传感器应用技术（微课版）-课件 项目1 认识传感器

传感器应用技术2认识传感器定义分类发展趋势特性参数选用原则输出接线数据处理转换电路传感器技术智能检测技术磁敏传感器浓度传感器光电传感器位移传感器温度传感器课程主要内容传感器的工作原理、特性、选型、转换电路及其典型应用力学量传感器3课程学习要求专业知识能够分析常用传感器的工作原理、性能和特点能够分析电桥等常见转换电路的基本原理和特性能够掌握常用传感器的适用场合和使用方法能够理解和掌握传感器选型的性能指标能够掌握传感器的安装与调试方法能够掌握信号处理及抗干扰技术的基本知识学会分析典型检测系统的组成及工作原理学会应用误差理论及测量数据统计处理等知识专业技能学会查阅传感器技术资料、相关国家标准和行业规范学会传感器性能判别和筛选能够依据检测要求实现传感器的选型能够进行典型传感器的信号检测与转换电路设计学会常见传感器的安装与调试学会使用和维护典型电子检测仪表能够应用误差与统计理论对传感器测量结果进行分析处理学会编制相关技术文件职业素质具备容忍、沟通和协调人际关系的能力具备团队合作和独立工作能力具备批评与自我批评的意识能够进行劳动组织与实施能够遵守劳动纪律和具备职业安全意识具备信息查询、资料收集与整理的能力具备工作分析、总结的能力具备制订工作进度表以及控制进度的能力具备方案设计与决策评估的能力

学习要求原理特点选型装调数处学习流程“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的－门捷列夫[Mendelyeev,DmitryIvanovich]

1认识传感器传感器的概念地位及作用自动检测/控制系统现状及趋势

1.1初识传感器1.1.1传感器的概念

1.1初识传感器1.1.1什么是传感器眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）人体系统和机器系统比较

感知外界信息→大脑→肌体1.1.1什么是传感器人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑对信号分析处理后传递控制信息给肌体；如果用机器完成这一过程，数据处理装置（如计算机等）相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。传感器好比人体感官的延伸，有人又称“电五官”。

图1.1.1人体与机器系统的比较1.1.1传感器的概念1.传感器（Sensor/Transducer）的定义

国家标准（GB/T7665—2005）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置；（3）广义：“某种可用信号输出”狭义：把外界信息按一定规律转换成电信号输出的器件。（4）“按一定规律”四层含义：（1）传感器是一种测量器件或装置，负责信号的采集与转换；测速发电机、发电机测速探头？（2）“规定的被测量信息”：非电量发电机是不是传感器？物理量化学量生物量按使用的场合不同传感器又称为:

变送器（Transmitter）、换能器(transducer)、探测器(Detector)输出信号形式敏感元件辅助电源传感元件被测量易处理中间量电参量转换电路电量（1）敏感元件：敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分。敏感元件在接受被测量后常常输出一种易于处理的非电量。

（2）传感元件：也叫转换元件，是将敏感元件的输出转换成适于传输或测量的电参数元件。（3）转换电路：也称信号调节/转换电路，是将转换元件输出的电参数进行处理，如放大、滤波、线性化和补偿等，以转换成易于处理的电压、电流或频率参量等。2传感器的典型组成

举例：测量压力的电位器式压力传感器位移、速度、温度等传感器分类方法按被测量性质/用途：按工作原理：物理型化学型生物型按能量关系：按输出信号性质：按构成原理：按构成传感器的功能材料：按高新技术：能量转换型能量控制型模拟式、数字式、开关式传感器结构型、物性、复合型传感器半导体传感器集成传感器、智能传感器仿生传感器、机器人传感器3传感器分类1.2.3传感器分类国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：物理量、化学量、生物量传感器三大门类；含12个小类：力学量、热学量、光学量、磁学量、电学量、声学量、射线、气体、离子、温度传感器以及生化量、生理量传感器。各小类按两个层次又分若干品种部分基本被测量和派生被测量位移

线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度角位移旋转角、偏转角、角振动速度

线速度流速、流量、动量角速度转速、角振动加速度

线加速度振动、冲击、质量角加速度角振动、扭矩、转动惯量力[学量]

