第1章传感器概述与测量技术理论基础PPT讲稿.ppt

第1章传感器概述与测量技术理论基础第1页，共89页，编辑于2022年，星期一第1章 传感器理论基础 教学目标教学目标 本章阐述传感器及传感技术的作用；传感器及传感技本章阐述传感器及传感技术的作用；传感器及传感技术的特点；传感器的发展趋势；传感器的定义与组成；传术的特点；传感器的发展趋势；传感器的定义与组成；传感器的分类方法；传感器的特性；测量、测量系统、测量感器的分类方法；传感器的特性；测量、测量系统、测量误差和误差分析的基本概念。误差和误差分析的基本概念。教学重点教学重点 传感器的定义、组成及发展趋势传感器的定义、组成及发展趋势 传感器的静态特性指标及定量描述方法传感器的静态特性指标及定量描述方法第2页，共89页，编辑于2022年，星期一传感器传感器技术技术通信通信技术技术传感器的作用传感器的作用信息社会的三大技术：信息社会的三大技术：信息的采集信息的采集信息的传输信息的传输 信息的处理信息的处理计算机计算机技术技术2.1 传感器的概述传感器的概述 第3页，共89页，编辑于2022年，星期一人和机器进行体力劳动、脑力劳动过程人和机器进行体力劳动、脑力劳动过程五官五官感觉感觉传感器传感器大脑大脑筋肉筋肉计算机计算机执行器执行器来自外界来自外界的信息的信息机器机器人人传感器传感器电五官电五官第4页，共89页，编辑于2022年，星期一举例：汽车用传感器技术是促进汽车电子化发展的关键技术之一。目前，举例：汽车用传感器技术是促进汽车电子化发展的关键技术之一。目前，一般普通汽车大约装有几十只到近百只传感器，而豪华高级汽车大约使一般普通汽车大约装有几十只到近百只传感器，而豪华高级汽车大约使用用200300只传感器。汽车用传感器主要使用在发动机控制系统和汽只传感器。汽车用传感器主要使用在发动机控制系统和汽车状态控制系统中。车状态控制系统中。汽车发动机控制系统用传感器主要有：汽车发动机控制系统用传感器主要有：1、压力传感器：主要检测汽缸负压、大气压、汽缸内压、油压等；、压力传感器：主要检测汽缸负压、大气压、汽缸内压、油压等；2、温度传感器：主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温、温度传感器：主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度等；度、燃油温度等；3、气体浓度传感器：主要用于检测车体内气体和废气排放；、气体浓度传感器：主要用于检测车体内气体和废气排放；第5页，共89页，编辑于2022年，星期一4、流量传感器：主要用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制、流量传感器：主要用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空燃比，启动、点火等；空燃比，启动、点火等；5、位置和转速传感器：主要用于检测曲轴转角、发动机转速、车、位置和转速传感器：主要用于检测曲轴转角、发动机转速、车速等；速等；6、爆震传感器：汽油在即将燃烧而没有发生明显爆燃时，燃烧速度最、爆震传感器：汽油在即将燃烧而没有发生明显爆燃时，燃烧速度最快、动力性最好。用检测发动机机体振动。快、动力性最好。用检测发动机机体振动。第6页，共89页，编辑于2022年，星期一霍尔传感器安装位置及作用霍尔传感器安装位置及作用作用：感应凸轮轴位作用：感应凸轮轴位置和转速信号，将此信号置和转速信号，将此信号传给传给ECUECU以确定点火时刻以确定点火时刻和喷油时刻。和喷油时刻。第7页，共89页，编辑于2022年，星期一空气流量计安装位置及作用空气流量计安装位置及作用作用：热膜式，检作用：热膜式，检测进气量的多少，给测进气量的多少，给发动机发动机ECUECU提供进气数提供进气数量信号。量信号。第8页，共89页，编辑于2022年，星期一ECUECU的安装位置及作用的安装位置及作用作用：发动机管理系作用：发动机管理系统，接收各种输入信号统，接收各种输入信号并加以处理，输出执行并加以处理，输出执行命令命令第9页，共89页，编辑于2022年，星期一水温传感器安装位置及作用水温传感器安装位置及作用作用：感应冷却水作用：感应冷却水温度，并将其变成电温度，并将其变成电信号传给信号传给ECUECU第10页，共89页，编辑于2022年，星期一爆振传感器安装位置及作用爆振传感器安装位置及作用 另一爆振传感器安装在三四缸之间的相同位置另一爆振传感器安装在三四缸之间的相同位置。作用：感应发动机工作时的爆振状况。