传感器与检测技术(一)课件

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1、传感器与检测技术,陈 浩,使用教材：郁有文、常健、程继红编著，传感器原理及工程 应用，西安电子科技大学出版社 参考书籍：1、赵玉刚、邱东主编，传感器基础，中国林业 出版社，北京大学出版社 2、祝诗平主编，传感器与检测技术，中国林业 出版社，北京大学出版社 3、陈杰、黄鸿编著，传感器与检测技术，高等 教育出版社 教学内容和重点： 传感器的基本概念及其基本特性（静态、动态特性）； 各类传感器的转换原理; 特性分析; 测量电路; 实际应用； 实验。 考核方法： 平时成绩(作业)15%+实验15%+期末考试60%+ 考勤10%,第1章 传感器与检测技术的理论基础,1.1 测量概论 信息时代, 需要了解

2、和掌握各种信息, 获取数据, 因此需要测量 传感器是感知、获取和检测信息的窗口, 是测量的首要环节 1.1.1 测量 测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操 作。也就是将被测量与标准量比较，确定被测量的数。 其中：x 被测量 u标准量 n比值，含有测量误差 由测量所获得的被测量的量值叫测量结果。 测量结果表示：数值表示（数值表格）、曲线或图形表示 。 测量结果仅仅是被测量的最佳估计值，并非真值，所以还应 该给出测量结果的质量，即测量结果的可信程度。 完整的表述应包括：估计值、测量单位和测量不确定度。,国际标准单位,国际单位制的辅助单位,国际单位制中具有专门名称的导出单位,被测量值

3、和比值等都是测量过程的信息，这些信息依托于物 质才能在空间和时间上进行传递。被测量作用到实际物体上， 使其某些参数发生变化，参数就承载了信息而成为信号，选择 适当的参数作为测量信号。 例如：热电偶温度传感器的工作参数是热电偶的电势，差压 流量传感器中的孔板工作参数是压差p。 测量过程：就是传感器从被测对象获取被测量的信息，建立 起测量信号，经过变换、传输、处理而获得被测量的过程。 1.1.2 测量方法 实现被测量与标准量比较得出比值的方法称为测量方法。 测量方法的不同分类：根据获得测量值的方法可分为直接测 量、间接测量和组合测量；根据测量方式可分为偏差式、零位 式和微差式测量；根据测量条件不同

4、可分为等精度测量与不等 精度测量；根据被测量变化快慢分为静态测量与动态测量; 以及,接触式和非接触式测量，主动式和被动式测量等。 1.直接测量、间接测量与组合测量 直接测量：测得值直接与标准量进行比较，直接得到被测量的数值 y=x 简单迅速，精度不易达很高 间接测量：被测量是一个或几个测得值的函数 y=f (x1,x2,xn) (例如测长方体密度： ) 测量手续多、费时，用于直接测量不方便场合 组合测量：被测量须经求解联立方程组求得 x1=f1(y1,y2,ym) x2=f2(y1,y2,ym) 其中, y1,y2,ym 是被测量 . x1,x2,xn 是直接测得值 xn=fn(y1,y2,y

5、m) 复杂费时，多用于科学实验或特殊场合,2.偏差式测量、零位式测量与微差式测量 偏差式测量：用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的值 事先用标准量具对仪表刻度进行校准。 特点： 简单快速，精度不高 零位式测量：用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，用已 知的标准量决定被测量的值。例如，天枰称重，电 位差计测量电势等。 特点： 精度高，但复杂费时，不迅速,微差式测量：偏差式测量与零位式测量的综合，它将被测量与 已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法 测得此差值。 x=N+ N-标准量， -微差量 N 特点： 精度高，反应快，特别适用于在线控制参数检测 3.等精度测量与不等精度测量 等精度

6、测量：在整个测量过程中影响和决定误差大小的全部因 素始终保持不变。 不等精度测量：不同测量条件、不同精度仪表、不同测量方 法、不同测量次数、不同测量者测量等。 4.静态测量与动态测量 静态测量：被测量在测量过程中固定不变 动态测量：被测量在测量过程中是随时间不断变化,1.1.3 测量系统 1.测量系统构成 测量系统应具有检测、传输、处理和显示等功能, 是传感器、 变送器和其它变换装置的有机组合(参见图1-1)。 传感器感受被测量(物理量,化学量,生物量等), 输出可用信号。 变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的标准信 号(目前多为15V, 420mA直流电流)。 传输通道将测量系统各

7、个环节间的输入,输出信号连接起来。 信号处理环节，对信号进行放大、运算、线性化、数-模或模- 数转换等，使信号便于显示、记录。 显示装置将被测量信息变成人的感官能接受的形式，如显示 屏显示，或打印出来。,2.开环测量系统与闭环测量系统 (1) 开环测量系统 : 信息变换沿一个方向, 由多个环节串联而成。 输入输出关系：y = k1k2k3 x ， k1、k2、k3为各环节的传递系数 因系统由多个环节串联而成，系统的相对误差等于各环节相 对误差之和，即： 式中，系统的相对误差 i各环节的相对误差,(2)闭环测量系统: 有两个通道，一为正向通道，一为反馈通道。 其中, x为正向通道的输入量，为反馈

8、环节传递系数, 有: x=x1-xf , xf=y , y=k2k3x=k(x1-xf) 系统的输入输出关系： 当 k 1时： 输入输出关系由反馈环节特性决定。,1.1.4 测量误差 测量误差：测得值减去被测量的真值。 由于真值未知，一般用约定真值代替真值。 常用某量的多次测量结果来确定约定真值，或用精度高的仪 器示值代替约定真值。 1.测量误差的表示方法 (1) 绝对误差 式中： 绝对误差 = x - L x测量值 L真值 修正值 c = - 实际值 x= x+c (2) 实际相对误差 式中： 实际相对误差，用百分数表示 绝对误差 L 真值,标称相对误差：由于真值无法知道，实际测量时用测量值

