傳感器材料教學(xué)教案

1、蘇州市職業(yè)大學(xué)教師教學(xué)教案課 程 名 稱 傳感器技術(shù)與應(yīng)用任課教師黃艷所在院（部）電子信息所在系（教研室）通信技術(shù)系2015 年9 月1 日項(xiàng)目 1 傳感器誤差與特性分析【教學(xué)目標(biāo)與要求】能對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理能根據(jù)實(shí)際使用條件選擇適用的傳感器掌握測(cè)量誤差的分類及一般計(jì)算方法掌握傳感器的定義及組成理解傳感器的基本特性及相應(yīng)指標(biāo)了解傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)【教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】根據(jù)實(shí)際適用條件選擇適用的傳感器理解傳感器的基本特性及相應(yīng)指標(biāo)【課程類型】B 類（理論+實(shí)踐）?！窘虒W(xué)方法與】多教學(xué)?！緦W(xué)時(shí)分配】理論 2 學(xué)時(shí)，實(shí)訓(xùn)學(xué)時(shí) 21.1 檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)整理1.測(cè)量與測(cè)量方法檢測(cè)是指在生產(chǎn)、科研、試驗(yàn)

2、及服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域，為及時(shí)獲得被測(cè)、被控對(duì)象的有關(guān)信息而實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)地對(duì)一些參量進(jìn)行定性檢查和定量測(cè)量。測(cè)量是人們借助專門(mén)的技術(shù)和設(shè)備，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和方法，把被測(cè)量與作為的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，以確定被測(cè)量是標(biāo)準(zhǔn)量的多少倍數(shù)的工程。測(cè)量結(jié)果包括數(shù)值大小和測(cè)量?jī)刹糠?。測(cè)量的分類：電測(cè)法和非電測(cè)法，直接測(cè)量和間接測(cè)量，靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量，接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量，模擬式測(cè)量與數(shù)字式測(cè)量。2.測(cè)量誤差及其表示方法誤差（Error）：測(cè)得值與被測(cè)量的真值之差。真值：一定的時(shí)間和空間條件下，某物理量體現(xiàn)的真實(shí)數(shù)值。標(biāo)稱值：計(jì)量或測(cè)量器具上標(biāo)注的量值。示值：由測(cè)量?jī)x器給出或提供的量值，也稱測(cè)量值。（1）絕對(duì)誤差與修正值（

3、2）相對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差：示值相對(duì)誤差也叫標(biāo)稱相對(duì)誤差：滿度相對(duì)誤差滿度相對(duì)誤差也叫作滿度誤差和誤差。通過(guò)滿度誤差實(shí)際上給出了儀表各量程內(nèi)絕對(duì)誤差的最大值：測(cè)量值相對(duì)誤差x 與滿度相對(duì)誤差 S%的關(guān)系：測(cè)量值 x 靠近滿量程值 xm 相對(duì)誤差小。電工儀表將滿度相對(duì)誤差分為七個(gè)等級(jí)：電工儀表就是按誤差之值進(jìn)行分級(jí)的。是儀表在工作條件下不應(yīng)超過(guò)的最大相對(duì)誤差。如果儀表為S 級(jí)，則說(shuō)明該儀表的最大誤差不超過(guò) S%測(cè)量點(diǎn)的最大相對(duì)誤差。在使用這類儀表測(cè)量時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牧砍蹋故局当M可能接近于滿度值，指針最好能偏轉(zhuǎn)在不小于滿度值 2/3 以上的區(qū)域。3.測(cè)量誤差的分類及來(lái)源（1）系統(tǒng)誤差：在同一條件下

4、，多次重復(fù)測(cè)量同一量值時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)，按某一確定規(guī)律變化的誤差。實(shí)際估計(jì)系統(tǒng)誤差常用適當(dāng)次數(shù)的重復(fù)測(cè)量的算術(shù)平均值減去約定真值來(lái)表示，也稱為測(cè)量器具的偏移或偏畸。 由于系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，因此可以根據(jù)其產(chǎn)生原因，采取一定的技術(shù)措施，設(shè)法消除或減??；也可以在相同條件下對(duì)已知約定真值的標(biāo)準(zhǔn)器具進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量的辦法，或者通過(guò)多次變化條件下的重復(fù)測(cè)量的辦法，設(shè)法找出其系統(tǒng)誤差的規(guī)律后，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。（2）隨機(jī)誤差：同一測(cè)量條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一量值時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)知的方式變化的誤差。又稱為偶然誤差。產(chǎn)生原因：實(shí)驗(yàn)條件的偶然性微小變化，如溫度波動(dòng)、噪聲干

