第章测量与传感器

1.1测量与测量误差

1.2

传感器1.3思考题1.1.1测量测量是人们借助于专门设备，通过一定的技术手段和方法,对被测对象收集信息、取得数量概念的过程。它是一个比较过程，即将被测量与和它同性质的标准量进行比较，获得被测量为标准量的若干倍的数量概念。传感器获取被测对象的参数，也是一种测量。测量结果可以是一定的数字，也可以是某种图线。但无论其形式如何，测量结果总包含有两部分：即大小（包括符号的正、负）及相应的单位。测量结果不注明单位，则该结果无意义。测量是一个过程，它包括比较、平衡、误差和读数，这一过程的核心是比较。此外，还必须进行一定的变换。因为人们的感官能直接给出定量概念的被测量不多，绝大多数的被测量都要变换为某一个中间变量，然后才能给出定量的概念。因此，必须用传感器将模拟量变换成为标准电量（电压或电流），再经A/D转换器送入计算机中。1.1测量与测量误差测量的目的就是求取被测量的真值。所谓真值是指在一定的客观条件下，某物理量确切存在的真实值。但是，真值是永远无法获得的。因为在测量中会不可避免地产生各种误差，这是由于测量设备、测量方法和手段以及测量者本身因素的影响，而且是无法克服的影响。例如，在测量温度时，热量可以通过温度传感器从被测物体上传导出来，这样，将导致温度的下降。因此，测量结果并未反映出被测对象的真实面貌，而仅仅是一种近似值。1.1.2测量误差测量结果偏离真值的大小是由测量误差来衡量的，测量误差的大小反映了测量结果的好坏，即测量精度的高低。因此，为了使测量结果更接近真值，提高测量的精确度，有必要讨论一下误差产生的原因、种类，以便在测量过程中想办法减小误差，提高测量的精确度。造成测量误差的原因是多方面的，表示误差的方法也是多种多样的。1．绝对误差和相对误差误差可以用绝对误差和相对误差来表示。绝对误差用表示，它是指某一物理量的测量值Ax与真值A0之间的差值，即=Ax-A0。由于真值是无法求得的，所以常常用基准器的量值代表真值，叫做约定真值，其与真值之差可以忽略不计。为了使用方便，有时用“真值”这个词来代替“约定真值”。绝对误差是有量纲的。有时绝对误差不足以反映测量值偏离真值的程度，为了说明测量精确度的高低，引入了相对误差这一概念。相对误差常用百分比的形式来表示，一般多取正值。相对误差有以下几种。（1）实际相对误差gA：实际相对误差gA是用绝对误差D测量实际值（即真值）A0的百分比表示，即

gA

（2）示值（标称）相对误差gx：示值相对误差gx是用绝对误差与被测量的仪器示值Ax的百分比值来表示的相对误差值，即gx（3）满度（引用）相对误差gm：满度（引用）相对误差gm是用绝对误差D仪器的满度值Am的百分比表示的相对误差，即gm在上式中，当取最大值ｍ时，若仪表的下限为零（Amin=0），满度相对误差gm常用来确定仪表的精度等级S，即若仪表的下限不为零（Amin0），则有精度等级S规定取一系列标准值。在我国电工仪表中常用的精度等级有以下七种：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。仪表的精度从仪表面板上的标志就可以判断出来。通常可以根据精度等级S以及仪表的量程范围，推算出该仪表在测量过程中可能出现的最大绝对误差ｍ，从而正确选择适合测量要求的仪表。【例1】现有0.5级的（0～400）℃的和1.5级的（0～100）℃的两个温度计，要测量50℃的温度，应采用哪一个温度计较好？解：当用0.5级的温度计测量时，可能出现的最大示值相对误差为gm若用1.5级的温度计测量时，可能出现的最大示值相对误差为gm经过计算得出，使用1.5级的温度计测量时，其示值相对误差比使用0.5级温度计测量时的示值相对误差小，因而更为合适。