傳感器第一章 緒論

1、傳感器與檢測技術(shù) 傳感器與檢測技術(shù) 主 編：徐科軍副 主 編：馬修水，李曉林， 李文濤，李 蓮主 審：王化祥課件制作：倪偉，陳榮保 電子工業(yè)出版社教材目 錄第1章 緒 論第2章 電阻式傳感器原理與應(yīng)用第3章 變阻抗式傳感器原理與應(yīng)用第4章 光電式傳感器原理與應(yīng)用第5章 電勢式傳感器原理與應(yīng)用第6章 溫度檢測第7章 流量檢測第8章 成分檢測第9章 自動檢測的共性技術(shù)及新發(fā)展第1章 緒論1.1 自動檢測技術(shù)概述1.2 傳感器概述1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4 傳感器的一般特性1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)第2章電阻式傳感器原理與應(yīng)用2.1 應(yīng)變式傳感器2.2 電阻式傳感器第3章 變阻抗式傳感器原理與

2、應(yīng)用3.1 自感式傳感器3.2 差動變壓器3.3 電容式傳感器3.4 電渦流式傳感器3.5 壓磁式傳感器第4章 光電式傳感器原理與應(yīng)用4.1 光電效應(yīng)和光電器件4.2 光電碼盤4.3 電荷耦合器件4.4 光纖傳感器4.5 光柵傳感器 第5章 電勢式傳感器原理與應(yīng)用5.1 磁電式傳感器5.2 霍爾傳感器5.3 壓電式傳感器第6章 溫度檢測6.1 概述6.2 熱電阻式傳感器6.3 熱電偶傳感器6.4 非接觸式測溫 第7章 流量檢測7.1 流量的基本概念7.2 差壓式流量計7.3 電磁流量計7.4 渦輪流量計7.5 渦街流量計7.6 超聲流量計7.7 質(zhì)量流量計 第8章 成分檢測8.1 概述8.2

3、熱導(dǎo)式氣體分析儀8.3 磁性氧量分析儀8.4 氧化鋯氧量分析儀8.5 紅外氣體分析儀8.6 氣相色譜儀第9章 自動檢測的共性技術(shù)及新發(fā)展9.1 誤差修正技術(shù)9.2 MEMS技術(shù)與微型傳感器9.3 虛擬儀器9.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)9.5 多傳感器數(shù)據(jù)融合9.6 軟測量技術(shù) 本教學(xué)大綱要求：課程的目的與任務(wù)傳感器是感知、獲取與檢測信息的窗口，它處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，是自動測控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，一切科學(xué)實驗和生產(chǎn)過程要獲取的信息，都是通過傳感器轉(zhuǎn)換。課程的基本要求通過對本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握傳感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、測量電路及各種應(yīng)用，熟悉非電量測量的基本知識及誤差處理方法，熟悉工業(yè)過

4、程主要參數(shù)的檢測方法，了解傳感器的發(fā)展趨勢及在工業(yè)社會科技生活中的廣泛應(yīng)用，具有正確應(yīng)用傳感器的能力，為畢業(yè)設(shè)計及以后工作打下良好的基礎(chǔ)。與其它課程的聯(lián)系與分工學(xué)習(xí)本課程之前，要求學(xué)生先修大學(xué)物理、電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電氣測量技術(shù)，本課程也是過程控制系統(tǒng)及儀表的先修課程。參 考 文 獻(xiàn)1. 王化祥,張淑英傳感器原理及應(yīng)用天津：天津大學(xué)出版社，19912. 常健生. 檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù). 北京:機械工業(yè)出版社. 20013. 嚴(yán)鐘豪，譚祖根. 非電量電測技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，20034. 強錫富. 傳感器. 北京：機械工業(yè)出版社，19985. 賈伯年，俞樸. 傳感器技術(shù).

