检测与传感器技术绪论

1、第一章 绪论本章重点1.传感器的定义、组成、分类2.误差的概念、分类3.测量不确定度4.传感器的特征传感器的定义传感器的定义 传感器是一种以传感器是一种以一定精确度把被测量一定精确度把被测量（主要是非电量）转（主要是非电量）转换为与之有确定关系换为与之有确定关系、便于应用的某种物、便于应用的某种物理量（主要是电量）理量（主要是电量）的测量装置。的测量装置。 这一定义包含了这一定义包含了以下几方面的含义：以下几方面的含义： 传感器是测量装置传感器是测量装置，能完成检测任务；，能完成检测任务； 它的输入量是某一它的输入量是某一被测量，如物理量、化被测量，如物理量、化学量、生物量等；学量、生物量等；

2、 它的输出是某种物它的输出是某种物理量，这种量要便于理量，这种量要便于传输、转换、处理、传输、转换、处理、显示等，这种量可以显示等，这种量可以是气、光、电量，但是气、光、电量，但主要是电量；主要是电量；输出与输入间有对应输出与输入间有对应关系，且有一定的精关系，且有一定的精确度。确度。传感器的组成传感器的组成传感器一般由敏感元传感器一般由敏感元件、转换元件、转换件、转换元件、转换电路电路3部分组成。部分组成。敏感元件，它是直敏感元件，它是直接感受被测量，并输接感受被测量，并输出与被测量成确定关出与被测量成确定关系的某一物理量的元系的某一物理量的元件。件。 转换元件，敏感元件转换元件，敏感元件的

3、输出就是它的输入，的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参它把输入转换成电路参数。数。转换电路，将上述电转换电路，将上述电路参数接入转换电路，路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。便可转换成电量输出。 误差理论与数据处理误差理论与数据处理1.1.有关测量技术中的部分名词有关测量技术中的部分名词 （1 1）等精度测量：）等精度测量： （2 2）非等精度测量：）非等精度测量： （3 3）真值：）真值： （4 4）实际值：）实际值： （5 5）标称值：）标称值： （6 6）示值：）示值： （7 7）测量误差：）测量误差：2.2.误差分类误差分类2.12.1、系统误差、系统误差 （System er

4、rorSystem error） 在相同的条件下，多次重复测量同一量时，在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化，这种误差称为系统误差。系统误差又律变化，这种误差称为系统误差。系统误差又可分为恒值系统误差和变值系统误差。可分为恒值系统误差和变值系统误差。2.22.2、随机误差（、随机误差（Random errorRandom error） 在相同条件下，多次测量同一量时，其误差在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。随

5、机误差是测量过程中，许差称为随机误差。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多独立的、微小的，偶然的因素引起的综合结果果。 在任何一次测量中，随机误差总是不可避免的。在任何一次测量中，随机误差总是不可避免的。既不能用实验方法消除，也不能修正。可利用既不能用实验方法消除，也不能修正。可利用概率论理论和统计学方法，掌握随机误差的分概率论理论和统计学方法，掌握随机误差的分布特性，确定其对测量结果的影响。布特性，确定其对测量结果的影响。2.32.3、粗大误差（、粗大误差（Abnormal errorAbnormal error） 明显歪曲测量结果的误差称做粗大误差，又明显歪曲

6、测量结果的误差称做粗大误差，又称过失误差。粗大误差主要是人为因素造成的称过失误差。粗大误差主要是人为因素造成的。例如，测量人员工作时疏忽大意，出现了读。例如，测量人员工作时疏忽大意，出现了读数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。另外，测量方法不恰当，测量条件意外的突然另外，测量方法不恰当，测量条件意外的突然变化，也可能造成粗大误差。变化，也可能造成粗大误差。 含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。坏值应从测量结果中剔除。坏值应从测量结果中剔除。 3.3.精度精度反映测量结果与真值接近程度的量反映测量结果与真值接近程

7、度的量 (1)(1)准确度准确度 (2)(2)精密度精密度 (3)(3)精确度精确度 对于具体的测量，精密度高的而准确度不对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，但一定高，准确度高的精密度不一定高，但精确度高，则精密度和准确度都高。精确度高，则精密度和准确度都高。一、测量误差的表示方法一、测量误差的表示方法1 1、绝对误差、绝对误差测量所得数据与其相应的真值之差测量所得数据与其相应的真值之差测量误差测量误差 = = 测得值测得值 - - 真值真值 x x = = x x A0 A0a.a.为了消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为了消除系统误差用代数法加到测量

