传感器的一般特性

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第1章 传感器与检测技术基础
1.按测量过程的特点分类 可分为直接测量和间接测量。
(1)直接测量:直接测量是针对被测量选用专用仪表进行测量，直接获 取被测量值的过程，如用温度表测温度和用电位差计测电动势等。 1)偏差法。 2)零位法。 3)微差法。 (2)间接测量：用直接测量法测得与被测量有确切函数关系的一些物 理量，然后通过计算求得被测量值的过程称为间接测量。
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第1章 传感器与检测技术基础
一、测量的基本概念及分类 (1)测量：以确定客观事物的量值为目的，借助于一定的工具和设
备，用比较的方法取得被测量数据的过程，包括数据处理、显示
或记录等步骤。 (2)检测：利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或
仪器所能接收的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成
Lmax eL 100% yF . S .
y
Lmax 输出值与理想直线的最大偏差值
Δ
yF . S .
理论满量程输出值
x 拟合直线
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理想直线： 一般不存在或很难获得准确结果
利用测量数据，通过计算获得
第1章 传感器与检测技术基础
获取拟合直线方法：
y
Lmax min
y
Δ
Lmax min
残差平方和最小： a
2 x i yi xi xi yi
2.按误差的性质分类 可分为系统误差、随机误差和粗大误差。
3.按被测量与时间关系分类 可分为静态误差和动态误差。
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第1章 传感器与检测技术基础 精度
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第1章 传感器与检测技术基础
(1)绝对误差：某被测量的仪表示值x与其约定真值A0的差值，称为 绝对误差Δx，即
x x A0
（2）示值误差：由于一般测量时，无法获得真值，用实际值A 代替， x与A的差值
m i ( 1 2 n )
i 1
n
（2）方均根合成法
m
2 1 2 2
2 n
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第1章 传感器与检测技术基础
2.按误差的性质分类 可分为系统误差、随机误差和粗大误差。
(1)系统误差：在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小 和符号保持恒定或按某一确定规律变化，此类误差称作系统误差。 (2)随机误差：在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差没有 固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误差称为随机误差。 (3)粗大误差：明显偏离约定真值的误差称为粗大误差。
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第1章 传感器与检测技术基础
2.系统误差的发现
(1)恒定系差的检验:恒定系差不影响剩余误差的计算，即不影响测量 结果的精密度，在处理随机误差时不可能发现。 (2)未定系差的发现 1)剩余误差观察法。 2)马利科夫判据用于检查线性系差。
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第1章 传感器与检测技术基础
3.消除或减弱系统误差的测量方法
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第1章 传感器与检测技术基础
3.按测量对象的特点分类 可分为静态测量法和动态测量法。
(1)静态测量法:静态测量方法是指被测对象处于稳定情况下的测量。 (2)动态测量法:动态测量是指在被测对象处于不稳定的情况下进行的 测量。
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第1章 传感器与检测技术基础
二、测量误差分析
误差分类
1.按误差的表示方法分类 可分为绝对误差和相对误差。
x(t )
X(s)
传感器
h(t )
H(s)
y(t)
Y (s)
不失真测试条件
y (t ) A0 x(t t0 ) Y ( j ) H ( j ) A0e jt0 X ( j )
A x(t)
该系统的输出 波形与输入信号的 波形精确地一致， 只是幅值放大了A0 倍，在时间上延迟 了t0而已。这种情 况下，认为测试系 统具有不失真的特 性。
非线性
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第1章 传感器与检测技术基础 静态特性指标
1）基本功能特性 --- 决定系统的工作能力
① 测量范围（Range）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围 上限值、下限值 200～800C、5mm ② 跨度（Span）：--- 测量范围上限与下限的算术差值 ③ 灵敏度（Sensitivity）：系统输出信号的变化相对于输入信号变化 的比值 k =dy/dx 线性检测装置 --- 常数；非线性检测装置 --- 变量 ④ 分辨力（Resolution） 能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量 绝对值 --- ；相对值 --- 满刻度（Full Scale）的百分比 ⑤ 动态范围（Dynamic Range） 跨度与绝对分辨力之比 --- 系统对输入信号大小的综合检测能力 x x 动态范围＝ max min 分贝数表示 动态范围＝ 20 lg xmax xmin
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第1章 传感器与检测技术基础
图示为一个三位半数字显示电压表 1量程 2分辨力 3读数 4示值相对误差
5满度相对误差
200℃； 0.1℃； 126.5 ℃； 0.1÷126.5 ≈ 0.08% ； 0.1÷200 = 0.05%
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第1章 传感器与检测技术基础
若第i个环节的满度相对误差为γi时，则输出端的满度相对误差γm与γi 之间的关系可用以下两种方法来确定： （1）绝对值合成法（误差的估计偏大）
2)各测得值xi的剩余误差(残差)vi为
3)标准误差σ为
vi xi x
2 v i i 1 n

n 1
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第1章 传感器与检测技术基础
系统误差的处理
1.系统误差的分类及产生原因 产生系统误差的原因主要有：检 测所用传感器和仪表本身性能有限；检测系统安装、布置及调整 不当；测量者视觉原因；测量环境条件(如温度和压力等)变化； 测量方法不完善；测量依据的理论不完善等。 2.系统误差的发现
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第1章 传感器与检测技术基础
2.按测量仪表是否与被测物体相接触分类 可分为接触测量法 和非接触测量法。
(1)接触测量法：检测仪表的传感器与被测对象直接接触，承受被测 参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方 法，称接触测量法。 (2)非接触测量法：检测仪表的传感器不与被测对象直接接触，而是 间接承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，以达到测 量目的的方法，称非接触测量法。
