传感器及测量的基本知识

1、传感器及测量的基本知识了解测量的基本知识了解测量的基本知识掌握各类传感器的基本特掌握各类传感器的基本特 性性和工作原理、典型测量电路和工作原理、典型测量电路了解各类传感器的典型应用了解各类传感器的典型应用河南工业职业技术学院电气工程系第1章 传感器及测量的基本知识v1.1.传感器的基本知识传感器的基本知识v 2.2.测量及数据处理测量及数据处理第一讲第一讲 传感器的基本知识传感器的基本知识一、传感器的定义：一、传感器的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置成可用输出信号的器件或装置。变量分类：电量和非电量。变量分类：电量和

2、非电量。狭义理解：传感器是把被测的非电狭义理解：传感器是把被测的非电量转换成电量的器件或装置。量转换成电量的器件或装置。二、传感器的组成二、传感器的组成辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路被测量电量l敏感元件敏感元件：能直接感受被测量，并输出与被测量成能直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。常被称为弹性敏感元确定关系的某一物理量的元件。常被称为弹性敏感元件。件。l转换元件转换元件：能将感受到的非电量直接转换成电量的能将感受到的非电量直接转换成电量的器件或元件。如应变片将应变转换为电阻量。器件或元件。如应变片将应变转换为电阻量。l转换电路转换电路：将电参量转换成

3、电量。如电桥电路将电将电参量转换成电量。如电桥电路将电阻的变化转换成电压。阻的变化转换成电压。 最简单的传感器最简单的传感器由一个敏感元件由一个敏感元件( (兼转换元兼转换元件件) )组成，它感受被测量时直接输出电量，如热组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。电偶。 有些传感器由敏感元件和转换元件组成，有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块质量块m m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转

4、换。次转换。 压 力 作 用 膜片形变（应变） 应变片电阻改变 敏感元件敏感元件传感元件传感元件压力传感器示例压力传感器示例三、传感器的分类1、按输入量分类：、按输入量分类：物理量传感器，如温度传感器。化学量传感器，如传感器。生物量传感器，如血糖仪。2、按转换原理分类：、按转换原理分类：结构型传感器，如电容式传感器。物性型传感器，如压电式传感器。复合型传感器结构型结构型：以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。而不是以材料特性变化为基础。 物性型物性型：物性型传感器的性能随材料的不同而异。物性型传感器的性能随材料的

5、不同而异。3、按输出信号分类：、按输出信号分类：模拟式（连续信号），如电阻式传感器等模拟式（连续信号），如电阻式传感器等开关式（离散信号），如光电编码器等开关式（离散信号），如光电编码器等4、按输入输出特性分类：、按输入输出特性分类：线性线性非线性非线性线性：输出与输入成线性关系。线性：输出与输入成线性关系。非线性：输出与输入成非线性关系。非线性：输出与输入成非线性关系。如图如图1-1-11-1-1所示所示图图1-1-1 1-1-1 按输入输按输入输出特性分类出特性分类5、按能量转换方式分类：、按能量转换方式分类：有有源源型型无无源源型型传感器种类繁多，功能各异，传感器种类繁多，功能各异， 有

6、多种不同分类。有多种不同分类。如还有根据使用的敏感材料分为：根据使用的敏感材料分为：半导体传感器半导体传感器光纤传感器光纤传感器陶瓷传感器陶瓷传感器高分子材料传感器高分子材料传感器复合材料传感器复合材料传感器按照传感器的用途分类按照传感器的用途分类 ：位移传感器位移传感器压力传感器压力传感器振动传感器振动传感器温度传感器温度传感器四、传感器的基本特性四、传感器的基本特性静态特性静态特性动态特性动态特性动态特性：动态特性：当输入量随时间较快地变化时，输当输入量随时间较快地变化时，输出与输入的关系称为动态特性；出与输入的关系称为动态特性；静态特性：静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时，当输入量为