由此可知，在选用仪表时，应兼顾精度等级和量程。根据经验通常，希望示值落在仪表满度值的2/3附近。2．粗大误差、系统误差和随机误差（1）粗大误差（Grosserror）：粗大误差也称过失误差，是指那些明显偏离真值的误差。造成粗大误差的原因主要是由于测量人员的粗心大意或电子测量仪器突然受到强大的干扰而引起的，例如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等因素而造成的误差。从数值的大小而言，粗大误差明显地超过在正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以排除。（2）系统误差（Systematicerror）：系统误差也称装置误差，是指服从某一确定规律的误差。它反映了测量值偏离真值的程度。按照误差表现的特点，系统误差可分为恒值误差和变值误差两大类。误差值不变的称为恒值误差。例如，由于刻度盘分度差错或刻度盘移动而使仪表的刻度产生误差，就属于该类型。其余大部分的附加误差都归属于变值误差。例如，由于环境温度波动而使电源电压出现波动、电子元件老化、机械零件变形移位、仪表零点的漂移等均属此类。总之，系统误差的特征是，系统误差具有一定规律性，其产生原因具有一定的可知性。因此，应尽可能预先了解各种系统误差的成因，并设法消除其影响。通常可以通过实验的方法或引入修正值的方法予以修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件来消除该误差。在一个测量系统中，测量的准确度通常由系统误差来表征，系统误差越小，则表明测量的准确度越高。（3）随机误差（Randomerror）：同一测量条件下，多次对同一被测量进行测量，有时会发现测量值时大时小，具有一定的随机性，这种误差即为随机误差，也称为偶然误差。随机误差是一种服从大多数统计规律的误差，虽然某个误差的出现是随机的，但就误差的整体而言，它具有一定的规律性。随机误差的产生是由很多影响量的微小变化的总和所造成的，难以具体分析。但对其总和可用统计规律描述。随机误差的大小通常用精密度来表示。随机误差越大，测量的精密度越低，而随机误差越小，测量的精密度就越高。通常我们可以对同一被测量进行等精度的多次测量，对其结果取平均值以减小随机误差。3．静态误差和动态误差（1）静态误差（Staticerror）：被测量不随时间变化时所得到的误差称为静态误差。前面讨论的误差，大多数属于静态误差。（2）动态误差（Dynamicerror）：当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差即为动态误差。动态误差是由于测量系统（或仪表）存在着各种惯性，使其对输入信号的变化响应滞后，或输入信号中不同的频率成分在通过测量系统时，受到不同的衰减和延迟而造成的误差，它的大小为动态测量和静态测量时所得误差的差值。1.1.3测量方法测量方法多种多样，分类的方法也各不相同。例如，根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量与动态测量；根据测量的手段不同，可分为直接测量与间接测量；根据测量时与被测对象的接触与否，可分为接触式测量和非接触式测量；为了监视生产过程，可在生产线上随时监视产品质量的测量称为在线测量，反之称为非在线测量；根据被测量读数方法的不同，又可分为偏差法测量、零位法测量、微差法测量。1．直接测量与间接测量（1）直接测量：使用事先经过标定的有分度的仪表对被测量进行测量，从而得出被测量的数值，这种测量方法称为直接测量。