作用：感应发动机工作时的爆振状况。如产生爆振，将信号传给如产生爆振，将信号传给ECUECU，ECUECU将对点将对点火时刻进行调整，以消除或减轻爆振。火时刻进行调整，以消除或减轻爆振。第11页，共89页，编辑于2022年，星期一1.1.1 传感器的概念和组成传感器的概念和组成国标国标GB规定：传感器规定：传感器(sensor)是是能能感受感受规定的被测量并能规定的被测量并能按一定的规律按一定的规律转换转换成可用输出信号的成可用输出信号的器件或装置器件或装置。传感器亦称为：传感器亦称为：变换器变换器(transducer)、转换器、转换器(converter)、检测器、检测器(detector)和变送器和变送器(transmitter)等等通常由敏感元件和转换元件组成。通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件敏感元件转换元件转换元件信处理电路信处理电路电源电源非电量非电量电电 量量第12页，共89页，编辑于2022年，星期一通俗的说法通俗的说法，传感器是对物理、化学、生物等非电量敏感，并能将其转，传感器是对物理、化学、生物等非电量敏感，并能将其转换成电信号的器件（元件）。换成电信号的器件（元件）。非电量非电量电量电量电量电量元元 件件信号处理信号处理信号显示信号显示非电量非电量电量电量元元 件件，传感器是将物理、化学、生物等非电量转换成电量，并具有，传感器是将物理、化学、生物等非电量转换成电量，并具有传输、显示等功能的装置。传输、显示等功能的装置。第13页，共89页，编辑于2022年，星期一1.1.2 传感器的分类传感器的分类压力传感器、位移传感器、温度传感器、角度传感器压力传感器、位移传感器、温度传感器、角度传感器1.按输入量分类：按输入量分类：传感器手册等的编排通常采用这种方法传感器手册等的编排通常采用这种方法 2.按传感器工作原理进行分类：按传感器工作原理进行分类：应变式传感器，电阻式传感器，应变式传感器，电阻式传感器，电容式传感器，电感式传感器，电容式传感器，电感式传感器，压电式传感器，磁阻式传感器，压电式传感器，磁阻式传感器，霍尔式传感器，霍尔式传感器，磁光式传感器。磁光式传感器。通常的教科书均采用这种分类方法通常的教科书均采用这种分类方法第14页，共89页，编辑于2022年，星期一第15页，共89页，编辑于2022年，星期一3.按能量转换关系分类按能量转换关系分类按照传感器的能量转换情况，可分为能量控制型和能量按照传感器的能量转换情况，可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类。转换型传感器两大类。所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供给的，而外界的变化给的，而外界的变化(即传感器输入量的变化即传感器输入量的变化)只起到控制只起到控制的作用。如电阻、电感、电容等电参数传感器、霍耳传的作用。如电阻、电感、电容等电参数传感器、霍耳传感器等都属于这一类传感器。感器等都属于这一类传感器。能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电效应等的传感外电源。如基于压电效应、热电效应、光电效应等的传感器都属于此类传感器。器都属于此类传感器。4.按输出按输出电量电量的形式进行分类：的形式进行分类：模拟式传感器模拟式传感器 数字式传感器数字式传感器第16页，共89页，编辑于2022年，星期一1.1.3 传感器的基本特性传感器的基本特性传感器特性传感器特性：描述：描述传传感器感器输出与输入关系特性输出与输入关系特性静态特性：当输入量为常量，或变化缓慢时的输出与静态特性：当输入量为常量，或变化缓慢时的输出与 输入之间的关系。输入之间的关系。动态特性：当输入量随时间较快变化时的输出与输入动态特性：当输入量随时间较快变化时的输出与输入之间的关系。之间的关系。一个高精度的传感器必须有良好的静态特性和动态特性才一个高精度的传感器必须有良好的静态特性和动态特性才能完成信号无失真的转换。能完成信号无失真的转换。第17页，共89页，编辑于2022年，星期一2.2.1 传感器的静态特性传感器的静态特性静态特性：当输入量为常量，或变化缓慢时的输静态特性：当输入量为常量，或变化缓慢时的输 出与输入出与输入之间的关系。之间的关系。