传感器技术及应用第1讲测量技术概述

课程介绍课程名：传感器技术及应用学时：48小时（共16课）学分：2.5课程目的：了解常用传感器的基本原理及结构，掌握传感器的应用技能，达到能正确选择传感器的目的。课程介绍课程内容：1、检测与控制技术概述2、常用传感器的基本原理与应用3、传感器特性实验4、自动控制原理课程介绍教材：现代传感器技术及应用主编:秦志强电子工业出版社出版时间:2010.5课程介绍实训设备：1.现代传感器综合实训装置制造商:深圳市鸥鹏科技有限公司生产日期:2010.52.传感器实验仪制造商:浙江大学仪器仪表系生产日期:2000.10课程介绍学习评价方式与方法1.评价方式:形成性评价课程总成绩=平时成绩×30%+实训成绩×30%+实训考核成绩×40%2.具体内容及评分标准(1)平时成绩=考勤+课堂表现+作业(2)实训成绩=实训时，教师全方位观察每一个学生的每次实训全过程，注重学生的实训操作能力，实训通过，老师签名确认，学生每完成一个实训，就要完成一份实训报告，教师根据学生实训完成情况，课后实训报告的完成情况，给学生的每次实训记分，不交报告者不得分。(3)实训考核成绩=本课程最后一周组织学生进行实训考核，学生在已做过的实训中随机抽取一个实训，在规定时间内完成操作及简单报告，获得实训考核成绩。第一课测量技术概述一、目的了解测量与误差的基本概念，掌握传感器的一般分类及特性。二、内容1、测量的一般知识2、误差理论基础3、传感器概述4、传感器特性第一节测量的一般知识一、测量的基本概念所谓测量—就是将被测量与测量单位进行比较，得到被测量是单位的多少倍，并用数字和单位表示出来。鸟的身高h测量的结果就表示为h=8cm单位为cm第一节测量的一般知识二、测量方法直接测量和间接测量2种(一)直接测量所谓直接测量—就是能直接得到被测量的数值的测量方法如:直尺量身高、两个人比高、天平称金子。直接比较测量法—优点：测量过程简单、方便。第一节测量的一般知识二、测量方法直接测量和间接测量2种(一)直接测量所谓直接测量—就是能直接得到被测量的数值的测量方法如:直尺量身高、两个人比高、天平称金子。微差测量法—优点：当已知的精度很高，而且值又接近被量时，用较低精度的测量仪，也能得到高精度的测量结果。第一节测量的一般知识二、测量方法直接测量和间接测量2种(一)直接测量所谓直接测量—就是能直接得到被测量的数值的测量方法如:直尺量身高、两个人比高、天平称金子。零位测量法—优点：可获得较高的精度；缺点：是测量中需要进行平衡，测量过程较复杂。第二节误差理论基础二、测量方法直接测量和间接测量2种(二)间接测量无法直接进行测量，但可以直接测出边长a、b、c和质量m，然后利用公式如：测量铝块的密度ρ单位为Kg/m3abcmabc第二节误差理论基础二、测量方法直接测量和间接测量2种提问:1、采用水银体温计测量人体温度时，他属于哪种测量方法？2、利用超声波传感器测量距离时，他属于哪种测量方法？答：直接测量法答：间接测量法第一节测量的一般知识一、误差的基本概念要取得任何一个量值，都必需通过测量来完成。而任何方法测量的数值都不可能绝对准确。即总是有误差abc理论值=真值约定真值代替真值所谓约定真值—就是与真值的差可以忽略不计的值。第一节测量的一般知识一、误差的基本概念误差分类（一）、按表示方法分类1、绝对误差2、相对误差----Δx=x-x0%1000xx式中：Δx—绝对误差x—测量结果x0—约定真值第一节测量的一般知识一、误差的基本概念误差分类（二）、按按性质分类1、随机误差2、粗大误差3、系统误差第一节测量的一般知识1、随机误差误什么叫随机误差？在相同的条件下，对同一被测量进行多次等精度测量时，由于各种随机因素的影响，各次测量值之间存在一定差异，这种差异就是随机误差。第一节测量的一般知识1、随机误差（1）随机变量及概率密度函数测量中出现的随机误差是大量相互独立的随机因素造成的，在测量时无法准确预测每一次测量结果，而只能估计每一次测量值落入某一区间的概率有多大。如果将测量值看做一个随机变量X，那么它落入某一区间（x1,x2）的概率可表示为：P{x1＜X≤x2}=P{X≤x2}-P{X≤x1}第一节测量的一般知识1、随机误差（1）随机变量及概率密度函数如果P{X≤x}（-∞＜x＜+∞)存在非负数的函数f(x),使对于任意的实数x有:xttfxXpd)(}{则f(x)称为随机变量X的概率密度函数第一节测量的一般知识1、随机误差（2）正态分布随机误差的性质测量中出现的随机误差一般符合正态分布,并具有以下性质:1、对称性2、单峰性3、有界性4、抵偿性第一节测量的一般知识1、随机误差（3）正态分布随机变量的数字特征1、算术平均值nxxnii1算术平均值是被测量真值的最佳估计值。第一节测量的一般知识1、随机误差（3）正态分布随机变量的数字特征2、标准偏差nxniin120)(lim-σ第一节测量的一般知识nxniin120)(lim1、随机误差（3）正态分布随机变量的数字特征2、标准偏差标准偏差最佳估计值1)(12^nxxnii第一节测量的一般知识1、随机误差标准偏差最佳估计值是如何计算呢？1)(12^nxxnii-σ例题：第一节测量的一般知识1、随机误差（4）置信区间与置信概率随机误差δ=X-μ也是一个随机变量，通常要确定δ落入某一区间（a,b]的概率多大。δ的取值范围（a,b]称置信区间。