5、南京：東南大學(xué)出版社，19926. 王俊杰. 檢測技術(shù)與儀表. 武漢. 武漢理工大學(xué)出版社，20027. 郭振芹非電量的電測量北京：中國計量出版社，19868. 郁有文，常健，程繼紅編著. 傳感器原理及工程應(yīng)用. 西安：西安電子科技 大學(xué)出版社，20039. 杜維過程檢測技術(shù)及儀表北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200110.吳永生熱工測量及儀表北京：中國電力出版社，199811.師克寬過程參數(shù)檢測北京：中國計量出版社，199012. 劉迎春傳感器原理設(shè)計與應(yīng)用長沙：國防科技大學(xué)出版社，199813.張正偉傳感器原理及應(yīng)用北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，199714.周春暉. 過程控制工程手冊. 北京:

6、化學(xué)工業(yè)出版社，199315. 陳守仁. 自動檢測技術(shù)及儀表. 北京: 機械工業(yè)出版社，198916. 費業(yè)泰. 誤差理論與數(shù)據(jù)處理. 北京:機械工業(yè)出版社, 200217.黃俊欽靜、動態(tài)數(shù)學(xué)模型的實用建模方法北京：機械工業(yè)出版社，198818. 馬修水. 瑞士SYLVAC電容測量系統(tǒng)的發(fā)展. 工具技術(shù)，1989 (12) 19.于靜江，周春暉過程控制中的軟測量技術(shù)控制理論與應(yīng)用1996,13(2)20. 駱晨鐘，邵惠鶴軟測量技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用儀表技術(shù)及傳感器 1999，(1)：32-3921. 洪文學(xué)，韓峻峰，周少敏模糊傳感器研究的現(xiàn)狀與展望傳感器技術(shù) 1996，(5)：1-422. 徐科軍.

7、 容柵傳感器的研究與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，199523. 徐科軍傳感器動態(tài)特性的實用研究方法合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999 參 考 文 獻(xiàn) （續(xù)）第1章 緒論1.1 自動檢測技術(shù)概述1.2 傳感器概述1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4 傳感器的一般特性1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.1自動檢測技術(shù)概述1.1.1 自動檢測技術(shù)的重要性1.1.2 自動檢測系統(tǒng)的組成1.1.3 自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢1.1.1 自動檢測技術(shù)的重要性測試手段就是儀器儀表在工程上所要測量的參數(shù)大多數(shù)為非電量，促使人們用電測的方法來研究非電量，即研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速地測得

8、非電量的技術(shù)。非電量電測量技術(shù)優(yōu)點：測量精度高、反應(yīng)速度快、能自動連續(xù)地進(jìn)行測量、可以進(jìn)行遙測、便于自動記錄、可以與計算機聯(lián)結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、可采用微處理器做成智能儀表、能實現(xiàn)自動檢測與轉(zhuǎn)換等。機械制造業(yè)化工行業(yè)煙草行業(yè)環(huán)境保護(hù)等部門現(xiàn)代物流行業(yè)科學(xué)研究和產(chǎn)品開發(fā)中文物保護(hù)領(lǐng)域綜上所述，自動檢測技術(shù)與我們的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)。它是自動化領(lǐng)域的重要組成部分，尤其在自動控制中，如果對控制參數(shù)不能有效準(zhǔn)確的檢測，控制就成為無源之水，無本之木。1.1自動檢測技術(shù)概述1.1.1 自動檢測技術(shù)的重要性1.1.2 自動檢測系統(tǒng)的組成1.1.3 自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢1.1.2 自動檢測系統(tǒng)的組成檢測系統(tǒng)的組成

9、 傳感器：把被測非電量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對應(yīng)關(guān)系，且便于應(yīng)用的某些物理量（通常為電量）的測量裝置。測量電路：把傳感器輸出的變量變換成電壓或電流信號，使之能在輸出單元的指示儀上指示或記錄儀上記錄；或者能夠作為控制系統(tǒng)的檢測或反饋信號。輸出單元：指示儀、記錄儀、累加器、報警器、數(shù)據(jù)處理電路等。1.1自動檢測技術(shù)概述1.1.1 自動檢測技術(shù)的重要性1.1.2 自動檢測系統(tǒng)的組成1.1.3 自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢1.1.3 自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢不斷提高儀器的性能、可靠性，擴大應(yīng)用范圍。開發(fā)新型傳感器。開發(fā)傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。微電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)與儀器儀表和

10、傳感器的結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化測試系統(tǒng)，使測量精度、自動化水平進(jìn)一步提高。研究集成化、多功能和智能化傳感器或測試系統(tǒng)。第1章 緒論1.1 自動檢測技術(shù)概述1.2 傳感器概述1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4 傳感器的一般特性1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.2 傳感器概述1.2.1 傳感器的定義1.2.2 傳感器的組成1.2.3 傳感器分類1.2.1 傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87）傳感器（Transducer/Sensor）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置。包含的概念： 傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)； 它的輸出量是某一被測量，可能是