5、擾、電磁場(chǎng)微變、電源電壓的隨機(jī)起伏、地面振動(dòng)等。隨機(jī)誤差的大小、方向均隨機(jī)不定，不可預(yù)見(jiàn)，不可修正。雖然一次測(cè)量的隨機(jī)誤差沒(méi)有規(guī)律，不可預(yù)定，也不能用實(shí)驗(yàn)的方法加以消除。但是，經(jīng)過(guò)大量的重復(fù)測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)，它是遵循某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。（3）粗大誤差：超出規(guī)定條件下預(yù)期的誤差。又稱為疏忽誤差、過(guò)稱粗差。差或簡(jiǎn)產(chǎn)生原因：某些偶爾突發(fā)性的異常或疏忽所致。測(cè)量方法不當(dāng)或錯(cuò)誤，測(cè)量操作疏忽和（如未按規(guī)程操作、讀錯(cuò)讀數(shù)或、或計(jì)算錯(cuò)誤等）。測(cè)量條件的突然變化（如電源電壓突然增高或降低、雷電干擾、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等）。1.2 傳感器特性分析與傳感器選用1.傳感器的組成及其分類敏感元件是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成

6、確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)或電量。基本轉(zhuǎn)換電成電量輸出。傳感器的分類：（1）按被測(cè)量分類述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換溫度、流量、力、（2）按測(cè)量原理分類度、氣體化學(xué)成分等電阻式、電容式、電感式、熱電式、霍爾式等按傳感器轉(zhuǎn)換能量供給形式分類能量變換型（發(fā)電型）、能量控制型（參量型）按傳感器工作機(jī)理分類結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器2.傳感器的靜態(tài)特性與指標(biāo)傳感器特性：主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，輸出與輸入之間關(guān)系稱為靜態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)，輸出與輸入之間關(guān)系稱

7、為動(dòng)態(tài)特性。（1）精密度、準(zhǔn)確度和精確度精密度：說(shuō)明測(cè)量傳感器輸出值的分散性，即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量，由同一個(gè)測(cè)量者，用同一個(gè)傳感器，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次，其測(cè)量結(jié)果的分散程度。精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志，精密度高，意味著隨機(jī)誤差小。注意：精密度高不一定準(zhǔn)確度高。準(zhǔn)確度：說(shuō)明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。準(zhǔn)確度高不一定精密度高。精確度：精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高。實(shí)際的常以測(cè)量誤差的相對(duì)值表示。穩(wěn)定性時(shí)間穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅髟陂L(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時(shí)稱為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移。測(cè)試

8、時(shí)先將傳感器輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，相隔 4h、8h 或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。既可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差表示。溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指?jìng)鞲衅髟谕饨鐪囟认螺敵隽堪l(fā)生的變化。測(cè)試時(shí)先將傳感器置于一定溫度(如 20)，將其輸出調(diào)至零點(diǎn)或某一特定點(diǎn)，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(如 5或 10)，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干的絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示，每引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。穩(wěn)定性指?jìng)鞲衅鲗?duì)外界干擾的抵抗能力。例如：抗沖擊和振動(dòng)的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場(chǎng)干擾的能力等。評(píng)價(jià)這些

9、能力比較復(fù)雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問(wèn)題具體分析。靈敏度傳感器輸出的變化量y 與引起該變化量的輸入變化量x 之比即為靜態(tài)靈敏度，表達(dá)式為因此，傳感器輸出曲線的斜率就是靈敏度。線性特性的傳感器，特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k 是一常數(shù)，與輸入量大小無(wú)關(guān)。（4）線性度傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等的情況下，靜態(tài)特性數(shù)學(xué)模型可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程表示：靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測(cè)量。在測(cè)得特性曲線之后，可以說(shuō)問(wèn)題已經(jīng)解決。但是為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望是線性關(guān)系。這時(shí)可采用各種方法，其中也包括硬件或補(bǔ)償，進(jìn)行線性化處理。一般來(lái)說(shuō)，這些辦法都比較復(fù)雜。

10、在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來(lái)線性化。采用直線擬合線性化時(shí)，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度。通常用相對(duì)誤差表示：（5）遲滯傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯。遲滯特性一般是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對(duì)誤差表示。檢測(cè)回程誤差時(shí)，可選擇幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于每一輸入信號(hào)，傳感器正行程及反行程中輸出信號(hào)差值的最大者即為回程誤差。（6）重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎氚赐环较蜻B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差可用正反行程

