傳感器原理及應(yīng)用傳感器與測量的基本知識

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

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

實現(xiàn)被測量與標準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)測量方式偏差法測量零位法測量微差法測量根據(jù)獲取測量結(jié)果的方法直接測量間接測量組合測量直接測量間接測量組合測量第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測量的基本知識1.1測量的基本知識(2).測量方法根據(jù)測量的精度測量方法的分類等精度測量非等精度測量根據(jù)測量敏感元件與被測介質(zhì)是否接觸接觸測量非接觸測量根據(jù)被測量的變化快慢靜態(tài)測量動態(tài)測量根據(jù)測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量主動式測量被動式測量第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期六傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測量的基本知識1.1測量的基本知識(3).測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)是傳感器與測量儀表、變換裝置等的有機結(jié)合。測量系統(tǒng)應(yīng)包括：①.測量系統(tǒng)的構(gòu)成被測對象被測量傳感器數(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章傳感器與測量的基本知識1.1測量的基本知識(3).測量系統(tǒng)傳感器是感受被測量的大小并輸出信號的器件或裝置。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)傳感器輸出信號進行處理或變換。數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)是將被測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。

對信號放大、運算、線性化、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換變成另一種參數(shù)的信號或變成某種標準化的統(tǒng)一信號。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章傳感器與測量的基本知識1.1測量的基本知識(3).測量系統(tǒng)開環(huán)測量系統(tǒng)的全部信息變換只沿著一個方向進行。閉環(huán)測量系統(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)?！?/p>

將開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)巧妙結(jié)合應(yīng)用會使測量效果更好。*特點：能對反饋環(huán)內(nèi)各誤差進行補償，使系統(tǒng)誤差變小甚至無誤差。②.開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)被測對象x傳感、變送k1放大k2顯示k3x1x2y*特點：結(jié)構(gòu)簡單，各環(huán)節(jié)特性的變化都會造成測量誤差。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章傳感器與測量的基本知識1.1測量的基本知識(4).測量誤差存在測量誤差就與測量的目的—獲取被測量的真實值不能相吻合。①.測量誤差的表示方法測量誤差就是測量值與真實值之間的差值。反映測量質(zhì)量的好壞。絕對誤差Δ：Δ=|X-Q|相對誤差δ：δ

=Δ/X*100%引用誤差γ：γ

=[Δ/（Xmax-Xmin）]*100%基本誤差：儀表在規(guī)定的標準條件下工作時具有的誤差。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章傳感器與測量的基本知識1.1測量的基本知識(4).測量誤差②.誤差的性質(zhì)（分類）

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

隨機誤差：對同一被測量多次重復測量時，絕對值和符號不可預知的變化。

此類誤差具有一定的統(tǒng)計規(guī)律性。

粗大誤差：明顯偏離測量結(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章傳感器與測量的基本知識1.1測量的基本知識(5).測量精度與分辨率精密度：描述測量儀表指示值不一致程度的量。準確度：描述儀表指示值有規(guī)律地偏離真實值的程度。精確度：是精密度和準確度的總和。①.

測量精度的三個指標即，對某一穩(wěn)定的被測量，在相同的工作和測量條件下，在相當短的時間內(nèi)按同一方向連續(xù)重復測量，獲得結(jié)果不一致的程度。即，儀表在測量性能上的綜合優(yōu)良程度，儀表的精密度和準確度都高，其精度才能高。精確度最終是以測量誤差的相對值來表示的，一般用儀表精度等級表示。儀表精度等級是根據(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儀表測量范圍的百分數(shù)。等級有0.001，0.005，0.02，……2.5，4.0，6.0等級。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章傳感器與測量的基本知識1.1測量的基本知識(5).測量精度與分辨率準確度是系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的，它是指服從某一特定規(guī)律（如，定值、線性、多項式、周期性等函數(shù)規(guī)律）的誤差。精確度是反映測量儀表優(yōu)良程度的綜合指標。精密度高，準確度不一定高，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到被測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，對不同的輸入信號，輸出特性是不同的，由于受傳感器內(nèi)部儲能元件（電感、電容、質(zhì)量塊、彈簧等）的影響，對快變信號與慢變信號，反應(yīng)大不相同。傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測量的基本知識快變信號—輸入量X隨時間t較快變化時考慮輸出的動態(tài)特性，即隨時間變化的特性；慢變信號—輸入X為靜態(tài)或變化極緩慢的信號時研究靜態(tài)特性，即不隨時間變化的特性。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章傳感器與測量的基本知識1.2傳感器的一般特性靜態(tài)特性，當輸入量（X）為靜態(tài)（常量）或變化緩慢的信號時（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，傳感器變換的被測量的數(shù)值處在穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器的輸出-輸入的關(guān)系。靜態(tài)特性技術(shù)指標：