直接测量既可以采用直接比较法，把同一种物理量的被测量与标准量直接进行比较；也可以采用间接比较法，把被测量变换为能够与标准量直接比较的物理量，然后再进行比较。在电测技术中有很多采用直接比较法的实例，而非电量电测技术中全部采用间接比较法进行测量。例如在应变式测力计中，先由弹性体把力变换为形变，再由应变计将形变变换为电阻值的变化，然后与标准电阻相比较。测量时应当由标准测力计标定分度。（2）间爽接测锋量：馋所谓献间接瓶测量模是指仪通过贡对若物干个构与被嚷测量胶有确即定的可函数晨关系蚀的物驻理量堵进行暖直接若测量赞，然问后再胃通过寇代表伸该函物数关葡系的国公式言、曲排线或裳表格但求出慢未知锡量的驴测量饥方法泥。在翻现代暮测量伞中，粮一般奥通过胆检测捆元件竞检测斑出被渔测量况，然衬后再赠通过均信息托处理葬部件饿（运助算放迹大器茎或微轧处理唤器）库来进轨行数康据分漫析处教理，学最终率得到著未知房诚被测蛋量的唉值。汉间接垮测量琴随着眯现代绍测量乒技术娱的发滨展得尼到了重越来健越广侵泛的熔应用迟。2．偏曲差法况、零嫁位法止和微别差法如测量（1）偏胃差法野测量稿：在叫测量巩过程王中，惹被测望量作骨用于那测量膝仪表徐的比报较装帝置（稠指针晋），樱使该谣比较册装置虽产生凤偏移屡，这植种利次用测逆量仪洽表的赤指针士相对污于刻惩度的煮偏差鸡位移泥直接签表示陷被测倘量数翻值的厌测量稠方法伐，称膝为偏扭差法杀测量肃。在徒使用警该测疯量方杂法时吊，必罚须事限先用撒标准拥量具缓对仪牲表刻胸度进嗽行校棒正。勇显然速，采赌用偏欺差法娃测量诸的仪录表内悄不包抄括标述准量粥具。希例如速，使惩用弹镇簧秤熄测量蚀物体就的质球量，帜用磁怒电式派电压己表测父量电鼓压等雪，都夜属于猴直接藏用指结针偏府移的介大小梅来表坏示被都测量译的偏果差法字测量冤。偏差蹈法测贺量容者易产提生灵惨敏度烧漂移坑和零萍点漂巨移。稀例如睬，日亚久天窄长，肿随着稍弹簧瞒的弹份性系痛数的歼变化卧，弹疼簧秤劣的读惰数产冶生偏维差。勿所以来，必免须定坑期对磨偏差肥式仪促表进仓行校怪验和蕉校正驼。偏盗差法捐测量设虽然驳过程帅简单旗、迅班速，股但由辈于刻伐度的提精确西度不糟能做每得很节高，香因而爽其测口量精部度一谢般不符高于0.剃5％。（2）零带位法吸测量全：在正测量柴过程树中，震被测侄量作驻用于割测量币仪表介的比制较装撞置，度利用研指零累机构粒的作铅用，雪使被巡寿测量欺和已虹知标照准量读两者躲达到籍平衡桐，根银据指选零机垦构的盖示值料为零选来确批定被侦测量填的值电指示驼该已娘知标汪准量著的值心。这杏种测咳量方梨法称公为零偏位法泡测量熟。在苦使用泛零位掘法测臣量的留仪表陶中，谊标准宋量具郑是装啦在测歪量仪侍表内悦的，寨可以灾通过张调整净标准暖量来庸进行吓平衡铁操作翁，当纱两者豪相等宜时，哀用指偶零仪呀表的饲零位蔬来指窗示测冻量系色统的深平衡仰状态你。例如符，用偷天平著来测植量物乖体的肝质量郊，用这自动阶平衡饶电位俘差计丘测量卡电压晚，是舅零位低法测原量的辽典型丽实例伏。图1-收1是自依动平口衡电净位差际计原文理图怒。当叔有被援测电针压Ux出现您并接喂入系消统，津放大痒器有徒电压暂输出目，这矩个电装压会钥使电讨动机辜有转匀速输龙出，趁通过纯传动赛机构烤带动散电刷者移动青，从坊而改捎变UR大小概，在雕某一娃时刻斥会出储现放师大器姨的两翼输入眼电压上相同以，放涂大器医输出暴为零腾，电徒动机味停转秒，电芝刷停刚止在畜一个棉固定朋的位弃置，律此时泪的被俊测电歉压就梢等于催标准略电压UR。上膊述的探测量烤过程丘就是勾零位串法测还量。炮在零醒位法致测量拉中，喷测量怪结果随的误执差主确要取葵决于优标准竿量的闭误差拢，因件此测绝量精齿度较戏高，赢但平因衡过芳程比爸较复项杂，半多用棉于缓伟慢信姓号的宵测量桃。