傳感器材料教學教案

1、蘇州市職業(yè)大學教師教學教案課 程 名 稱 傳感器技術(shù)與應用任課教師黃艷所在院（部）電子信息所在系（教研室）通信技術(shù)系2015 年9 月1 日項目 1 傳感器誤差與特性分析【教學目標與要求】能對測量數(shù)據(jù)進行分析整理能根據(jù)實際使用條件選擇適用的傳感器掌握測量誤差的分類及一般計算方法掌握傳感器的定義及組成理解傳感器的基本特性及相應指標了解傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢【教學重點與難點】根據(jù)實際適用條件選擇適用的傳感器理解傳感器的基本特性及相應指標【課程類型】B 類（理論+實踐）?！窘虒W方法與】多教學?！緦W時分配】理論 2 學時，實訓學時 21.1 檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)整理1.測量與測量方法檢測是指在生產(chǎn)、科研、試驗

2、及服務等各個領(lǐng)域，為及時獲得被測、被控對象的有關(guān)信息而實時或非實時地對一些參量進行定性檢查和定量測量。測量是人們借助專門的技術(shù)和設(shè)備，通過實驗和方法，把被測量與作為的標準量進行比較，以確定被測量是標準量的多少倍數(shù)的工程。測量結(jié)果包括數(shù)值大小和測量兩部分。測量的分類：電測法和非電測法，直接測量和間接測量，靜態(tài)測量和動態(tài)測量，接觸測量和非接觸測量，模擬式測量與數(shù)字式測量。2.測量誤差及其表示方法誤差（Error）：測得值與被測量的真值之差。真值：一定的時間和空間條件下，某物理量體現(xiàn)的真實數(shù)值。標稱值：計量或測量器具上標注的量值。示值：由測量儀器給出或提供的量值，也稱測量值。（1）絕對誤差與修正值（

3、2）相對誤差實際相對誤差：示值相對誤差也叫標稱相對誤差：滿度相對誤差滿度相對誤差也叫作滿度誤差和誤差。通過滿度誤差實際上給出了儀表各量程內(nèi)絕對誤差的最大值：測量值相對誤差x 與滿度相對誤差 S%的關(guān)系：測量值 x 靠近滿量程值 xm 相對誤差小。電工儀表將滿度相對誤差分為七個等級：電工儀表就是按誤差之值進行分級的。是儀表在工作條件下不應超過的最大相對誤差。如果儀表為S 級，則說明該儀表的最大誤差不超過 S%測量點的最大相對誤差。在使用這類儀表測量時，應選擇適當?shù)牧砍蹋故局当M可能接近于滿度值，指針最好能偏轉(zhuǎn)在不小于滿度值 2/3 以上的區(qū)域。3.測量誤差的分類及來源（1）系統(tǒng)誤差：在同一條件下

4、，多次重復測量同一量值時，絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，按某一確定規(guī)律變化的誤差。實際估計系統(tǒng)誤差常用適當次數(shù)的重復測量的算術(shù)平均值減去約定真值來表示，也稱為測量器具的偏移或偏畸。 由于系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，因此可以根據(jù)其產(chǎn)生原因，采取一定的技術(shù)措施，設(shè)法消除或減?。灰部梢栽谙嗤瑮l件下對已知約定真值的標準器具進行多次重復測量的辦法，或者通過多次變化條件下的重復測量的辦法，設(shè)法找出其系統(tǒng)誤差的規(guī)律后，對測量結(jié)果進行修正。（2）隨機誤差：同一測量條件下，多次重復測量同一量值時，絕對值和符號以不可預知的方式變化的誤差。又稱為偶然誤差。產(chǎn)生原因：實驗條件的偶然性微小變化，如溫度波動、噪聲干

5、擾、電磁場微變、電源電壓的隨機起伏、地面振動等。隨機誤差的大小、方向均隨機不定，不可預見，不可修正。雖然一次測量的隨機誤差沒有規(guī)律，不可預定，也不能用實驗的方法加以消除。但是，經(jīng)過大量的重復測量可以發(fā)現(xiàn)，它是遵循某種統(tǒng)計規(guī)律的。（3）粗大誤差：超出規(guī)定條件下預期的誤差。又稱為疏忽誤差、過稱粗差。差或簡產(chǎn)生原因：某些偶爾突發(fā)性的異?；蚴韬鏊?。測量方法不當或錯誤，測量操作疏忽和（如未按規(guī)程操作、讀錯讀數(shù)或、或計算錯誤等）。測量條件的突然變化（如電源電壓突然增高或降低、雷電干擾、機械沖擊和振動等）。1.2 傳感器特性分析與傳感器選用1.傳感器的組成及其分類敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成

6、確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)或電量?；巨D(zhuǎn)換電成電量輸出。傳感器的分類：（1）按被測量分類述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換溫度、流量、力、（2）按測量原理分類度、氣體化學成分等電阻式、電容式、電感式、熱電式、霍爾式等按傳感器轉(zhuǎn)換能量供給形式分類能量變換型（發(fā)電型）、能量控制型（參量型）按傳感器工作機理分類結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器2.傳感器的靜態(tài)特性與指標傳感器特性：主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。靜態(tài)特性：當輸入量為常量，或變化極慢時，輸出與輸入之間關(guān)系稱為靜態(tài)特性。動態(tài)特性：當輸入量隨時間較快地變化時，輸出與輸入之間關(guān)系稱

