(tǒng)誤差和周期性系統(tǒng)誤差 3不同公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差比較法 對(duì)等精度測(cè)量，可用不同公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差，通過(guò)比較可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。 4計(jì)算數(shù)據(jù)比較法 對(duì)同一量進(jìn)行測(cè)量得到多組數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)比較，判斷是否滿(mǎn)足隨機(jī)誤差條件，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。 （2系統(tǒng)誤差的校正

24、1補(bǔ)償法 在電路和傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常選用在同一有干擾變量作用下能產(chǎn)生誤差相等而符號(hào)相反的零部件或元器件作為補(bǔ)償元件。 2差動(dòng)法 相同的參數(shù)變換器如電阻、電容、電感變換器具有相同溫度系數(shù)，若將其接入電橋相鄰不同端的兩橋臂，變換器的參數(shù)隨輸入量作差動(dòng)變化，即一個(gè)臂參數(shù)增加，另一臂的參數(shù)減小。 3比值補(bǔ)償法 測(cè)量電路中常采用分壓器和放大器，其變換系數(shù)與所用電阻元件的電阻比值有關(guān)。 4測(cè)量數(shù)據(jù)的修正 測(cè)量傳感器和儀器經(jīng)檢定后可以準(zhǔn)確測(cè)量誤差，當(dāng)再次測(cè)量時(shí)，可以將已知的測(cè)量誤差作為修正值，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而獲得更精確的測(cè)量結(jié)果。 2. 隨機(jī)誤差估計(jì)與處理 在測(cè)量中，當(dāng)系統(tǒng)誤差被盡力消除或減小到可

25、忽略的程度后，仍會(huì)出現(xiàn)對(duì)同一被測(cè)量重復(fù)進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)有讀數(shù)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，說(shuō)明存在隨機(jī)誤差。 理論上可用均方根誤差表示對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響， n為測(cè)量次數(shù)；xi= xiA0，A0為真值，xi為第i次測(cè)量值. 在實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量次數(shù)n是有限的，真值A(chǔ)0不易得到，因而用n次測(cè)量值的算術(shù)均值代替真值，第i次測(cè)量誤差 這時(shí)均方根誤差為貝塞爾公式: 21niixniiixxx1)(12nxxnii 用 代替A0產(chǎn)生的算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為 x / n 測(cè)量結(jié)果可表示為 或 xxi3 xxi 均方根誤差的物理意義: 隨機(jī)誤差出現(xiàn)在+范圍內(nèi)的概率是68.3，出現(xiàn)在-3+3范圍內(nèi)的概率是99.7。3是置信限，大于3

26、的隨機(jī)誤差被認(rèn)為是粗大誤差，則該測(cè)量結(jié)果無(wú)效，此數(shù)據(jù)予以剔除。 1.6 傳感器標(biāo)定 利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量標(biāo)準(zhǔn)量），或用基準(zhǔn)量來(lái)確定傳感器電輸出量與非電輸入量之間關(guān)系的過(guò)程，稱(chēng)為傳感器標(biāo)定。 1.6.1傳感器標(biāo)定 1傳感器標(biāo)定、校準(zhǔn)與檢定概念 傳感器或儀器在制造、裝配完畢后必須對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行一系列試驗(yàn)，進(jìn)行全面檢測(cè)，確定其實(shí)際性能，這個(gè)稱(chēng)之為標(biāo)定過(guò)程。 經(jīng)使用一段時(shí)間 （中國(guó)計(jì)量法規(guī)定一般為一年或修理后，必須對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)再次進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，即校準(zhǔn)試驗(yàn)，以確保其性能指標(biāo)達(dá)到要求。 檢定必須嚴(yán)格按照檢定規(guī)程運(yùn)作，對(duì)所檢儀器給出具有法律效應(yīng)合格或不合格的結(jié)論。 2傳感器標(biāo)定的方法與特點(diǎn) 標(biāo)定

