傳感器的測(cè)量誤差與準(zhǔn)確度課件

傳感器及應(yīng)用課程教學(xué)目標(biāo)與方法●了解傳感器的基本概念?！裾莆粘Ｓ脗鞲衅鞯脑怼⒔Y(jié)構(gòu)、特性和用途，能正確選用傳感器?！窭斫鈧鞲衅鞯男盘?hào)處理方法和測(cè)量電路、抗干擾技術(shù)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成方法?！裾莆粘Ｓ脗鞲衅鞯募夹g(shù)特性及其使用、安裝和調(diào)整方法。●本課程應(yīng)采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，重點(diǎn)理解傳感器的原理與特性，掌握傳感器的選用、安裝與調(diào)整技能。傳感器的初步認(rèn)知●

1.1

傳感器的定義與作用●

1.2

傳感器的組成與分類●

1.3

傳感器的基本特性●

1.4

傳感器的測(cè)量誤差與準(zhǔn)確度●

1.5

傳感器中的彈性敏感元件要點(diǎn)：1.傳感器的作用、類型及基本特性2.傳感器的誤差與準(zhǔn)確度3.彈性敏感元件的作用與類型1.1

傳感器的定義與作用1.1.1

傳感器的定義與作用傳感器就是利用物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)，把被測(cè)的物理量、化學(xué)量、生物量等非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件或裝置。1.1.2感器的作用和用域1.感器的作用傳感器的作用可包括信息的收集、信息數(shù)據(jù)的交換及控制信息的采集三大內(nèi)容。通過傳感器對(duì)自然界的各種物質(zhì)信息進(jìn)行采集。如圖1-1所示,人們把傳感器比作人的五種感覺器官，但在諸如高溫、高濕、深井、高空等環(huán)境及高精度、高可靠性、遠(yuǎn)距離、超細(xì)微等方面是人的感官所不能代替的。五種感官人四肢等外界信息感器子算機(jī)行器1-1人機(jī)關(guān)系2.感器的用域如圖1-2所示,傳感器是任何一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。如今，傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到科研、各類

制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、汽車、智能建筑、家用電器、安全防范、機(jī)器人、人體醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、航空航天、遙感技術(shù)、軍事等各個(gè)方面，人們已經(jīng)離不開各種各樣的傳感器了。顯示與記錄設(shè)備控制對(duì)象輸出接口輸入接口計(jì)算機(jī)傳感器控制設(shè)備圖1-2微機(jī)化檢測(cè)與控制系統(tǒng)的基本組成3.感器在國(guó)民中的地位感器技代化科學(xué)技、代化及工自化的展起到基和支柱的作用，在世界各國(guó)也已成一種重要?？梢浴皼]有感器就沒有代化的科學(xué)技”；沒有感器也就沒有人代化的生活境

和

條

件

。感器技已成科學(xué)技和國(guó)民展水平的志之一。1.2

傳感器的組成與分類1.2.1

傳感器的組成從功能上講，傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及轉(zhuǎn)換電路組成，如圖1-3所示。敏感元件元件路被非

量源1-3感器的成敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺埽ɑ蝽憫?yīng)）被測(cè)量的部分。在完成非電量到電量的變換時(shí)，并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接轉(zhuǎn)換成電量，往往是先變換為另一種易于變成電量的非電量，然后再轉(zhuǎn)換成電量。如傳感器中各種類型的彈性元件，常被稱為彈性敏感元件。轉(zhuǎn)換元件是指能將感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件或元件。如光電池將光的變化量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)，應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻量等。轉(zhuǎn)換電路是指將無源型傳感器輸出的電參數(shù)量轉(zhuǎn)換成電量。常用的轉(zhuǎn)換電路有電橋電路，脈沖調(diào)寬電路，諧振電路等，它們將電阻、電容、電感等電參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率。實(shí)際上，有些傳感器的敏感元件可以直接把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出，如壓電晶體、光電池、熱電偶等。通常稱它們?yōu)橛性葱蛡鞲衅鳌］o助電源為無源傳感器的轉(zhuǎn)換電路提供電能。1.2.2

傳感器的分類傳感器幾種常用的分類方法：1.按輸入量(被測(cè)對(duì)象)分類輸入量即被測(cè)對(duì)象，按此方法分類，傳感器可分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類。例如，物理量傳感器又可分為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等等。這種分類方法給使用者提供了方便。2.按轉(zhuǎn)換原理分類從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來說，通常分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型三大類。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用機(jī)械構(gòu)件(如金屬膜片等)在動(dòng)力場(chǎng)或電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生變形或位移，將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量，它是利用物理學(xué)運(yùn)動(dòng)定律或電磁定律實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學(xué)效應(yīng)（即物質(zhì)定律，如虎克定律、歐姆定律等）實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。例如：電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、熱敏、氣敏、濕敏、磁敏等等。復(fù)合型傳感器是由結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器組合而成的，兼有兩者的特征。這種分類方法清楚地指明了傳感器的原理，便于學(xué)習(xí)和研究。3.按輸出信號(hào)的形式分類按輸出信號(hào)的形式，傳感器可分為開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。4.按輸入和輸出的特性分類按輸入和輸出特性，傳感器可分為線性和非線性兩類。5.按能量轉(zhuǎn)換的方式分類按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式，傳感器可分為有源型和無源型兩類。有源型也稱能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型，它把非電量直接變成電壓量、電流量、電荷量等，如磁電式、壓電式、光電池、熱電偶等。無源型也稱能量控制型或參數(shù)型，它把非電量變成電阻、電容、電感等量。按上述后3種分類方法進(jìn)行分類便于選擇測(cè)量電路。1.3感器的基本特性感器的特性參數(shù)有很多，且不同型