压力静态压力、动态压力、表压、差压、绝对压力、微型压力重力、张力、应力、应变力矩扭矩、静态扭矩、动态扭矩基本被测量派生被测量位移、速度、温度等传感器分类方法按被测量性质/用途：按工作原理：物理型化学型生物型按能量关系：按输出信号性质：按构成原理：按构成传感器的功能材料：按高新技术：能量转换型能量控制型模拟式、数字式、开关式传感器结构型、物性、复合型传感器半导体传感器集成传感器、智能传感器仿生传感器、机器人传感器1.2.3传感器分类1.2.3传感器分类国标制定的传感器分类体系表将传感器分为：物理量、化学量、生物量传感器三大门类；含12个小类：力学量、热学量、光学量、磁学量、电学量、声学量、射线、气体、离子、温度传感器以及生化量、生理量传感器。各小类按两个层次又分若干品种部分基本被测量和派生被测量位移

线位移长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度角位移旋转角、偏转角、角振动速度

线速度流速、流量、动量

角速度转速、角振动加速度

线加速度振动、冲击、质量角加速度角振动、扭矩、转动惯量力[学量]

压力静态压力、动态压力、表压、差压、绝对压力、微型压力重力、张力、应力、应变力矩扭矩、静态扭矩、动态扭矩

基本被测量派生被测量部分基本被测量和派生被测量时间频率、周期、计数热[学量]温度、热流、热导率、热扩散率光[学量]光通量、光照度、光譜分布磁[学量]磁通量、磁场强度电[学量]电场强度、电流、电压声[学量]声压、声强、声功率湿度水气、水分、露点部分基本被测量和派生被测量时间频率、周期、计数热[学量]温度、热流、热导率、热扩散率光[学量]光通量、光照度、光譜分布磁[学量]磁通量、磁场强度电[学量]电场强度、电流、电压声[学量]声压、声强、声功率湿度水气、水分、露点1.1.2传感器的应用

构成现代信息技术的三大支柱是：

传感器技术（信息采集）；

通信技术

（信息传输）；

计算机技术（信息处理）；它们在信息系统中分别起到

“感官”、“神经”和“大脑”的作用。在利用信息的过程中，首先要解决获取准确可靠的信息问题，而传感器是获取信息的主要途径和手段。

25

传感器的应用领域涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品、起居生活、生物医疗等。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的是汽车市场的需求，占第二位的是过程控制市场，前景看好是通讯市场。科学研究的先行官

诺贝尔奖获得者R.R.Ernst说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”

俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的”

近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人1.1.2

传感器的应用26（1）传感器在工业监测和控制中的应用

1.1初识传感器数字化工厂项目（来源：深圳立德通讯）27产品质量测量

在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

汽车扭距测量机床加工精度测量汽车出厂检验原理框图28产品质量测量

1.1.2

传感器的应用

工业生产汽车参数检测位置检测（2）传感器与智慧人居31透光率传感器温湿度传感器温度传感器感应水龙头电子门32火灾报警器33（3）传感器在汽车中的应用发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等

汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容

普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。

底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等3435汽车气囊的保护作用

使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。36（4）传感器在机器人上的应用广州中鸣数码的机器狗触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。接近觉：主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。视觉：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉：主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。滑觉：主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。1.1.2传感器技术的作用和地位

机器人

视觉:平面、立体非视觉:触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、…

38项目1认识传感器弧焊机器人39喷漆机器人项目1认识传感器40（5）传感器在现代医学领域的应用项目1认识传感器外科手术机器人（马里兰大学）1.1.3

自动检测/控制系统控制器执行器过程传感器r(t)e(t)u(t)q(t)f(t)y(t)z(t)_+图1.1.2典型单闭环负反馈控制系统

1.1初识传感器液位控制系统1.1.4

传感器的发展历程及趋势利用结构参量（如应变、位移）变化来感受和转换信号利用材料（半导体、电介质、磁性材料等固体元件）的某些特性基于人工智能、信息技术实现物性型传感器智能传感器结构型传感器古埃及传感器天平1.1.4传感器技术的发展历程

中国古代传感器司南（战国时期）“司南之杓，投之于地，其柢指南。” --东汉王充《论衡》）指南车（上古时期）1.1.4传感器技术的发展历程及趋势指南鱼（北宋时期）“平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。”--《武经总要》罗盘（南宋时期）“罗盘（指南针）打开了世界市场并建立了殖民地。”--马克思《机器、自然力和科学的应用》李约瑟（JosephNeedham，1900-1995）：