传感器的静态特性一般输入量与输出量之间在数值上具有一定传感器的静态特性一般输入量与输出量之间在数值上具有一定的对应关系的对应关系 静态特性方程静态特性方程(不考虑迟滞、蠕变及其他不稳定因素）不考虑迟滞、蠕变及其他不稳定因素）y=a0+a1x+a2x2+anxn 式中：式中：a0输入量输入量x为零时的输出量；为零时的输出量；a1 线性项系数，也是理想的灵敏度，线性项系数，也是理想的灵敏度，a2，an 非线性项系数。非线性项系数。各项系数决定了特性曲线的具体形式各项系数决定了特性曲线的具体形式第18页，共89页，编辑于2022年，星期一1.灵敏度灵敏度灵敏度：传感器达到稳定工作状态时输出量的变化与引起灵敏度：传感器达到稳定工作状态时输出量的变化与引起此变化的输入量变化之比。此变化的输入量变化之比。输入、输出同量纲时，输入、输出同量纲时，S称为放大倍数称为放大倍数 传感器静态特性性能指标：传感器静态特性性能指标：第19页，共89页，编辑于2022年，星期一对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即即S=y/x。非线性传感器的灵敏度为一变量，如图所示。非线性传感器的灵敏度为一变量，如图所示。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出即传感器的输出输入特性为直线。输入特性为直线。线性线性非线性非线性 第20页，共89页，编辑于2022年，星期一2.线性度线性度一般可用下列多项式表示输出一般可用下列多项式表示输出输入特性输入特性在研究线性特性时，可不考虑零位输出。多项式的输出特性曲在研究线性特性时，可不考虑零位输出。多项式的输出特性曲线如下图所示。线如下图所示。第21页，共89页，编辑于2022年，星期一（1）理理想想的的线线性性特特性性，如如下下图图所所示示的的直直线线。在在这这种种情情况况下下，有有所以传感器的灵敏度为所以传感器的灵敏度为（1）下面介绍多项式的三种特殊情况下面介绍多项式的三种特殊情况第22页，共89页，编辑于2022年，星期一（2）仅有偶次非线性项，如下图所示）仅有偶次非线性项，如下图所示.其输出其输出输入输入特性方程为特性方程为（2）yx0第23页，共89页，编辑于2022年，星期一（3）仅有奇次非线性项，如下图所示。）仅有奇次非线性项，如下图所示。其输出其输出输入特性方程式为输入特性方程式为输入量输入量x在在相当大的变化范围内具有相当大的变化范围内具有较宽的准线性性。这是比较接近于理较宽的准线性性。这是比较接近于理想直线的非线性特性，它相对坐标原想直线的非线性特性，它相对坐标原点是对称的，即点是对称的，即它具有相当宽的近似线性范围它具有相当宽的近似线性范围（3）第24页，共89页，编辑于2022年，星期一 拟拟合合直直线线:用用一一条条直直线线（切切线线或或割割线线）近近似似地地代代表表实实际际曲曲线线的的一一段段，使使传传感感器器输输入入输输出出特特性性线线性性化化，所所采采用用的的直直线线称称为为拟拟合合直直线线。(在在非非线线性性误误差差不不大大的的情情况况下下,采采用用直直线线拟拟合合地地办办法法进进行行线线性性化化)线性度线性度(非线性误差非线性误差):输入输出特性曲线偏离拟合直线的程度。输入输出特性曲线偏离拟合直线的程度。通常用相对误差表示。通常用相对误差表示。第25页，共89页，编辑于2022年，星期一拟合直线的方法：拟合直线的方法：采用拟合直线的原则：获得最小的非线性误差，使用采用拟合直线的原则：获得最小的非线性误差，使用计算方便。计算方便。直线的拟合方法：直线的拟合方法：(a)理论拟合；理论拟合；(b)过零旋转拟合；过零旋转拟合；(c)端点连线拟合；端点连线拟合；(d)端点平移拟合端点平移拟合（e）最小二乘法）最小二乘法实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差非线性误差，如图中所，如图中所示的示的值，取其中最大值与输出满刻度值（值，取其中最大值与输出满刻度值（满量程满量程）之比作为评价非线性）之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。误差（或线性度）的指标。第26页，共89页，编辑于2022年，星期一线性化补偿方法线性化补偿方法拟合直线法差动法非线性补偿法补偿线路或补偿软件 线性化补偿目的：线性化补偿目的：使传感器特性曲线趋于线性，有利于简化传感器的理论分析和设计计算，有利于标定和数据处理，有利于刻度均匀，提高测量精度。第27页，共89页，编辑于2022年，星期一以以差动工作方式差动工作方式可以消除电气元件中的偶次分量，显著地改善线性范围。例如差可以消除电气元件中的偶次分量，显著地改善线性范围。