傳感檢測(cè)技術(shù)

第一章傳感檢測(cè)技術(shù)的基本知識(shí)航天交通攝象頭:CCD傳感器指紋傳感器傳感檢測(cè)技術(shù)本章學(xué)習(xí)要求1、掌握傳感檢測(cè)系統(tǒng)的組成；2、掌握傳感檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)；3、掌握測(cè)量誤差的概念、誤差的種類及誤差處理的辦法；4、了解傳感檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用情況；5、了解傳感檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向；6、了解主要測(cè)量、測(cè)試儀器生產(chǎn)廠商。傳感器測(cè)量電路顯示器數(shù)據(jù)處理裝置檢測(cè)系統(tǒng)的非電量電測(cè)法§1.1傳感檢測(cè)技術(shù)的組成傳感檢測(cè)系統(tǒng)的組成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)或檢測(cè)裝置通常由傳感器、測(cè)量電路、顯示記錄裝置和數(shù)據(jù)處理裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等到功能。被測(cè)對(duì)象傳感器中間變換裝置顯示裝置記錄裝置數(shù)據(jù)處理裝置物理量電量電量/數(shù)字量信息轉(zhuǎn)換信息提取一、傳感器1、定義：傳感器：以一定精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的，便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。定義含義：傳感器是測(cè)量裝置傳感器的輸入量是某一被測(cè)量傳感器的輸出量應(yīng)是便于轉(zhuǎn)換的物理量傳感器的輸入與輸出之間有一定精確程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系傳感器名稱：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測(cè)器、探頭傳感器的功用是一感二傳，即感受被測(cè)信息，并傳送出去被測(cè)量電量敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路被測(cè)量輸出量

敏感元件：它是直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。

轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入的被測(cè)量摶換成電路參量。

基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參量輸入基本轉(zhuǎn)換電路（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。輔助電源敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路2、傳感器組成1——?dú)んw2——膜盒（敏感元件）3——電感線圈（轉(zhuǎn)換元件）4——磁芯5——轉(zhuǎn)換電路

傳感器只完成被測(cè)參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測(cè)控電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測(cè)值或進(jìn)行過(guò)程控制。

傳感器是知識(shí)密集、技術(shù)密集的行業(yè)，它與許多學(xué)科有關(guān)，它的種類十分繁多。為了很好地掌握它、應(yīng)用它，需要有一個(gè)科學(xué)的分類方法。3、傳感器分類1)按被測(cè)物理量分類機(jī)械量:長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場(chǎng).溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩常見的被測(cè)物理量2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號(hào)變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.如:水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變.例如:電容式和電感式傳感器.例如位移傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等。模擬傳感器、數(shù)字傳感器。雙向傳感器、單向傳感器等。按照傳感器的用途來(lái)分類

根據(jù)傳感器輸出是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)根據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程可逆與否二、測(cè)量電路

作用：把傳感器輸出的電量轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理的電量。即具有一定驅(qū)動(dòng)和傳輸能力的電壓、電流和頻率信號(hào)等，以推動(dòng)后級(jí)的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1）傳感器輸出信號(hào)微弱，由測(cè)量電路加以放大；

2）進(jìn)行阻抗匹配、微分、積分、線性化補(bǔ)償需要：放大電路、相敏檢波電路、濾波電路、運(yùn)算電路、補(bǔ)償電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路三、顯示器1、作用：檢測(cè)到數(shù)值大小，或被測(cè)量變化的過(guò)程。2、顯示器類型：

模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示A、模擬顯示：用指針對(duì)標(biāo)尺的相對(duì)位置標(biāo)示讀數(shù)B、數(shù)字顯示：用數(shù)字形式顯示讀數(shù)C、圖像顯示：顯示讀數(shù)、被測(cè)參數(shù)的變化曲線，或用圖表，或彩色圖反映整個(gè)生產(chǎn)線上的多組數(shù)據(jù)四、數(shù)據(jù)處理裝置

