徐科軍主編傳感器與檢測技術第一章緒論

1、2基礎知識基礎知識定義、分類定義、分類發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢選用原則選用原則一般特性一般特性傳感器原理檢測技術變電抗式傳感器變電抗式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器光電式傳感器光電式傳感器電動勢式傳感器電動勢式傳感器溫度傳感器溫度傳感器流量傳感器流量傳感器成分檢測傳感器成分檢測傳感器課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、主要傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、檢測電路及其典型應用參數(shù)、檢測電路及其典型應用3實踐性強實踐性強課程特點：課程特點： 期望逐步解決側(cè)重課本教學中存在的一些問題：期望逐步解決側(cè)重課本教學中存在的一些問題：1.1.傳感器部分沒有實物對象、枯燥無味；傳感器部分沒有實物對象、枯

2、燥無味；2.2.信號分析理論部分深奧、難懂。信號分析理論部分深奧、難懂。教學方法：教學方法： 理論教學理論教學案例教學案例教學 三者結(jié)合三者結(jié)合實踐教學實踐教學4本章教學本章教學: :p掌握傳感器常用特性的定義和計算方法；掌握傳感器常用特性的定義和計算方法；5 第一節(jié)第一節(jié) 自動檢測自動檢測技術概述技術概述 第二第二節(jié)節(jié) 傳感器傳感器概述概述 第三第三節(jié)節(jié) 測量誤差測量誤差與數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)處理 第四第四節(jié)節(jié) 傳感器傳感器的一般特性的一般特性 第五第五節(jié)節(jié) 傳感器傳感器的標定和的標定和校準校準 本章本章重點：傳感器精度分類、靈敏度、非線性誤差分析；重點：傳感器精度分類、靈敏度、非線性誤差分析；本

3、章難點本章難點：傳感器精度分類、靈敏度、非線性誤差分析。：傳感器精度分類、靈敏度、非線性誤差分析。本章教學本章教學: :6測試手段就是儀器儀表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非電量的技術。的儀器儀表，研究如何能正確和快速地測得非電量的技術。非電量電測量技術優(yōu)點：非電量電測量技術優(yōu)點： 測量精度高、反應速度快、能自動連續(xù)地進行測量、可以測量精度高、反應速度快、能自動連續(xù)地

4、進行測量、可以進行遙測、便于自動記錄、可以與計算機聯(lián)結(jié)進行數(shù)據(jù)處進行遙測、便于自動記錄、可以與計算機聯(lián)結(jié)進行數(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)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。換等。7傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。傳感器是獲取信息的主要途徑與手段。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎。沒有傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)就失去了基礎。 傳感器是邊緣學科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器是邊緣學科開發(fā)的先驅(qū)。可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步等方面起著重要可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步

5、等方面起著重要作用。作用。傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工廣泛的領域。從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。傳感器的作用傳感器的作用電動助力轉(zhuǎn)向電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng) 電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的部電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的部件有方向盤、轉(zhuǎn)向柱、件有方向盤、轉(zhuǎn)向柱、

6、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向力矩傳感器、轉(zhuǎn)向齒向力矩傳感器、轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向助力電動機及輪、轉(zhuǎn)向助力電動機及轉(zhuǎn)向助力控制單元組成轉(zhuǎn)向助力控制單元組成 9 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器為光電式傳感方向盤轉(zhuǎn)角傳感器為光電式傳感器，安裝于轉(zhuǎn)向柱上。當轉(zhuǎn)動方向盤器，安裝于轉(zhuǎn)向柱上。當轉(zhuǎn)動方向盤時，轉(zhuǎn)向柱帶動傳感器的轉(zhuǎn)子隨方向時，轉(zhuǎn)向柱帶動傳感器的轉(zhuǎn)子隨方向盤一起轉(zhuǎn)動，光源就會通過轉(zhuǎn)子縫隙盤一起轉(zhuǎn)動，光源就會通過轉(zhuǎn)子縫隙照在傳感器的感光元件上產(chǎn)生信號電照在傳感器的感光元件上產(chǎn)生信號電壓。由于轉(zhuǎn)子縫隙間隔大小不同，故壓。由于轉(zhuǎn)子縫隙間隔大小不同，故產(chǎn)生的信號電壓變化也不同產(chǎn)生的信號電壓變化也不同 轉(zhuǎn)向力矩