例如差动传感器的一边输出为动传感器的一边输出为 另一边反向输出为另一边反向输出为总输出为二者之差，即总输出为二者之差，即从此可见，差动式传感器消除了偶次项，使线性得到从此可见，差动式传感器消除了偶次项，使线性得到 改善，同时使灵敏度改善，同时使灵敏度提高一倍。提高一倍。第28页，共89页，编辑于2022年，星期一3.迟滞迟滞（回程误差、变差）（回程误差、变差）Hmax正反行程间输出的最大差值正反行程间输出的最大差值 回程误差表明的是在正反行程期间输出回程误差表明的是在正反行程期间输出-输入特性曲线不重输入特性曲线不重合的程度。合的程度。迟迟滞滞（或或称称迟迟环环）特特性性表表明明传传感感器器在在正正（输输入入量量增增大大）反反（输输入量减小）行程期间输出入量减小）行程期间输出输入特性曲线不重合的程度。输入特性曲线不重合的程度。第29页，共89页，编辑于2022年，星期一产生回程误差的原因：产生回程误差的原因：一般滞后现象引起：一般滞后现象引起：由于磁性材料的磁由于磁性材料的磁化和材料受力变形化和材料受力变形 仪器的不工作区引起：仪器的不工作区引起：机械部分存在机械部分存在（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材料内摩擦、积尘等缺陷造成输入变化对输出料内摩擦、积尘等缺陷造成输入变化对输出无影响。无影响。第30页，共89页，编辑于2022年，星期一4.重复性重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。重复特性的好坏是与许多因性程度。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有相同的原因。素有关的，与产生迟滞现象具有相同的原因。yx0Rmax2Rmax1第31页，共89页，编辑于2022年，星期一 不不重重复复性性指指标标一一般般采采用用输输出出最最大大不不重重复复误误差差Rmax与与满满量量程程输输出出的的百百分分比比表表示：示：重复性误差重复性误差ez可按下式计算可按下式计算yx0Rmax2Rmax1第32页，共89页，编辑于2022年，星期一重复性误差反应的是校准数据的离散程度，属于随机误差。重复性误差反应的是校准数据的离散程度，属于随机误差。取取2：置信概率为：置信概率为95.4%取取3：置信概率为：置信概率为99.73 式中：式中：yi测量值；测量值；y测量值的算术平均值；测量值的算术平均值；n测量次数。测量次数。为为标标准准偏偏差差。误误差差服服从从正正态态分分布布，标标准准偏偏差差可可以以根根据据贝贝塞塞尔尔公式来计算：公式来计算：第33页，共89页，编辑于2022年，星期一5.漂移漂移 漂移：漂移：指传感器在输入量不变的情况下，其输出量随着时间变化称为漂移。产生原因：传感器自身结构参数；周围环境（如温度、产生原因：传感器自身结构参数；周围环境（如温度、湿度等）湿度等）常见漂移：温漂常见漂移：温漂 零点漂移零点漂移第34页，共89页，编辑于2022年，星期一6.精确度（精度）精确度（精度）说明精确度的指标有三个：说明精确度的指标有三个：精密度精密度、正确度正确度和和精确度精确度。精密度：说明测量结果的分散性。对应精密度：说明测量结果的分散性。对应随机误差随机误差。.正确度：测量结果偏离真值的程度。对应正确度：测量结果偏离真值的程度。对应系统误差系统误差。.精确度：它含有精密度与正确度之和的意思，即测量的精确度：它含有精密度与正确度之和的意思，即测量的综合优良程度。简单情况为上述两者之和。通常精度是以综合优良程度。简单情况为上述两者之和。通常精度是以测量误差的相对值来表示。测量误差的相对值来表示。第35页，共89页，编辑于2022年，星期一为加深对精密度、准确度和精确度的理解，下面用打靶的为加深对精密度、准确度和精确度的理解，下面用打靶的例子来说明。子弹落在靶心周围有三种情况：例子来说明。子弹落在靶心周围有三种情况：图图(a)的弹着点很分散，表明它的精密度很低；的弹着点很分散，表明它的精密度很低；图图(b)的弹着点集中但偏向一方，表明精密度高但准确度低；的弹着点集中但偏向一方，表明精密度高但准确度低；图图(c)的弹着点集中靶心，则表明既精密又准确，即精确的弹着点集中靶心，则表明既精密又准确，即精确度高。度高。第36页，共89页，编辑于2022年，星期一式中式中A传感器精度；传感器精度；A 测量范围内允许的最大绝对误差；测量范围内允许的最大绝对误差；YF.S满量程输出。满量程输出。