7、常量，或变化极慢时，输出与输入的关系称为静态特性；输出与输入的关系称为静态特性；1、静态特性：、静态特性：1)灵敏度灵敏度:xykxyk或线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率. .非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器非线性传感器灵敏度是一个变量，只能表示传感器在某一工作点的灵敏度。在某一工作点的灵敏度。 包括灵敏度、分辨力、测量范围及误差特性。包括灵敏度、分辨力、测量范围及误差特性。表征传感器对输入量变化的反应能力2)分辨力分辨力:传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量。的最小变化

8、量。模拟式传感器是以最小刻度的一半所代表模拟式传感器是以最小刻度的一半所代表 的输的输入量表示；入量表示；数字式传感器则以末位显示一个字所代表的输数字式传感器则以末位显示一个字所代表的输入量表示。入量表示。 分辨力说明了系统可测出的最小输入改变量。分辨力说明了系统可测出的最小输入改变量。 对对数字式系统，分辨力指能引起数字输出的末位数发生数字式系统，分辨力指能引起数字输出的末位数发生改变所对应的输入增量。改变所对应的输入增量。 3）测量范围和量程测量范围和量程：测量范围：测量范围：ymimymax 量程：量程：yF.S= ymaxymim4）误差特性：误差特性： 线性度：线性度：v静特性静特性

9、nnxaxaxaxaay332210输输 出出 量量输输 入入 量量零点输出零点输出理论灵敏度理论灵敏度非线性项系数非线性项系数直线拟合线性化直线拟合线性化 非线性误差或线性度非线性误差或线性度100%maxFSyL线性度线性度( (非线性误差非线性误差):): 非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便差。另外

10、，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。端基线性度端基线性度平均选点线性度平均选点线性度独立线性度独立线性度. 迟滞：迟滞：表明传感器在正向行程和反向行程期间，输表明传感器在正向行程和反向行程期间，输出出- -输入特性曲线不重合的程度。输入特性曲线不重合的程度。可用下式表示可用下式表示: :%100maxFSyHH. 重复性：重复性：输入量按同一方向作全程多次测试时，所输入量按同一方向作全程多次测试时，所得特性曲线不一致的程度。得特性曲线不一致的程度。可用下式表示可用下式表示: :%100/)32(FSKy重复性属于随机误差，为标准误差。重复性属于随机误差，为标准误差。D零漂：零漂： 传感器在零

11、输入状态下，输出值的变化称传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。示。v 传感器能测量动态信号的能力用动态传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响

12、应范围、临界频率等。频率响应范围、临界频率等。 2、动态特性、动态特性第二讲第二讲 测量及数据处理测量及数据处理一、测量的定义：一、测量的定义：借助于专用的技术工具或手段，借助于专用的技术工具或手段，通过实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比通过实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，求取二者比值，从而得到被测量数值大小的过程。较，求取二者比值，从而得到被测量数值大小的过程。测量过程有三要素：测量过程有三要素：测量单位；测量单位；测量方法；测量方法； 测量仪器与设备。测量仪器与设备。二、测量方法的分类：二、测量方法的分类：按测量过程的特点分类按测量过程的特点分类：直接测量法直接测量法

13、间接测量法间接测量法l直接测量：直接测量：用事先分度或标定好的测量仪表事先分度或标定好的测量仪表，直接读取被测量测量结果的方法。直接将被测量与标准量进行比较。标准量标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、激光、） 定值标准量（如某一固定尺寸）定值标准量（如某一固定尺寸） 如：如：测量结果：测量结果：20.1 mm特点：特点：简单、直观、明了；简单、直观、明了； 测量精度不高测量精度不高直接测量：直接测量：偏差法：偏差法：利用测量仪表指针相对于刻度初始利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位移点的位移( (即偏差即偏差) )来决定被测量的测量方法。来决定被测量的测量方

14、法。零位法：零位法：用已知的标准量去平衡或抵消被测用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表态，从而判定被测量的作用，并用指零式仪表态，从而判定被测量值等于已知标准量的方法。量值等于已知标准量的方法。微差法：微差法：将被测量将被测量x x的大部分作用先与已知的大部分作用先与已知标准量标准量N N的作用相抵消，剩余部分即两者差值的作用相抵消，剩余部分即两者差值xNxN，这个差值再用偏差法测量。，这个差值再用偏差法测量。u零位法： 例如，如图所示电位差计电路测量电压。在进行测例如，如图所示电位差计电路测量电压。在进行测量之前，应先调量之前，应先调R R1 1，将电路工作电流，将电路工作