27、的基本方法是將已知的被測(cè)量亦即標(biāo)準(zhǔn)量輸入給待標(biāo)定的傳感器，同時(shí)得到傳感器的輸出量；對(duì)所獲得的傳感器輸入量和輸出量進(jìn)行處理和比較，從而得到一系列表征兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線(xiàn)，進(jìn)而得到傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果。 標(biāo)定系統(tǒng)分為絕對(duì)法標(biāo)定系統(tǒng)和比較法標(biāo)定系統(tǒng)。傳感器的標(biāo)定有靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩種。 3. 靜態(tài)標(biāo)定 確定傳感器靜態(tài)指標(biāo)，主要是線(xiàn)性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行標(biāo)定的，主要用于檢驗(yàn)、測(cè)試其靜態(tài)特性指標(biāo)。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件主要包括沒(méi)有加速度、振動(dòng)、沖擊除參數(shù)本身是被測(cè)量及環(huán)境溫度一般為室溫205）、相對(duì)濕度不大于85、氣壓為1017kPa等條件。 一般的靜態(tài)標(biāo)定包括

28、如下步驟： （1將傳感器全量程測(cè)量范圍分成若干等間距點(diǎn)。 （2根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大、逐點(diǎn)遞增輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄與各點(diǎn)輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。 （3將輸入量值由大到小、逐點(diǎn)遞減，同時(shí)記錄下與各點(diǎn)輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。 （4按上述步驟2）、（3所述過(guò)程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次一般為310次測(cè)試，將得到的輸出-輸入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或畫(huà)成曲線(xiàn)。 （5對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理。輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測(cè)出傳感器的輸出，給出標(biāo)定曲線(xiàn)、標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計(jì)算靈敏度、線(xiàn)性度、滯差、重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。 4. 動(dòng)態(tài)標(biāo)定 傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到傳感器動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，確定方法常常因傳

29、感器的形式如電的、機(jī)械的、氣動(dòng)的等不同而不完全一樣，但從原理上一般可分為階躍信號(hào)響應(yīng)法、正弦信號(hào)響應(yīng)法、隨機(jī)信號(hào)響應(yīng)法和脈沖信號(hào)響應(yīng)法等。（1階躍信號(hào)響應(yīng)法 1一階傳感器時(shí)間常數(shù)的確定 輸入x是幅值為A的階躍函數(shù)時(shí)，由一階傳感器的微分方程可得： yt） kA1- te變形整理得:Zlnlyt）（kA） 其中Z= -t 根據(jù)測(cè)得的輸出信號(hào)yt作出Z-t曲線(xiàn)， 則=-tZ。 2二階傳感器阻尼比和固有頻率0的確定 211 /ln(/ ( )py22011Pdt 二階傳感器一般設(shè)計(jì)成 0.70.8的欠阻尼系統(tǒng)。 也可以利用任意兩個(gè)超調(diào)量來(lái)確定，表達(dá)式為： 222()114/ln(/PiP i nn p

30、i第i個(gè)超調(diào)量 pi+n）第i+n個(gè)超調(diào)量 pi和pi+n之間相隔n個(gè)周期（2正弦信號(hào)響應(yīng)法 1一階傳感器時(shí)間常數(shù)的確定。 將一階傳感器的頻率特性曲線(xiàn)繪成伯得圖，則其對(duì)數(shù)幅頻曲線(xiàn)下降3dB處所測(cè)取的角頻率0=1，由此可確定一階傳感器的時(shí)間常數(shù)。 2二階傳感器阻尼比和固有頻率0的確定2021r20121AArA0-欠阻尼時(shí)零頻增益 Ar-共振頻率(最大)增益r-共振角頻率（3其他方法 如果用功率譜密度為常數(shù)C的隨機(jī)白噪聲作為待標(biāo)定傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸入量。 1.6.2 常用傳感器標(biāo)定設(shè)備 1靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備 傳感器靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備分類(lèi)：力標(biāo)定設(shè)備如測(cè)力砝碼、拉壓式測(cè)力計(jì)）、壓力標(biāo)定設(shè)備如活塞式壓力計(jì)、水銀壓力