7、傳感器為磁阻式傳感轉(zhuǎn)向力矩傳感器為磁阻式傳感器，其磁阻傳感元件和轉(zhuǎn)向小齒輪連器，其磁阻傳感元件和轉(zhuǎn)向小齒輪連接塊為一體，當轉(zhuǎn)動方向盤時，轉(zhuǎn)向接塊為一體，當轉(zhuǎn)動方向盤時，轉(zhuǎn)向柱連接塊和轉(zhuǎn)向小齒輪連接塊反向運柱連接塊和轉(zhuǎn)向小齒輪連接塊反向運動，即磁性轉(zhuǎn)子和磁阻傳感元件反向動，即磁性轉(zhuǎn)子和磁阻傳感元件反向運動，因此轉(zhuǎn)向力矩的大小可以被測運動，因此轉(zhuǎn)向力矩的大小可以被測量出來并傳遞給控制單元量出來并傳遞給控制單元 10典型風力發(fā)電系統(tǒng)在線監(jiān)測與故障診斷示意圖典型風力發(fā)電系統(tǒng)在線監(jiān)測與故障診斷示意圖11測控技術在交通領域監(jiān)測中的應用測控技術在交通領域監(jiān)測中的應用12智能家居中應用智能家居中應用13網(wǎng)網(wǎng)絡

8、絡在在智智能能建建筑筑應應用用14網(wǎng)網(wǎng)絡絡化化環(huán)環(huán)境境動動態(tài)態(tài)監(jiān)監(jiān)測測系系統(tǒng)統(tǒng)圖圖15水源水源安全安全遠程遠程監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)圖圖16滑坡位移監(jiān)測儀及遠程監(jiān)測系統(tǒng)滑坡位移監(jiān)測儀及遠程監(jiān)測系統(tǒng) 植物生理監(jiān)控系統(tǒng)植物生理監(jiān)控系統(tǒng) 1718密歇根大學的機械手裝配模型密歇根大學的機械手裝配模型機械手、機器人中的傳感器機械手、機器人中的傳感器 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動/ /移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、移動位置傳感器、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。接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。 19 生產(chǎn)加工過程監(jiān)測生產(chǎn)加工過程監(jiān)測 切削

9、力傳感器，加工切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接測距傳感器、紅外接近開關傳感器等。近開關傳感器等。20在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產(chǎn)線生產(chǎn)線上設備運行狀態(tài)關系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立流程。通常建立2424小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。 石化企業(yè)輸石化企業(yè)輸油管道、儲油管道、儲油罐等壓力油罐等壓力容器的破損容器的破損和泄漏檢測和泄漏檢測揚子石化揚子石化50MW熱電機組監(jiān)測系統(tǒng)熱電機組監(jiān)測系統(tǒng)陽邏電廠陽邏電廠300MW汽輪機組監(jiān)測系統(tǒng)汽輪機組監(jiān)測系統(tǒng)荊門電廠荊門電廠200M

10、W機組監(jiān)測系統(tǒng)機組監(jiān)測系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)信息實時查詢系統(tǒng)青山熱電廠生產(chǎn)信息實時查詢系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實時查詢系統(tǒng)沙角電廠生產(chǎn)信息實時查詢系統(tǒng)寶鋼寶鋼30KW以上風機監(jiān)測系統(tǒng)以上風機監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼精軋寶鋼精軋F2軋機網(wǎng)絡化監(jiān)測系統(tǒng)軋機網(wǎng)絡化監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動紋監(jiān)測系統(tǒng)寶鋼冷軋帶鋼振動紋監(jiān)測系統(tǒng)武鋼風機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)武鋼風機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)21 在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質(zhì)量進行測量和出廠檢驗。其性能質(zhì)量進行測量和出廠檢驗。 汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻

11、水溫度、燃油壓力及發(fā)動滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程機轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量汽車扭距測量機床加工精度測量機床加工精度測量在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位.22鼠標鼠標:光電位移傳感器光電位移傳感器攝象頭攝象頭:CCD傳感器傳感器聲位筆聲位筆:超聲波傳感器超聲波傳感器麥克風麥克風:電容傳聲器電容傳聲器聲卡聲卡:A/D卡卡 + D/A卡卡軟驅(qū)軟驅(qū):速度速度,位置伺服位置伺服PCPC機中的測試技術應用機中的測試技術應用232424 未來的戰(zhàn)爭一定程度上

12、可以稱之為傳感器戰(zhàn)爭。未來戰(zhàn)場將布滿各未來的戰(zhàn)爭一定程度上可以稱之為傳感器戰(zhàn)爭。未來戰(zhàn)場將布滿各種傳感器，它們既包括電視攝像機、激光雷達、成像雷達、微光夜視種傳感器，它們既包括電視攝像機、激光雷達、成像雷達、微光夜視儀、制冷和非制冷熱像儀等可視設備，也包括聲傳感器、震動傳感器、儀、制冷和非制冷熱像儀等可視設備，也包括聲傳感器、震動傳感器、磁傳感器、氣象傳感器和探測生化戰(zhàn)劑的傳感器，當然也可能出現(xiàn)目磁傳感器、氣象傳感器和探測生化戰(zhàn)劑的傳感器，當然也可能出現(xiàn)目前尚未問世或成熟的其它傳感器。這些傳感器將為指揮人員和士兵收前尚未問世或成熟的其它傳感器。這些傳感器將為指揮人員和士兵收集大量的戰(zhàn)場態(tài)勢信息

