傳感器原理及應(yīng)用傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)

傳感器原理及應(yīng)用傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)

信息采集的主要就是測(cè)量，并取得測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量系統(tǒng)由傳感器與多臺(tái)儀表組合在一起，才能完成信號(hào)的檢測(cè)，這樣便形成了測(cè)量系統(tǒng)，它是傳感技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(1).測(cè)量測(cè)量是以確定量值為目的的一系列操作。將被測(cè)量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量通過專用的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行比較，確定被測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，然后在量值上給出被測(cè)量的大小和符號(hào)的描述。X=AX0測(cè)量定義第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(1).測(cè)量測(cè)量結(jié)果可用數(shù)值表示，也可用曲線或圖形表示。測(cè)量結(jié)果應(yīng)包括：比值+測(cè)量單位+誤差測(cè)量結(jié)果的表示測(cè)量的過程就是傳感器從被測(cè)對(duì)象獲取被測(cè)量的信息，建立起測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過變換、傳輸、處理，從而獲得被測(cè)量的量值。測(cè)量的實(shí)質(zhì)第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(2).測(cè)量方法測(cè)量方法的分類

實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法。

從不同角度有不同的分類方法。根據(jù)測(cè)量方式偏差法測(cè)量零位法測(cè)量微差法測(cè)量根據(jù)獲取測(cè)量結(jié)果的方法直接測(cè)量間接測(cè)量組合測(cè)量直接測(cè)量間接測(cè)量組合測(cè)量第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(2).測(cè)量方法根據(jù)測(cè)量的精度測(cè)量方法的分類等精度測(cè)量非等精度測(cè)量根據(jù)測(cè)量敏感元件與被測(cè)介質(zhì)是否接觸接觸測(cè)量非接觸測(cè)量根據(jù)被測(cè)量的變化快慢靜態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)是否向被測(cè)對(duì)象施加能量主動(dòng)式測(cè)量被動(dòng)式測(cè)量第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(3).測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)是傳感器與測(cè)量?jī)x表、變換裝置等的有機(jī)結(jié)合。測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)包括：①.測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成被測(cè)對(duì)象被測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(3).測(cè)量系統(tǒng)傳感器是感受被測(cè)量的大小并輸出信號(hào)的器件或裝置。數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)用來傳輸傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理或變換。數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)是將被測(cè)量信息變成人感官能接受的形式，以完成監(jiān)視、控制或分析的目的。

對(duì)信號(hào)放大、運(yùn)算、線性化、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換變成另一種參數(shù)的信號(hào)或變成某種標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一信號(hào)。第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(3).測(cè)量系統(tǒng)開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)的全部信息變換只沿著一個(gè)方向進(jìn)行。閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上反饋環(huán)節(jié)，使信息變換與傳遞形成閉環(huán)。▲

將開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)巧妙結(jié)合應(yīng)用會(huì)使測(cè)量效果更好。*特點(diǎn)：能對(duì)反饋環(huán)內(nèi)各誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)誤差變小甚至無誤差。②.開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)與閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象x傳感、變送k1放大k2顯示k3x1x2y*特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各環(huán)節(jié)特性的變化都會(huì)造成測(cè)量誤差。第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(4).測(cè)量誤差存在測(cè)量誤差就與測(cè)量的目的—獲取被測(cè)量的真實(shí)值不能相吻合。①.測(cè)量誤差的表示方法測(cè)量誤差就是測(cè)量值與真實(shí)值之間的差值。反映測(cè)量質(zhì)量的好壞。絕對(duì)誤差Δ：Δ=|X-Q|相對(duì)誤差δ：δ

=Δ/X*100%引用誤差γ：γ

=[Δ/（Xmax-Xmin）]*100%基本誤差：儀表在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下工作時(shí)具有的誤差。附加誤差：儀表的使用條件偏離額定條件下工作時(shí)的誤差。第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(4).測(cè)量誤差②.誤差的性質(zhì)（分類）

系統(tǒng)誤差：對(duì)同一被測(cè)量多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，誤差按照一定規(guī)律出現(xiàn)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)中誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律把誤差分為以下三種：

隨機(jī)誤差：對(duì)同一被測(cè)量多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)不可預(yù)知的變化。

此類誤差具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。

粗大誤差：明顯偏離測(cè)量結(jié)果的誤差，又稱疏忽誤差。第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(5).測(cè)量精度與分辨率精密度：描述測(cè)量?jī)x表指示值不一致程度的量。準(zhǔn)確度：描述儀表指示值有規(guī)律地偏離真實(shí)值的程度。精確度：是精密度和準(zhǔn)確度的總和。①.