11、物理量，也可能是 化學(xué)量、生物量等； 它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量； 輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。1.2 傳感器概述1.2.1 傳感器的定義1.2.2 傳感器的組成1.2.3 傳感器分類1.2.2 傳感器的組成敏感元件 直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的物理量轉(zhuǎn)換元件 敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量轉(zhuǎn)換電路 上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出1.2 傳感器概述1.2.1 傳感器的定義1.2.2 傳感器的組成1.2.3 傳感器分類1.2.3 傳感器分類工作機理：物理型、化學(xué)型

12、、生物型物理型傳感器：物理基礎(chǔ)的基本定律。場的定律、物質(zhì)定律、守恒定律和統(tǒng)計定律構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型:物理學(xué)中場的定律物性型:物質(zhì)定律能量轉(zhuǎn)換能量控制型能量轉(zhuǎn)換型用途分類： 位移、壓力、振動、溫度第1章 緒論1.1 自動檢測技術(shù)概述1.2 傳感器概述1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4 傳感器的一般特性1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1 測量誤差的概念和分類1.3.2 精度1.3.3 測量誤差的表示方法1.3.4 隨機誤差1.3.5 系統(tǒng)誤差1.3.6 粗大誤差1.3.7 數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.1 測量誤差的概念和分類1. 有關(guān)測量技術(shù)中的部分名詞2. 誤差的分類1. 有

13、關(guān)測量技術(shù)中的部分名詞（1）等精度測量：（2）非等精度測量：（3）真值：（4）實際值：（5）標(biāo)稱值：（6）示值：（7）測量誤差：2. 誤差的分類（1）系統(tǒng)誤差（2）隨機誤差（3）粗大誤差1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1 測量誤差的概念和分類1.3.2 精度1.3.3 測量誤差的表示方法1.3.4 隨機誤差1.3.5 系統(tǒng)誤差1.3.6 粗大誤差1.3.7 數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.2 精度反映測量結(jié)果與真值接近程度的量 (1)準(zhǔn)確度 (2)精密度 (3)精確度 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，但精確度高，則精密度和準(zhǔn)確度都高。1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理

14、1.3.1 測量誤差的概念和分類1.3.2 精度1.3.3 測量誤差的表示方法1.3.4 隨機誤差1.3.5 系統(tǒng)誤差1.3.6 粗大誤差1.3.7 數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.3 測量誤差的表示方法(1) 絕對誤差(2) 相對誤差(1) 絕對誤差絕對誤差是示值與被測量真值之間的差值。設(shè)被測量的真值為A0，器具的標(biāo)稱值或示值為x，則絕對誤差為 （1.3.1）由于一般無法求得真值A(chǔ)0，在實際應(yīng)用時常用精度高一級的標(biāo)準(zhǔn)器具的示值，即實際值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0。x與A之差稱為測量器具的示值誤差，記為 （1.3.2）通常以此值來代表絕對誤差。修正值為了消除系統(tǒng)誤差用代數(shù)法加到測量結(jié)果上的值稱為修正值，常用C表

15、示。將測得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即 A0= x+C （1.3.3）由此得C =A0-x （1.3.4）在實際工作中，可以用實際值A(chǔ)近似真值A(chǔ)0，則（1.3.4）式變?yōu)镃 =A-x=- x （1.3.5）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 (2) 相對誤差相對誤差是絕對誤差與被測量的約定值之比。相對誤差有以下表現(xiàn)形式： 實際相對誤差。 示值相對誤差。 滿度（引用）相對誤差 實際相對誤差。 （1.3.6）示值相對誤差。 （1.3.7）滿度（引用）相對誤差最大允許誤差指示儀表的最大滿度誤差不許超過該儀表準(zhǔn)確度等級的百分?jǐn)?shù)，即 （1.3.9） 當(dāng)示值為x