13、，使他們擁有全面的信息優(yōu)勢，從而最大限度集大量的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，使他們擁有全面的信息優(yōu)勢，從而最大限度地增強他們的攻擊威力。地增強他們的攻擊威力。在軍事和航天領域的應用在軍事和航天領域的應用2526美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器-OICW 夜視瞄準夜視瞄準機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術激光測距激光測距儀：可精確的定位目標。在發(fā)射儀：可精確的定位目標。在發(fā)射20mm20mm高爆彈時，激光測距儀可將高爆彈時，激光測距儀可將目標的距離信息自動傳輸至高爆彈的爆炸引信，以精確的設定引爆時間。目標的距離信息自動傳輸至高爆彈的爆炸引信，以精確的設定引爆時間。27

14、美國國家導彈防御計劃美國國家導彈防御計劃-NMD1.1.地基攔截器地基攔截器2.2.早期預警系統(tǒng)早期預警系統(tǒng)3.3.前沿部署前沿部署( (如雷達）如雷達）4.4.管理與控制系統(tǒng)管理與控制系統(tǒng)5. 5. 衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng): 探測和發(fā)現(xiàn)敵探測和發(fā)現(xiàn)敵人導彈的發(fā)射并追蹤導人導彈的發(fā)射并追蹤導彈的飛行軌道；彈的飛行軌道；攔截器：能識別真假彈攔截器：能識別真假彈頭，敵友方頭，敵友方28飛行器測控飛行器測控 - 檢測飛行器姿態(tài)、發(fā)電機工況，控制與操縱檢測飛行器姿態(tài)、發(fā)電機工況，控制與操縱 火箭測控火箭測控 - 檢測火箭狀況、姿態(tài)、軌跡檢測火箭狀況、姿態(tài)、軌跡 29“阿波

15、羅阿波羅10”：火箭部分火箭部分-2077個傳感器個傳感器飛船部分飛船部分-1218個傳感器個傳感器檢測參數(shù)檢測參數(shù)-加速度、溫度、壓力、加速度、溫度、壓力、 振動、流量、應變、振動、流量、應變、 聲學等聲學等神州飛船：神州飛船：185臺（套）儀器裝置臺（套）儀器裝置軍事戰(zhàn)斗力軍事戰(zhàn)斗力30 綜上所述，自動檢測技術與我們的生產(chǎn)、生活密切相綜上所述，自動檢測技術與我們的生產(chǎn)、生活密切相關。它是自動化領域的重要組成部分，尤其在自動控制中，關。它是自動化領域的重要組成部分，尤其在自動控制中，如果對控制參數(shù)不能有效準確的檢測，控制就成為如果對控制參數(shù)不能有效準確的檢測，控制就成為無源之無源之水，無本之

16、木水，無本之木。3132n不斷提高儀器的性能、可靠性，擴大應用范圍。不斷提高儀器的性能、可靠性，擴大應用范圍。n開發(fā)新型傳感器。開發(fā)新型傳感器。n開發(fā)傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。開發(fā)傳感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工藝。n微電子技術、微型計算機技術、現(xiàn)場總線技術與儀器儀表微電子技術、微型計算機技術、現(xiàn)場總線技術與儀器儀表和傳感器的結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化測試系統(tǒng)，使測量精和傳感器的結(jié)合，構(gòu)成新一代智能化測試系統(tǒng)，使測量精度、自動化水平進一步提高。度、自動化水平進一步提高。n研究集成化、多功能和智能化傳感器或測試系統(tǒng)。研究集成化、多功能和智能化傳感器或測試系統(tǒng)。33n根據(jù)中華

17、人民共和國國家標準（根據(jù)中華人民共和國國家標準（GB7665-87GB7665-87）n傳感器（傳感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）：能感受規(guī)定的被）：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。件和裝置。34 傳感器是測量裝置，能完成檢測任務；傳感器是測量裝置，能完成檢測任務； 它的輸出量是某一被測量，可能是物理量，也可能是它的輸出量是某一被測量，可能是物理量，也可能是 化化學量、生物量等；學量、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、它的輸出量是某種物理量，這

18、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；顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量； 輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。輸出輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。包含的概念：35n敏感元件敏感元件 直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的物理量n轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量敏感元件的輸出就是它的輸入，摶換成電路參量n轉(zhuǎn)換電路轉(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36物理型、化學型、生物型物理型、