中国人发明了指南针、火药，但欧洲人用指南针发现了新大陆，用火药多次打败了清政府，为什么？思考：历史的贡献要铭记、宣扬，同时要不断学习、创新和发展！1.1.4传感器的发展历程

传感器现状据统计目前全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和开发，研发机构6500余家。其中以美、日、德等国实力较强，美、日、德等国建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业，产品20000多种，大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。

我国的传感器产业在科技投入(经费、高级人才资源)、产业环境以及科技实力(专利件数、新品开发周期、关键材料与零组件、量产能力)三大方面的综合竞争能力远低于美国、日本、德国等发达国家。目前系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷，其主要原因之一是传感技术落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一方面也表现为传感器在智能化和网络方面的落后。我国“十三五”提出新的战略导向“智能制造”“中国制造2025”有着重要的现实意义。智能制造将成为未来制造业变革的方向，也是各国提升国力、抢占未来世界经济先机的必由之路。1.1.4传感器的发展历程49五、传感器的发展动向

引入多种技术途径，提高与改善传感器的技术指标利用原有或新发现的原理、材料和工艺等，开发新型传感器微型化、综合化网络化、智能化

1.1.4传感器的发展历程

1.1初识传感器内在发展（内涵）外在表现（外延）501．基于新原理利用原有的物理和化学效应，根据被测物理量的要求,巧妙地运用于传感器技术。利用集成技术和计算机技术开发的新型传感器。

512．利用新材料半导体敏感材料陶瓷材料磁性材料智能材料52

3．采用新工艺微机械加工技术（MEMS）微米/纳米技术53

4．微型化、多功能化同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。545．网络化、智能化1.2传感器特性与技术指标

一、理想传感器1.理想传感器特点1）传感器只敏感特定输入量，输出只对应特定输入；2）传感器的输出量与输入量呈惟一、稳定的对应关系，最好为线性关系；3）传感器的输出量可实时反映输入量的变化。2.实际传感器与外界因素二、传感器基本特性

传感器的基本特性：传感器的输入–输出关系特性。静态特性指标；稳定性和可靠性指标；动态特性指标；其它性能指标；数学模型基本特性指标描述方法（一）传感器的静态特性恒定或变化缓慢的量静态特性与时间有关吗？4种典型特性曲线理想线性x奇次项的非线性x偶次项的非线性x奇、偶次项的非线性y=a1xy=a1x+a3x3+…y=a1x+a2x2+a4x4…y=a1x+a2x2+…+anxn

式中：ΔLmax——最大非线性绝对误差；

YFS——满量程输出值。1.线性度（非线性）传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与拟合直线之间的吻合（偏离）程度。（一）传感器的静态特性指标灵敏度、线性度、分辨力、迟滞、重复性……作图法求线性度演示

（1—拟合曲线2—实际特性曲线）对于非理想直线特性的传感器，需要进行非线性校正，常采用以下方法。（1）理论拟合（2）过零旋转拟合（3）端点连线拟合（4）最小二乘拟合（5）最小包容拟合第一节传感器的静态特性图1-2各种直线拟合方法a)理论拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点平移拟合

2.灵敏度其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。用S表示灵敏度，即信噪比：误码率：SER=传输中的误码数/所传输的总码数×100%3.分辨力（率）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代表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。右表的分辨力为多少？分辨率：将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。

右表的满量程为99.9A，问：该表的分辨力、分辨率为多少？解：分辨力=0.1A分辨率=0.1A÷99.9A≈0.1%分辨力：能检测出的输入量的最小变化量。分辨率：分辨力/满量程值。阈值：即零点附近的分辨力4.测量范围与量程测量范围：[Amin,Amax]量程：5.准确度准确度等级：一般工业用仪表常用准确度等级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4.06.迟滞传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值与满量程之比称为迟滞误差。迟滞误差又称为回差或变差。7.重复性（Repeatability）

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差σ计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即

或8.电磁兼容性(EMC，ElectromagneticCompatibility)EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰(ElectromagneticDisturbance)不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性(ElectromagneticSusceptibility，即EMS)1.稳定性与漂移传感器的漂移:在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因：一是传感器自身结构参数；二是周围环境。

最常见的漂移是零点漂移和灵敏度漂移。（二）稳定性与可靠性指标稳定性：传感器经长期使用后输出特性不发生变化的能力；零漂：传感器在长时间工作的情况下，输入量不变(x=0)而输出量发生的变化，用于指示长时间工作稳定性零漂＝灵敏度漂移：灵敏度随时间而产生变化的现象式中ΔY0