作用：

對(duì)測(cè)試所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理、邏輯判斷、線性變換及對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果作頻譜分析等。

———采用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成數(shù)據(jù)處理結(jié)果

顯示器執(zhí)行機(jī)構(gòu)五、檢測(cè)系統(tǒng)的非電量電測(cè)法1、非電量電測(cè)法：

傳感器非電量電量把信號(hào)變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量進(jìn)行檢測(cè)、控制、顯示的方法稱為非電量電測(cè)法。2、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)A、能夠連續(xù)、自動(dòng)地對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量和記錄；B、電子裝置精度高，頻率響應(yīng)好，不僅能適用于靜態(tài)測(cè)量，選用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱陀涗浹b置還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量甚至瞬間測(cè)量；C、電信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳輸，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和集中控制；D、電子測(cè)量裝置能方便地改變量程，因此測(cè)量的范圍廣；E、可以方便地與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)運(yùn)算、分析和處理。在工程領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用涉及到航天、機(jī)械、電力、石化和海洋運(yùn)輸?shù)让恳粋€(gè)工程領(lǐng)域。

檢測(cè)系統(tǒng)的工程應(yīng)用

§1.2傳感檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向1、工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用a)機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器

轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。

密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗b)AGV自動(dòng)送貨車

超聲波測(cè)距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車位置識(shí)別；條形碼傳感器，貨品識(shí)別。香港理工AGV模型c)生產(chǎn)加工過(guò)程監(jiān)測(cè)切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測(cè)距傳感器、紅外接近開關(guān)傳感器等。密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠2、流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè)。揚(yáng)子石化50MW熱電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)陽(yáng)邏電廠300MW汽輪機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)荊門電廠200MW機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)寶鋼30KW以上風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)寶鋼精軋F(tuán)2軋機(jī)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動(dòng)紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)武鋼風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對(duì)其性能質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量和出廠檢驗(yàn)。

圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測(cè)量參數(shù)包括潤(rùn)滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過(guò)對(duì)抽樣汽車的測(cè)試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測(cè)量機(jī)床加工精度測(cè)量

4、樓宇控制與安全防護(hù)為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測(cè)試技術(shù)，如闖入監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、電梯運(yùn)行狀況。

圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測(cè)器5、家庭與辦公自動(dòng)化在家電產(chǎn)品和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測(cè)試技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度)液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測(cè))。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器6、其他應(yīng)用航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學(xué)7、PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用鼠標(biāo):光電位移傳感器攝象頭:CCD傳感器聲位筆:超聲波傳感器麥克風(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服測(cè)控實(shí)驗(yàn)DIY1.鼠標(biāo)測(cè)位移實(shí)驗(yàn)2.麥克風(fēng)測(cè)聲音2.聲卡采樣頻率信號(hào)分析頻率合成與分解3.簡(jiǎn)易聲級(jí)計(jì)制作4.CCD圖象分析……..

個(gè)人測(cè)試實(shí)驗(yàn)室PC機(jī)中的測(cè)試技術(shù)應(yīng)用一、應(yīng)用：A）檢測(cè)技術(shù)是產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制的重要手段。B）檢測(cè)技術(shù)在大型設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。C）檢測(cè)技術(shù)和裝置是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。D）檢測(cè)技術(shù)的完善和發(fā)展推動(dòng)著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步?！?.2傳感檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向二、發(fā)展方向1、不斷提高檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、量程范圍、延長(zhǎng)使用壽命，提高可靠性；2、應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)領(lǐng)域；3、發(fā)展集成化，功能化的傳感器；4、采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使檢測(cè)技術(shù)智能化；5、發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)?！?.3傳感檢測(cè)系統(tǒng)基本特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)一、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性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：被測(cè)量不隨時(shí)間變化或變化很慢時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)的輸入和輸出量都與時(shí)間無(wú)關(guān)。動(dòng)態(tài)特性：輸入量和輸出量都隨時(shí)間變化較快，是一個(gè)含有時(shí)間變量的微分方程式。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)快速變化的被測(cè)量的響應(yīng)特性稱為動(dòng)態(tài)特性。二、靜態(tài)特性1、測(cè)量范圍與量程測(cè)量范圍：在正常做條件下，檢測(cè)系統(tǒng)或儀表能夠測(cè)量的被測(cè)量值的總范圍。通常以測(cè)量范圍的上限值和下限值表示量程：測(cè)量范圍上限值與下限值的代數(shù)差。2、靈敏度與分辨力A、靈敏度:是指?jìng)鞲袡z測(cè)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化Δy和引起此變化的輸入的變化量Δx的比值。