的

感

器

，

其

特性參數(shù)的要求和定也各有差異，但都可以通其靜特性和特性行全面描述。1.3.1感器的靜特性靜特性表示感器在被各量定狀的出與出的關(guān)系。它主要包括靈敏度、分辨力(或分辨率)、量范及差特性。1.靈敏度靈敏度是指感器出量y和輸入量x之比，或輸出量的增量△y和相應(yīng)輸入量△x的增量之比。K=線性傳感器的靈敏度k為常數(shù)；非線性傳感器的靈敏度K是隨輸入量變化的量。2.分辨力傳感器在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)能夠檢測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量稱為分辨力。它往往受噪聲的限制，所以噪聲電平的大小是決定傳感器分辨力的關(guān)鍵因素。實(shí)際中，分辨力可用傳感器的輸出值表示：模擬式傳感器以最小刻度的一半所代表的輸入量表示，數(shù)字式傳感器則以末位顯示一個(gè)字所代表的輸入量表示。注意不要與分辨率混淆。分辨力是與被測(cè)量有相同量綱的絕對(duì)值，而分辨率則是分辨力與量程的比值。3.量范和量程在允差范內(nèi)，感器能量的下限(y

)到上min限值(y

)之間的范圍稱為測(cè)量范圍，表示為y

～

y

；上maxminmax限值與下限值的差稱為量程，表示為yF.S＝

y

－

y

。如maxmin某溫度計(jì)的測(cè)量范圍是-20~100℃，量程則為120℃。4.差特性感器的差特性包括性度、滯、重復(fù)性、零漂和溫漂等。（1）性度：性度即非性差，是傳感器的校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差（△L

）與滿量程值（y

）F.Smax的百分比校準(zhǔn)曲線：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，即在沒有加速度、振動(dòng)、沖擊及溫度為20±5℃、濕度不大于85%RH、大氣壓力為101327±7800Pa（760±60mmHg）的條件下，用一定等級(jí)的設(shè)備，對(duì)傳感器進(jìn)行反復(fù)循環(huán)測(cè)試，得到的輸入和輸出數(shù)據(jù)用表格列出或畫出曲線，這條曲線稱為校準(zhǔn)曲線。擬合直線：對(duì)傳感器特性線性化，用一條理論直線代替標(biāo)定曲線，即擬合直線。擬合直線不同，所得線性度也不同。常用的兩種合直，即端基合直和獨(dú)立合直，如1-4所示。1-4感器合直示意a）端基合直b）獨(dú)立合直①端基擬合直線是由傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點(diǎn)輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的一條直線。由此所得的線性度稱為端基線性度。這種擬合方法簡(jiǎn)單直觀，應(yīng)用較廣，但擬合精度很低，尤其對(duì)非線性比較明顯的傳感器，擬合精度更差。②獨(dú)立擬合直線方程是用最小二乘法求得的，在全量程范圍內(nèi)各處誤差都最小。獨(dú)立線性度也稱最小二乘法線性度。這種方法擬合精度最高，但計(jì)算很復(fù)雜。（2）滯：滯是指在相同工作條件下，感器正行程特性與反行程特性的不一致的程度，如l-5所示。其數(shù)同一入量的正行程和反行程出最大偏差△H

，與量程max的百分比。用γ

表示H1-5感器的滯特性或用其一半表示。3）重復(fù)性：如1-6所示，重復(fù)性是指在同一工作條件下，入量按同一方向在全量范內(nèi)化多次所得特性曲的不一致性。在數(shù)上用各量正、反行程準(zhǔn)偏差最大的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。記作γ

：

KγK從誤差的性質(zhì)講，重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差。若誤差完全按正態(tài)分布，則隨機(jī)誤差的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ，可由各次校準(zhǔn)量數(shù)據(jù)間的最大誤差△

求出：imσ=式中，σ前的系數(shù)為置信因數(shù)，n為重復(fù)測(cè)量的次數(shù)。置信因數(shù)取2時(shí)，置信概率為95%；置信因數(shù)取3時(shí)，置信概率為99.73%。（4）零漂和溫漂：傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時(shí)，每隔一定時(shí)間，其輸出值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比，即為零漂。溫度每升高1℃，傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比，稱為溫漂。1.3.2