工工程程应应用用中中，引引入入一一个个精精度度等等级级概概念念，用用A表表示示，A的的数数值值表表示示传传感感器器在在规规定定条条件件下下，其其允允许许的的最最大大绝绝对对误误差差相相对对于于其测量范围的百分数。表示为其测量范围的百分数。表示为第37页，共89页，编辑于2022年，星期一指传感器在规定测量范内能检测出被测输入量的最小变化量。指传感器在规定测量范内能检测出被测输入量的最小变化量。有时对该值用相对满量程输入值的百分数表示，则称为分辨率。有时对该值用相对满量程输入值的百分数表示，则称为分辨率。能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即值，即零点附近零点附近的分辨能力（死区被测变化量不引起响应的分辨能力（死区被测变化量不引起响应的区域）的区域）6.分辨力、阈值分辨力、阈值阈值：阈值：第38页，共89页，编辑于2022年，星期一1、动态参数测试的特殊问题、动态参数测试的特殊问题在在实实际际测测试试工工作作中中，大大量量的的被被测测信信号号是是动动态态信信号号，传传感感器器对对动动态态信信号号的的测测量量任任务务不不仅仅需需要要精精确确地地测测量量信信号号幅幅值值的的大大小小，而而且且需需要要测测量量和和记记录录动动态态信信号号变变换换过过程程的的波波形形，这这就就要要求求传传感感器器能能迅迅速速准准确确地地测测出出信信号号幅幅值值的的大大小小和和无无失失真真的的再现被测信号随时间变化的再现被测信号随时间变化的波形波形。传感器的动态特性是指传感器对传感器的动态特性是指传感器对激励激励（输入）的（输入）的响应响应（输出）（输出）特性。一个动态特性好的传感器，其特性。一个动态特性好的传感器，其输出输出随时间随时间变化的规律变化的规律，将能同时再现将能同时再现输入输入随时间随时间变化的规律变化的规律（变化曲线），即具（变化曲线），即具有相同的有相同的时间函数时间函数。传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性传感器的动态特性第39页，共89页，编辑于2022年，星期一 这这种种影影响响动动态态特特性性的的“固固有有因因素素”任任何何传传感感器器都都有有，只只不不过过它它们们的的表表现现形形式式和和作作用用程程度度不不同同而而已已。研研究究传传感感器器的的动动态态特特性性主主要要是是从从测测量量误误差差角角度度分分析析产产生生动动态误差的原因以及改善措施。态误差的原因以及改善措施。一个测量水温的实验过程一个测量水温的实验过程T0T 从从T0逐渐上升到逐渐上升到T，热电偶指示出来温度从，热电偶指示出来温度从T0上升到上升到T，历经了时间从，历经了时间从t0到到t的过渡过程，如图所示。没有这样一个过程就不会得到正确的测量结果。而从的过渡过程，如图所示。没有这样一个过程就不会得到正确的测量结果。而从t0t过渡过程中，测试曲线始终与温度从过渡过程中，测试曲线始终与温度从T0跳变到跳变到T的阶跃波形存在差值，的阶跃波形存在差值，这个差值就称为动态误差，从记录波形看，测试具有一定失真。这个差值就称为动态误差，从记录波形看，测试具有一定失真。测试曲线测试曲线测试曲线测试曲线动态误差动态误差动态误差动态误差TtTT0tt0第40页，共89页，编辑于2022年，星期一2 2、研究传感器动态特性的方法及其指标、研究传感器动态特性的方法及其指标在对传感器进行动态特性的分析和动态标定时，为了便于比较和评价，在对传感器进行动态特性的分析和动态标定时，为了便于比较和评价，常常采用常常采用正弦变化正弦变化和和阶跃变化阶跃变化的输入信号。的输入信号。在采用正弦输入研究传感器频域动态特性时，常用在采用正弦输入研究传感器频域动态特性时，常用幅频特性幅频特性和和相频特性相频特性来描来描述传感器的动态特性，其重要指标是述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度频带宽度，简称带宽。带宽是指增，简称带宽。带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。研究动态特性可以从研究动态特性可以从时域时域和和频域频域两个方面采用两个方面采用瞬态响应法瞬态响应法和和频率响应频率响应法法来分析。由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，在时域内研究传来分析。由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数如感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数阶跃函数、脉脉冲函数冲函数和斜坡函数等的响应特性。