可見，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。對(duì)線性特性的傳感器，其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)?；蛴啥鄠€(gè)環(huán)節(jié)組成的檢測(cè)系統(tǒng)其靈敏度等于各環(huán)節(jié)的靈敏度之積。B、分辨力指?jìng)鞲衅骰驒z測(cè)儀表在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)能精確檢測(cè)出被測(cè)量的最小變化的能力。表示方式：ⅰ、絕對(duì)值ⅱ、用量程的百分?jǐn)?shù)表示3、線性度線性度是指實(shí)測(cè)系統(tǒng)輸入-輸出特性曲線與其擬合直線之間的最大偏差△m。又稱為非線性誤差。通常用相對(duì)誤差

來(lái)表示，即：

YFS——滿量程的輸出值（=ymax-ymin）擬合直線的確定：擬合直線是計(jì)算非線性誤差的基準(zhǔn)線基準(zhǔn)線選取方法不同，擬合精度不同擬合方法：①理論擬合；②端點(diǎn)連線平移擬合；③端點(diǎn)連線擬合；④過(guò)零旋轉(zhuǎn)擬合；⑤最小二乘擬合；⑥最小包容擬合a.理論擬合b.過(guò)零擬合c.端點(diǎn)連線擬合d.端點(diǎn)連線平移擬合常用擬合方法最小二乘擬合法精度最高擬合直線的做法：根據(jù)最小二乘法原則作出的擬合直線。優(yōu)點(diǎn)：使擬合直線與特性曲線（輸入輸出特性曲線）上各點(diǎn)偏差的平方和最小。4、遲滯（回差滯環(huán)）現(xiàn)象傳感器在正向(輸入量增大)和反向(輸入量減小)行程期間,輸入-輸出特性曲線的不一致的程度。其大小是以滿量程輸出YFS的百分?jǐn)?shù)表示，即：是正、反行程輸出值間的最大差值。

5、重復(fù)性重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃鋈砍潭啻螠y(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度。重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即或：y0⊿Rmax2⊿Rmax1X△Rmax1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。重復(fù)性精度是傳感器的綜合指標(biāo)的考評(píng)6、穩(wěn)定性：傳感器的穩(wěn)定性一般是指長(zhǎng)期穩(wěn)定性

時(shí)間穩(wěn)定性包括：溫度穩(wěn)定性零點(diǎn)漂移靈敏度漂移穩(wěn)定性是指?jìng)鞲袡z測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作的狀態(tài)下，由于外界各種干擾對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，使得輸出量發(fā)生與輸入無(wú)關(guān)的變化，有時(shí)稱為長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性。產(chǎn)生的原因：

溫度、壓力、濕度、電源電壓等環(huán)境參數(shù)的緩慢變化，或者系統(tǒng)本身性能的不穩(wěn)定。預(yù)防措施：A、在恒溫、恒壓、恒濕、恒定電壓的條件下工作；B、采用預(yù)熱，預(yù)先放置一段時(shí)間等措施，使系統(tǒng)溫度接近室溫，趨于穩(wěn)定，減小漂移。傳感檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。

傳感器的動(dòng)態(tài)特性取決于：傳感器本身被測(cè)量的變化形式三、動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)誤差（失真）：