19、化學型、生物型構(gòu)成原理構(gòu)成原理結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :物理學中場的定律物理學中場的定律物性型物性型: :物質(zhì)定律物質(zhì)定律能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換能量控制型能量控制型能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型物理原理：物理原理：用用 途：途： 位移、壓力、振動、溫度位移、壓力、振動、溫度電參量式傳感器、磁電傳感器、壓電式傳感器等電參量式傳感器、磁電傳感器、壓電式傳感器等工作機理：工作機理：37（1 1）等精度測量）等精度測量（2 2）非等精度測量）非等精度測量（3 3）真值）真值（4 4）實際值）實際值有關測量技術中的部分名詞有關測量技術中的部分名詞（5 5）標稱值）標稱值（6 6）示值）示值（7 7）測量誤差）測量誤差（1 1）

20、系統(tǒng)誤差）系統(tǒng)誤差誤差的分類誤差的分類（2 2）隨機誤差）隨機誤差（3 3）粗大誤差）粗大誤差38n反映測量結(jié)果與真值接近程度的量反映測量結(jié)果與真值接近程度的量 (1)(1)準確度準確度 (2)(2)精密度精密度 (3)(3)精確度精確度 n對于具體的測量，精密度高的而準確度不一定高，對于具體的測量，精密度高的而準確度不一定高，準確度高的精密度不一定高，但精確度高，則精準確度高的精密度不一定高，但精確度高，則精密度和準確度都高。密度和準確度都高。39(1) (1) 絕對誤差絕對誤差(2) (2) 相對誤差相對誤差40(1) (1) 絕對誤差絕對誤差n絕對誤差是示值與被測量真值之間的差值。設被測

21、量的真值絕對誤差是示值與被測量真值之間的差值。設被測量的真值為為A A0 0，器具的標稱值或示值為，器具的標稱值或示值為x x，則絕對誤差為，則絕對誤差為 n由于一般無法求得真值由于一般無法求得真值A A0 0，在實際應用時常用精度高一級的，在實際應用時常用精度高一級的標準器具的示值，即實際值標準器具的示值，即實際值A A代替真值代替真值A A0 0。x x與與A A之差稱為測之差稱為測量器具的示值誤差，記為量器具的示值誤差，記為 通常以此值來代表絕對誤差。通常以此值來代表絕對誤差。0 xxA xxA 41(1) (1) 絕對誤差絕對誤差- -修正值修正值n為了消除系統(tǒng)誤差用代數(shù)法加到測量結(jié)果

22、上的值稱為修為了消除系統(tǒng)誤差用代數(shù)法加到測量結(jié)果上的值稱為修正值，常用正值，常用C C表示。將測得示值加上修正值后可得到真表示。將測得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即值的近似值，即 A A0 0= x+C = x+C （1.3.31.3.3）由此得由此得C =AC =A0 0-x -x （1.3.41.3.4）n在實際工作中，可以用實際值在實際工作中，可以用實際值A A近似真值近似真值A A0 0，則（，則（1.3.41.3.4）式變?yōu)槭阶優(yōu)镃 =A-x=- x C =A-x=- x （1.3.51.3.5）n修正值與誤差值大小相等、符號相反，測得值加修正值修正值與誤差值大小相等、符號相

23、反，測得值加修正值可以消除該誤差的影響可以消除該誤差的影響 42(2) (2) 相對誤差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：有以下表現(xiàn)形式： 實際相對誤差實際相對誤差: : 示值相對誤差。示值相對誤差。 滿度（引用）相對誤差滿度（引用）相對誤差 100%AxA100%xxx100%nnxrx43(2) (2) 相對誤差相對誤差- -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確度等級的百分數(shù)，指示儀表的最大滿度誤差不許超過該儀表準確度等級的百分數(shù)，即即 （1.3.9） 當示值為當示值為x x時可能產(chǎn)生的最

24、大相對誤差為時可能產(chǎn)生的最大相對誤差為 （1.3.11）用儀表測量示值為用儀表測量示值為x x的被測量時，比值越大，測量結(jié)果的相的被測量時，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。被測量的值應大于其測量上限的限越好。被測量的值應大于其測量上限的2/32/3。100%mnmnxax%mnmxxraxx44（1 1）正態(tài)分布）正態(tài)分布（2 2）隨機誤差的評價指標）隨機誤差的評價指標（3 3）測量的極限誤差）測量的極限誤差45（1 1）正態(tài)分布）正態(tài)分布 隨機誤差是以不可預定的方式變化著的誤差，但在隨機誤差

25、是以不可預定的方式變化著的誤差，但在一定條件下服從統(tǒng)計規(guī)律一定條件下服從統(tǒng)計規(guī)律 22212yfe 22212Fed 0Efd 22fd46（1 1）正態(tài)分布）正態(tài)分布- -分布規(guī)律（1 1）對稱性。）對稱性。絕對值相等的正誤差和負誤差出現(xiàn)的次數(shù)相等。絕對值相等的正誤差和負誤差出現(xiàn)的次數(shù)相等。（2 2）單峰性。）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。絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。（3 3）有界性。）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。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 4）抵償性。）抵償性。隨測量次數(shù)的增加，隨機誤差的算