31、計(jì)、麥?zhǔn)险婵沼?jì)）、位移標(biāo)定設(shè)備如量塊、直尺等）、溫度標(biāo)定設(shè)備如鉑電阻溫度計(jì)、鉑銠鉑熱電偶、基準(zhǔn)光電高溫比較儀等。（1力標(biāo)定設(shè)備 1測(cè)力砝碼 我國(guó)基準(zhǔn)測(cè)力裝置是固定式裝基準(zhǔn)測(cè)力機(jī)，圖1.15采用杠桿式砝碼標(biāo)定裝置。 12341-支架 2-傳感器 3-杠桿 4-砝碼 圖1.15杠桿式砝碼標(biāo)定裝置圖1.16為另一種液壓式測(cè)力機(jī)工作原理。 21341傳感器 2工作活塞，3液壓缸 4液體5砝碼 6加力活塞 7測(cè)力液壓缸 8導(dǎo)管圖1.16 液壓式測(cè)力機(jī)工作原理5678 2拉壓式環(huán)形測(cè)力計(jì) 環(huán)形測(cè)力計(jì)是一種標(biāo)準(zhǔn)推力標(biāo)定裝置，它由液壓缸產(chǎn)生測(cè)力，測(cè)出測(cè)力環(huán)變形量作為標(biāo)準(zhǔn)輸入。可以用杠桿放大機(jī)構(gòu)和百分表結(jié)構(gòu)來(lái)讀

32、測(cè)力環(huán)變形量，也可用光學(xué)顯微鏡讀取。若用光學(xué)干涉法讀取，則精度更高（2壓力標(biāo)定設(shè)備 1活塞式壓力計(jì) 利用圖1.16的液壓式測(cè)力機(jī)原理和不同的結(jié)構(gòu)形式，再將傳感器受力由點(diǎn)改成面接觸結(jié)構(gòu)，就形成了活塞式壓力計(jì)，如圖1.17所示。其中，砝碼1經(jīng)油路產(chǎn)生的壓力作為標(biāo)準(zhǔn)壓力作用在待標(biāo)定的傳感器6上。 1234567891-標(biāo)準(zhǔn)壓力表 2-砝碼 3-活塞 4-進(jìn)油閥 5-油杯6-被標(biāo)傳感器 7-針形閥 8-手輪 9-手搖壓力閥圖1.17 活塞壓力計(jì)示意圖 2水銀壓力計(jì) 水銀壓力計(jì)是一種最普通的液體壓力計(jì)，采用U形管水銀壓力計(jì)的原理，靠水銀的重力產(chǎn)生壓力，根據(jù)兩端位置差和一端的壓力，即可求出另一端的壓力。（

33、3位移標(biāo)定設(shè)備 位移的標(biāo)定設(shè)備主要是各種長(zhǎng)度計(jì)量器具，如各種直尺、深度尺、深度千分尺、量塊、塞規(guī)、專(zhuān)門(mén)制造的標(biāo)準(zhǔn)樣柱等均可用作位移傳感器的靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備。 （4溫度標(biāo)定設(shè)備 低溫至630.74以?xún)?nèi)主要用鉑電阻溫度計(jì),630.741064用鉑銠-鉑熱電偶，1064以上則采用光學(xué)高溫計(jì)。 （5應(yīng)變標(biāo)定設(shè)備 一般采用加載后能產(chǎn)生已知均勻準(zhǔn)確的一維應(yīng)力裝置，多采用泊松系數(shù)為0.285的合金鋼的等彎矩梁或等強(qiáng)度懸臂梁實(shí)現(xiàn)，梁的應(yīng)變通常用撓度計(jì)轉(zhuǎn)換后測(cè)得。 2、動(dòng)態(tài)標(biāo)定設(shè)備 標(biāo)定中常用的動(dòng)態(tài)激勵(lì)設(shè)備有激振器如電磁振動(dòng)臺(tái)、低頻回轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)械振動(dòng)臺(tái)等）、激波管、周期與非周期函數(shù)壓力發(fā)生器等。其中激振器可用于加速度、速度、位移、力、壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。 （1振動(dòng)標(biāo)定設(shè)備 1電動(dòng)式中、低頻激振器 中頻激振器工作的頻率范圍 為57.5kHz，一般采用電動(dòng)式 激振器作為中頻標(biāo)定用振動(dòng)臺(tái)。 圖1.18所示為電動(dòng)式激振器 結(jié)構(gòu)示