——最大零点偏差；YFS——满量程输出。温漂：温度稳定性又称为温度漂移，传感器在外界温度发生变化的情况下，输入量不变输出量发出的变化温漂＝式中Δmax

——输出最大偏差；

ΔT——温度变化范围；

YFS

——满量程输出。仪表的零漂UinIout01mV1.5mA零漂10mA斜率不变12mAK1＝10mA/mVK2

＝K1零漂的校正方法：测量之前，将仪表的输入端短路，调节仪表的“调零电位器”，使仪表的输出为零。（仅适用于可测最小输入为0时额定输出为0的情况）K2

抗干扰稳定性这是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。

静态测量不确定度静态测量不确定度（传统上也称为静态误差）是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的可能偏离程度。

2.可靠性

反映传感器和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。包括：

故障平均间隔时间、平均修复时间、故障率或失效率等。浴盆曲线磨合期又称早期失效期稳定期又称偶然失效期失效期又称衰老失效期“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。高低温老化试验台氙灯老化试验机来源：莱思LESTEST智能压力变送器PDS403（四联集团）全焊接复合微硅传感器

高精度：±0.074FS

大量程比：100:1

过载极限：42MPa

完整的本机就地设定功能

强大的智能诊断功能

完美的智能仿真功能

温度、静压影响极小

符合多种现场总线标准：HART，PROFIBUSPA

五年免维护PDS403压力变送器技术参数：

测量范围：1kPa~40MPa

量程比：100：1

电源：10.5~45VDC（本安型安全栅电源30VDC）

输出：4~20mADC和HART通信；PROFIBUS-PA通信

环境温度：-40~85

介质温度：-40~100（充硅油）

精度：（0.0029r+0.071）%

长期漂移：0.15r/5年

温度漂移：（0.08r+0.1）%（-10~60）

（0.1r+0.15）%/10（-40~10；60~85）

外壳防护等级：IP67

防爆等级：Exia/ibCT4/T5/T6或ExdCT4/T5/T6

防腐：根据不同的介质选择相应的测量部材质输入标准信号阶跃响应法（时域）阶跃函数正弦函数指数函数冲击函数频率响应法（频域）研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。1.3.3传感器动态特性指标动态特性表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的数学模型A.微分方程描述：B.传递函数描述：s=d/dtC.频域函数描述：D.差分方程描述：热电偶传感器测温响应特性曲线水热电偶（1）时域响应特性及指标A.零阶传感器：y=kx+bB.一阶传感器：xy一阶传感器的时域动态响应曲线（1）时域响应特性及指标C.二阶传感器：二阶传感器的时域动态响应曲线(a)幅频特性(b)相频特性图1.3.4一阶传感器的频率特性时间常数τ越小，频率响应特性越好。当ωτ<<1时，A(ω)≈1，Φ(ω)≈ωτ，表明传感器输出与输入为线性关系，相位差与频率ω成线性关系，输出y(t)

比较真实地反映输入x(t)

的变化规律。因此，减小τ可以改善传感器的频率特性。上一页下一页返回（2）频域响应特性及指标二阶传感器的频率特性（2）频域响应特性及指标频率响应特性指标①频带传感器增益保持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。②时间常数τ

用时间常数τ来表征一阶传感器的动态特性，τ越小，频带越宽。③固有频率ωn

二阶传感器的固有频率ωn表征了其动态特性。1.3.4传感器的其他特性指标

静、动态特性并不能完全描述传感器的性能。下表给出除在选择传感器时应考虑的传感器与被测量有关的另一些特性。除那些传感器特性外，测量方法也须始终适合于应用。例如，测流量时，如果插入流量计会引起误差。

待测的量*

输出特性

电源特性

环境特性

其他特性

间隔目标精确度

稳定度带宽响应时间输出阻抗干扰量变更量本底噪声信号类型（模拟式、数字式或开关式）阻抗若为数字输出，则需编码电压电流有效功率频率(交流电源)稳定度环境温度热冲击温度循环湿度振动、冲击化学试剂爆炸危险灰尘浸溃电磁环境静电放电电离辐射工作寿命过载保护购置费用重量，尺寸适用性电缆敷设要求连接器类型装配要求安装时间出现故障时的状态校准和测试费用维护费用更换费用传感器的技术指标基本参数指标环境参数指标稳定性与可靠性指标其他指标量程相关指标：量程，测量范围、过载能力等灵敏度相关指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等准确度相关指标：精度、误差、线性度、迟滞、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等