（3）微竞差法项测量养：微含差法月测量尘是偏雁差法寨和零竞位法捧测量劝的综控合应起用。画在测巴量时晃，被衫测量禁的绝驱大部端分都蠢被用权零位山法测老量的族比较愈装置醉的标造准量耗所抵词消，盼其剩廉余部戒分，旦即两麦者的习差值仓再用蒜偏差东法来简测量凶。钢污板厚前度测妇量仪嗓原理娘图如既图1-铲2所示疫。标败准厚末度钢益板产截生的躬电压价，作鸦为标筋准电付压UR，当淘有被许测钢薪板出葡现时僻，经峡过信蒸号处立理电造路得贯到的扇电压Ui作为宴被测卸电压屈。两刮者接提入差出动放栗大电画路的皮不同龄输入督端，意如果主钢板处厚度祝与标栗准厚负度相壤同，汉放大则电路苦输出沟电压伐为零魂，如住果厚捕度不滤同，磁将输糖出极凉性不误同、转大小旗不等冶的电倘压信稠号，拼极性袜反映嗓的是浇被测茶钢板陆厚度彼比标遮准厚绪度是匙大还终是小租。使颜用微册差法秋测量炎的仪弄表在键使用捆时要侨定期若用标捎准量礼来校她正，坛以保谁证其咐测量盼精度拦。图1-葬1自动览平衡桥电位姓差计鼓原理慌图1—滑线盟电阻手；2—电刷器；3—指针塔；4—刻度扁尺；5—传动押机构惜；6—检零叉放大名器；7—伺服饺电动垒机图1-计2钢板赖厚度也测量雨仪原乓理图1—被测晋钢板菜；2—放射挺性物平质；3—铅盒街；4—γ射线量；5—射线洒探测略器；6—差动尾放大丙器；7—指示吸仪表1.辈2传感奔器1.甘2.膝1传感东器的渴定义旨、组盐成和籍分类对于一个芒测量万系统它，它茄所测扮量的妈各种姜物理苗量，列其形叠式是凝不一胖样的道，可考以是坟机械猾量、革电磁课量、桑热工悄量、矩光学子量……，但仪不论司是哪棕种物猎理量糊，它去们都亦可以谅分为界模拟升量和宪数字村量两车大类坚。传通感器芹是一桂种以辆测量贩为目绪的，沃以一湖定的班精度疗把被维测量发转换贺为与著之有虫确定喇关系低的、叶易于处处理朝的电侵量信析号输形出，急如电葡压、丽电流望、频虚率等衣信号怖。这放一定所义包抖含以具下方悟面。（1）传槐感器昌是一涛种测劲量装蜘置，蛾能够种完成屋一定者的检姜测任躁务；（2）它趁的输吐入量蛾种类赤很多忽，且用多为肃模拟甚信号睡的非推电量挖；（3）它尽的输逆出量肥是经弯转换赚后的梦电量勾信号粉，且略有一困定的推对应着关系谜和转条换精倘度。传感灾器是锻由敏挥感元改件、泛传感脑元件业及测厉量转农换电披路三伐部分悉组成弯的。顽其中百敏感晴元件祸是在宅传感习器中稠直接铲感受持被测我量的切元件责，通运过它略可以沿将被宫测量值转换躁成为瓦与之妥有确业定关出系的论、便置于转轨换的文非电商量信姥号。此该信正号再削通过柄传感调元件差，被泡转换好为电建参量漠。测绍量转裕换电伪路的京作用搏就是展将传宗感元霞件输归出的颗电参谁量再洁转换都成易若于处亚理的柱电压持、电柄流或慢频率聚量。倾应当死注意辛的是英，不捆是所侄有的森传感热器都瓶有敏掏感元迟件和远传感老元件敏之分耗，有宅些传宁感器掉则将兵两者疫合二牵为一肉。图1-殊3是传万感器冲组成胀原理冈框图慎。图1-鹿3传感购器组植成原寻理框舅图敏感晋元件晨与传养感元缠件在艇结构泡上常即装在捡一起妥。为医了减将小外冰界对宗转换急电路词的影档响，屋也希史望它部们装括在一河起，绩但限竖于空秀间结断构，拆转换速电路靠常装逆入单基箱内话。在茎转换粱电路枪后面森，往旦往还谅有信膨号的降放大瓣、处怎理、庆显示美等后动续电逐路，刘它们债通常跪不包思含在孝传感闷器的充范围届之内签。图1-恩4为电角位器秀式气践体压款力传侨感器狠简图颈。传馆感器哄将被跑测气主体压宋力转丹换成财弹簧悦管自杀由端绝的位抖移，万电位营器将甜位移列转换史成电荡阻值径的变靠化，量通过戒测量臣电路正再转识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