第一章传感器与测量的基本知识

本章主要内容测量的基本概念

测量方法测量系统的组成测量误差测量精度传感器的技术指标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，即将被测量与和它问同性质的标准量进行比较，获得被测量为标难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。由下式表示：X=AX0

式中：X－－被测量

A－－比值（无量纲）

X0－－标准量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：即比值(包括符号的正、负)及测量单位。测量结果不注明单位，则该结果无意义。测量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，这佯，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。测量方法测量方法：实现被测量与标准量比较得出比值的方法。针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。测量方法分类根据获得测量值的方法可分为直接测量、间接测量和组合测量；根据测量的精度因素情况可分为等精度测量与非等精度测量；根据测量方式可分为偏差式测量、零位法测量与微差法测量；根据被测量变化快慢可分为静态测量与动态测量；根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触测量与非接触测量；根据测量系统是否向被测对象施加能量可分为主动式测量与被动式测量等。直接测量直接测量：在使用仪表或传感器进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的测量方法。例如：用磁电式电流表测量电路的某一支路电流，用弹簧管压力表测量压力等，都属于直接测量。直接测量的优点是测量过程简单而又迅速，缺点是测量精度不高。间接测量间接测量：在使用仪表或传感器进行测量时，首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测量，将被测量代入函数关系式，经过计算得到所需要的结果，这种测量称为间接测量。间接测量测量手续较多，花费时间较长，一般用在直接测量不方便或者缺乏直接测量手段的场合。组合测量组合测量：若被测量必须经过求解联立方程组，才能得到最后结果，则称这样的测量为组合测量。组合测量是一种特殊的精密测量方法，操作手续复杂，花费时间长，多用于科学实验或特殊场合。等精度测量与不等精度测量等精度测量：用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量，称为等精度测量。非等精度测量：用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量称为非等精度测量。偏差法测量偏差法测量：用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值。应用这种方法测量时，仪表刻度事先用标准器具标定。在测量时，输入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值，决定被测量的数值。这种方法测量过程比较简单、迅速，但测量结果精度较低。零位法测量零位法测量：用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值，这种测量方法称为零位式测量。在测量时，已知标准量直接与被测量相比较，已知量应连续可调，指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等。例如天平、电位差计等。零位式测量的优点是可以获得比较高的测量精度，但测量过程比较复杂，费时较长，不适用于测量迅速变化的信号。微差法测量微差式测量：是综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的一种测量方法。它将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。应用这种方法测量时，不需要调整标准量，而只需测量两者的差值。即：x=N+Δ式中：N为标准量，x为被测量，Δ为二者之差。由于N是标准量，其误差很小，且使用的是ΔN，因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量Δ，即使测量Δ的精度较低，但因测量的是Δx，故总的测量精度仍很高微差式测量的优点是反应快，而且测量精度高，特别适用于在线控制参数的测量。测量系统构成测量系统是传感器与测量仪表、变换装置等的有机组合。测量系统原理结构图测量系统构成1）系统中的传感器是感受被测量的大小并输出相对应的可用输出信号的器件或装置。2）数据传输环节用来传输数据。当测量系统的几个功能环节独立地分隔开的时候，则必须由一个地方向另一个地方传输数据，数据传输环节就是完成这种传输功能。测量系统构成3）数据处理环节是将传感器输出信号进行处理和变换。如对信号进行放大、运算、线性化、数-模或模-数转换，变成另一种参数的信号或变成某种标准化的统一信号等，使其输出信号便于显示、记录，既可用于自动控制系统，也可与计算机系统联接，以便对测量信号进行信息处理。测量系统构成4）数据显示环节将被测量信息变成人感官能接受的形式，以完成监视、控制或分析的目的。测量结果可以采用模拟显示，也可采用数字显示，也可以由记录装置进行自动记录或由打印机将数据打印出来。开环测量系统开环测量系统全部信息变换只沿着一个方向进行。输入、输出关系为：y=k1k2k3x其中：x—输入量，y—输出量，k1、k2、k3—各个环节的传递系数。闭环测量系统闭环测量系统有两个通道，一为正向通道，二为反馈通道。显然：这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定，放大器等环节特性的变化不会造成测量误差，或者说造成的误差很小。测量误差测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值。但由于种种原因，例如，传感器本身性能不十分优良，测量方法不十分完善，外界干扰的影响等，都会造成被测参数的测量值与真实值不一致，两者不一致程度用测量误差表示。测量误差就是测量值与真实值之间的差值。它反映了测量质量的好坏。测量误差的表示方法有多种，含义各异。通常我们定义测量值X为利用测量装置对被测物体的某个参数测得的值。真值Q是被测物体这个参数的真实值。绝对误差绝对误差Δ：指测量结果X与被测量的真实值Q间差值的绝对值，即