温度相关指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振相关指标：容许各抗冲振的频率、抗幅及加速度、冲振所引入的误差其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等。

稳定性指标：温漂、时飘、零点漂移、灵敏度漂移可靠性指标：工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压级抗飞弧等

使用相关指标：供电方式（直流、交流）频率及波形等。功率。各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等任务1.3误差分析和数据处理1.3.1传感器的输出1.输出类型2.IO关系模拟信号数字信号开关信号1)增量码信号:被测量值与传感器输出信号的变化周期数（脉冲数）成正比；2)绝对码信号:被测对象的状态与传感器输出信号值相对应；3)开关信号:1.相关概念3）接线形式：

NPN（NPN三线、NPN四线)，PNP（PNP三线、PNP四线)，DC/AC二线，AC五线（带继电器），接插件型等；2）开关型传感器：

常开型（NO）、常闭型(NC)或复合型(NO+NC)；1）电源：

直流5~30V（大多为5V、12V或24V），交流90~250V（通常

为220V或110V）传感器的接线常见传感器接线形式1.真值（3）相对真值：由某一行业或领域内的权威机构严格按标准方法获得的测量值。

工程上，当上一级标准仪器的误差小于等于下一级检测仪表的1/3（一般测量）或1/10（精密测量）时，可认为前者所测结果是后者的相对真值。相对真值在误差测量中的应用最为广泛。真值是指在一定的时间和空间条件下，能够准确反映某一被测量真实状态和属性的量值。（1）理论真值：在理想情况下表征某一被测量真实状态和属性的量值。(2）约定真值：指人们为了达到某种目的，按照约定的办法所确定的量值。获得约定真值的方法：①由计量基准、标准复现新赋予该特定量的值;

②采用权威组织推荐的值，例如由常数委员会(CODATA)推荐的真空光速、阿伏伽德罗常数等；③用某量的多次测量结果的算术平均值来确定该量的约定真值。1.3.2测量误差分析2.测量误差1）绝对误差和相对误差

随机误差的性质与处理一、正态分布规律（四）抵偿性：随着测量次数的增加，随机误差的代数和趋近于零。（三）有界性：在有限次的测量中，绝对值很大的误差出现的概率近于零。（二）单峰性：绝对值小的误差出现的概率大，绝对值大的出现的概率小。（一）对称性：绝对值相等的正、负误差出现的概率相等。随机误差的分布的几个特点：随机误差的性质与处理二、正态分布线为被测量的真值。为单次测量结果。为随机误差为标准差或均方根差其中为误差出现的概率密度高斯于1795年提出了正态分布的随机误差值与其出现的概率之间的函数关系式：测量值落在区间内的概率为曲线在该段的积分，有将式绘制成曲线就是著名的高斯正态分布曲线，如图三、随机误差的评价指标用表示剩余误差，而（二）剩余误差测量的目的是为了得到被测量的真值，但每次都有随机误差（在不计粗大误差和系统误差的情况下）。而通常把测量值的算术平均值作为被测量的近似真值。（一）算术平均值人们发现，标准差可以比较好的表达正态分布规律的分散性大小，在工程实际应用中，用以下算式估算（三）测量列的标准差1.5.1随机误差的性质与处理一般用算术平均值作为真值的近似值，而用表示算术平均值的标准差，用以表示的分散程度。有关系式：（四）测量列的算术平均值的标准差1.5.1随机误差的性质与处理显然置信区间取得宽，置信概率就大，反之则小。一般，当置信区间宽为时，测量值落入区间内的概率为68.3%，也就是说，进行100次测量，大约有68次的值是落在的范围的。（二）单次测量的极限误差在一组等精确度的测量值中，大小为的测量值落入指定区间内的概率称为置信概率，而该指定区间称为置信区间。（一）置信概率四、置信概率和极限误差当置信区间宽为时，对应概率为95.4%当置信区间宽为时，对应概率为99.7%因此可认为绝对值大于的误差几乎不可能出现，所以通常又把的误差称为单次测量的极限误差，用表示。算术平均值的标准差其中：算术平均值的极限误差（三）算术平均值的概率误差