15、电流I I校准；在测量时，校准；在测量时，要调整要调整R R的活动触点，的活动触点， 使检流计使检流计G G回零，这时回零，这时I Ig g为零，即为零，即U Uk kU Ux x。这样，标准电压。这样，标准电压U Uk k的值就表示被测未知电压值的值就表示被测未知电压值U Ux x。 接触测量法接触测量法按测量仪表的特点分类按测量仪表的特点分类：接触测量非接触测量非接触测量法非接触测量法按测量对象特点分类按测量对象特点分类：静态测量法静态测量法动态测量法动态测量法三、测量误差的分析：三、测量误差的分析： 测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值。但测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值

16、。但由于种种原因由于种种原因, , 例如例如, , 传感器本身性能不十分优良传感器本身性能不十分优良, , 测量测量方法不十分完善方法不十分完善, , 外界干扰的影响等外界干扰的影响等, , 都会造成被测参数都会造成被测参数的测量值与真实值不一致的测量值与真实值不一致, , 两者不一致程度用测量误差表两者不一致程度用测量误差表示。示。 测量误差就是测量值与真实值之间的差值。测量误差就是测量值与真实值之间的差值。 它反映它反映了测量质量的好坏。了测量质量的好坏。*约定真值约定真值：实际计算中用约定真值代替真值。实际计算中用约定真值代替真值。对某一对某一被测量用精度高一级的仪表测得的值，可视为精度

17、低一被测量用精度高一级的仪表测得的值，可视为精度低一级仪表的约定真值。级仪表的约定真值。1 1、误差的分类：、误差的分类： 1）按误差的表示方法分类）按误差的表示方法分类 (1)绝对误差绝对误差 被测量的指示值被测量的指示值Ax与其真值与其真值A0之间的差值。之间的差值。 AxA0有正、负，有单位。有正、负，有单位。 修正值修正值：等于绝对误差的相反数（等于绝对误差的相反数（C=），则），则 A0AxC 绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值，测量精度愈绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值，测量精度愈高。高。但这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不能说但这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不能说

18、明不同值的测量精度。明不同值的测量精度。例如，某测量长度的仪器；测量例如，某测量长度的仪器；测量10mm10mm的长度，绝对误差为的长度，绝对误差为0.001mm0.001mm。另一仪器测量。另一仪器测量200mm200mm长长度，误差为度，误差为0.01mm0.01mm；这就很难按绝对误差的大小来判断测；这就很难按绝对误差的大小来判断测量精度高低了，这是因为后者的绝对误差虽然比前者大，量精度高低了，这是因为后者的绝对误差虽然比前者大，但它相对于被测量的值却显得较小。但它相对于被测量的值却显得较小。注意示值和仪器的读数是有区别的，读数注意示值和仪器的读数是有区别的，读数是从仪器刻度盘、显示器等

19、读数装置上直是从仪器刻度盘、显示器等读数装置上直接读到的数字，而示值则是由仪器刻度盘、接读到的数字，而示值则是由仪器刻度盘、显示器上的读数经换算而成的。显示器上的读数经换算而成的。(2)相对误差相对误差 1）实际相对误差）实际相对误差2）示值）示值(标称标称)相对误差相对误差3）满度）满度(引用引用)相对误差相对误差式中，式中， AF.S为仪表满量程。为仪表满量程。%1000AA%100 xxA%100.SFnA传感器的误差是以准确度表示的。传感器的误差是以准确度表示的。准确度常用最大引用误差来定义：准确度常用最大引用误差来定义：它表示传感器的最大相对误差为它表示传感器的最大相对误差为S%。测