測(cè)量精度的三個(gè)指標(biāo)即，對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量，在相同的工作和測(cè)量條件下，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)按同一方向連續(xù)重復(fù)測(cè)量，獲得結(jié)果不一致的程度。即，儀表在測(cè)量性能上的綜合優(yōu)良程度，儀表的精密度和準(zhǔn)確度都高，其精度才能高。精確度最終是以測(cè)量誤差的相對(duì)值來表示的，一般用儀表精度等級(jí)表示。儀表精度等級(jí)是根據(jù)引用誤差確定的，它是儀表在規(guī)定的工作條件下，其最大允許誤差值相對(duì)儀表測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)。等級(jí)有0.001，0.005，0.02，……2.5，4.0，6.0等級(jí)。第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.1測(cè)量的基本知識(shí)(5).測(cè)量精度與分辨率準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的，它是指服從某一特定規(guī)律（如，定值、線性、多項(xiàng)式、周期性等函數(shù)規(guī)律）的誤差。精確度是反映測(cè)量?jī)x表優(yōu)良程度的綜合指標(biāo)。精密度高，準(zhǔn)確度不一定高，因儀表本身可以存在較大的系統(tǒng)誤差。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因系統(tǒng)誤差消除的辦法②.分辨率使指示值發(fā)生變化的最小輸入變化值分辨率顯示儀表能夠檢測(cè)到被測(cè)量最小變化量的本領(lǐng)。第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六1.2傳感器的一般特性

傳感器一般要變換各種信息量為電量，對(duì)不同的輸入信號(hào)，輸出特性是不同的，由于受傳感器內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件（電感、電容、質(zhì)量塊、彈簧等）的影響，對(duì)快變信號(hào)與慢變信號(hào)，反應(yīng)大不相同。傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)快變信號(hào)—輸入量X隨時(shí)間t較快變化時(shí)考慮輸出的動(dòng)態(tài)特性，即隨時(shí)間變化的特性；慢變信號(hào)—輸入X為靜態(tài)或變化極緩慢的信號(hào)時(shí)研究靜態(tài)特性，即不隨時(shí)間變化的特性。傳感器系統(tǒng)輸入xy

輸出(1).概述第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.2傳感器的一般特性靜態(tài)特性，當(dāng)輸入量（X）為靜態(tài)（常量）或變化緩慢的信號(hào)時(shí)（如環(huán)境溫度、壓力），討論傳感器的靜態(tài)性能，輸入輸出關(guān)系稱靜態(tài)特性。即，傳感器變換的被測(cè)量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出-輸入的關(guān)系。靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)：

線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度、穩(wěn)定性…靜態(tài)特性可以用函數(shù)式表示為:(1).概述第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)①.線性度

傳感器的輸入輸出關(guān)系可以用多項(xiàng)式表示：1.2傳感器的一般特性其中：X—輸入量；Y—輸出量；

a0—x=0時(shí)的輸出值a1—理想靈敏度

a2,a3…..an——非線性項(xiàng)系數(shù)（2）靜態(tài)特性擬合直線，傳感器非線性方次不高，輸入量變化范圍較小時(shí)，用一條直線近似代表實(shí)際曲線的一段，此直線為擬合直線。線性度，實(shí)際曲線與擬合曲線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差或稱線性度。第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.2傳感器的一般特性

傳感器的非線性誤差（線性度）用相對(duì)誤差表示：

——

最大非線性絕對(duì)誤差

——

滿量程輸出，可用ym表示

——

線性度

線性度是表征實(shí)際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)YXYiXi△LmaxY=kx+b①.線性度（2）靜態(tài)特性第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.2傳感器的一般特性各種直線擬合方法①.線性度（2）靜態(tài)特性第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)最小二乘法線性度1.2傳感器的一般特性解出k、b代入作擬合直線，△i為非線性誤差①.線性度（2）靜態(tài)特性求殘差平方和為最小值:取n個(gè)測(cè)點(diǎn),第i

殘差為:

設(shè)擬合直線方程:

擬合方法不同，其線性度也不同，用最小二乘法求取的擬合直線的精度最高。第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)

傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯。1.2傳感器的一般特性例：一電子秤稱重時(shí)，砝碼或重物增減時(shí)電橋輸出的關(guān)系：增加砝碼10g——50g——100g——200g電橋輸出0.5mv——2mv——4mv——10mv減砝碼時(shí)電橋輸出1mv——3mv——6mv——10mv②.遲滯（2）靜態(tài)特性以上，在砝碼增減相同量時(shí)，電橋輸出電壓改變不同，這便是遲滯現(xiàn)象。第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)