26、術平均值趨向于零。隨測量次數(shù)的增加，隨機誤差的算術平均值趨向于零。47（2 2）隨機誤差的評價指標 由于隨機誤差大部分按正態(tài)分布規(guī)律出現(xiàn)的，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)具有統(tǒng)計意義，通常以正態(tài)分布曲線的兩個參數(shù)算術平均值和均方根誤差作為評價指標。算術平均值和均方根誤差作為評價指標。 （1 1）算術平均值）算術平均值 （2 2）標準差）標準差48（2 2）隨機誤差的評價指標-算術平均值121nniixxxxxnn10niixAxn當測量次數(shù)為無限次時，所有測量值的算術平均值即等于真值，當測量次數(shù)為無限次時，所有測量值的算術平均值即等于真值，事

27、實上是不可能無限次測量，即真值難以達到。但是，隨著測量事實上是不可能無限次測量，即真值難以達到。但是，隨著測量次數(shù)的增加，算術平均值也就越接近真值。次數(shù)的增加，算術平均值也就越接近真值。因此，以算術平均值作為真值是既可靠又合理的。因此，以算術平均值作為真值是既可靠又合理的。 49（2 2）隨機誤差的評價指標-標準差 測量列中單次測量的標準差測量列中單次測量的標準差 測量列算術平均值的標準差測量列算術平均值的標準差50（2 2）隨機誤差的評價指標-標準差 測量列中單次測量的標準差測量列中單次測量的標準差在等精度測量列中，單次測量的標準差在等精度測量列中，單次測量的標準差 （1.3.18）式中，式

28、中，n n測量次數(shù)；測量次數(shù)； 每次測量中相應各測量值的隨機誤差。每次測量中相應各測量值的隨機誤差。2222112nininni51（2 2）隨機誤差的評價指標-標準差 測量列中單次測量的標準差測量列中單次測量的標準差實際工作中用殘差來近似代替隨機誤差求標準差的估計值實際工作中用殘差來近似代替隨機誤差求標準差的估計值 貝塞爾（貝塞爾（BesselBessel）公式）公式 111222221nvnvvvniin52（2 2）隨機誤差的評價指標-標準差 測量列算術平均值的標準差測量列算術平均值的標準差xn式中，式中， 算術平均值標準差（均方根誤差）；算術平均值標準差（均方根誤差）； 測量列中單次測

29、量的標準差；測量列中單次測量的標準差； n n 測量次數(shù)測量次數(shù)x當測量次數(shù)當測量次數(shù)n n愈大時，算術平均值愈接近被測量的真值，愈大時，算術平均值愈接近被測量的真值，測量精度也越高。測量精度也越高。53（2 2）隨機誤差的評價指標-測量的極限誤差（1 1）單次測量的極限誤差）單次測量的極限誤差 （2 2）算術平均值的極限誤差）算術平均值的極限誤差54（2 2）隨機誤差的評價指標-測量的極限誤差單次測量的極限誤差單次測量的極限誤差隨機誤差在隨機誤差在至至范圍內(nèi)概率為：范圍內(nèi)概率為： 經(jīng)變換，經(jīng)變換，(1.3.22(1.3.22）式為）式為2202()2( )2ttPedtt 若某隨機誤差在若某

30、隨機誤差在t t 范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率為范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率為2(2(),),則超出該誤差范圍的概率為則超出該誤差范圍的概率為1 2 ( ) t t121222dededeP02222222221)(55（2 2）隨機誤差的評價指標-測量的極限誤差單次測量的極限誤差單次測量的極限誤差t t|=t|=t不超出不超出|的概的概率率22（）（）超出超出 |的概的概率率1-21-2（）（）0.670.670.670.670.49720.49720.50280.50281 1110.68260.68260.31740.31742 2220.95440.95440.04560.04563 3330.99730.9

31、9730.00270.00274 4440.99990.99990.00010.0001幾個幾個典型典型 t t值的值的概率概率情況情況分析分析56（2 2）隨機誤差的評價指標-測量的極限誤差單次測量的極限誤差單次測量的極限誤差當當t=3t=3時，即時，即|=3 |=3 時時, ,誤差不超過誤差不超過|的概率為的概率為99.73%,99.73%,通常把這個誤差稱為單次測量的極限誤差通常把這個誤差稱為單次測量的極限誤差limlimx,x,即即limlimx x = =3 3 57（2 2）隨機誤差的評價指標-測量的極限誤差算術平均值的極限誤差測量列的算術平均值與被測量的真值之差測量列的算術平均值