16、時可能產(chǎn)生的最大相對誤差為 （1.3.11）用儀表測量示值為x的被測量時，比值越大，測量結(jié)果的相對誤差越大。選用儀表時要考慮被測量的大小越接近儀表上限越好。被測量的值應(yīng)大于其測量上限的2/3。1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1 測量誤差的概念和分類1.3.2 精度1.3.3 測量誤差的表示方法1.3.4 隨機誤差1.3.5 系統(tǒng)誤差1.3.6 粗大誤差1.3.7 數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.4 隨機誤差1. 正態(tài)分布2. 隨機誤差的評價指標(biāo)3. 測量的極限誤差1. 正態(tài)分布 隨機誤差是以不可預(yù)定的方式變化著的誤差，但在一定條件下服從統(tǒng)計規(guī)律 正態(tài)分布的隨機誤差分布規(guī)律（1）對稱性。絕對值相等的

17、正誤差和負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)相等。（2）單峰性。絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。（3）有界性。一定的測量條件下，隨機誤差的絕對值不會超過一定界限。（4）抵償性。隨測量次數(shù)的增加，隨機誤差的算術(shù)平均值趨向于零。2.隨機誤差的評價指標(biāo) 由于隨機誤差大部分按正態(tài)分布規(guī)律出現(xiàn)的，具有統(tǒng)計意義，通常以正態(tài)分布曲線的兩個參數(shù)算術(shù)平均值和均方根誤差作為評價指標(biāo)。 （1）算術(shù)平均值 （2）標(biāo)準(zhǔn)差（1）算術(shù)平均值 當(dāng)測量次數(shù)為無限次時，所有測量值的算術(shù)平均值即等于真值，事實上是不可能無限次測量，即真值難以達(dá)到。但是，隨著測量次數(shù)的增加，算術(shù)平均值也就越接近真值。 因此，以算術(shù)平均值作為真值是既可靠又合理

18、的。 () 標(biāo)準(zhǔn)差 測量列中單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差 測量列算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差 測量列中單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差在等精度測量列中，單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差 （1.3.18）式中，n測量次數(shù)； 每次測量中相應(yīng)各測量值的隨機誤差。實際工作中用殘差來近似代替隨機誤差求標(biāo)準(zhǔn)差的估計值 貝塞爾（Bessel）公式 測量列算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差式中， 算術(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差（均方根誤差）； 測量列中單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差； n 測量次數(shù) 當(dāng)測量次數(shù)n愈大時，算術(shù)平均值愈接近被測量的真值，測量精度也越高。3. 測量的極限誤差 測量的極限誤差是極端誤差，檢測量結(jié)果的誤差不超過該極端誤差的概率為P，并使出現(xiàn)概率為（-P）誤差超過該極端誤差的檢測量的測

19、量結(jié)果可以忽略。 （1）單次測量的極限誤差 （2）算術(shù)平均值的極限誤差（1）單次測量的極限誤差隨機誤差在至范圍內(nèi)概率為： 經(jīng)變換，(1.3.22）式為 若某隨機誤差在 t 范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率為2(),則超出該誤差范圍的概率為幾個典型 t值的概率情況分析t|=t不超出|的概率2（）超出 |的概率1-2（）0.670.670.49720.5028110.68260.3174220.95440.0456330.99730.0027440.99990.0001當(dāng)t=3時，即|=3 時,誤差不超過|的概率為99.73%,通常把這個誤差稱為單次測量的極限誤差limx,即limx =3 （2）算術(shù)平均值的極限

20、誤差測量列的算術(shù)平均值與被測量的真值之差 當(dāng)多個測量列算術(shù)平均值誤差為正態(tài)分布時，得到測量列算術(shù)平均值的極限誤差表達(dá)式為 式中的t為置信系數(shù)，為算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差。通常取t=3,則1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1 測量誤差的概念和分類1.3.2 精度1.3.3 測量誤差的表示方法1.3.4 隨機誤差1.3.5 系統(tǒng)誤差1.3.6 粗大誤差1.3.7 數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.5 系統(tǒng)誤差1. 系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)2. 系統(tǒng)誤差的削弱和消除1. 系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)理論分析及計算實驗對比法殘余誤差觀察法殘余誤差校核法計算數(shù)據(jù)比較法（1）理論分析及計算 因測量原理或使用方法不當(dāng)引入系統(tǒng)誤差時，可以通過理論