遲滯誤差計(jì)算由滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示：1.2傳感器的一般特性為正、反

行程輸出值間的最大差值

產(chǎn)生遲滯誤差的原因：由于敏感元件材料的物理性質(zhì)缺陷造成的。如，傳感器機(jī)械部分存在不可避免的缺陷，彈性元件的滯后、外加磁場(chǎng)、電場(chǎng)作用的鐵磁體、鐵電體等。遲滯誤差的存在使輸入、輸出不能一一對(duì)應(yīng)。②.遲滯（2）靜態(tài)特性第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)1.2傳感器的一般特性

傳感器輸入量按同一方向作多次測(cè)量時(shí)輸出特性不一致的程度。屬于隨機(jī)誤差可用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示：或用最大重復(fù)偏差表示：σmax

——

最大標(biāo)準(zhǔn)差；（2—3）——

置信度；③.重復(fù)性（2）靜態(tài)特性產(chǎn)生重復(fù)性不一致的原因與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因相同。多次重復(fù)測(cè)試的曲線越重合，說明重復(fù)性越好，誤差也越小。第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六④.靈敏度1.2傳感器的一般特性在穩(wěn)定條件下輸出變化對(duì)輸入變化的比值，用K表示。對(duì)線性傳感器，靈敏度是直線的斜率：S=ΔY/ΔX，為常數(shù)。對(duì)非線性傳感器靈敏度為一變量：S=dy/dx

靈敏度單位，mv/mmmv/℃?zhèn)鞲衅髟砼c應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)（2）靜態(tài)特性第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六⑤.穩(wěn)定性+1.2傳感器的一般特性

表示傳感器在一較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持性能參數(shù)的能力。閃爍探測(cè)器8小時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量散點(diǎn)圖傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)（2）靜態(tài)特性第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六⑥.分辨率、閾值和門檻靈敏度1.2傳感器的一般特性

分辨率——

傳感器能夠檢測(cè)到的最小輸入增量；閾值——

輸入小到某種程度輸出不再變化的值；門檻靈敏度——

指輸入零點(diǎn)附近的分辨能力。傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)（2）靜態(tài)特性第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六1.2傳感器的一般特性用時(shí)域法表示：用頻域法表示：傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)（3）動(dòng)態(tài)特性傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。

當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí),討論傳感器的動(dòng)態(tài)特性。如:加速度、振動(dòng)等，被測(cè)量是時(shí)間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)。

動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鬏敵鰧?duì)時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。除理想狀態(tài)，多數(shù)傳感器的輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的，輸出信號(hào)一定不會(huì)與輸入信號(hào)有相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸入輸出之間的差異就是動(dòng)態(tài)誤差；傳感器輸出對(duì)時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)即反映了傳感器的動(dòng)態(tài)特性。第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六1.2傳感器的一般特性傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)（3）動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時(shí)間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律，即，它們具有同一的時(shí)間函數(shù)。但，實(shí)際上輸出和輸入總會(huì)出現(xiàn)差異，輸入與輸出之間存在的差異就是動(dòng)態(tài)誤差。

研究動(dòng)態(tài)誤差的性質(zhì)稱為動(dòng)態(tài)特性分析。第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六1.2傳感器的一般特性例：動(dòng)態(tài)測(cè)溫設(shè)環(huán)境溫度為T0

,水槽中水的溫度為T,而且T＞T0

用熱電偶測(cè)溫,傳感器突然插入被測(cè)介質(zhì)中；理想情況測(cè)試曲線T是階躍變化的；實(shí)際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個(gè)過渡過程。水溫T℃熱電偶環(huán)境溫度T0℃T＞T0傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)（3）動(dòng)態(tài)特性第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六1.2傳感器的一般特性

影響動(dòng)態(tài)特性的因素還與輸入信號(hào)的形式有關(guān),在對(duì)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)一般采用標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)和階躍信號(hào)。傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)（3）動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性分析方法：

輸入信號(hào)按正弦變化時(shí)，分析動(dòng)態(tài)特性的相位、振幅、頻率，稱頻率響應(yīng)；輸入信號(hào)為階躍變化時(shí)，對(duì)傳感器隨時(shí)間變化過程進(jìn)行分析，稱階躍響應(yīng)（瞬態(tài)響應(yīng)）；第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六1.2傳感器的一般特性傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測(cè)量的基本知識(shí)（4）技術(shù)指標(biāo)基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其他指標(biāo)量程指標(biāo):量程范圍、過載能力等靈敏度指標(biāo):靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標(biāo):精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo):固有頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間、過沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標(biāo):工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo):允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速