随机误差的性质与处理1.5.1随机误差的性质与处理粗大误差的发现及剔除当时，此准则就不适用了。当较小时，此准则的可靠性较差。时，（1）莱依达法则（准则）一般剔除粗大误差有许多准则，以下简介几种：把误差超过的测量值视为含有粗大误差，予以剔除，对有限次测量来说，即有：该依据应剔除后再重新算注意：在剔除含有粗大误差的数据时，按照准则，每次是应剔除数据中最大的一个。时，对一组数据，若（2）格拉布斯准则应予剔除，其中值根据测量次数和置信概率查表而得（见p25）（3）肖维勒准则系统误差的发现和消除果：系统误差按确定规律变化，一般说来这些因素是可以掌握的。因：仪器误差、理论误差、方法误差、个人误差、

定义误差、环境误差、安装误差解：对待系统误差的基本措施就是设法发现并消除/减弱它。一、系统误差的分类在测试过程中，误差的大小和符号是不变的。（一）定值系统误差的发现和消除按系统误差出现的特点及对测量结果的影响，可分为定值系统误差和变值系统误差两类。表现可见定值系统误差只影响测量的平均值，对剩余误差无影响，因此对标准差σ也无影响，也就是说在分布曲线上，定值系统误差不改变误差分布曲线的形状，只是使随机误差分布曲线的位置作一下平移。2、抵消法：设法使其在测量中一次为正，另一次为负，这样在均值中就可以被消除；1、预检法/实验对比法：对测试仪器具作预先检定；定值系统误差的消除一般采用以下方法：4、交换法：平衡法，交换位置重测，取平均3、替代法：用标准量替代再测，被测量=标准量-差值；发现消减对比检定法（单组测量）均值与标准差比较法（多组测量）t校验法（多组测量）秩和校验法（多组测量）3、按复杂规律变化的系统误差：2、周期性系统误差：误差的大小和符号呈周期性变化。1、累积性系统误差：在测试过程中，随着测量时间的增长或测量数值的增大误差值也随它逐渐增大或减小这样的误差，称累积性系统误差或线形变化系统误差。（二）变值系统误差表现1.5.5系统误差的发现和消除图1.4.5残余误差散点图①实验对比法：改变测量条件或方法②残余误差观察法：是根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差，这种方法适用于发现有规律变化的系统误差；③残余误差校核法；④统计准则校验法。发现消减（1）产生根源上消除；（2）引入修正值法：固定修正值（定值系统误差）；修正曲线或修正公式；（3）改进测量方法：替代法、交换法、抵消法（定值系统误差）；对称观察法；半周期偶数次观察法；组合测量法。(3)多次测量结果的数据处理3、求单次测量的标准差s；1、求算术平均值；2、求剩余误差；设对某量进行等精确度的多次测量后得到数据

，则：1.3.4测量数据处理及结果的表示4、判断有无粗大误差，若有，则剔除（仅最大1个）并跳至STEP1，直至无粗大误差为止；9、写出结果8、求测量结果的总极限误差

；7、求算术平均值的标准差

及极限误差

；6、由判断是否有变值系统误差，设法消除；5、判断定值系统误差，并加以修正；(1)测量结果的表示若用不确定度表征测量结果的可靠程度，则测量结果写成下列标准形式

式中为多次测量的平均值；

u为测量不确定度，是由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度;是一种表征被测量值所处范围的评定,真值以一定置信概率落在测量平均值附近的一个范围内；

ur为相对不确定度，它实际上就是相对误差范围的估计值。置信概率p一般取0.95表达式含义：被测量的真值以置信概率p落在区间

内.不确定度标准不确定度(u)B类标准不确定度(uB)合成不确定度(uC)扩展不确定度（U，曾称总不确定度）A类标准不确定度(uA)合成不确定度uc乘以一系数，从而得到扩展不确定度(U)，用下式表示:

U=kuc(2)直接单次测量结果的表示

单次测量时，大体有三种情况：仪器精度较低，偶然误差很小，多次测量读数相同，不必进行多次测量；对测量的准确程度要求不高，只测一次就够了；因测量条件的限制，不可能多次重复测量。用单次测量值作为被测量的最佳估计值。用仪器误差作为的总不确定度，测量结果表示为：单次测量:数据采集系统的组成多路模拟开关信号调理电路采样/保持电路A/D转换器控制逻辑电路信号调理电路接口电路微机信号1.6传感器的测量转换电路