20、量相对误差为：。测量相对误差为：100.maxSFAS%100.xSFxmASA例：某例：某0.1级压力传感器的量程为级压力传感器的量程为100MPa，测量，测量50MPa压力时，传感器引起的最大相对误差为压力时，传感器引起的最大相对误差为0.2%。2 2）按误差的性质分类：系差、随机误差和粗大误差。）按误差的性质分类：系差、随机误差和粗大误差。v（1）系统误差）系统误差vA.特点特点：具有单向性（大小、正负一定具有单向性（大小、正负一定 ）v 可消除（原因固定）可消除（原因固定） v 重复测定重复出现重复测定重复出现 B.分类分类： 1）按来源分）按来源分 a方法误差：方法不恰当产生；方法误

21、差：方法不恰当产生； b b仪器误差：仪器不精确产生；仪器误差：仪器不精确产生； c c操作误差：操作误差： 操作方法不当引起操作方法不当引起； 2）按性质分）按性质分 a a已定系差已定系差 b b未定系差未定系差C.系统误差的消除：系统误差的消除：交换法：交换法： 在测量中，将引起系统误差的某些条件在测量中，将引起系统误差的某些条件( (如被如被测量的位置等测量的位置等) )相互交换，而保持其它条件不变，相互交换，而保持其它条件不变，使产生系统误差的因素对测量结果起相反的作用，使产生系统误差的因素对测量结果起相反的作用，从而抵消系统误差。从而抵消系统误差。 例如，以等臂天平称量时，由于天平

22、左右两臂长的例如，以等臂天平称量时，由于天平左右两臂长的微小差别，会引起称量的恒值系统误差。如果被称物与微小差别，会引起称量的恒值系统误差。如果被称物与砝码在天平左右称盘上交换，称量两次，取两次测量平砝码在天平左右称盘上交换，称量两次，取两次测量平均值作为被称物的质量，这时测量结果中就含有因天平均值作为被称物的质量，这时测量结果中就含有因天平不等臂引起的系统误差。不等臂引起的系统误差。 例如，千分卡有空行程，即螺旋旋转时，刻度例如，千分卡有空行程，即螺旋旋转时，刻度变化，量杆不动，在检定部位产生系统误差。为此，变化，量杆不动，在检定部位产生系统误差。为此，可从正反两个旋转方向对线，顺时针对准标

23、志线读可从正反两个旋转方向对线，顺时针对准标志线读数为数为d d，不含系统误差时值为，不含系统误差时值为a a，空行程引起系统误，空行程引起系统误差差，则有，则有d=a+d=a+；第二次逆时针旋转对准标志线、；第二次逆时针旋转对准标志线、读数读数d d，则有，则有d d= a-= a-，于是正确值，于是正确值a=(d+ d)/2a=(d+ d)/2，正确值正确值a a中不再含有系统误差。中不再含有系统误差。抵消法：抵消法： 改变测量中的某些条件改变测量中的某些条件( (如测量方如测量方向向) )，使前后两次测量结果的误差符号相，使前后两次测量结果的误差符号相反，取其平均值以消除系统误差。反，取

24、其平均值以消除系统误差。代替法：代替法： 这种方法是在测量条件不变的情况这种方法是在测量条件不变的情况下，用已知量替换被测量，达到消除系下，用已知量替换被测量，达到消除系统误差的目的。统误差的目的。 如图所示，天平称重：先使平衡物如图所示，天平称重：先使平衡物T T与被测物与被测物X X相相平衡，则平衡，则X=(L1/L2)TX=(L1/L2)T；然后取下被测物；然后取下被测物X X，用砝码，用砝码P P与与T T达到平衡，得到达到平衡，得到P=(L1/L2)TP=(L1/L2)T，取砝码数值作为测量结，取砝码数值作为测量结果。由此得到的测量结果中，同样不存在因果。由此得到的测量结果中，同样不