9、 x 代 替真值L (或精度高一级标准器具测量值x来代替)，其相对误差称 标称相对误差： (3) 引用误差（满量程相对误差） 式中：引用误差 绝对误差 仪表精度等级根据最大引用误差来确定。国家标准GB776-76 点测量指示仪表通用技术条件规定，测量指示仪表的精度等 级G分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。例如， 0.5级仪表引用误差最大不超 0.5%，1.0级仪表引用误差最大 不超 1% 。 (4) 基本误差： 在规定的标准条件下所具有的误差。标准条件一 般是指: 电源电压220V5V, 电网频率502Hz, 环境温度205,湿度605%RH。基本误差由系统误

10、差和随机误差两部分组成。 仪表精度等级就是由基本误差决定的，用其量程内的最大基 本误差与满量程输出之比的百分数表示： (5) 附加误差：偏离规定条件下出现的误差。 例如，温度附加误差, 频率附加误差, 电源电压波动附加误差, 倾斜放置附加误差等。 把基本误差和附加误差统一起来考虑，即可给出测量仪表的额 定工作条件范围。例如，在电源电压是220V22V，温度范围 050，仪表可过载运行条件范围等条件范围内工作，可以 知道测量仪表的总误差不超过多少。 (6) 与仪表性能有关的常用术语 零点误差：当输入为0时输出的误差。一般用满量程的百分数 表示零点误差。, 量程误差：仪表输出的理想量程与实际量程之

11、差。可用满量 程的百分数表示： =(/A) 100% 线性度、灵敏度等下章介绍。 2. 测量误差的性质 (1) 随机误差: 在相同测量条件下, 多次测量被测量时, 其绝对值 和符号以不可预知方式变化着的误差称为随机误差。 ISO定义： 式中：xi 被测量的测量值 x 重复性条件下无限多次的 (n) 测量值的平均值 实际测量只能测量有限次，实用中的随机误差只是一个近似估 计值。随机误差服从一定的统计规律，不能简单地修正。,(2) 系统误差 在同一测量条件下，多次测量被测量时，如果误差按照一定 规律出现，则把这种误差称为系统差。 式中：L为被测量的真值 实用中通过有限次测量的平均值 x 与L的约定

12、真值近似地得出 系统误差，称为系统误差的估计，可用其对测量结果进行修正, 但由于系统误差不能完全获知, 因此只能对系统误差做有限程度 的补偿。 系统误差出现的原因，主要有下列几项： 工具误差(又称仪器误差或仪表误差)：指由于测量仪表或仪表 组成元件本身不完善所引起的误差，例如，测量仪表中所用标 准量具的误差，仪表灵敏度不足的误差, 仪表刻度不准确误差， 变换器、衰减器、放大器本身的误差等，是最常见的误差，只 有不断提高仪表及组成元件本身的质量来减小。, 方法误差: 指由于对测量方法研究不够而引起的误差。例如, 用电压表测量电压时，没有正确估计电压表的内阻对测量结果 的影响。 定义误差：指由于对

13、被测量的定义不够明确而形成的误差。 例如，在测量一个随机振动的 平均值时, 测量的时间间隔t 取值不同得到的平均值就不同。 即使在相同的时间间隔下，由 于测量时刻不同得到的平均值 也会不同。 理论误差：由于测量理论本身不够完善而只能进行近似的测 量所引起的误差。例如，测量任意波形电压的有效值，理论上 应该实现完整的均方根变换，但实际上通常以折线近似代替真 实曲线，故理论本身就有误差。, 环境误差：由于测量仪表工作的环境(温度、气压、湿度等) 不是仪表校准时的标准状态，而是随时间在变化，从而引起的 误差。 安装误差：由于仪表的安装或放置不正确所引起的误差。例 如，应该严格水平放置的仪器，未调好水

14、平位置；电气测量仪 表误放在有强电磁干扰的地方或温度变化剧烈的地方等。 个人误差：是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练引起 的误差。例如，读刻度指示值时视差太大(总是偏左或偏右)；动 态测量读数时，对信息的记录超前或滞后等。 (3) 粗大误差 超出规定条件下预期的误差称为粗大误差(又称疏忽差)。 含粗大误差的测量值为坏值，数据处理时测量值不应包含有 粗大误差，坏值应当剔除。 这类误差的发生往往是由于测量者疏忽大意，测错、读错或 环境条件突然变化等引起。,1.2 测量数据的估计和处理 从实际测量实践可知，测量数据中含有系统误差、随机误差， 有时还含有粗大误差。它们的性质各不相同，对测量结果的影

15、响 及处理方法也不同。对不同情况的测量数据，先要分析研究，判 断情况，分别处理，再综合整理，得出合乎科学的测量结果。 1.2.1 随机误差的统计处理 多次等精度地重复测量同一被测量值时，得到一系列不同的测 量值，即使剔除了坏值，消除了系统误差，然而每个测量值数据 各异，还含有误差，这些误差的出现没有确定的规律，具有随机 性，所以称为随机误差(或偶然误差)。 注意：只有尽量保持测量条件不变和系统误差已经减小到可以 忽略程度的前提下，对同一被测量进行一系列多次重复测量所得 到的读数x1,x2,xn才可以看成是随机变量 x 可能取的数值，并且 它服从正态分布，这时才能对多次重复测量数据进行统计处理。,1.正态分布 大多数随机误差服从正态分布，正态分布理论是研究随机误差 的基础。