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)。在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下，輸出信號(hào)一般來(lái)說(shuō)不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。造成失真原因：測(cè)量電路存在延時(shí)（例：熱慣性、發(fā)熱、芯片對(duì)信號(hào)反應(yīng)的靈敏度差等）機(jī)械慣性（例：諧振頻率的傳感檢測(cè)系統(tǒng)，如彈性系統(tǒng)）正弦變化的輸入階躍變化的輸入線性輸入經(jīng)常使用的是前兩種標(biāo)準(zhǔn)輸入有三種通常采用階躍響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法分析傳感檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差分析動(dòng)態(tài)特性的方法階躍響應(yīng)法（瞬態(tài)響應(yīng)法）階躍響應(yīng)法從時(shí)域方面來(lái)分析傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)特性，如：超調(diào)量、上升時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、延滯時(shí)間、峰值時(shí)間等。時(shí)，其輸出特性稱為階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)：

瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線如圖階躍響應(yīng)特性

（1）最大超調(diào)量σp

（2）延滯時(shí)間td

（3）上升時(shí)間tr

（4）峰值時(shí)間tp

（5）響應(yīng)時(shí)間ts：

頻率響應(yīng)法是從傳感檢測(cè)系統(tǒng)的頻率特性出發(fā)研究其動(dòng)態(tài)特性。通常是先建立傳感器的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)拉氏變換找出傳遞函數(shù)表達(dá)式，再根據(jù)輸入條件得到相應(yīng)的頻率特性。

頻率響應(yīng)法傳感器對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。

分析傳感器動(dòng)態(tài)特性，必須建立數(shù)學(xué)模型。線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為常系數(shù)線性微分方程。對(duì)線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究，主要是分析數(shù)學(xué)模型的輸入量x與輸出量y之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)微分方程求解，得出動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。頻率響應(yīng)法

y——輸出量；x——輸入量；t——時(shí)間a0，a1，…，an——常數(shù)；b0，b1，…，bm——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)零階傳感器在零階傳感器中，只有a0與b0兩個(gè)系數(shù)，微分方程為a0y=b0xK——靜態(tài)靈敏度

零階輸入系統(tǒng)的輸入量無(wú)論隨時(shí)間如何變化，其輸出量總是與輸入量成確定的比例關(guān)系。在時(shí)間上也不滯后，幅角等于零。如電位器傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中，許多高階系統(tǒng)在變化緩慢、頻率不高時(shí)，都可以近似地當(dāng)作零階系統(tǒng)處理。大部分傳感器可簡(jiǎn)化為單自由度一階或二階系統(tǒng)

一階傳感器微分方程除系數(shù)a1，a0

，b0外其他系數(shù)均為0，則a1(dy/dt)+a0y=b0xτ—時(shí)間常數(shù)(τ=a1/a0)；K——靜態(tài)靈敏度(K=b0/a0)傳遞函數(shù)：一階傳感器頻率特性：幅頻特性：相頻特性：時(shí)間常數(shù)τ越小，系統(tǒng)的頻率特性越好負(fù)號(hào)表示相位滯后二階傳感器

很多傳感器，如振動(dòng)傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，其微分方程為：τ—時(shí)間常數(shù)，；ω0—自振角頻率,ω0=1/τξ—阻尼比，；k—靜態(tài)靈敏度，k=b0/a傳遞函數(shù)頻率特性幅頻特性相頻特性二階傳感器（1）頻帶：傳感器增益保持在一定值內(nèi)的頻率范圍稱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)來(lái)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n

：二階傳感器的固有頻率n表征了其動(dòng)態(tài)特性。傳感器頻率響應(yīng)特性指標(biāo)四、誤差的基本概念測(cè)量誤差的概念測(cè)量誤差的分類誤差的處理及消除方法