32、與被測量的真值之差 當多個測量列算術平均值誤差為正態(tài)分布時，得到測量列算當多個測量列算術平均值誤差為正態(tài)分布時，得到測量列算術平均值的極限誤差表達式為術平均值的極限誤差表達式為 式中的式中的t t為置信系數(shù)，為算術平均值的標準差。為置信系數(shù)，為算術平均值的標準差。0 xxAlimxxtlim3xx581. 1. 系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)2. 2. 系統(tǒng)誤差的削弱和消除系統(tǒng)誤差的削弱和消除59（1 1）系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)60（1 1）系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)因測量原理或使用方法不當引入系統(tǒng)誤差時，可以通過理論分析和計因測量原理或使用方法不當引入系統(tǒng)誤差時，可以通過理論分析和計算

33、的方法加以修正。算的方法加以修正。實驗對比法是改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件進行不同條件的測量，以發(fā)現(xiàn)實驗對比法是改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件進行不同條件的測量，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。系統(tǒng)誤差，這種方法適用于發(fā)現(xiàn)恒定系統(tǒng)誤差。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)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)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。律變化的系統(tǒng)誤差。61（1 1）系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn) 用于發(fā)現(xiàn)累進性系統(tǒng)誤差用于發(fā)現(xiàn)累進性系統(tǒng)誤

34、差馬利科夫準則：設對某一被測量進行馬利科夫準則：設對某一被測量進行n n次等精度測量，按測量先后順序次等精度測量，按測量先后順序得到測量值得到測量值x x1 1，x x2 2，x xn n，相應的殘差為，相應的殘差為v v1 1，v v2 2，v vn n。把前面一半。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)誤差用于發(fā)現(xiàn)周期性系統(tǒng)誤差阿卑阿卑- -赫梅特準則：赫梅特準則： 11kniiii kMvv 111ni iiAvv21An則認為測量列中含有周期性系統(tǒng)誤差。則認為測量列中含有周期性系統(tǒng)誤差。 當存在 設 62（1

35、1）系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn) 對同一量進行多組測量，得到很多數(shù)據(jù)，通過多組計算數(shù)據(jù)對同一量進行多組測量，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)果應滿足隨機誤差條件，否比較，若不存在系統(tǒng)誤差，其比較結(jié)果應滿足隨機誤差條件，否則可認為存在系統(tǒng)誤差。則可認為存在系統(tǒng)誤差。任意兩組結(jié)果之間不存在系統(tǒng)誤差的標志是任意兩組結(jié)果之間不存在系統(tǒng)誤差的標志是222ijijxx63（2 2）系統(tǒng)誤差的削弱和消除n從產(chǎn)生誤差源上消除系統(tǒng)誤差從產(chǎn)生誤差源上消除系統(tǒng)誤差n引入修正值法引入修正值法n零位式測量法零位式測量法n補償法補償法n對照法對照法64（2 2）系統(tǒng)誤差的削弱和消除1）從產(chǎn)生

36、誤差源上消除系統(tǒng)誤差）從產(chǎn)生誤差源上消除系統(tǒng)誤差 從生產(chǎn)誤差源上消除誤差是最根本的方法，它要求在產(chǎn)品設計階段從硬件從生產(chǎn)誤差源上消除誤差是最根本的方法，它要求在產(chǎn)品設計階段從硬件和軟件方面采取必要的補償措施和修正措施，或者采取合適的使用方法將誤差和軟件方面采取必要的補償措施和修正措施，或者采取合適的使用方法將誤差從產(chǎn)生根源上加以消除。從產(chǎn)生根源上加以消除。2）引入修正值法）引入修正值法 知道修正值后，將測量結(jié)果的指示值加上修正值，就可得到被測量的實際知道修正值后，將測量結(jié)果的指示值加上修正值，就可得到被測量的實際值。智能傳感器更容易采用該方法。值。智能傳感器更容易采用該方法。6565（2 2）

37、系統(tǒng)誤差的削弱和消除3）零位式測量法）零位式測量法 這種方法是標準量與被測量相比較的測量方法，其優(yōu)點是測量誤差主要取這種方法是標準量與被測量相比較的測量方法，其優(yōu)點是測量誤差主要取決于參加比較的標準器具的誤差，而標準器具的誤差可以做的很小。這種方法決于參加比較的標準器具的誤差，而標準器具的誤差可以做的很小。這種方法要求檢測系統(tǒng)有足夠的靈敏度，如自動平衡顯示儀表。要求檢測系統(tǒng)有足夠的靈敏度，如自動平衡顯示儀表。4）補償法）補償法66（2 2）系統(tǒng)誤差的削弱和消除5）對照法）對照法67：如果對被測量進行多次重復等精度測量的測量數(shù)據(jù)為如果對被測量進行多次重復等精度測量的測量數(shù)據(jù)為x x1 1，x x

