传感器材料教学教案

1、苏州市职业大学教师教学教案课 程 名 称 传感器技术与应用任课教师黄艳所在院（部）电子信息所在系（教研室）通信技术系2015 年9 月1 日项目 1 传感器误差与特性分析【教学目标与要求】能对测量数据进行分析整理能根据实际使用条件选择适用的传感器掌握测量误差的分类及一般计算方法掌握传感器的定义及组成理解传感器的基本特性及相应指标了解传感器技术的发展趋势【教学重点与难点】根据实际适用条件选择适用的传感器理解传感器的基本特性及相应指标【课程类型】B 类（理论+实践）。【教学方法与】多教学。【学时分配】理论 2 学时，实训学时 21.1 检测结果的数据整理1.测量与测量方法检测是指在生产、科研、试验

2、及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验和方法，把被测量与作为的标准量进行比较，以确定被测量是标准量的多少倍数的工程。测量结果包括数值大小和测量两部分。测量的分类：电测法和非电测法，直接测量和间接测量，静态测量和动态测量，接触测量和非接触测量，模拟式测量与数字式测量。2.测量误差及其表示方法误差（Error）：测得值与被测量的真值之差。真值：一定的时间和空间条件下，某物理量体现的真实数值。标称值：计量或测量器具上标注的量值。示值：由测量仪器给出或提供的量值，也称测量值。（1）绝对误差与修正值（

3、2）相对误差实际相对误差：示值相对误差也叫标称相对误差：满度相对误差满度相对误差也叫作满度误差和误差。通过满度误差实际上给出了仪表各量程内绝对误差的最大值：测量值相对误差x 与满度相对误差 S%的关系：测量值 x 靠近满量程值 xm 相对误差小。电工仪表将满度相对误差分为七个等级：电工仪表就是按误差之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大相对误差。如果仪表为S 级，则说明该仪表的最大误差不超过 S%测量点的最大相对误差。在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值 2/3 以上的区域。3.测量误差的分类及来源（1）系统误差：在同一条件下

4、，多次重复测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按某一确定规律变化的误差。实际估计系统误差常用适当次数的重复测量的算术平均值减去约定真值来表示，也称为测量器具的偏移或偏畸。 由于系统误差具有一定的规律性，因此可以根据其产生原因，采取一定的技术措施，设法消除或减小；也可以在相同条件下对已知约定真值的标准器具进行多次重复测量的办法，或者通过多次变化条件下的重复测量的办法，设法找出其系统误差的规律后，对测量结果进行修正。（2）随机误差：同一测量条件下，多次重复测量同一量值时，绝对值和符号以不可预知的方式变化的误差。又称为偶然误差。产生原因：实验条件的偶然性微小变化，如温度波动、噪声干

5、扰、电磁场微变、电源电压的随机起伏、地面振动等。随机误差的大小、方向均随机不定，不可预见，不可修正。虽然一次测量的随机误差没有规律，不可预定，也不能用实验的方法加以消除。但是，经过大量的重复测量可以发现，它是遵循某种统计规律的。（3）粗大误差：超出规定条件下预期的误差。又称为疏忽误差、过称粗差。差或简产生原因：某些偶尔突发性的异常或疏忽所致。测量方法不当或错误，测量操作疏忽和（如未按规程操作、读错读数或、或计算错误等）。测量条件的突然变化（如电源电压突然增高或降低、雷电干扰、机械冲击和振动等）。1.2 传感器特性分析与传感器选用1.传感器的组成及其分类敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成

6、确定关系的某一物理量的元件。转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量。基本转换电成电量输出。传感器的分类：（1）按被测量分类述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换温度、流量、力、（2）按测量原理分类度、气体化学成分等电阻式、电容式、电感式、热电式、霍尔式等按传感器转换能量供给形式分类能量变换型（发电型）、能量控制型（参量型）按传感器工作机理分类结构型传感器和物性型传感器2.传感器的静态特性与指标传感器特性：主要是指输出与输入之间的关系。静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时，输出与输入之间关系称为静态特性。动态特性：当输入量随时间较快地变化时，输出与输入之间关系称

7、为动态特性。（1）精密度、准确度和精确度精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。准确度高不一定精密度高。精确度：精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。实际的常以测量误差的相对值表示。稳定性时间稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。测试

8、时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔 4h、8h 或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。既可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。测试时先将传感器置于一定温度(如 20)，将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数(如 5或 10)，再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。温度稳定性误差用温度每变化若干的绝对误差或相对误差表示，每引起的传感器误差又称为温度误差系数。稳定性指传感器对外界干扰的抵抗能力。例如：抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些

9、能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。灵敏度传感器输出的变化量y 与引起该变化量的输入变化量x 之比即为静态灵敏度，表达式为因此，传感器输出曲线的斜率就是灵敏度。线性特性的传感器，特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k 是一常数，与输入量大小无关。（4）线性度传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等的情况下，静态特性数学模型可用下列多项式代数方程表示：静态特性曲线可实际测量。在测得特性曲线之后，可以说问题已经解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望是线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或补偿，进行线性化处理。一般来说，这些办法都比较复杂。

10、在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度。通常用相对误差表示：（5）迟滞传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示，即迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。（6）重复性重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。重复性误差可用正反行程

11、中最大偏差表示：（7）可靠性可靠性（Reliability）：传感器或检测系统在规定工作条件和规定时间内具有正常工作性能的能力。可靠度（Reliability）、平均无故障工作时间、平均修复时间、失效率或故障率。3.传感器的动态特性与指标动态特性：传感器对随时间变化的输入量的响应特性。被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。4.传感器的标定与选用如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器，需要认真考虑以下六个问题：（1）灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感

12、器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下问题。 当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越扰噪声越以保证传感器的输入性区域内工作。过高的灵敏度，影响其适用的测量范围，应要求传感器的信噪比愈大愈好。 当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈好，而横向灵敏度愈小愈好；如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。（2）响应特性传感器的响应特性是指，在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。但实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽；而

13、结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响、机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。在动态测量中，传感器的响应特性对有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)（3）线性范围性范围内，传感器的输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。为了保证测量的精确度，传感器工作性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本性误差。，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线然而，在某些情况下，保证传感器绝对工作性区域内也是不容易的。在许可限度内，也可以取

14、其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。（4）稳定性传感器的稳定性是经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。为了保证传感器长期稳定地工作，而不需经常地更换或校准，在选择和使用传感器时应注意以下两个问题。根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑湿度的影响；又如，对变极距型电容式传感器和光电传感器，环境灰尘油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质和感光性质。对于磁电式传感器或霍尔效应元件等，应考虑周围电磁场带来测量误差。滑线电阻式传感器表面有灰尘时，将会引入噪声。要创造或保持良好的

15、使用环境。（5）精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否测试系统具有直接的影响。反映被测量，对整个在某些情况下，要求传感器的精确度愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在 0.10.001mm 范围内。在实际中，需要同时兼顾测量目的和经济性。对于定性分析的试验，应要求传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确；对于定量分析，那么必须获得精确量值。（6）测量方式传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要。例如，接触与非接触测量、破坏与