在測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法、測(cè)量條件及環(huán)境、人為的因素的影響，總是不可避免的存在測(cè)量誤差。測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真值間的差值，稱為測(cè)量誤差。測(cè)量誤差概念研究誤差的意義：1、正確認(rèn)識(shí)誤差的性質(zhì)，分析誤差產(chǎn)生的原因，以消除或減少誤差；2、正確處理數(shù)據(jù)，合理計(jì)算所得結(jié)果，以便在一定條件下得到更接近于真實(shí)值的數(shù)據(jù)；3、正確組織實(shí)驗(yàn)，合理設(shè)計(jì)儀器和測(cè)量方法，以便在最經(jīng)濟(jì)的條件下，得到理想的結(jié)果。

按誤差表示方法分：

絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分:

系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差按誤差與時(shí)間關(guān)系分：

動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差測(cè)量誤差的分類絕對(duì)誤差：是指測(cè)量值A(chǔ)x與被測(cè)量真值A(chǔ)0之間的差值，用

表示，即：

真值A(chǔ)0的概念（表示值）

A、通常為高一等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器具的示值；

B、也可以是多次測(cè)量的最佳估值。1、絕對(duì)誤差

(一）按誤差表示方法分相對(duì)誤差：是指絕對(duì)誤差

與被測(cè)量真值X0的百分比，即：

2、相對(duì)誤差按誤差表示方法分絕對(duì)誤差不能作為衡量測(cè)量精確度的標(biāo)準(zhǔn)例如用一個(gè)電壓表測(cè)量200V電壓，絕對(duì)誤差為+1V，而用另一個(gè)電壓表測(cè)量10V電壓，絕對(duì)誤差為+0.5V，試比較兩支電壓表的測(cè)量精度。

前者的絕對(duì)誤差雖然大于后者，但誤差值相對(duì)于被測(cè)量值卻是后者大于前者，即兩者的測(cè)量精確度相差較大，為此人們引入了相對(duì)誤差。按誤差表示方法分對(duì)于相同的被測(cè)量，絕對(duì)誤差可以評(píng)定其測(cè)量精度的高低；對(duì)于不同的被測(cè)量，以及不同的物理量，絕對(duì)誤差難以評(píng)定其測(cè)量精度的高低，而采用相對(duì)誤差來(lái)評(píng)定。

相對(duì)誤差比絕對(duì)誤差能更好地說(shuō)明測(cè)量的精確程度按誤差表示方法分結(jié)論：例題：

用兩種方法來(lái)測(cè)量L1=100mm的尺寸，其測(cè)量誤差分別為δ1=10μm，δ2=8μm；再用第三種方法測(cè)量L2=80mm的尺寸，它的測(cè)量誤差為δ3=7μm。試比較其誤差。按誤差表示方法分3、引用誤差引用誤差是以儀器儀表某一刻度點(diǎn)的絕對(duì)誤差

與儀表量程L的比值，通常以百分?jǐn)?shù)表示，即：如果以測(cè)量?jī)x表整個(gè)量程中，可能出現(xiàn)的絕對(duì)誤差最大值m代替

，則可得到最大引用誤差

0m

即：用最大引用誤差來(lái)確定測(cè)量?jī)x表的精度等級(jí)

工業(yè)儀表常見的精度等級(jí)有0.1級(jí)、0.2級(jí)、0.5級(jí)、1.0級(jí)、1.5級(jí)、2.0級(jí)、2.5級(jí)、5.0級(jí)等

其相對(duì)誤差可以根據(jù)儀表允許的最大絕對(duì)誤差和儀表指示值進(jìn)行計(jì)算。

例如，2.0級(jí)的儀表，量程為100，在使用時(shí)它的最大引用誤差不超過(guò)±2.0%，也就是說(shuō)，在整個(gè)量程內(nèi)，它的絕對(duì)誤差最大值為±2.0。用它測(cè)量真值為80的測(cè)量值時(shí)，其相對(duì)誤差最大為±2.0/80×100%=±2.5%。