25、存在因L1L1、L2L2不不等而带来的系统误差。等而带来的系统误差。其他方法其他方法 （1 1） 对称观测法。对称观测法。在测量时设法获得对称数据，并利用在测量时设法获得对称数据，并利用测量数据的对称关系进行适当处理，从而消除系统误差的方法测量数据的对称关系进行适当处理，从而消除系统误差的方法即为对称观测法。即为对称观测法。 （2 2） 正负误差补偿法。正负误差补偿法。在相同的实验条件下进行两次测在相同的实验条件下进行两次测量，使系统误差对读数的影响一次为正、一次为负，则两次读量，使系统误差对读数的影响一次为正、一次为负，则两次读数的平均值可将系统误差消除掉，这种方法即为正负误差补偿数的平均值

26、可将系统误差消除掉，这种方法即为正负误差补偿法。例如，可用此法消除测量环境中恒定直流磁场的影响。法。例如，可用此法消除测量环境中恒定直流磁场的影响。 vA.A.特点：特点：v1)1)不具单向性（大小、正负不定）不具单向性（大小、正负不定）v2)2)不可消除（原因不定）不可消除（原因不定）v 但可减小（测定次数但可减小（测定次数）v3) 3) 分布服从统计学规律（正态分布）分布服从统计学规律（正态分布） (1)(1)对称性对称性 即绝对值相等的正误差和负误差出现的概即绝对值相等的正误差和负误差出现的概率相等。率相等。 (2)(2)单峰性单峰性 该特性说明绝对值小的误差出现的概率大。该特性说明绝对

27、值小的误差出现的概率大。 (3)(3)互抵性互抵性 曲线对称、正负误差可以抵消。曲线对称、正负误差可以抵消。 (4)(4)有界性有界性 误差的绝对值实际上不会超过某个限值。误差的绝对值实际上不会超过某个限值。 3 正态分布曲线图P（）2-2-3-0B.B.特性：特性：为了获得比较准确的测量结果，通常要对一个量的多次测量为了获得比较准确的测量结果，通常要对一个量的多次测量数据进行分析处理。其处理步骤如下：数据进行分析处理。其处理步骤如下：列出测量数据列出测量数据x1，x2，x3，xn。求算术平均值（测量值）求算术平均值（测量值） 。求剩余误差（残差）求剩余误差（残差）vi=xi 。用贝塞尔公式计

28、算标准偏差估计值用贝塞尔公式计算标准偏差估计值 。利用莱特准则（利用莱特准则（3准则）判别是否存在粗差。若准则）判别是否存在粗差。若 ，则该次测量值则该次测量值xi为坏值，剔除为坏值，剔除xi后再按上述步骤重新计算，直到后再按上述步骤重新计算，直到不存在坏值并且剔除坏值后的测量次数不少于不存在坏值并且剔除坏值后的测量次数不少于10次为止，如果次为止，如果不满不满10次应重新测量。次应重新测量。niixnx11xniivn12113ivC.标准误差的计算： 求算术平均值求算术平均值 的标准偏差估计值的标准偏差估计值 。 给出测量结果的表达式：给出测量结果的表达式： 式中，式中， 称为测量值；称为

29、测量值； 称为不确定度。置信度即可信程度，称为不确定度。置信度即可信程度，不确定度数值越大，置信度越高，丢失真实数据的可能性越小。不确定度数值越大，置信度越高，丢失真实数据的可能性越小。 xxA3xnxxx3 粗大误差又称为过失误差或疏失误差，简称为粗大误差又称为过失误差或疏失误差，简称为粗差，是由于操作不当、测量失误等原因造成测量粗差，是由于操作不当、测量失误等原因造成测量结果明显偏离实际值的误差。结果明显偏离实际值的误差。 测量时应耐心细致以免出现粗大误差，如果发测量时应耐心细致以免出现粗大误差，如果发现数据中有粗大误差，应予剔除。现数据中有粗大误差，应予剔除。系统误差和随机误差小结系统误差和随机误差小结 精确度是测量的准确度和精密度的综合反映。精确度精确度是测量的准确度和精密度的综合反映。精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。精确度有时简称高意味着系统误差和随机误差都很小。精确度有时简称为精度。下图说明了系统误差、随机误差对测量结果的为精度。下图说明了系统误差、随机误差对测