传感器原理与检测技术讲稿.ppt

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1、传感器原理与检测技术传感器原理与检测技术第一页，讲稿共三十一页哦 测量概论测量概论二、测量方法二、测量方法2、偏差式测量、偏差式测量、零位式测量与微差式测量零位式测量与微差式测量n n.用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态态,在测量系统平衡时在测量系统平衡时,用已知的标准量决定被用已知的标准量决定被测量的量值测量的量值,这种测量方法称为这种测量方法称为零位式测量零位式测量。第二页，讲稿共三十一页哦 测量概论测量概论二、测量方法二、测量方法2、偏差式测量、偏差式测量、零位式测量与微差式测量零位式测量与微差式测量电位差计式测量：电位差计式测量：UX：传

2、感器信号：传感器信号 （未知量）（未知量）UK：标准量信号：标准量信号 （已知量）（已知量）D：检零计检零计 （电压表）（电压表）平衡：平衡：UK=UX第三页，讲稿共三十一页哦 测量概论测量概论二、测量方法二、测量方法2、偏差式测量、偏差式测量、零位式测量与微差式测量零位式测量与微差式测量n n微差式测量是微差式测量是综合综合了偏差式测量与零位式测量的优点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比较,取得值后取得值后,再用偏差法测得此差值。再用偏差法测得此差值。X：被测量：被测量N：标准量：标准量：微差：

3、微差第四页，讲稿共三十一页哦测量概论测量概论二、测量方法二、测量方法3、等精度测量与不等精度测量、等精度测量与不等精度测量n n 用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量次重复测量,称为等精度测量。称为等精度测量。n n 用不同精度的仪表或不同的测量方法用不同精度的仪表或不同的测量方法,或在环或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复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。测量称为非等精度测量。4、静态测量与动态测量、静态测量与动态测量 n n被测量在测量过程中认为是固定不变的。被测量在测量过程中认为是固定不变的。n n被

4、测量在测量过程中是随时间不断变化的。被测量在测量过程中是随时间不断变化的。第五页，讲稿共三十一页哦第第1章章传感与检测技术的理念基础传感与检测技术的理念基础测量概论测量概论三、测量系统三、测量系统1.测量系统构成测量系统构成n n测量系统应具有对被测对象的特征量进行检测、测量系统应具有对被测对象的特征量进行检测、传输、处理及显示等功能。一个测量系统是传感传输、处理及显示等功能。一个测量系统是传感器变送器和其它变换装置的有机组合。器变送器和其它变换装置的有机组合。如下图如下图表示测量系统原理结构框图。表示测量系统原理结构框图。第六页，讲稿共三十一页哦 测量概论测量概论三、测量系统三、测量系统2.

5、开环测量系统与闭环测量系统开环测量系统与闭环测量系统n n 开环测量系统的全部信息变换只沿着一个开环测量系统的全部信息变换只沿着一个方向进行方向进行,如图所示。如图所示。第七页，讲稿共三十一页哦测量概论测量概论三、测量系统三、测量系统2.开环测量系统与闭环测量系统开环测量系统与闭环测量系统n n闭环测量系统闭环测量系统闭环测量系统有两个通道，闭环测量系统有两个通道，一为正向通道、二为反馈通道，如图所示：一为正向通道、二为反馈通道，如图所示：第八页，讲稿共三十一页哦测量概论测量概论四、测量误差四、测量误差 测测量量的的目目的的是是希希望望通通过过测测量量获获取取被被测测量量的的真真实实值值。但但

6、由由于于种种种种原原因因,两两者者不不一一致致程程度度用用测测量量误误差差表表示示。测测量量误误差差就就是是测测量量值值与与真真实实值值之之间间的的差值。差值。它反映了测量质量的好坏。它反映了测量质量的好坏。测测量量的的可可靠靠性性至至关关重重要要,不不同同场场合合对对测测量量结结果果可可靠靠性性的的要要求求也也不不同同。例例如如,在在量量值值传传递递、经经济济核核算算、产产品品检检验验等等场场合合应应保保证证测测量量结结果果有有足足够够的的准准确确度度。当当测测量量值值用用作作控控制制信信号号时时,则则要要注注意意测测量的稳定性和可靠性。量的稳定性和可靠性。第九页，讲稿共三十一页哦 测量概论

