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1、传感器与检测技术第一章检测技术基础1.1 传感器与检测技术概念 1.1.1传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB/T 76651987），传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器是能完成检测任务的测量装置；它的输入量是某一被测量，可能是物理量、化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。所以从字面上的解释是传感器的功用是一感二传，即感受被测信息并传送出去。 狭义地定义为：能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件或装置。传感器
2、还有一些其他的名称，如换能器、转换器、检测器等。 1.1.2传感器的组成 1、敏感元件 敏感元件是指传感器中能灵敏地直接感受或响应被测量（非电量，如位移、应变）器件或元件。 2转换元件转换元件也称传感元件，是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量(非电量)转换成适于传输或测量的电量(电信号)的器件或元件。它通常不直接感受被测量。 3.转换电路作用是，将转换元件的输出量进行处理，如信号放大、运算调制等，使输出量成为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号或电量，如电压、电流或频率等。 4辅助电路辅助电路就是指辅助电源，即交、直流供电系统。 1.1.3传感器的分类1按输入量（被测量）分类2按工作原
3、理（机理）分类3、按能量的关系分类4按输出信号的形式分类1.2 传感器的特性静态特性和动态特性输入量X和输输出Y的关系通常可用多项式表示 静态特性可以用一组性能指标来描述，如线性度、灵敏度、精确度（精度）、重复性、迟滞、漂移、阈值和分辨率、稳定性、量程等。 1、线性度 也称为非线性误差，是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值 之比。反映了实际特性曲线与拟合直线的不吻合度或偏离程度。 2.迟滞。传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。即，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这
4、个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值或最大的迟滞差值的一半与满量程输出值之比称为迟滞误差，又称为回差或变差（最大滞环率）。 产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的（反映了机械部件和结构材料等存在的问题），例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。3.重复性。重复性是指传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次变化（或重复测量）时，所得特性曲线（输出值或校准曲线）不一致的程度。它是反映传感器精密度的一个指标。重复性所反映的是测量结果偶然误差的大小，而不表示与真值之间的差别。 4.灵敏度与灵
5、敏度误差。传感器静态特性的一个重要指标，定义是传感器在稳定时输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量增量x之比。用S或K表示灵敏度。相对误差 5.分辨率与阈值。当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加时，只有在达到了某一最小值后才测得出输出变化，这个最小值就称为传感器阈值。说明了传感器的最小可测出的输入量。 分辨力是指当一个传感器的输入从非零的任意值缓慢地增加时，只有在超过某一输入增量后输出才显示有变化，这个输入增量称为传感器的分辨力，有时用此值相对满量程输入值百分数表示，则称为分辨率。说明了传感器的最小可测出的输入变量。6稳定性。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于传感器常用长期稳定性描
6、述其稳定性。所谓传感器的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。因此，通常又用其不稳定度来表征传感器输出的稳定程度。 7漂移。传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。 8多种抗干扰能力。它是指传感器对各种外界干扰的抵抗能力。如抗菌素冲击和振动能力，抗潮湿能力等。评价这些能力较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。9静态误差。它是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度。它是一项综合指标，基本上包
7、含非线性误差、迟滞误差、重复性误差和灵敏度误差等。1.3测量误差与数据处理基础测量的定义：以确定量值为目的的一组操作，此操作可以通过手动或自动的方式来进行。从计量学的角度来讲，测量就是利用实验手段，把待测量与已知的同类量进行直接或间接的比较，将已知量作为计量单位，求得比值的过程。例如：在实验室为确定各种机械工件、光学材料及电子器件等的属性，对反映它们特定的物理化学属性的量值进行精密测量；在工厂车间对产品性能的检验；在商贸部门对商品的检验；在部队靶场对武器系统的性能进行的试验和测试；在计量部门对测量量具与仪器的检定、校准、比对，对标准物质和标准器具的定值，乃至对整个测量设备的计量确认活动，以及对
8、整个实验室的认可活动。例如：在化学实验室用分析滤纸观察溶液的化学反应，以确定溶液的酸碱性等化学性能，通常称为定性的化学实验，而不叫化学测量。测量的分类 1、直接测量和间接测量 根据对测量结果获取方式方法的不同。2、静态测量和动态测量 根据被测量对象在测量过程中所处的状态。3、等权测量和不等权测量 根据测量条件是否发生变化。 4、电量测量和非电量测量 根据被测量的属性。 5、工程测量和精密测量 根据对测量结果的要求不同。 测量要素 例如：在恒温防震的实验室内用立式测长仪测量某个直径为90mm的圆形工件。测量对象是圆形工件；被测量是工件直径；测量资源包括立式测长仪、测量人员和直接测量方法；测量环境