而随机变量在置信区间内取值的概率P{aδ≤b}则称置信概率第一节测量的一般知识2、系统误差在相同条件下，对同一被测量进行多次等精度测量时，由于测量仪表不准确、测量方法不完善、或环境因素的影响等，造成各次测量值之间存在一定差异，但各次测量误差保持为常数或按一定规律变化。这种测量误差就称为系统误差。第一节测量的一般知识3、粗大误差（意外误差）在相同条件下，对同一被测量进行多次等精度测量时，有个别测量结果的误差远远大于规定条件下的预计值。这类误差一般由于测量者粗心大意或测量仪器突然出现故障等造成。称之为粗大误差（或寄生误差）第一节测量的一般知识五、测量数据的误差自学直接测量数据的误差分析第三节传感器概述一、传感器的定义和作用广义地说：传感器是指能感知某一物理量、化学量或生物量等信息，并能将之转化为可以利用的信息的装置。狭义地说：感受被测量，并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信号的装置。第三节传感器概述二、传感器的分类（一）按被测量分类温度、压力、流量、位移、速度等传感器（二）按工作原理分类电阻式、电感式、电容式、谐振式、阻抗式、磁电式、热电式、光电式、霍尔式等传感器。（三）按输出信号的性质分类开关式、模拟式（脉冲、连续）、数字式等传感器第三节传感器概述三、传感器的组成非电量电量敏感元件转换元件测量电路辅助电源敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与捡出被测对象的待测信息(非电量)的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。第三节传感器概述三、传感器的组成非电量电量敏感元件转换元件测量电路辅助电源传感器一般由敏感元件、传感（转换）元件、测量电路和辅助电源等四部分组成第三节传感器概述四、传感器的发展超势（一）新材料的开发、应用（二）新工艺、新技术的应用（三）利用新的效应开发新型传感器（四）传感器的多功能化（五）传感器的集成化（六）传感器的智能化第四节传感器的特性1、传感器的静态特性2、传感器的动态特性第四节传感器的特性1、传感器的静态特性当输入信号不随时间变化时．输出信号与输入信号的关系称为传感器的静态特性xy0a1在理想的情况下，传感器的输出量y与输入量x之间应为线性关系，其静态特性可表示为：y=a1x第四节传感器的特性1、传感器的静态特性常用的传感器静态性指标包括：（1）灵敏度（2）精确度（3）测量范围与量程（4）线性度误差（5）滞后量（6）重复性第四节传感器的特性1、传感器的静态特性（1）灵敏度（有单位的量）传感器的灵敏度K是指达到稳定工作状态时，输出变化△y与引起此变化的输入量的变化量△x之比，即：xyk灵敏度越大越好第四节传感器的特性1、传感器的静态特性（2）精确度传感器的精确度是指传感器的输出指示值与被测量约定值的一致程度，它反映了传感器测量结果的可靠程度。第四节传感器的特性1、传感器的静态特性（3）测量范围与量程指按其标定的精确度可进行测量的被测量的变化范围，而测量范围的上限值ymax与下限值ymin之差就是传感器的量程ym，即：ym=ymax-ymax测量范围：-20℃～80℃量程：100℃-20℃80℃第四节传感器的特性1、传感器的静态特性（4）线性度误差实际的静态特性曲线与规定直线之间，在垂直方向上的最大偏差与最大输出的百分比%100)(%maxmaxyyLLymaxao0xmaxxy(△yL)max第四节传感器的特性1、传感器的静态特性（5）滞后量：正反行程中输出/输入不重合的程度当输入信号逐渐增大，而后又逐渐减小时．对应同一信号值会出现不同的输出信号，在全量程范围内．对应于同一输入信号的前后两个输出信号的最大差值为H，滞后量可用H对满量程输出为yn百分比表示。%100nRyHxynHy0H--越小越好第四节传感器的特性五、传感器的特性1、传感器的静态特性（6）重复性：表示输入量按同一方向(增加或减小)变化时，在全量程范围内，重复进行测试时，所得到的各特性曲线的重复程度，一般用输出最大不重复误差δ与满量程的百分比表示。yfs△Rmx1xy0%100maxFsRyR第四节传感器的特性2、传感器的动态特性当输入信号随时间变化时，输出信号与输入信号的关系称为传感器的动态特性如果以阶跃信号作为激励（输入），来研究动态特性，而此时的输出称为阶跃响应。第四节传感器的特性2、传感器的动态特性从数学模型的角度看，也可将传感器分为零阶、一阶、二阶、三阶等传感器。第四节传感器的特性2、传感器的动态特性（1）零阶传感器如线性电位器就属于零阶传感器，数学模型的一般形式是：y=Kxotky零阶传感器的单位阶跃响应图无时间滞后第四节传感器的特性2、传感器的动态特性（2）一阶传感器如用以测量温度的不带保护套的热电偶，就属于一阶传感器，数学模型的一般形式是：)1(Ttekyotky一阶传感器的单位阶跃响应图T1T20.632K稳值定第四节传感器的特性2、传感器的动态特性（3）二阶传感器如用以测量温度的带保护套的热电偶，就属于二阶传感器。y二阶传感器的单位阶跃响应图otk稳值定欠阻尼临界阻尼过阻尼xbyadtdyadtyda002221第四节传感器的特性2、传感器的动态特性欠阻尼时的单位阶跃响应上升时间峰值时间建立时间0.1K0ty允许误差（±5%）瞬时过冲K0.9K上升时间越短越好