传感器基础知识.

第2章传感器基础知识传感器及测试技术基本概念测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基本特性等，他们是传感与测试技术的理论基础。一、测量方法二、误差分类三、传感器基本特性一、测量方法1、静态测量2、动态测量3、直接测量4、间接测量5、接触式测量6、非接触式测量7、离线测量8、在线测量对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。e.g.温度计1静态测量2、动态测量地震测量的振动波形设备振动检测、故障诊断地震时间(分)便携式仪表可以显示波形的便携式仪表3、直接测量电子卡尺4、间接测量对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量）。5、接触式测量如：体温计6、非接触式测量雷达测速车载电子警察7、离线测量（实验室测量）产品质量检验8、在线测量在生产过程中，检测装置安装在生产线上进行测量在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。二、测量误差真值：是表征物理量与给定的特定量的定义一致的量值。真值是客观存在，但是不可测量。约定真值：是按国际公认的单位定义，利用科学技术发展的最高水平所复现的单位基准，常以法定形式规定或指定。约定真值相对真值是在满足规定准确度时用来代替真值使用的值。基本概念标称值：是计量或测量器具上标注的量值。如标准砝码标出的1kg，标准电池上标出的1.0186V等。标称值不一定等于它的实际值，所以，在给出标称值的同时，通常还给出它的误差范围或准确度等级。示值：是由测量仪表给出或提供的量值，也称测量值。准确度：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。定量表达时应该用“测量不确定度”。测量不确定度：是表示测量结果（测量值）不能肯定的程度，或者说它是表征测量结果分散程度高低的一个可量化的表示值。通常用标准偏差法或统计学方法进行评定测量结果。重复性：在相同条件下（即相同程序、条件、人员、设备、地点），对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的一致性。误差公理：测量结果与被测量真值之差就是测量误差。测量误差的存在是不可避免的，也就是说“一切测量都有误差，误差自始至终存在于所有科学试验的过程中”，这就是误差公理。人们研究测量误差的目的：就是寻找产生误差的原因，认识误差的规律、性质，进而找出减小误差的途径与方法，以求获得尽可能接近真值的测量结果。绝对误差：Δ=Ax－Ａ0某人在三家商店分别购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？Ax：示值，可用测量值、标称值、标准源的调定值或定值来代替Ａ0：真值，由于真值的不可知性，常用约定真值代替相对误差及精度等级相对误差:绝对误差与真值之比，这里用示值代替真值。定义绝对误差与测量仪表的量程Am之比为引用误差：最大引用误差为（基本误差）100%1-2xxAmm100%1-3Amm1001-4SA仪表的准确度等级和基本误差例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为2.5%。国家标准GB776-76《测量指示仪表通用技术条件》规定准确度等级指数分为7个等级误差产生的因素：1.粗大误差明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。产生粗大误差的一个例子2.系统误差：系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。3.随机误差在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。随机误差的正态分布规律长度相对测量值次数统计随机事例的几个例子彩票摇奖4.动态误差由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。正常有动态误差自学内容：传感器测试误差术语：真值、约定真值、精度、精密度、准确度、变差（回差）、重复性、再现性、漂移、线性度、测量误差、绝对误差、相对误差、引用误差、偏差、算术平均误差、标准误差（均方根误差）、或然误差、基本误差（精度等级）、附加误差、零点误差、量程误差、仪器误差、环境误差、方法误差、人员误差、粗大误差、范围误差、理论误差、测量不确定度（用标准误差表示）、偶然误差、疏失误差。三、传感器的基本特性（一）、传感器的组成举例：测量压力的电位器式压力传感器1-弹簧管2-电位器传感器组成框图弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。弹性敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α弹簧管放大图当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。其他各种弹性敏感元件在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。压力传感器的外形及内部结构被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-----电阻的变化（ΔR）360度圆盘形电位器右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。接地测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。分压比电路的计算公式如下：直滑电位器式传感器的输出电压Uo与滑动触点C的位移量x成正比：oixUUL对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：oi360UU（二）、传感器分类传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：１）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。（三）、传感器基本特性传感器的特性一般指：输入、输出特性，包括：灵敏度、分辨力、线性度、重复性、零点漂移、温漂、可靠性、稳定度、电磁兼容性等灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用K来表示：dyyKdxx作图法求灵敏度过程xyx1ΔxΔy0切点传感器特性曲线xmaxyKx分辨力：指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。线性度：LmaxLmaxmin100%yy线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小越好。线性度的计算公式如下：•重复性–在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内，连续变动多次所得特性曲线的不一致性。–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。有时重复性虽然很好，但可能远离真值。•零点漂移–传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为~•温漂–表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1摄氏度，输出最大偏差与满量程的百分比来表示。可靠性：是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。“老化”试验：在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境低温环境高温环境……反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低。老化试验台第2章小结一、测量方法二、误差分类三、传感器基本特性