7、测量概论四、测量误差四、测量误差1.测量误差的表示方法测量误差的表示方法n n绝对误差：测量结果与被测量的真值之差。绝对误差：测量结果与被测量的真值之差。=x-L 式中式中:绝对误差绝对误差;x测量值测量值;L真实值；真实值；例如：真值为例如：真值为30.2 的电流，测得值为的电流，测得值为30.4 ，则微，则微安表的显示值安表的显示值30.4 的绝对误差为：的绝对误差为：第十页，讲稿共三十一页哦测量概论测量概论四、测量误差四、测量误差1.测量误差的表示方法测量误差的表示方法n n例如：测量两个电阻其中：例如：测量两个电阻其中：R1 1=10 绝对误差绝对误差R1 1=0.1 R2 2=100

8、0 绝对误差绝对误差R2 2=1 尽管尽管R1 1 R2 2但不能由此得出测量电阻但不能由此得出测量电阻R1 1比测量电阻比测量电阻R2 2的准确度要高的结论，因此的准确度要高的结论，因此需要引出相对误差的概念。需要引出相对误差的概念。第十一页，讲稿共三十一页哦 测量概论测量概论四、测量误差四、测量误差1.测量误差的表示方法测量误差的表示方法n n实际相对误差的定义由下式给出实际相对误差的定义由下式给出:式中式中:相对误差相对误差,绝对误差绝对误差;L真实值真实值 由由于于被被测测量量的的真真实实值值L无无法法知知道道,实实际际测测量量时时用用测测量量值值X代代替替真真实实值值L进进行行计计算

9、算,这这个个相相对对误误差差称称为为标标称称相相对误差对误差,即：即：第十二页，讲稿共三十一页哦 测量概论测量概论四、测量误差四、测量误差1.测量误差的表示方法测量误差的表示方法n n引用误差引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。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它是相对仪表满量程的一种误差,一般也用百一般也用百分数表示，即：分数表示，即：式中式中:引用误差引用误差 绝对误差绝对误差第十三页，讲稿共三十一页哦 测量概论测量概论四、测量误差四、测量误差 一般用一般用表示仪表的精度等级。我国电工仪表表示仪表的精度等级。我国电工仪表共分七级：共分七级：0.1 0.2 0.

10、5 1.0 1.5 2.5 5.0 0.5级仪表，表示级仪表，表示=0.5%；1级仪表：表示级仪表：表示=1%.根据精度等级和量程范围，可以求出该仪表可能根据精度等级和量程范围，可以求出该仪表可能出现的最大绝对误差出现的最大绝对误差。温度计：温度计：1级仪表，仪表量程级仪表，仪表量程0-100 =100*1%=1 1 级仪表，仪表量程级仪表，仪表量程0-1000 =1000*1%=10第十四页，讲稿共三十一页哦n n例例1：已知待测电压约为：已知待测电压约为70V左右，现有两只电压左右，现有两只电压表，一只为表，一只为0.5级，测量范围为级，测量范围为0500V，另一只为，另一只为1.0级，测

11、量范围为级，测量范围为0100V，选用哪一只电压表较，选用哪一只电压表较好？为什么？好？为什么？解：解：1）0.5级级 0-500V电压表，允许的最大绝对电压表，允许的最大绝对误差误差=500*0.5%=2.5V。70V处的最大相对误差：处的最大相对误差：2）1.0级级 0-100V电压表电压表,允许的最大绝对误差允许的最大绝对误差=100*1.0%=1V。70V处的最大相对误差：处的最大相对误差：第十五页，讲稿共三十一页哦1.1 测量概论测量概论四、测量误差四、测量误差测量误差的性质测量误差的性质 根据测量数据中的误差所呈现的规律根据测量数据中的误差所呈现的规律,将将误差分为三种误差分为三种