9、是恒温防震实验室；测量单位是毫米；测量结果表示为L=(90.0010.002)mm。1.3.1测量误差及其分类误差的定义测量误差(error of measurement)是指测得值与被测量真值之差，可用下式表示： 测量误差=测得值-真值若定义中的测得值是用测量方式获得的被测量的测量结果，则得到测量误差的定义为：测量误差=测量结果-真值若定义中的测得值是指计量仪器的示值，则得到计量仪器的示值误差的定义为： 示值误差=示值-真值 真值(true value)是指一个特定的物理量在一定条件下所具有的客观量值，又称为理论值或定义值。此特定量的真值一般是不能确定的，是一个理论的概念。 真值可知的情况有
10、如下几种：1、理论真值：例如，平面三角形三内角这和恒为180；同一量值自身之差为零而自身之比为1；2、计量学约定真值(conventional true value)：是指对于给定目的具有适当不确定度的、赋予特定量的值。3、标准器相对真值：高一级标准器的误差与低一级标准器或普通计量仪器的误差相比，为其1/5或(1/3-1/20)时，则可认为前者是后者的相对真值。 实际值定义为满足规定准确度的用来代替真值使用的量值，它是一个现实中可知且可应用的一个近似或相对的真值。综上，误差是针对真值而言的，真值一般都是指约定真值。 误差的分类 1、按表示形式分类 (1)绝对误差(absolute error)
11、： x=x-x0 例：测得某平面三角块的三个内角之和为1800003，则此内角之和的误差为+3。 (2)相对误差(relative error)： r=x/x0 用两种方法来测量L1=100mm的尺寸，其测量误差分别为1=10um，2=8um，若用第三种方法测量L2=80mm的尺寸，其测量误差为3=7um，必须采用相对误差来评定。第一种方法：r1=1/L1=0.01%第两种方法：r2=2/L1=0.008%第三种方法：r3=3/L2=0.009%(3) 引用误差(fiducial error)定义:测量器具的最大绝对误差与此标称范围上限或量程之比。它是一个相对误差，且此相对误差是引用了特定值，
12、即标称范围上限或量程得到的，所以此误差又称为引用相对误差或满度误差。即 rm=xm/xm 公称相对误差：绝对误差与仪表公称值之比，即 rx=x/x且rx(2xm/3)，此时测量的最大相对误差不超过rx=xm/(2xm/3)s%=1.5s%，即测量误差不会超过测量仪表等级的1.5倍。 例:某被测电压为100V左右，现有0.5级、量程为300V和1.0级、量程为150V两块电压为100V左右，问选用哪一块合适？ 例：检定一只2.5级量程为100V的电压表，发现在50V处误差最大，其值为2V，而其他刻度处的误差均小于2V，问这只电压表是否合格？例：某1.0级电流表，满度值即标称范围上限为100uA，
13、求测量值分别为100uA,80uA,20uA时的绝对误差和相对误差。(4) 分贝误差在电子学和声学等计量中，常用对数形式来表示相对误差，称为分贝误差，它实质上是相对误差的另一种表示方式。 2、按性质分类 (1)系统误差(systematic error)定义：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。特征：在相同条件下，多次测量同一量值时，此此的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，按某一确定规律变化。分类（变化规律不同）：恒定系统误差包括恒正系统误差和恒负系统误差，可变系统误差包括线性系统误差、周期性系统误差和复杂规律系统误差等。 (2)随机误差(ra
14、ndom error)又称为偶然误差定义：测得值与在重复性条件下对同一被测量进行无限次测量所得结果的平均值之差。特征：在相同测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预定的方式变化，即时大时小，时正时负。随机误差产生于实验条件的偶然性微小变化(如温度波动、噪声干扰、电磁场微变、电源电压的随机起伏、地面振动等)，对准标志(刻线、汞柱等)的不一致，读数偏大与偏小有相等的可能性引起的误差，天平变动性等都会产生随机误差。随机误差是具有统计或概率规律的误差。 (3)粗大误差(gross error)又称为疏忽误差、过失误差或简称粗差。定义：明显超出统计规律预期值的误差。产生原因主要是由于某些偶尔
15、突发性的异常因素或疏忽所致。由于此误差很大，明显歪曲测量结果，所以应按照一定的准则进行判别，将含有粗大误差的测量数据即坏值或异常值剔除。所以，在做误差分析时，要估计的误差通常只有系统误差和随机误差。三类误差关系及其对测得值的影响 误差的转化 在一定条件下可相互转化，即一个具体误差究竟属于哪一类，应根据所考察的实际问题和具体条件，经分析和实验后确定。 在实际的科学实验与测量中，常利用这些特点，以减小实验结果的误差，如当实验条件稳定且系统误差可掌握时，就尽量保持在相同条件下做实验，以便修正掉系统误差；当系统误差未能掌握时，就可采用随机化技术，例如均匀改变测量条件如度盘位置使系统误差随机化，以便得到
16、抵偿部分系统误差后的结果。 误差分类小结 误差的来源 1、测量设备误差：指为确定被测量值所必需的计量器具和辅助设备的总体 。包括：1)标准器具误差；2)装置误差；3)附件误差。2、测量方法误差：又称为理论误差，是指因使用的测量方法不完善或采用近似的计算公式等原因所引起的误差。3、测量环境误差 ：指各种环境因素与要求条件不一致及基其在空间上的梯度与随时间的变化引起的测量装置和被测量本身的变化，机构失灵，相互位置改变等而造成的误差。 4、测量人员误差：由于测量人员的工作责任心、技术熟练程度、生理感官与心理因素、测量习惯等的不同引起的 。精度 泛指性的精度一词可明确叙述为：1、精密度(precision)：表示测量结果中的随机误差大小的程度，即只考虑随机误差的大小。2、正确度(correcness)：表示测量结果中的系统误差大小的程度，即只考虑系统误差的大小。3、精确度(accuracy)：是测量结果中系统误差和随机误差的综合，表示测量结果与真值的一致程度，在我国工程领域中俗称为精度。它是一个反映测量质量好坏的重要标志之一。就误差分析而言，精确度是测量结果中系统误差和随机误差的综合，误差大，