在频域内研究动态特性一般是采用和斜坡函数等的响应特性。在频域内研究动态特性一般是采用正弦函数正弦函数得到频率响应特性。得到频率响应特性。动态特性好的传感器频率响应范围很宽。动态特性好的传感器频率响应范围很宽。第41页，共89页，编辑于2022年，星期一3、传感器的数学模型（特征方程）、传感器的数学模型（特征方程）在动态测量情况下，如果输入量随时间变化时，输出量能立即随之无在动态测量情况下，如果输入量随时间变化时，输出量能立即随之无失真地变化的话，那么这样的传感器可以看做是理想的。但是实际的失真地变化的话，那么这样的传感器可以看做是理想的。但是实际的传感器总是存在着诸如弹性、惯性和阻尼等元件。此时，输出传感器总是存在着诸如弹性、惯性和阻尼等元件。此时，输出y不仅不仅与输入与输入x有关，而且还与输入量的变化速度有关，而且还与输入量的变化速度dx/dt，加速度加速度d2x/dt2等有关。等有关。要要精精确确地地建建立立传传感感器器（或或测测试试系系统统）的的数数学学模模型型是是很很困困难难的的。在在工工程程上上总总是是采采取取一一些些近近似似的的方方法法，忽忽略略一一些些影影响响不不大大的的因因素素，给给数数学学模模型型的的确确立立和和求求解解都都带带来很多方便。来很多方便。第42页，共89页，编辑于2022年，星期一1.1.4 传感器的命名、代号和图形符号传感器的命名、代号和图形符号传感器的代号：根据国标传感器的代号：根据国标GB 766687 规定，一种规定，一种传感器的代号应包括以下四部分：传感器的代号应包括以下四部分：第43页，共89页，编辑于2022年，星期一传感器的图形符号传感器图形符号的说明传感器图形符号的说明(1)x被测量符号；被测量符号；转换原理转换原理传感器图形符号的说明传感器图形符号的说明(2)对角线对角线内在的能量转换功能；内在的能量转换功能；(A)、(B)输入、输出信号输入、输出信号传感器的电气引线，应根据接线图设计需要，从正方形的三条边线传感器的电气引线，应根据接线图设计需要，从正方形的三条边线垂直引出；垂直引出；如果引线需要接地或接壳体、接线板，应按照如果引线需要接地或接壳体、接线板，应按照GB 4728.2 中的规定绘制，中的规定绘制，第44页，共89页，编辑于2022年，星期一1.1.5 传感器的发展动向传感器的发展动向 经历了三代：经历了三代：1、结构型传感器、结构型传感器 2、物性型传感器、物性型传感器 3、灵巧型传感器、灵巧型传感器 第45页，共89页，编辑于2022年，星期一结构型结构型传感器特征传感器特征 在将非电量转换成电量的过程中，传感器在将非电量转换成电量的过程中，传感器结构参数发生变化结构参数发生变化 如电阻应变式传感器；电感式传感器；电容式传感器等如电阻应变式传感器；电感式传感器；电容式传感器等线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁极板极板1极板极板2第46页，共89页，编辑于2022年，星期一物性型物性型传感器特征传感器特征 在转换非电量到电量的过程中，传感器在转换非电量到电量的过程中，传感器结构参数不发生变化结构参数不发生变化。半导体温度传感器半导体温度传感器 磁光电流传感器磁光电流传感器 PTC,NTC第47页，共89页，编辑于2022年，星期一灵巧型灵巧型传感器传感器 灵巧型传感器是在物性型传感器基础上，随着大规模集成技灵巧型传感器是在物性型传感器基础上，随着大规模集成技术发展而诞生的集成型传感器。它具有部分人工智能。术发展而诞生的集成型传感器。它具有部分人工智能。第48页，共89页，编辑于2022年，星期一发展方向新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究新理论的探讨、新技术的应用、新材料和新工艺的研究2 2、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命、确保传感器的可靠性，延长其使用寿命1、努力实现传感器的新特性、努力实现传感器的新特性检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应检测范围宽、高灵敏度、高精度、响应速度快、速度快、互换性好互换性好3、提高集成化和功能化程度、提高集成化和功能化程度信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构信息处理功能一体化：敏感元件、电路、执行机构传感器功能和信息处理功能一体化传感器功能和信息处理功能一体化第49页，共89页，编辑于2022年，星期一4 4、微型化、微型化、微型化、微型化微机电系统微机电系统 MEMS（Microelectro-mechanical System）轮廓尺寸在毫米量级、元件尺寸在微米量级、轮廓尺寸在毫米量级、元件尺寸在微米量级、可运动的微型机电装置。