38、2 2，x xd d, ,，x xn n 其標準差為其標準差為，如果其中某一項殘差，如果其中某一項殘差v vd d大于三倍標大于三倍標準差，即準差，即 則認為則認為v vd d為粗大誤差，與其對應的測量數(shù)據(jù)為粗大誤差，與其對應的測量數(shù)據(jù)x xd d是壞是壞值，應從測量列測量數(shù)據(jù)中刪除。值，應從測量列測量數(shù)據(jù)中刪除。3dV68: :從獲得數(shù)據(jù)起到得出結(jié)論為止的整個數(shù)據(jù)加從獲得數(shù)據(jù)起到得出結(jié)論為止的整個數(shù)據(jù)加工過程。工過程。 常用方法常用方法: : 列表法、作圖法和最小二乘法擬合。列表法、作圖法和最小二乘法擬合。是指測量結(jié)果的最可信賴值應在殘余是指測量結(jié)果的最可信賴值應在殘余誤差平方和為最小的條件

39、下求出。在自動檢測系統(tǒng)中，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系是一種最簡單、也是最理想的兩個變量間的線性關系是一種最簡單、也是最理想的函數(shù)關系。函數(shù)關系。 69設有設有n n組實測數(shù)據(jù)（組實測數(shù)據(jù)（x xi i，y yi i）(i=1(i=1，2 2，n)n)，其最佳擬合方程，其最佳擬合方程 ( (回歸方程回歸方程) )為為 y=A+Bx (1.1.37)y=A+Bx (1.1.37)式中，式中，A A為直線的截距；為直線的截距；B B為直線的斜率。為直線的斜率。 222111()nnniiiiiiiivyyyABx根據(jù)最小二乘法原理，要使根據(jù)最小二乘法原理，要

40、使 為最小，取其對為最小，取其對A A、B B求偏導數(shù)，并令其為零，求偏導數(shù)，并令其為零，可得兩個方程，聯(lián)立兩個方程可求出可得兩個方程，聯(lián)立兩個方程可求出A,BA,B的唯一解。的唯一解。21niiv112020niiiniiiiyABxAx yABxB2111122111112211nnnniiiiiiiiinniiiinnniiiiiiinniiiiyxx yxAnxxnx yxyBnxx 112111nniiiinnniiiiiiiynABxx yAxBx70輸出與輸入間關系輸出與輸入間關系 靜特性：輸入量為常量，或變化極慢靜特性：輸入量為常量，或變化極慢動特性：輸入量隨時間較快地變化時動

41、特性：輸入量隨時間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，微分方程中的一階及以上的微分項取為零時，可得到可得到（動特性的特例）（動特性的特例）表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關系表示傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出輸入關系希望輸出與輸入具有確定的對應關系，且呈線性關系。希望輸出與輸入具有確定的對應關系，且呈線性關系。71 線性度線性度 靈敏度靈敏度 遲滯遲滯 重復性重復性 零點漂移零點漂移 溫度漂移溫度漂移72（1 1）線性度靜特性靜特性230123nnyaa xa xa xa x輸輸 出出 量量輸輸 入入 量量零點輸出零點輸出理論靈敏度理論靈敏度非線性項系數(shù)非線性項系

42、數(shù)直線擬合線性化直線擬合線性化 非線性誤差或線性度非線性誤差或線性度M() 100%LLaxFSy 最大非線性誤差最大非線性誤差 滿量程輸出滿量程輸出73（1 1）線性度直線擬合線性化出發(fā)點出發(fā)點 獲得最小的非線性誤差獲得最小的非線性誤差： 理論擬合；理論擬合； 過零旋轉(zhuǎn)擬合；過零旋轉(zhuǎn)擬合； 端點連線擬合；端點連線擬合； 端點連線平移擬合；端點連線平移擬合； 最小二乘擬合；最小二乘擬合； 最小包容擬合最小包容擬合74（1 1）線性度-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。擬合直線為傳感器的理論特性，與實際測試值無關。方法十分簡單，但一般說方法十分簡單，但一般說 較大較大MaxL

43、xyLmax75（1 1）線性度-過零旋轉(zhuǎn)擬合曲線過零的傳感器。擬合時，使曲線過零的傳感器。擬合時，使12MaxLLL xyL2L176（1 1）線性度-端點連線擬合把輸出曲線兩端點的連線作為擬合直線把輸出曲線兩端點的連線作為擬合直線xyLmax77（1 1）線性度-端點連線平移擬合在端點連線擬合在端點連線擬合基礎上使直線平移，移動距離為原先的基礎上使直線平移，移動距離為原先的一半一半213MaxLLLL yxLmaxL178（1 1）線性度-最小二乘擬合ykxb()iiiykxb 2211()minnniiiiiykxb 22()()0iiiiykxbxk 22()( 1)0iiiykxbb