8、结果上的值称为修正值，常用为修正值，常用C C表示。将测得示值加上修正值后可表示。将测得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即得到真值的近似值，即 A0= x+CA0= x+C 由此得由此得 C =A0-xC =A0-x在实际工作中，可以用实际值在实际工作中，可以用实际值A A近似真值近似真值A0A0，则上式，则上式变为变为 C =A-x=- xC =A-x=- xb.b.修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加修修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加修正值可以消除该误差的影响正值可以消除该误差的影响2 2、相对误差、相对误差相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误相对误差是绝对误

9、差与被测量的约定值之比。相对误差有以下表现形式：差有以下表现形式： 实际相对误差。实际相对误差。 示值相对误差。示值相对误差。 满度（引用）相对误差满度（引用）相对误差 实际相对误差。实际相对误差。 示值相对误差。示值相对误差。 满度（引用）相对误差满度（引用）相对误差%100AxA%100 xxx%100nnxxr3 3、引用误差、引用误差 使用相对误差采评定测量精度，也有局限性。它使用相对误差采评定测量精度，也有局限性。它只能说明不同测量结果的准确程度，但不适用于衡量只能说明不同测量结果的准确程度，但不适用于衡量测量仪表本身的质量。因为同一台仪表在整个测量范测量仪表本身的质量。因为同一台仪

10、表在整个测量范围内的相对误差不是定值。随着被测量的减小其相对围内的相对误差不是定值。随着被测量的减小其相对误差变大。为了更合理地评价仪表质量；采用了引用误差变大。为了更合理地评价仪表质量；采用了引用误差的概念。误差的概念。 引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值；通常以引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值；通常以百分数表示。引用误差百分数表示。引用误差%100Axm1 1.3.3.4 4 随机误差随机误差随机误差的时大时小，时正时负，以一种不可预测的随机误差的时大时小，时正时负，以一种不可预测的方式随机地变化，但是在一定条件下服从统计规律。方式随机地变化，但是在一定条件下服从统计规律。1.1.随

11、机误差的统计规律（正态分布）随机误差的统计规律（正态分布） 1 1） 单峰性单峰性; ; 2 2） 对称性对称性; ; 3 3） 有界性有界性; ; 4 4） 抵偿性。抵偿性。2.2.随机误差的评价指标随机误差的评价指标2.12.1测量结果的最佳值算术平均值测量结果的最佳值算术平均值nii10 xAxn2.22.2 标准差标准差1 1）测量列中单次测量的）测量列中单次测量的标准偏差标准偏差21()1niixxn 标准偏差标准偏差所表示的意义是：任作一次测量，所表示的意义是：任作一次测量，测量值误差落到测量值误差落到到到之间的可能性为之间的可能性为68.368.3. .2 2）算术平均值的标准偏

12、差）算术平均值的标准偏差21()(1)niixxxn nn2.2.随机误差的评价指标随机误差的评价指标2.32.3 测量的极限误差测量的极限误差33对物理量对物理量任做一次测量时，测量误差任做一次测量时，测量误差落在落在- - 到到+ + 之间的可能性为之间的可能性为68.3%68.3%，落在落在-2-2 到到+2+2 之间的可能性为之间的可能性为95.5%95.5%，落在落在-3-3 到到+3+3 之间的可能性为之间的可能性为99.7 % 99.7 % 。 测量不确定度1. 定义与分类所谓不确定度，可简单理解为测量值不确定的程度，所谓不确定度，可简单理解为测量值不确定的程度，是对测量误差大小

13、取值的测度。它合理地说明了测量是对测量误差大小取值的测度。它合理地说明了测量值的分散程度和真值所在范围的可靠程度。不确定度值的分散程度和真值所在范围的可靠程度。不确定度亦可理解为，一定置信概率下误差限的绝对值。测量亦可理解为，一定置信概率下误差限的绝对值。测量不确定度是测量质量的指标，是对测量结果残存误差不确定度是测量质量的指标，是对测量结果残存误差的评估。的评估。 测量结果被测量的估计值不确定度：测量结果被测量的估计值不确定度：Y Y= =y yU U Y Y代表待测物理量，代表待测物理量，y y为该物理量的测量值，为该物理量的测量值，U U是一个是一个恒正的量，代表测量值恒正的量，代表测量

14、值y y不确定的程度。不确定的程度。 不确定度可分为标准不确定的程度、合成不确定不确定度可分为标准不确定的程度、合成不确定度和扩展不确定度。度和扩展不确定度。 2 2. . 测量不确定度与误差测量不确定度与误差2.12.1联系：联系： 测量结果的精度评定参数测量结果的精度评定参数 所有的不确定度分量都用标准差表征，由随机误差所有的不确定度分量都用标准差表征，由随机误差 或系统误差引起或系统误差引起, ,都对测量结果的分散性产生相应都对测量结果的分散性产生相应 的影响的影响 误差是不确定度的基础误差是不确定度的基础2.22.2区别：区别： 误差以真值或约定真值为中心，不确定度以被测量误差以真值或