可运动的微型机电装置。微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器微型集成传感器：力、压力、加速度、化学传感器集成电路：微型的齿轮、电机、泵、阀门、集成电路：微型的齿轮、电机、泵、阀门、悬臂梁、光学镜片悬臂梁、光学镜片 执行机构执行机构 借助集成电路的制造技术来制造机械装置借助集成电路的制造技术来制造机械装置第50页，共89页，编辑于2022年，星期一1.1.1 测量方法测量方法 测量的定义测量的定义:确定被测量的值或获取测量结果为目的确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。的一系列操作。该操作可以通过手动的或自动的方式来进行。该操作可以通过手动的或自动的方式来进行。从计量学的角度上讲从计量学的角度上讲 测量就是利用实验手段，把待测量与已知的同类测量就是利用实验手段，把待测量与已知的同类量进行直接或间接的比较，将已知量作为计量单位，量进行直接或间接的比较，将已知量作为计量单位，求得比值的过程求得比值的过程。1.2.1 测量技术理论基础测量技术理论基础第51页，共89页，编辑于2022年，星期一1.根据获得测量值的方法分类：根据获得测量值的方法分类：（1）直接测量）直接测量被测量之间从测量仪器上读出。被测量之间从测量仪器上读出。（2）间接测量间接测量 被测量通过与其有函数关系的几个直接测量值计算得被测量通过与其有函数关系的几个直接测量值计算得到。到。（3）组合测量）组合测量被测量必须通过求解方程组而得到。被测量必须通过求解方程组而得到。第52页，共89页，编辑于2022年，星期一2.根据测量方式分类：根据测量方式分类：（1）偏差法测量偏差法测量被测量的值从仪表指针的位移来得到。属于直读被测量的值从仪表指针的位移来得到。属于直读（2）零位法测量）零位法测量用测量仪表的零位反映测量系统的平衡状态用测量仪表的零位反映测量系统的平衡状态（3）微差法测量）微差法测量有机结合了偏差法测量和零位法测量有机结合了偏差法测量和零位法测量第53页，共89页，编辑于2022年，星期一3.根据测量条件不同分类根据测量条件不同分类：等精度测量等精度测量 非等精度测量非等精度测量 4.根据被测量变化快慢分类根据被测量变化快慢分类：静态测量静态测量动态测量动态测量 5.根据测量敏感元件是否与被测介质接触分根据测量敏感元件是否与被测介质接触分类类：接触式测量、非接触式测量接触式测量、非接触式测量 6.根据测量结果的获取方式分类：根据测量结果的获取方式分类：工程测量、工程测量、精密测量精密测量第54页，共89页，编辑于2022年，星期一1.2.2 测量系统测量系统1测量系统构成测量系统构成 完成一个检测任务，往往需要多台装置有机地组合在一起，形完成一个检测任务，往往需要多台装置有机地组合在一起，形成一个测量系统。成一个测量系统。测量系统的功能：应具有对被测对象的特征量进行检测、传输、处理测量系统的功能：应具有对被测对象的特征量进行检测、传输、处理及显示等。及显示等。检测系统组成：传感器、变送器（变换器）和其他变换装置等组检测系统组成：传感器、变送器（变换器）和其他变换装置等组成。成。测量系统组成框图测量系统组成框图 各部分作用各部分作用?被测量被测量被测对象被测对象传感器传感器变送器变送器传输对象传输对象信号处理信号处理显示装置显示装置第55页，共89页，编辑于2022年，星期一2测量系统类型测量系统类型 包括：开环测量系统、闭环测量系统包括：开环测量系统、闭环测量系统 （1）开环测量系统）开环测量系统 开环测量系统是由多个环节串联而成，信息变换开环测量系统是由多个环节串联而成，信息变换只沿着一个方向进行。只沿着一个方向进行。特性特性?特点：结构简单；仪表精度不易提高；仪表的灵敏度特点：结构简单；仪表精度不易提高；仪表的灵敏度与仪表的环节个数有关与仪表的环节个数有关.第56页，共89页，编辑于2022年，星期一（2）闭环测量系统）闭环测量系统 闭环测量系统有两个通道，一为正向通道，一为闭环测量系统有两个通道，一为正向通道，一为反馈通道反馈通道特性特性?