11、中最大偏差表示：（7）可靠性可靠性（Reliability）：傳感器或檢測(cè)系統(tǒng)在規(guī)定工作條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)具有正常工作性能的能力。可靠度（Reliability）、平均無(wú)故障工作時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間、失效率或故障率。3.傳感器的動(dòng)態(tài)特性與指標(biāo)動(dòng)態(tài)特性：傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。被測(cè)量隨時(shí)間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)。4.傳感器的標(biāo)定與選用如何根據(jù)測(cè)試目的和實(shí)際條件，正確合理地選用傳感器，需要認(rèn)真考慮以下六個(gè)問(wèn)題：（1）靈敏度一般說(shuō)來(lái)，傳感器靈敏度越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測(cè)量有一微小變化，傳感

12、器就有較大的輸出。但是，在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下問(wèn)題。 當(dāng)傳感器的線性工作范圍一定時(shí)，傳感器的靈敏度越擾噪聲越以保證傳感器的輸入性區(qū)域內(nèi)工作。過(guò)高的靈敏度，影響其適用的測(cè)量范圍，應(yīng)要求傳感器的信噪比愈大愈好。 當(dāng)被測(cè)量是一個(gè)向量時(shí)，并且是一個(gè)單向量時(shí)，就要求傳感器單向靈敏度愈好，而橫向靈敏度愈小愈好；如果被測(cè)量是二維或三維的向量，那么還應(yīng)要求傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。（2）響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性是指，在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測(cè)量條件。但實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。一般物性型傳感器(如利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等傳感器)響應(yīng)時(shí)間短，工作頻率寬；而

13、結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響、機(jī)械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻率低，工作頻率范圍窄。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，傳感器的響應(yīng)特性對(duì)有直接影響，在選用時(shí)，應(yīng)充分考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn)(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機(jī)等)（3）線性范圍性范圍內(nèi)，傳感器的輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。為了保證測(cè)量的精確度，傳感器工作性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件。例如，機(jī)械式傳感器中的測(cè)力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測(cè)力量程的基本性誤差。，當(dāng)超出測(cè)力元件允許的彈性范圍時(shí)，將產(chǎn)生非線然而，在某些情況下，保證傳感器絕對(duì)工作性區(qū)域內(nèi)也是不容易的。在許可限度內(nèi)，也可以取

14、其近似線性區(qū)域。例如，變間隙型的電容、電感式傳感器，其工作區(qū)均選在初始間隙附近。而且必須考慮被測(cè)量變化范圍，令其非線性誤差在允許限度以內(nèi)。（4）穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。為了保證傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，而不需經(jīng)常地更換或校準(zhǔn)，在選擇和使用傳感器時(shí)應(yīng)注意以下兩個(gè)問(wèn)題。根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。例如，選擇電阻應(yīng)變式傳感器時(shí)，應(yīng)考慮濕度的影響；又如，對(duì)變極距型電容式傳感器和光電傳感器，環(huán)境灰塵油劑浸人間隙時(shí)，會(huì)改變電容器的介質(zhì)和感光性質(zhì)。對(duì)于磁電式傳感器或霍爾效應(yīng)元件等，應(yīng)考慮周圍電磁場(chǎng)帶來(lái)測(cè)量誤差?；€電阻式傳感器表面有灰塵時(shí)，將會(huì)引入噪聲。要?jiǎng)?chuàng)造或保持良好的

15、使用環(huán)境。（5）精確度傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。傳感器處于測(cè)試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否測(cè)試系統(tǒng)具有直接的影響。反映被測(cè)量，對(duì)整個(gè)在某些情況下，要求傳感器的精確度愈好。例如，對(duì)現(xiàn)代超精密切削機(jī)床，測(cè)量其運(yùn)動(dòng)部件的定位精度，主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差、振動(dòng)及熱形變等時(shí)，往往要求它們的測(cè)量精確度在 0.10.001mm 范圍內(nèi)。在實(shí)際中，需要同時(shí)兼顧測(cè)量目的和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于定性分析的試驗(yàn)，應(yīng)要求傳感器的重復(fù)精度高，而不要求測(cè)試的絕對(duì)量值準(zhǔn)確；對(duì)于定量分析，那么必須獲得精確量值。（6）測(cè)量方式傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要。例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與