44、 22()iiiiiinx yxyknxx 222()iiiiiiixyxx ybnxx xy=kx+by79（2 2）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)靈敏度態(tài)靈敏度kyx 表征傳感器對輸入量變化的反應能力表征傳感器對輸入量變化的反應能力80（2 2）靈敏度表征傳感器對輸入量變化的反應能力表征傳感器對輸入量變化的反應能力 (a) (a) 線性傳感器線性傳感器 (b) (b) 非線性傳感器非線性傳感器81（3 3）遲滯 正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭ㄝ斎肓吭龃螅┓矗ㄝ斎肓繙p?。┬谐讨休敵?/p>

45、輸入曲線不重合稱為遲滯線不重合稱為遲滯(1 2)() 100%HHMAXFSy 正反行程間輸出的最大差值。正反行程間輸出的最大差值。HMAX 遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差，常用絕對誤差表示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時，可選擇幾個測試點。對應于每一輸入信號，檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應于每一輸入信號，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。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。82（3 3）遲滯83（4 4）重復性傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所得特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性曲線

46、不一致的程度正行程的最大重復性偏差正行程的最大重復性偏差反行程的最大重復性偏差反行程的最大重復性偏差Max1RMax2RMax() 100%RFSRy 取較大者為取較大者為MaxR84（4 4）重復性85（5 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)定性或零點漂移作穩(wěn)定性或零點漂移0100%FSYY零漂零漂 式中式中YY0 0最大零點偏差；最大零點偏差； Y YFSFS 滿量程輸出。滿量程輸出。86（6 6）溫漂傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化max100%FSYT溫漂 式中式中

47、maxmax 輸出最大偏差；輸出最大偏差；T T 溫度變化范圍；溫度變化范圍； Y YFS FS 滿量程輸出。滿量程輸出。 87 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特性。反映輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。量的響應特性。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。差的原因以及改善措施。：瞬態(tài)響應法：瞬態(tài)響應法：頻率響應法：頻率響應法 88（1 1）瞬態(tài)響應特性 在時域內(nèi)研究傳感器的動態(tài)特性時，

48、常用的激勵信在時域內(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稱為瞬態(tài)響應。激勵信號的響應稱為瞬態(tài)響應。 理想情況下，階躍輸入信號的大小對過渡過程的曲理想情況下，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，應線形狀是沒有影響的。但在實際做過渡過程實驗時，應保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內(nèi)。保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內(nèi)。 89（1 1）瞬態(tài)響應特性1）一階傳感器的單位階躍響應設設x x ( ( t t ) )、y y ( ( t t

49、 ) ) 分別為傳感器的輸入量和輸出量，均分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為是時間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為式中式中 時間常數(shù)；時間常數(shù)； K K靜態(tài)靈敏度。靜態(tài)靈敏度。 由于在線性傳感器中靈敏度由于在線性傳感器中靈敏度K K為常數(shù)，在動態(tài)特性分析中，為常數(shù)，在動態(tài)特性分析中，K K只只起著使輸出量增加起著使輸出量增加K K倍的作用。討論時采用倍的作用。討論時采用 K=1K=1。1)()()(sKsXsYsH90（1 1）瞬態(tài)響應特性1）一階傳感器的單位階躍響應對于初始狀態(tài)為零的傳感器，當輸入為單位階躍信號時，對于初始狀態(tài)為零的傳感器，當輸入為單位階躍

50、信號時，X(s)=1/s,X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為傳感器輸出的拉氏變換為sssXsHsY111)()()(te)s(YL)t ( y11則一階傳感器的單位階躍響應為則一階傳感器的單位階躍響應為一階傳感器的時間常數(shù)一階傳感器的時間常數(shù)越小越好越小越好91（1 1）瞬態(tài)響應特性2）二階傳感器的單位階躍響應二階傳感器的傳遞函數(shù)為二階傳感器的傳遞函數(shù)為 222( )( )( )2nnnY sH sX sss式中式中 n n 傳感器的固有頻率；傳感器的固有頻率； 傳感器的阻尼比。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在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為222

51、( )( )( )(2)nnnY sH s X ss ss92（1 1）瞬態(tài)響應特性2）二階傳感器的單位階躍響應 對對Y Y（s s）進行拉氏反變換，即可得到進行拉氏反變換，即可得到單位階躍響應。單位階躍響應。圖圖1.4.61.4.6為二階傳感器的單位階躍響應曲線。為二階傳感器的單位階躍響應曲線。 在實際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調(diào)量，在實際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調(diào)量，一般傳感器都設計成欠阻尼式的，阻尼比一般傳感器都設計成欠阻尼式的，阻尼比一般取在一般取在0.60.80.60.8之間。之間。帶保護套管的熱電偶是一個典型的二階傳感器。帶保護套管的熱電偶是一個典型的二階傳感器。 傳感器的響應在很大程度上傳感器的響應在很大程度上取決于阻