特点：精度高；灵敏度高。闭环结构的仪表当正向通特点：精度高；灵敏度高。闭环结构的仪表当正向通道总传递系数道总传递系数K足够大的情况下，采取较小的反馈系数足够大的情况下，采取较小的反馈系数，则可获得较高的灵敏度和仪表精度。，则可获得较高的灵敏度和仪表精度。第57页，共89页，编辑于2022年，星期一1.3.1测量误差测量误差测量误差的定义测量误差的定义:测量误差测得值真值测量误差测得值真值 真值真值：是指一个特定的物理量在一定条件下所定义的客观量值又称为理论值或定义值。约定真值约定真值:是指对于给定用途具有适当不确定度的、赋予特定量的值。误差是针对真值而言的，真值一般都是指约定真值。误差是针对真值而言的，真值一般都是指约定真值。1.3 测量误差及数据处理测量误差及数据处理第58页，共89页，编辑于2022年，星期一1测量误差的表示方法测量误差的表示方法 （1）绝对误差）绝对误差 （2）实际相对误差）实际相对误差 （3）引用误差）引用误差 （4）基本误差）基本误差 传感器或仪表在规定的标准条件下所具有的误差传感器或仪表在规定的标准条件下所具有的误差 （5）附加误差）附加误差 传感器或仪表偏离额定条件下出现的误差传感器或仪表偏离额定条件下出现的误差第59页，共89页，编辑于2022年，星期一例例1：满度值为：满度值为100mA、1.0级的电流表，求测量值分别为级的电流表，求测量值分别为 100mA、20mA 时的绝对误差和实际相对误差。时的绝对误差和实际相对误差。解：精度等级解：精度等级S=1.0，则引用误差，则引用误差可求得最大绝对误差可求得最大绝对误差实际相对误差实际相对误差为了减小相对误差，仪表的满刻度值应接近测量值。为了减小相对误差，仪表的满刻度值应接近测量值。第60页，共89页，编辑于2022年，星期一例例2 2：某被测电压为：某被测电压为8080伏左右，现有伏左右，现有0.50.5级、量级、量程为程为300300伏和伏和1.01.0级、量程为级、量程为100100伏两块电压表，伏两块电压表，问选用哪一块合适？问选用哪一块合适？解：对于解：对于0.5级电压表可能产生的最大绝对误差为级电压表可能产生的最大绝对误差为 按照误差整量化原则，该电压表的绝对误差为按照误差整量化原则，该电压表的绝对误差为实际相对误差为实际相对误差为 同理，我们可以算出同理，我们可以算出1.0级电压表的误差，并比较。级电压表的误差，并比较。第61页，共89页，编辑于2022年，星期一对于对于1.0级电压表可能产生的最大绝对误差为级电压表可能产生的最大绝对误差为 按照误差整量化原则，该电压表的绝对误差为按照误差整量化原则，该电压表的绝对误差为实际相对误差为实际相对误差为结论：结论：第62页，共89页，编辑于2022年，星期一2.2.测量误差的性质测量误差的性质（1 1）随随机机误误差差 在在同同一一测测量量条条件件下下，多多次次测测量量同同一一量量值值时时，绝绝对对值值和和符符号号以以不不可可预预知知随随机机变变化化着着的的误误差差称称为为随随机误差。机误差。但就误差的总体而言，服从一定的统计规律。但就误差的总体而言，服从一定的统计规律。随即误差等于：随即误差等于：随即误差不能用简单的修正值来修正，要用统计的方法计算她随即误差不能用简单的修正值来修正，要用统计的方法计算她出现的可能性。出现的可能性。第63页，共89页，编辑于2022年，星期一（2 2）系系统统误误差差 在在同同一一测测量量条条件件下下，对对同同一一被被测测量量多多次次测测量量时时，按按一一定定规规律律（如如线线性性、多多项项式式、周周期期性性等等函函数规律）出现的误差称为数规律）出现的误差称为系统误差系统误差。（3）粗大误差）粗大误差 明显偏离预期范围的测量误差称为粗大误差，明显偏离预期范围的测量误差称为粗大误差，粗大误差又称疏忽误差。粗大误差又称疏忽误差。系统误差等于系统误差等于系统误差的特点：系统误差的特点：只要测量条件不变，误差即为确定值。只要测量条件不变，误差即为确定值。产生系统误差的原因很多产生系统误差的原因很多第64页，共89页，编辑于2022年，星期一1.3.2 测量数据的估计和处理测量数据的估计和处理 随机误差的统计处理随机误差的统计处理 等精度测量随机误差处理等精度测量随机误差处理 1.正态分布正态分布 从测量实践可知从测量实践可知:在排除了系统误差和粗大误差的情况在排除了系统误差和粗大误差的情况下下,对某一物理量进行等精度多次测量时对某一物理量进行等精度多次测量时,其测得值中还会含其测得值中还会含有随机误差。有随机误差。随机误差出现虽然具有随机性，但就误差的总体而言，却