15、约定真值为中心，不确定度以被测量 的估计值为中心的估计值为中心 误差是理想概念，一般难以定量，不确定度反映人误差是理想概念，一般难以定量，不确定度反映人 们对测量认识不足的程度，可以定量评定们对测量认识不足的程度，可以定量评定 误差有三类，界限模糊，难以严格区分；测量不确误差有三类，界限模糊，难以严格区分；测量不确 定度分定度分ABAB两类，两种评价方法不分优劣，按实际情两类，两种评价方法不分优劣，按实际情况的可能性加以选用，简单明了。况的可能性加以选用，简单明了。 传感器的基本特性传感器的基本特性 静态模型静态模型静态模型静态模型是指在静态条件下是指在静态条件下( (输入量输入量对时间对时间

16、t t的各阶导数为零的各阶导数为零) )得到的传感器数学模型。得到的传感器数学模型。 传感器的静态模型可用一代数方程式表示传感器的静态模型可用一代数方程式表示: :nn0 xaxaxaay221非线性项的待定常数传感器的灵敏度零位输出输出量输入量n0aaaaayx,321基准曲线的不同拟合方法基准曲线的不同拟合方法 目的目的: :减小其最大偏差至最小减小其最大偏差至最小 方法方法: :改变斜率或使其最大正负偏差绝对值相等改变斜率或使其最大正负偏差绝对值相等 实线表示实际特性曲线；虚线表示拟合曲线实线表示实际特性曲线；虚线表示拟合曲线端点拟合端点拟合过零旋转拟合过零旋转拟合端点平移拟合端点平移拟

17、合静态特性指标之灵敏度静态特性指标之灵敏度 传感器输出的变化量传感器输出的变化量y y与引起该变化量的输入变与引起该变化量的输入变化量化量 x x之比即为其静态灵敏度。传感器输出曲线的之比即为其静态灵敏度。传感器输出曲线的斜率斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度曲线的斜率处处相同，灵敏度k k是一常数，与输入是一常数，与输入量大小无关。量大小无关。 xyx fxxdfxy00XXYYKddS对于线性系统，则为：斜率实为拟合曲线上某点的静态特性指标之分辨力和阈值静态特性指标之分辨力和阈值 分辨力是指传感器能检测到的最小的输

18、入增量。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器有些传感器, ,当输入量连续变化时当输入量连续变化时, ,输出量只作阶梯变输出量只作阶梯变化化, ,则分辨力就是输出量的每个则分辨力就是输出量的每个“阶梯阶梯”所代表的输所代表的输入量的大小。分辨力用绝对值表示入量的大小。分辨力用绝对值表示, ,用与满量程的百用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。辨力称为阈值。 静态特性指标之迟滞静态特性指标之迟滞 迟滞即传感器在正迟滞即传感器在正( (输入量增大输入量增大) )反（输入量减小）行程中反（输入量减小）行程

19、中输出输入特性曲线不重合的程度。迟滞可由传感器内部元件存输出输入特性曲线不重合的程度。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成在能量的吸收造成. .满量程输出最大输出误差定：迟滞误差有实验方法确FSmaxFSmaxHy%100y210yxHmaxyFS迟滞特性迟滞特性静态特性指标之重复性静态特性指标之重复性重复性即传感器的输入在按同一方重复性即传感器的输入在按同一方向变化时，在全量程内连续重复测向变化时，在全量程内连续重复测试得到的各特性曲线的重复程度。试得到的各特性曲线的重复程度。重复性误差也常用绝对误差表示。检测时选取几个重复性误差也常用绝对误差表示。检测时选取几个测试点，对应每一点多次从

20、同一方向趋近，获得输测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列出值系列yi1yi1，yi2yi2，yi3yi3，yin yin ，算出最大值与，算出最大值与最小值之差或最小值之差或33作为重复性偏差作为重复性偏差RiRi，在几个，在几个RiRi中取出最大值中取出最大值Rmax Rmax 作为重复性误差。作为重复性误差。yx0Rmax2Rmax1Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。满量程输出最大输出误差FSmaxmaxy %100FSRy%100/)32(FSRy静态特性指标之稳定性静态特性指标之稳定性1 1、 稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量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。发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h4h、8h8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两或一定的工作次数后，