按誤差表示方法分系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差系統(tǒng)誤差：在相同條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一量時(shí)，其絕對(duì)值和符號(hào)保持不變，或在條件改變時(shí)，遵循某種規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。1、系統(tǒng)誤差(二）按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分:直線a屬于恒定系統(tǒng)誤差；直線b屬于變值系統(tǒng)誤差中的累進(jìn)性系統(tǒng)誤差，而且是誤差遞增的（線性）；直線c表示周期性系統(tǒng)誤差，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)誤差值成周期性變化；曲線d屬于按復(fù)雜規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。幾種不同系統(tǒng)誤差的變化規(guī)律(1)測(cè)量?jī)x器的局限性。(2)測(cè)量時(shí)環(huán)境條件(如溫度、濕度及電源電壓)與儀器使用要求不一致。(3)采用近似的測(cè)量方法或近似的計(jì)算公式。(4)測(cè)量人員讀取儀器示值的偏差。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因主要有以下幾種通常用準(zhǔn)確度表征系統(tǒng)誤差的大小在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行修正；消除產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源；在測(cè)量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償措施；實(shí)時(shí)反饋修正。系統(tǒng)誤差的消除

在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行修正1、對(duì)于已知系統(tǒng)誤差——用修正值對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正；2、對(duì)于變值系統(tǒng)誤差——設(shè)法找出誤差的變化規(guī)律，用修正公式或修正曲線對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正；3、對(duì)于未知系統(tǒng)誤差——按隨機(jī)誤差處理。消除產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源1、對(duì)儀器進(jìn)行周期檢定與修理；2、保證測(cè)試環(huán)境達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試環(huán)境，防止外界條件對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾；例如：溫度、振動(dòng)、突變電壓等外界條件對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響3、正確調(diào)整、安裝和使用測(cè)量?jī)x器。在測(cè)量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償措施

在測(cè)量和控制系統(tǒng)（激光干涉儀）中，安裝溫度、壓力傳感器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋外界溫度和壓力變化，并把變化信息反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，按照溫度和壓力對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量變化的影響的函數(shù)關(guān)系，對(duì)測(cè)量結(jié)果的誤差進(jìn)行修正。實(shí)時(shí)反饋修正采用閉環(huán)反饋的控制系統(tǒng)。冰箱溫控裝置在相同條件下，多次測(cè)量同一量時(shí)，其誤差的大小和符號(hào)以不可預(yù)見的方式變化，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差體現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的分散性，通常用精密度表征隨機(jī)誤差的大小。2、隨機(jī)誤差測(cè)量裝置：測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生噪聲，零部件配合不良，傳動(dòng)部分的間隙和摩擦，連接件的彈性變形引起示值不穩(wěn)定等。環(huán)境因素：溫度及電源電壓的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，電磁干擾等。(3)人員因素：測(cè)量人員感覺器官的無(wú)規(guī)律變化產(chǎn)生的讀數(shù)偏差。產(chǎn)生隨機(jī)誤差的主要原因例：在相同條件下，對(duì)某一量進(jìn)行重復(fù)多次測(cè)量，設(shè)測(cè)量結(jié)果中不含系統(tǒng)誤差和粗大誤差，用900mm鋼板尺，測(cè)量已知長(zhǎng)度為836mm的導(dǎo)線，進(jìn)行了n=150次測(cè)量，分析測(cè)量結(jié)果隨機(jī)誤差的分布規(guī)律。隨機(jī)誤差的處理在等精度測(cè)量情況下，得到n個(gè)測(cè)量值x1、x2、…、xn，設(shè)只含有隨機(jī)誤差1、2、…、n，這組測(cè)量值或隨機(jī)誤差都是隨機(jī)事件，可以用概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)處理。隨機(jī)誤差具有以下特征：對(duì)稱性單峰性有界性抵償性隨機(jī)誤差的處理