21、分析和計算的方法加以修正。（2）實驗對比法 實驗對比法是改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件進(jìn)行不同條件的測量，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差，這種方法適用于發(fā)現(xiàn)恒定系統(tǒng)誤差。（3）殘余誤差觀察法 根據(jù)測量列的各個殘余誤差的大小和符號變化規(guī)律，直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線圖形來判斷有無系統(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。（4）殘余誤差校核法 用于發(fā)現(xiàn)累進(jìn)性系統(tǒng)誤差馬利科夫準(zhǔn)則：設(shè)對某一被測量進(jìn)行n次等精度測量，按測量先后順序得到測量值x1，x2，xn，相應(yīng)的殘差為v1，v2，vn。把前面一半和后面一半數(shù)據(jù)的殘差分別求和，然后取其差值 用于發(fā)現(xiàn)周期性系統(tǒng)誤差阿卑-赫梅特準(zhǔn)則： 則認(rèn)為測量列中含有周期性系統(tǒng)誤差。

22、 當(dāng)存在 設(shè) (5) 計算數(shù)據(jù)比較法對同一量進(jìn)行多組測量，得到很多數(shù)據(jù)，通過多組計算數(shù)據(jù)比較，若不存在系統(tǒng)誤差，其比較結(jié)果應(yīng)滿足隨機誤差條件，否則可認(rèn)為存在系統(tǒng)誤差。任意兩組結(jié)果間不存在系統(tǒng)誤差的標(biāo)志是 2. 系統(tǒng)誤差的削弱和消除從產(chǎn)生誤差源上消除系統(tǒng)誤差引入修正值法零位式測量法補償法對照法1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1 測量誤差的概念和分類1.3.2 精度1.3.3 測量誤差的表示方法1.3.4 隨機誤差1.3.5 系統(tǒng)誤差1.3.6 粗大誤差1.3.7 數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.6 粗大誤差判別粗大誤差最常用的統(tǒng)計判別法： 如果對被測量進(jìn)行多次重復(fù)等精度測量的測量數(shù)據(jù)為x1，x2，x

23、d,，xn 其標(biāo)準(zhǔn)差為，如果其中某一項殘差vd大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差，即 則認(rèn)為vd為粗大誤差，與其對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)xd是壞值，應(yīng)從測量列測量數(shù)據(jù)中刪除。1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.3.1 測量誤差的概念和分類1.3.2 精度1.3.3 測量誤差的表示方法1.3.4 隨機誤差1.3.5 系統(tǒng)誤差1.3.6 粗大誤差1.3.7 數(shù)據(jù)處理的基本方法1.3.7 數(shù)據(jù)處理的基本方法數(shù)據(jù)處理:從獲得數(shù)據(jù)起到得出結(jié)論為止的整個數(shù)據(jù)加工過程。 常用方法: 列表法、作圖法和最小二乘法擬合。最小二乘法原理是指測量結(jié)果的最可信賴值應(yīng)在殘余誤差平方和為最小的條件下求出。在自動檢測系統(tǒng)中，兩個變量間的線性關(guān)系是一種最簡單、也

24、是最理想的函數(shù)關(guān)系。 設(shè)有n組實測數(shù)據(jù)（xi，yi）(i=1，2，n)，其最佳擬合方程 (回歸方程)為 Y=A+Bx (1.1.37)式中，A為直線的截距；B為直線的斜率。 根據(jù)最小二乘法原理，要使 為最小，取其對A、B求偏導(dǎo)數(shù)，并令其為零，可得兩個方程，聯(lián)立兩個方程可求出A,B的唯一解。第1章 緒論1.1 自動檢測技術(shù)概述1.2 傳感器概述1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4 傳感器的一般特性1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.4 傳感器的一般特性1.4.1 傳感器的靜特性1.4.2 傳感器的動特性1.4.1 傳感器的靜特性輸出與輸入間關(guān)系 微分方程靜特性：輸入量為常量，或變化極慢動特性：輸入量隨時間

25、較快地變化時 微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，可得到靜特性（動特性的特例）。靜特性表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關(guān)系，希望輸出與輸入具有確定的對應(yīng)關(guān)系，且呈線性關(guān)系。靜特性指標(biāo) 線性度 靈敏度 遲滯 重復(fù)性 零點漂移 溫度漂移1、線性度靜特性輸 出 量輸 入 量零點輸出理論靈敏度非線性項系數(shù)直線擬合線性化 非線性誤差或線性度最大非線性誤差 滿量程輸出直線擬合線性化出發(fā)點 獲得最小的非線性誤差擬合方法： 理論擬合； 過零旋轉(zhuǎn)擬合； 端點連線擬合； 端點連線平移擬合； 最小二乘擬合； 最小包容擬合理論擬合擬合直線為傳感器的理論特性，與實際測試值無關(guān)。方法十分簡單，但一般說 較大