7、為動態(tài)特性。（1）精密度、準確度和精確度精密度：說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當短的時間內(nèi)連續(xù)重復測量多次，其測量結(jié)果的分散程度。精密度是隨機誤差大小的標志，精密度高，意味著隨機誤差小。注意：精密度高不一定準確度高。準確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。準確度是系統(tǒng)誤差大小的標志，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。準確度高不一定精密度高。精確度：精密度與準確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準確度都比較高。實際的常以測量誤差的相對值表示。穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。測試

8、時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔 4h、8h 或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。既可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。測試時先將傳感器置于一定溫度(如 20)，將其輸出調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(如 5或 10)，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干的絕對誤差或相對誤差表示，每引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。穩(wěn)定性指傳感器對外界干擾的抵抗能力。例如：抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。評價這些

9、能力比較復雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。靈敏度傳感器輸出的變化量y 與引起該變化量的輸入變化量x 之比即為靜態(tài)靈敏度，表達式為因此，傳感器輸出曲線的斜率就是靈敏度。線性特性的傳感器，特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k 是一常數(shù)，與輸入量大小無關(guān)。（4）線性度傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性。在不考慮遲滯、蠕變、不穩(wěn)定性等的情況下，靜態(tài)特性數(shù)學模型可用下列多項式代數(shù)方程表示：靜態(tài)特性曲線可實際測量。在測得特性曲線之后，可以說問題已經(jīng)解決。但是為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，希望是線性關(guān)系。這時可采用各種方法，其中也包括硬件或補償，進行線性化處理。一般來說，這些辦法都比較復雜。

10、在非線性誤差不太大的情況下，總是采用直線擬合的辦法來線性化。采用直線擬合線性化時，輸出輸入的校正曲線與其擬合曲線之間的最大偏差，就稱為非線性誤差或線性度。通常用相對誤差表示：（5）遲滯傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。遲滯特性一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數(shù)表示，即遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差。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，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。（6）重復性重復性是指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。重復性誤差可用正反行程

11、中最大偏差表示：（7）可靠性可靠性（Reliability）：傳感器或檢測系統(tǒng)在規(guī)定工作條件和規(guī)定時間內(nèi)具有正常工作性能的能力?？煽慷龋≧eliability）、平均無故障工作時間、平均修復時間、失效率或故障率。3.傳感器的動態(tài)特性與指標動態(tài)特性：傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。4.傳感器的標定與選用如何根據(jù)測試目的和實際條件，正確合理地選用傳感器，需要認真考慮以下六個問題：（1）靈敏度一般說來，傳感器靈敏度越高越好，因為靈敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微小變化，傳感

12、器就有較大的輸出。但是，在確定靈敏度時，要考慮以下問題。 當傳感器的線性工作范圍一定時，傳感器的靈敏度越擾噪聲越以保證傳感器的輸入性區(qū)域內(nèi)工作。過高的靈敏度，影響其適用的測量范圍，應要求傳感器的信噪比愈大愈好。 當被測量是一個向量時，并且是一個單向量時，就要求傳感器單向靈敏度愈好，而橫向靈敏度愈小愈好；如果被測量是二維或三維的向量，那么還應要求傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。（2）響應特性傳感器的響應特性是指，在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。但實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。一般物性型傳感器(如利用光電效應、壓電效應等傳感器)響應時間短，工作頻率寬；而

13、結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響、機械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻率低，工作頻率范圍窄。在動態(tài)測量中，傳感器的響應特性對有直接影響，在選用時，應充分考慮到被測物理量的變化特點(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機等)（3）線性范圍性范圍內(nèi)，傳感器的輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。為了保證測量的精確度，傳感器工作性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。例如，機械式傳感器中的測力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測力量程的基本性誤差。，當超出測力元件允許的彈性范圍時，將產(chǎn)生非線然而，在某些情況下，保證傳感器絕對工作性區(qū)域內(nèi)也是不容易的。在許可限度內(nèi)，也可以取

14、其近似線性區(qū)域。例如，變間隙型的電容、電感式傳感器，其工作區(qū)均選在初始間隙附近。而且必須考慮被測量變化范圍，令其非線性誤差在允許限度以內(nèi)。（4）穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性是經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。為了保證傳感器長期穩(wěn)定地工作，而不需經(jīng)常地更換或校準，在選擇和使用傳感器時應注意以下兩個問題。根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。例如，選擇電阻應變式傳感器時，應考慮濕度的影響；又如，對變極距型電容式傳感器和光電傳感器，環(huán)境灰塵油劑浸人間隙時，會改變電容器的介質(zhì)和感光性質(zhì)。對于磁電式傳感器或霍爾效應元件等，應考慮周圍電磁場帶來測量誤差?；€電阻式傳感器表面有灰塵時，將會引入噪聲。要創(chuàng)造或保持良好的

15、使用環(huán)境。（5）精確度傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。傳感器處于測試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否測試系統(tǒng)具有直接的影響。反映被測量，對整個在某些情況下，要求傳感器的精確度愈好。例如，對現(xiàn)代超精密切削機床，測量其運動部件的定位精度，主軸的回轉(zhuǎn)運動誤差、振動及熱形變等時，往往要求它們的測量精確度在 0.10.001mm 范圍內(nèi)。在實際中，需要同時兼顧測量目的和經(jīng)濟性。對于定性分析的試驗，應要求傳感器的重復精度高，而不要求測試的絕對量值準確；對于定量分析，那么必須獲得精確量值。（6）測量方式傳感器在實際條件下的工作方式，也是選擇傳感器時應考慮的重要。例如，接觸與非接觸測量、破壞與