根據(jù)隨機(jī)誤差四個(gè)特征，得到隨機(jī)誤差的正態(tài)分布的

分布密度函數(shù)。----高斯誤差方程

——隨機(jī)誤差；

——均方根誤差，或稱標(biāo)準(zhǔn)誤差。

1、隨機(jī)誤差（x為測(cè)量值，x0為測(cè)量值的真值）2、標(biāo)準(zhǔn)誤差

標(biāo)準(zhǔn)誤差與隨機(jī)誤差的正態(tài)分布關(guān)系：被測(cè)量真值x0

算術(shù)平均值隨機(jī)誤差的抵償性改換成

vi——剩余誤差

怎么才能得到精確的標(biāo)準(zhǔn)誤差？

我們可求得n個(gè)剩余誤差，但實(shí)際上它們之中只有（

）個(gè)是獨(dú)立的。標(biāo)準(zhǔn)誤差的估計(jì)值

s可由下式計(jì)算：

——貝塞爾公式

通常的測(cè)量都是有限次測(cè)量，引入算術(shù)平均值的均方根誤差（標(biāo)準(zhǔn)誤差）來(lái)評(píng)定的可靠性程度

在無(wú)系統(tǒng)誤差和粗大誤差的情況下，只有隨機(jī)誤差，隨機(jī)誤差的測(cè)量結(jié)果x0可表示為：————(概率P=0.6827)——（概率P=0.9973）

或

例題1：等精度測(cè)量某電阻10次，得到的測(cè)量值為：167.95Ω、167.60Ω、167.87Ω、168.00Ω、167.82Ω、167.45Ω、167.60Ω、167.88Ω、167.85Ω、167.60Ω，求測(cè)量結(jié)果。明顯歪曲測(cè)量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差，又稱過(guò)失誤差。

3、粗大誤差(1)測(cè)量方法不當(dāng)或錯(cuò)誤。(2)測(cè)量操作疏忽和失誤。(3)測(cè)量條件的變更。

產(chǎn)生粗大誤差的主要原因?qū)δ骋槐粶y(cè)量，可由兩位測(cè)量者進(jìn)行交互測(cè)量、讀數(shù)和記錄；或者采用兩種不同儀器；用兩種不同方法進(jìn)行測(cè)量。預(yù)防產(chǎn)生粗大誤差的辦法萊以特準(zhǔn)則（3

準(zhǔn)則）。

在等精度測(cè)量情況下，得到n個(gè)測(cè)量值x1、x2、…、xn，先算出其算術(shù)平均值及剩余誤差（i=1，2…，n），并按貝塞爾公式算出標(biāo)準(zhǔn)誤差

，若某個(gè)測(cè)量值xi的剩余誤差vi滿足下式：則認(rèn)為xi是含有粗大誤差的壞值，應(yīng)予剔除。

粗大誤差的判別與壞值的舍棄例題2：對(duì)某量進(jìn)行15次等精度測(cè)量，測(cè)得值如表所列，設(shè)這些測(cè)得值已消除系統(tǒng)誤差，試判別該測(cè)量列中是否含有粗大誤差的測(cè)得值。序號(hào)測(cè)量值xi殘余誤差

ivi2v'v'2120.420.0160.0002560.0090.000081220.430.0260.0006760.0190.000361320.4-0.0040.000016-0.0110.000121420.430.0260.0006760.0190.000361520.420.0160.0002560.0090.000081620.430.0260.0006760.0190.000361720.39-0.0140.000196-0.0210.000441820.3-0.1040.010816920.4-0.0040.000016-0.0110.0001211020.430.0260.0006760.0190.0003611120.420.0160.0002560.0090.0000811220.410.0060.000036-0.0010.0000011320.39-0.0140.000196-0.0210.0004411420.39-0.0140.000196-0.0210.0004411520.4-0.0040.000016-0.0110.000121=20.404∑vi=0∑vi2=0.01496v'2=0.003374動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差

靜態(tài)誤差是指在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化