26、xyLmax過零旋轉(zhuǎn)擬合曲線過零的傳感器。擬合時，使xyL2L1端點連線擬合把輸出曲線兩端點的連線作為擬合直線xyLmax端點連線平移擬合在端點連線擬合基礎(chǔ)上使直線平移，移動距離為原先的一半yxLmaxL1最小二乘擬合原理:最小二乘擬合方法xy=kx+by2、靈敏度傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比即為其靜態(tài)靈敏度表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力表征傳感器對輸入量變化的反應(yīng)能力 (a) 線性傳感器 (b) 非線性傳感器 3、遲滯正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱為遲滯 正反行程間輸出的最大差值。 遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差，常用絕對誤差表示。檢測回程誤差

27、時，可選擇幾個測試點。對應(yīng)于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。遲滯特性4、重復(fù)性傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度正行程的最大重復(fù)性偏差反行程的最大重復(fù)性偏差取較大者為 重復(fù)特性5. 零點漂移 傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移零漂 式中Y0最大零點偏差； YFS 滿量程輸出。6、溫漂 傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)出的變化溫漂 式中max 輸出最大偏差；T 溫度變化范圍； YFS 滿量程輸出。 1.4 傳感器的一般特性1.4.1 傳感器的靜特性1.4.2 傳感器的動特性1.4.2 傳感器的動態(tài)特性

28、傳感器的動態(tài)特性是指傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。反映輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。 研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。時域：瞬態(tài)響應(yīng)法頻域：頻率響應(yīng)法 1. 瞬態(tài)響應(yīng)特性 在時域內(nèi)研究傳感器的動態(tài)特性時，常用的激勵信號有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等。傳感器對所加激勵信號的響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。 理想情況下，階躍輸入信號的大小對過渡過程的曲線形狀是沒有影響的。但在實際做過渡過程實驗時，應(yīng)保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內(nèi)。 一階傳感器的單位階躍響應(yīng) 設(shè)x ( t )、y ( t ) 分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函

29、數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為式中 時間常數(shù)； K靜態(tài)靈敏度。 由于在線性傳感器中靈敏度K為常數(shù)，在動態(tài)特性分析中，K只起著使輸出量增加K倍的作用。討論時采用 K=1。對于初始狀態(tài)為零的傳感器，當(dāng)輸入為單位階躍信號時，X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為則一階傳感器的單位階躍響應(yīng)為一階傳感器的時間常數(shù)越小越好 二階傳感器的單位階躍響應(yīng)二階傳感器的傳遞函數(shù)為 式中 n 傳感器的固有頻率； 傳感器的阻尼比。在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為對Y（s）進(jìn)行拉氏反變換，即可得到單位階躍響應(yīng)。圖1.4.6為二階傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線。 傳感器的響應(yīng)在很大程度上取決于阻尼比和固有頻率n 。

30、在實際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調(diào)量，一般傳感器都設(shè)計成欠阻尼式的，阻尼比一般取在0.60.8之間。帶保護(hù)套管的熱電偶是一個典型的二階傳感器。 瞬態(tài)響應(yīng)特性指標(biāo)時間常數(shù)是描述一階傳感器動態(tài)特性的重要參數(shù)，越小，響應(yīng)速度越快。二階傳感器階躍響應(yīng)的典型性能指標(biāo)可由圖1.4.7表示各指標(biāo)定義如下： 上升時間tr 輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時間。 響應(yīng)時間ts 系統(tǒng)從階躍輸入開始到輸出值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時間。 峰值時間tp 階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一個峰值所需時間。 超調(diào)量 傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值A(chǔ)，常用相對于穩(wěn)態(tài)值的百分比表示。2. 頻率響應(yīng)特性 傳感