x
x 100% x
3)满度（引用）相对误差等于绝对误差与仪表满量程值yFS的百分比， 用γn表示，即
n
x 100% yFS
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第1章 传感器与检测技术基础
当x取仪表的最大绝对误差值m时，引用误差常被用来确 定仪表的准确度（Degree of Accuracy）等级S，即
x x A
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第1章 传感器与检测技术基础
(3)相对误差：即百分比误差，分为实际相对误差、示值(标称)相对 误差和满度(引用)相对误差。 1)实际相对误差等于绝对误差与实际值A的百分比，用γA表示，即
A
x 100% A
2)示值相对误差等于绝对误差与示值x的百分比，用γx表示，即
传感器与检测技术
Sensor and Detection technology
朱启兵 zhuqib@163.com
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第1章 传感器与检测技术基础
第1章 传感器与检测技术基础
1.1 检测技术的基本概念 一、测量的基本概念及分类 二、测量误差分析 1.2传感器特性与标定 一、传感器的特性与指标 二、改善传感器性能的技术途径 三、传感器的合理选用 四、传感器的标定
静态特性、动态特性
t
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第1章 传感器与检测技术基础 1.静态特性
静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态时的输入输出关系
外界干扰 温 度 湿 度 压 力 冲 击 振 动 电 磁 场 场 两个因素： 随机干扰和非线性
输入 x
传感器
输出 y = f(x)
摩 擦
间 隙
松 动
迟 蠕 滞 变
变 老 形 化
S Δm 100 y FS
表1-1 仪表的准确度等级和基本误差
准确度等级
基本误差 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0
我国的模拟仪表有下列七种等级，准确度等级的数值越小，仪表的就越昂贵。
±0.1%
±0.2%
±0.5%
±1.0%
±1.5%
±2.5%
±5.0%
仪表的准确度与“精度” 举例，在正常情况下，用0.5级、量程为100℃温度表来测量温 度时，可能产生的最大绝对误差为： Δm＝（±0.5%）×Am＝±（0.5%×100）℃＝±0.5℃
(1) 误差源消除 (2) 修正值法 (3) 补偿法 (4) 零位式测量
(5) 对照法。
。
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第1章 传感器与检测技术基础
1.2传感器特性与标定 一、传感器的特性与指标 二、改善传感器性能的技术途径 三、传感器的合理选用 四、传感器的标定
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第1章 传感器与检测技术基础 一、传感器的特性与指标 基本特性：输入输出关系特性
表1-1 置信系数与置信概率的对应关系
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第1章 传感器与检测技术基础
2.随机误差的计算方法 国内外广泛采用标准误差(方均根误差) σ来评定测量随机误差的大小。
标准法——贝塞尔公式：设n次等精度测量的测得值为x1,x2,…,xn。
1)测得值的算术平均值为
1 n x xi n i 1
执行器所能接收的信号，实现对被测物理量的控制。 (3)测试：带有试验性质的检测，在特定情况下，检测信号可由模
拟被测物理量的信号发生装置产生。
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第1章 传感器与检测技术基础
1.按测量过程的特点分类 可分为直接测量和间接测量。
2.按测量仪表是否与被测物体相接触分类 可分为接触测量法和 非接触测量法。 3.按测量对象的特点分类 可分为静态测量法和动态测量法。
3.消除或减弱系统误差的测量方法
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第1章 传感器与检测技术基础
1.系统误差的分类及产生原因
(1)已定系差:指在测量过程中误差大小和符号都不变的系差。
(2)未定系差:在测量过程中大小和符号变化不定，或按一定规律变化
的系差。 1)线性变化(或累进变化)系差。
2)周期性变化的系差。
3)复杂规律变化的系差。
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第1章 传感器与检测技术基础 静态特性指标
2）精度特性 --- 决定系统在什么程度上完成所需的检测
① 线性度（Linearity）：输入输出曲线与理想直线 的偏离程度
理想检测系统 --- 输出与输入 --- 比例关系：y(t)=kx(t) 实际检测装置 --- 输出与输入不是理性的线性关系 表达: 相对误差
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第1章 传感器与检测技术基础
3.按被测量与时间关系分类 可分为静态误差和动态误差。
(1)静态误差：被测量不随时间变化时测得的测量误差称为静态误差。
(2)动态误差：被测量在随时间变化过程中所测得的测量误差称为动
态误差。
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第1章 传感器与检测技术基础
随机误差的处理 1.随机误差的特性 2.随机误差的计算方法 国内外广泛采用标准误差(方均根误差)σ 来评定测量随机误差的大小。
x
(a) 端点连线法 (c) 最小二乘法：
(b) 最佳直线法
x
n xi yi xi yi b 计算：有n个测量数据: (x1,y1), (x2,y2), … , (xn,yn)，n x 2 ( x ) 2 i i
(n>2)
残差：i = yi – (a + b xi) 2i=min
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第1章 传感器与检测技术基础
例1-1 某压力表准确度为2.5级，量程为0～1.5MPa，求：1） 可能出现的最大满度相对误差n。2）可能出现的最大绝对误差 m为多少kPa？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最 大示值相对误差x。 例1-2现有准确度为0.5级的0～300℃的和准确度为1.0级的 0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一 个温度计好？
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第1章 传感器与检测技术基础
1.随机误差的特性
(1)对称性：绝对值出现正误差和负误差的概率相等。
图1-1
正态分布曲线
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第1章 传感器与检测技术基础
(2)单峰性：只有一个峰值，峰值就是概率密度函数的极大值。(3)互 抵性：对一系列等精度的n次测量，当n→+∞时，各次测量的随机误 差δi(i=1，2，…，n)的代数和趋于零。 (4)有界性：绝对值很大的误差出现的概率趋近于零，即误差的绝对 值实际上不会超过某个限值。