测量转换电路桥式电路同相比例放大器反相比例放大器电流电压变换放大器差动放大器自举型高输入阻抗放大器

斩波稳零放大器

仪用放大器隔离放大电路同相比例放大

Au=1十Ri／R2

R1-+A+-USRSR2UFU0输入阻抗增益

ri+=ri(1十AF)

ri——运放的开环输入阻抗A——运放的开环增益F——电路的反馈系数例：某放大器ri

＝104Ω开环增益为104

，F＝0.1（闭环增益为10），则放大器的闭环输入阻抗为107Ω。反相比例放大Au=–Rf/R1

USS+-U0-+AR1R2Rf限制带宽增益特点：性能稳定，但输入阻抗较低注意：在实际电路中，由于电阻的最大值不能超过10MΩ，R如果要提高反相放大器的输入阻抗，电路的增益要受到限制。电流电压变换放大U0=―Rf·is

U0-+R1R2Rfi1ioAIS增益放大电路的精度取决于Rf的稳定性差动放大U0-+AR1R1R2R2UCUS/2US/2U－U+U1U2++++----

扩大输入共模电压范围增益特点：提高电路共模抑制比，减小温度漂移。自举型高输入阻抗放大器I1R2R1UiA1U0A2RpR1RpR2R2IIiU01-++-A1斩波稳零放大器1.闭环状态斩波稳零放大器

Ф1Ф200T1T1T2T2A1OSC+－+_A2+_UiC1S1S3S2Ф1Ф2①②②①A3_+UoC2②①图中开关S2和电容C1以及S3、C2、A3分别构成两个采样—保持电路。第一个采样—保持电路用来对放大器Al进行动态校零；第二个采样—保持电路用来维持输出电压的连续性。内部时钟CP由振荡器(OSC)提供，若在时钟。0~T1时间内，开关S1、S2、S3，停在①端位置，即S2接通、S1、S3断开，相应电路状态如下图。电路的工作分两个阶段，由时钟控制开关完成。第一阶段为误差检测与寄存第二阶段为动态校零和放大放大器工作状态之一A2+_A1+_UOS1UC1UOS2UO1C1+_UC2UOA3_+C2+_在此时间内电容Cl记存了Al的失调电压Uos1，此段时间是放大器误差检测和寄存阶段。由于此时A3与A1之间被切断(S3断开)，所以A3的输出电压UO为U0=Uc2

C2上记有的电压Uc2，是前一时刻放大器A1的输出电压。在时钟T1～T2时间内，开关S1、S2、S3停留在②端位置上，即S1、S3接通、S2断开，相应的电路状态如图放大器工作状态之二A1+_A3_+Ui－+－+++__Uos1Uc1Uc2Uo1C1C2U0这时，Al同相端与输入信号Ui接通，由于A1的反相端还保存着前一时刻的失调电压Uc1＝Uos1，所以这时A1的输出电压Uol为上式表明，A1的输出电压不受放大器失调电压的影响，只与输入信号电压有关。因此，此段工作时间称为“动态校零和放大输入信号”的工作阶段。这时总输出电压Uo为当时钟控制开关再回到①端位置时，Uc2保持不变，放大器A3(接成跟随器工作)继续以A1vUi的幅值向外输出，保证了输出电压的连续性。开关的反复通断，Al的漂移不断被校正，这就是动态校零的工作原理。开关S1、S2、S3一般用MOSFET完成。2.开环状态斩波稳零放大器(失调误差逐级存储放大器)开环状态斩波稳零放大器原理图+_A2+_A1UiUosUo1UcU01’S1S2CU0当开关S1、S2都接地，即开关处于图示位置时，放大器输入端对地短路，输出失调电压Uoff使电容器C两端充电至Uc=Uoff。Uoff为Uoff=A1dUos

电容C上存储的误差信号为放大器输出失调电压，电容器C又称为记忆电容器。A1d为A1放大器的开环电压增益。当开关S2断开，S1接通输入信号Ui时，放大器输出电压U0为输出到下一级的电压可见，输出失调电压完全抵消。即失调电压被存储在输出回路的串接电容两端，利用此电压自行抵消放大器输出的失调，达到稳零的目的。由于误差采样期间放大器处于开环运用，必须防止放大器被失调电压驱入饱和状态。因此，每级的增益不能太高，一般低于100倍。为获得足够高的总增益，需要多级放大器串接，从而构成逐级采样存储MOS集成运放