動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是描述傳感器在被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)的輸出和輸入的關(guān)系。對(duì)于加速度等動(dòng)態(tài)測(cè)量的傳感器必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的研究，通常是用輸入正弦或階躍信號(hào)時(shí)傳感器的響應(yīng)來描述的，即傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)。小結(jié)：1.傳感器的定義2.傳感器的組成3.傳感器的作用4.傳感器的分類5.傳感器的基本特性1.4

傳感器的測(cè)量誤差與準(zhǔn)確度了解測(cè)量誤差的產(chǎn)生誤差的原因熟悉測(cè)量誤差的分類掌握測(cè)量誤差的表示方法理解準(zhǔn)確度與測(cè)量誤差的關(guān)系1.4.1

誤差的類型1.按誤差的性質(zhì)分類（1）系統(tǒng)誤差

在相同測(cè)量條件下多次測(cè)量同一物理量，其誤差大小和符號(hào)保持恒定或按某一確定規(guī)律變化，此類誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差表征測(cè)量的準(zhǔn)確度。（2）隨機(jī)誤差

在相同測(cè)量條件下多次測(cè)量同一物理量，其誤差沒有固定的大小和符號(hào)，呈無規(guī)律的隨機(jī)性，此類誤差稱為隨機(jī)誤差。通常用精密度表征隨機(jī)誤差的大小。準(zhǔn)確度和精密度的綜合稱為精確度，簡(jiǎn)稱精度。（3）粗大誤差

明顯偏離約定真值的誤差稱為粗大誤差。它主要是由于測(cè)量人員的失誤所致，如測(cè)錯(cuò)、讀錯(cuò)或記錯(cuò)等。含有粗大誤差的數(shù)值稱為壞值，應(yīng)予以剔除。在測(cè)量中，若誤差大于極限誤差Cσ，即為粗大誤差。2.按被測(cè)量與時(shí)間的關(guān)系分類（1）靜態(tài)誤差

被測(cè)量不隨時(shí)間變化時(shí)測(cè)得的誤差稱為靜態(tài)誤差。（2）動(dòng)態(tài)誤差

被測(cè)量在隨時(shí)間變化過程中測(cè)得的誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差是由于檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)滯后，或?qū)斎胄盘?hào)中不同頻率成分產(chǎn)生不同的衰減和延遲所造成的。動(dòng)態(tài)誤差值等于動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量所得誤差的差值。1.4.2

誤差的表示方法（1）絕對(duì)誤差Δ＝A

－Ax

0當(dāng)Ax＞A0時(shí)，為正誤差；反之為負(fù)誤差。修正值CC=－Δ絕對(duì)誤差和修正值的量綱必須與示值量綱相同。絕對(duì)誤差可表示測(cè)量值偏離實(shí)際值的程度，但不能表示測(cè)量的準(zhǔn)確程度。（2）相對(duì)誤差①實(shí)際相對(duì)誤差②示值(標(biāo)稱)相對(duì)誤差③滿度（引用）相對(duì)誤差1.4.3

準(zhǔn)確度傳感器和測(cè)量?jī)x表的誤差是以準(zhǔn)確度表示的。準(zhǔn)確度常用最大引用誤差來定義它表示傳感器的最大相對(duì)誤差為±S%。儀表引起的最大測(cè)量相對(duì)誤差為如壓力傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等；我國(guó)電工儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。某0.1級(jí)壓力傳感器的量程為100MPa，測(cè)量50MPa壓力時(shí)，傳感器引起的最大相對(duì)誤差為±0.2%。1.5

傳感器中的彈性敏感元件熟悉應(yīng)力和應(yīng)變的概念掌握彈性敏感元件的作用、特性和類型能將力、力矩、壓力、溫度等物理量變換成位移、轉(zhuǎn)角或應(yīng)變的彈性元件，稱為彈性敏感元件。因此，位移傳感器與彈性敏感元件（或構(gòu)件本身）組合，可構(gòu)成力、壓力、加速度、轉(zhuǎn)矩、液位、流量等傳感器。1.應(yīng)力截面積為S的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態(tài)時(shí)，在物體單位截面積上引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力圖1-7

應(yīng)變種類示意圖a)拉、壓應(yīng)力

b)剪切應(yīng)力正（向）應(yīng)力：拉伸或壓縮狀態(tài)，拉伸為正，壓縮為負(fù)。切(向)應(yīng)力：物體一端固定，另一端受平行于端面的力作用，圖1-7b所示方向?yàn)檎?，反之為?fù)值。2.應(yīng)變物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)變形縱向應(yīng)變?chǔ)舕橫向應(yīng)變?chǔ)舝切應(yīng)變:切應(yīng)力所產(chǎn)生的變形。式中，

x為力F使角點(diǎn)產(chǎn)生位移，L為固定端至力作用點(diǎn)之間的距離3.虎克定律與彈性模量σ=Eετ=Gγ式中，E為彈性模量或稱楊氏模量，單位為N／