31、器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性 頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。（1）零階傳感器的頻率特性（2）一階傳感器的頻率特性（3） 二階傳感器的頻率特性（4）頻率響應(yīng)特性指標(biāo) （1）零階傳感器的頻率特性零階傳感器的傳遞函數(shù)為頻率特性為 零階傳感器的輸出和輸入成正比，并且與信號頻率無關(guān)。因此，無幅值和相位失真問題，具有理想的動態(tài)特性。電位器式傳感器是零階系統(tǒng)的一個例子。 在實際應(yīng)用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時，都可以近似的當(dāng)作零階系統(tǒng)來處理。 一階傳感器的頻率特性 將一階傳感器的傳遞函數(shù)中的s用j代替，即可得到頻率特性表達(dá)式 幅頻特性 相頻特性 (a) 幅頻特性 (b) 相

32、頻特性時間常數(shù)越小，頻率響應(yīng)特性越好。當(dāng) 1時，A ()1， ()，表明傳感器輸出與輸入為線性關(guān)系，相位差與頻率成線性關(guān)系，輸出 y ( t ) 比較真實地反映輸入x ( t ) 的變化規(guī)律。因此，減小可以改善傳感器的頻率特性。 二階傳感器的頻率特性 二階傳感器的頻率特性表達(dá)式、幅頻特性、相頻特性分別為 二階傳感器的頻率特性 頻率響應(yīng)特性指標(biāo) 頻帶 傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍，即對數(shù)幅頻特性曲線上幅值衰減3dB時所對應(yīng)的頻率范圍，稱為傳感器的頻帶或通頻帶，對應(yīng)有上、下截止頻率。 時間常數(shù) 用時間常數(shù)來表征一階傳感器的動態(tài)特性，越小，頻帶越寬。 固有頻率n 二階傳感器的固有頻率n表征了其

33、動態(tài)特性。第1章 緒論1.1 自動檢測技術(shù)概述1.2 傳感器概述1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理1.4 傳感器的一般特性1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn) 傳感器的標(biāo)定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時，確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。 傳感器的標(biāo)定工作可分為如下幾個方面， 1. 新研制的傳感器需進(jìn)行全面技術(shù)性能的檢定，用檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行量值傳遞，同時檢定數(shù)據(jù)也是改進(jìn)傳感器設(shè)計的重要依據(jù)； 2. 經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復(fù)測工作。 傳感器的標(biāo)定 靜態(tài)標(biāo)定: 目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。動態(tài)標(biāo)定: 目的是確定傳感器的動態(tài)特

34、性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。 1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.5.1 傳感器的靜態(tài)特性標(biāo)定 1.5.2 傳感器的動態(tài)特性標(biāo)定1.5.3 壓力傳感器的動態(tài)標(biāo)定1.5.1 傳感器的靜態(tài)特性標(biāo)定 1. 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件2. 標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定3. 靜態(tài)特性標(biāo)定的方法4. 壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定1. 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（205）、相對濕度不大于85% ，大氣壓力為1017kPa的情況。2. 標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定傳感器的各項性能指標(biāo)，實際上也是確定傳感器的測量精度。標(biāo)定

35、傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個等級。這樣，通過標(biāo)定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)才是可靠的，所確定的精度才是可信的。3. 靜態(tài)特性標(biāo)定的方法標(biāo)定過程步驟： 將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點； 根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值； 將輸入值由大到小一點一點的減少，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值； 按、所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線； 對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。

36、4. 壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定常用的標(biāo)定裝置有：活塞壓力計、杠桿式和彈簧測力計式壓力標(biāo)定機?；钊麎毫τ嫎?biāo)定壓力傳感器的示意圖1-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手搖壓力泵壓力標(biāo)定曲線 上述標(biāo)定方法不適合壓電式壓力測量系統(tǒng)，因為活塞壓力計的加載過程時間太長，致使傳感器產(chǎn)生的電荷有泄漏，嚴(yán)重影響其標(biāo)定精度。所以，對壓電式測壓系統(tǒng)一般采用杠桿式壓力標(biāo)定機或彈簧測力計式壓力標(biāo)定機。為了保證壓力傳感器的測量準(zhǔn)確度，需定期檢定，檢定周期最長不超過一年。1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)1.5.1 傳感器的靜態(tài)特性標(biāo)定 1.5.2 傳感器的動態(tài)特性標(biāo)定1.5.3 壓力傳感器的動態(tài)標(biāo)定1.5.2