線性度、遲滯、重復性、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章傳感器與測量的基本知識①.線性度

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

a0—x=0時的輸出值a1—理想靈敏度

a2,a3…..an——非線性項系數(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，用一條直線近似代表實際曲線的一段，此直線為擬合直線。線性度，實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章傳感器與測量的基本知識1.2傳感器的一般特性

傳感器的非線性誤差（線性度）用相對誤差表示：

——

最大非線性絕對誤差

——

滿量程輸出，可用ym表示

——

線性度

線性度是表征實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章傳感器與測量的基本知識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章傳感器與測量的基本知識最小二乘法線性度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個測點,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章傳感器與測量的基本知識

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，砝碼或重物增減時電橋輸出的關(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，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章傳感器與測量的基本知識

遲滯誤差計算由滿量程輸出的百分數(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，傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，彈性元件的滯后、外加磁場、電場作用的鐵磁體、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章傳感器與測量的基本知識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量時輸出特性不一致的程度。屬于隨機誤差可用標準偏差表示：或用最大重復偏差表示：σmax

——

最大標準差；（2—3）——

置信度；③.重復性（2）靜態(tài)特性產(chǎn)生重復性不一致的原因與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象的原因相同。多次重復測試的曲線越重合，說明重復性越好，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輸入變化的比值，用K表示。對線性傳感器，靈敏度是直線的斜率：S=ΔY/ΔX，為常數(shù)。對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章傳感器與測量的基本知識（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時間內(nèi)保持性能參數(shù)的能力。閃爍探測器8小時長期穩(wěn)定性測量散點圖傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測量的基本知識（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——

指輸入零點附近的分辨能力。傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測量的基本知識（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章傳感器與測量的基本知識（3）動態(tài)特性傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。

當輸入量隨時間變化時,討論傳感器的動態(tài)特性。如:加速度、振動等，被測量是時間的函數(shù)，或是頻率的函數(shù)。

動態(tài)特性是指傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。除理想狀態(tài)，多數(shù)傳感器的輸入信號是隨時間變化的，輸出信號一定不會與輸入信號有相同的時間函數(shù)，這種輸入輸出之間的差異就是動態(tài)誤差；傳感器輸出對時間變化的輸入量的響應(yīng)即反映了傳感器的動態(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章傳感器與測量的基本知識（3）動態(tài)特性

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

研究動態(tài)誤差的性質(zhì)稱為動態(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：動態(tài)測溫設(shè)環(huán)境溫度為T0

,水槽中水的溫度為T,而且T＞T0

用熱電偶測溫,傳感器突然插入被測介質(zhì)中；理想情況測試曲線T是階躍變化的；實際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個過渡過程。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章傳感器與測量的基本知識（3）動態(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

影響動態(tài)特性的因素還與輸入信號的形式有關(guān),在對傳感器進行動態(tài)分析時一般采用標準正弦信號和階躍信號。傳感器原理與應(yīng)用第1章傳感器與測量的基本知識（3）動態(tài)特性

動態(tài)特性分析方法：

輸入信號按正弦變化時，分析動態(tài)特性的相位、振幅、頻率，稱頻率響應(yīng)；輸入信號為階躍變化時，對傳感器隨時間變化過程進行分析，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章傳感器與測量的基本知識（4）技術(shù)指標基本參數(shù)指標環(huán)境參數(shù)指標可靠性指標其他指標量程指標:量程范圍、過載能力等靈敏度指標: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:精度、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動態(tài)性能指標:固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時間、過沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標: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:允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速