Δ＝|X-Q|采用绝对误差表示测量误差，不能很好说明测量质量的好坏。例如，在温度测量时，绝对误差Δ=1℃，对体温测量来说是不允许的，而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。相对误差相对误差相对误差的定义由下式给出：

δ=×100%

式中:δ——相对误差，一般用百分数给出Δ——绝对误差

X——测量值。引用误差引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对仪表满量程的一种误差，

一般也用百分数表示，即

仪表精度等级是根据引用误差来确定的。例如，0.5级表的引用误差的最大值不超过±0.5%，1.0级表的引用误差的最大值不超过±1%。基本误差基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。例如，仪表是在电源电压(220±5)V、电网频率(50±2)Hz、环境温度(20±5)℃、湿度65%±5%的条件下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作，则仪表所具有的误差为基本误差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的。附加误差附加误差是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。例如，温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附加误差等。误差的性质和分类根据测量数据中的误差所呈现的规律,将误差分为三种，即：系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据处理。系统误差系统误差：对同一被测量进行多次重复测量时，如果误差按照一定的规律出现，则把这种误差称为系统误差。例如，标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。引起系统误差的原因主要是仪表制造、安装、使用方法不正确，也可能是测量人员的一些不良的读数习惯引起的。系统误差是一种由规律的误差，可以采用修正值或补偿校正的方法来减小或消除。随机误差随机误差对同一被测量进行多次重复测量时，绝对值和符号不可预知地随机变化，但就误差的总体而言，具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的微小因素，一般无法控制。对于随机误差不能用简单的修正值来修正，只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能性的大小。粗大误差粗大误差：明显偏离测量结果的误差称为粗大误差，又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。对于粗大误差，首先应设法判断是否存在，然后将其剔除。测量精度与分辨率精密度：描述测量仪表指示值不一致程度的量。即对一稳定的被测量，在相同的工作条件下，由同一测量者使用同一仪表，在短时间内按同一方向连续重复测量，获得测量结果（仪表指示值）不一致的程度。测量精度与分辨率准确度：描述仪表指示值有规律地偏离真值的程度。准确度是由系统系统误差产生，它是指服从某一特定规律（如定值、线性、多项式等函数规律）的误差。精确度：是精密度和准确度的总和，即仪表在测量性能上的综合优良程度。仪表精密度和准确度都高，其精度才高。精确度最终是以测量误差的相对值来表示的，一般用仪表精度等级表示。测量精度与分辨率分辨率：显示仪表能够检测到被测量最小变化量的本领。一般模拟仪表的分辨率规定为最小刻度分格数值的一半。一般数字仪表的分辨率规定为最后一位的数字。传感器的一般特性在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。如果把传感器看作二端口网络，即有两个输入端和两个输出端，那么传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。传感器的静态特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。线性度线性度：输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。又称非线性误差。用下式表示：

式中：－－－线性度（非线性误差）

ΔLMAX－－－最大非线性绝对误差

Ym－－－输出满度值灵敏度灵敏度：指传感器的输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值，即

K=Δy/Δx对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即K=Δy/Δx为常数；

而非线性传感器的灵敏度为一变量，用K=dy/dx表示。迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生迟滞现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。迟滞迟滞迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差可由下式计算:

式中:ΔHmax——正反行程输出值间的最大差值。重复性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，常用标准偏差表示，也可用正反行程中的最大偏差表示，

即重复性稳定性稳定性：在室温条件下，经过相当长的时间间隔，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。漂移漂移：在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度漂移。传感器的动态特性动态特性指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化，是时间的函数时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。动态误差例：用一只热电偶测量某一容器的液体温度t1，若环境温度为t0（若t>T0)。在动态的输入信号情况下，输出与输入间的差异即为动态误差。研究动态特性的方法及指标工程上常采用标准信号函数的方法来研究，并据此确定若干评定动态特性的指标。常用的标准信号函数是正弦函数和阶跃函数研究方法瞬态响应法：当输入信号为阶跃函数时，因为它是时间的函数，故传感器的响应是在时域里发生的，因此称它为瞬态响应法。频率响应法：当输入信号为正弦函数时，因为它是频率的函数，故传感器的响应是在频率里发生的，因此称它为频率响应法。瞬态响应特性瞬态响应特性：指在输入为阶跃函数时，传感器的输出随时间的变化特性阶跃响应当给静止的传感器输入一个单位阶跃函数信号

时，其输出特性称为阶跃响应特性（见下图）。时，其输出特性称为阶跃响应特性。阶跃响应阶跃响应特性阶跃响应上升时间tr：指输出值从最终稳定值的5%或10%变到最终稳定值的90%或95%所用的时间。响应时间ts：指输入量开始起作用到输出值进入稳定值所规定的范围内所需的时间。超调量c:指输出第一次达到稳定值又超