12、,即系统误差、随机误差和即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据处粗大误差。这种分类方法便于测量数据处理。理。n n随机误差随机误差对同一被测量进行多次重复测量对同一被测量进行多次重复测量时时,绝对值和符号不可预知地随机变化。绝对值和符号不可预知地随机变化。但就误差的总体而言但就误差的总体而言,具有一定的统计规具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。律性的误差称为随机误差。第十六页，讲稿共三十一页哦1.1 测量概论测量概论四、测量误差四、测量误差 系统误差系统误差对同一被测量进行多次重复测量时对同一被测量进行多次重复测量时,如如果误差按照一定的规律出现果误差按照一定的规律出现,

13、则把这种误差称为则把这种误差称为系统误差。例如系统误差。例如,标准量值的不准确及仪表刻度标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。的不准确而引起的误差。粗大误差粗大误差明显偏离测量结果的误差称为粗大误明显偏离测量结果的误差称为粗大误差差,又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏又称疏忽误差。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。对于忽大意或环境条件的突然变化而引起的。对于粗大误差粗大误差,首先应设法判断是否存在首先应设法判断是否存在,然后将其然后将其消除。消除。测量误差的性质测量误差的性质第十七页，讲稿共三十一页哦第第1章章传感与检测技术的理念基础传感与检测技术的理念基础

14、1.2 测量数据的估计和处理测量数据的估计和处理一、一、随机误差的统计处理随机误差的统计处理 在测量中在测量中,当系统误差已设法消除或减小到可以当系统误差已设法消除或减小到可以忽略的程度时忽略的程度时,如果测量数据仍有不稳定的现象如果测量数据仍有不稳定的现象,说明存在随机误差。说明存在随机误差。随机误差具有以下性质：随机误差具有以下性质：对称性对称性：绝对值相等的正负误差出现的次数相：绝对值相等的正负误差出现的次数相等等有界性有界性：在一定测量条件下的有限测量值，其：在一定测量条件下的有限测量值，其随机误差的随机误差的 绝对值不会超过一定的界限。绝对值不会超过一定的界限。第十八页，讲稿共三十一

15、页哦第第1章章传感与检测技术的理念基础传感与检测技术的理念基础1.2 测量数据的估计和处理测量数据的估计和处理一、一、随机误差的统计处理随机误差的统计处理单峰性单峰性：绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的：绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的误差出现的次数多。误差出现的次数多。抵偿性抵偿性：对同一量值进行多次测量，其误差的算术：对同一量值进行多次测量，其误差的算术平均值，随着测量次数的增加趋于零。平均值，随着测量次数的增加趋于零。1 随机误差的正态分布曲线随机误差的正态分布曲线n n随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在一定条件下服从统计规律，

16、其数学表达式为：一定条件下服从统计规律，其数学表达式为：随机误差随机误差 均方根偏差均方根偏差 第十九页，讲稿共三十一页哦第第1章章传感与检测技术的理念基础传感与检测技术的理念基础1.2 测量数据的估计和处理测量数据的估计和处理均方根偏差不同的正态分布曲线均方根偏差不同的正态分布曲线均方根偏差不同的正态分布曲线均方根偏差不同的正态分布曲线第二十页，讲稿共三十一页哦一、一、随机误差的统计处理随机误差的统计处理 2 随机误差的数字特征随机误差的数字特征n n算术平均值算术平均值 在实际测量时在实际测量时,真值真值L不可能得到。但如果随机不可能得到。但如果随机误差服从正态分布误差服从正态分布,则算术

17、平均值处随机误差的则算术平均值处随机误差的概率密度最大。对被测量进行等精度的概率密度最大。对被测量进行等精度的n次测量次测量,得得n个测量值个测量值x1 x2xn,它们的算术平均值为它们的算术平均值为 算术平均值是测量值中最算术平均值是测量值中最可信赖的可信赖的,它可以它可以作为作为等精度等精度多次测量的结果。多次测量的结果。第二十一页，讲稿共三十一页哦2 随机误差的数字特征随机误差的数字特征算术平均值算术平均值当测量次数为当测量次数为无限次时无限次时，所有测量值的算术平，所有测量值的算术平均值即等于均值即等于真值真值，事实上是不可能无限次测量，事实上是不可能无限次测量即真值难以达到。但是，随

18、着测量次数的增加即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。均值作为真值是既可靠又合理的。1 1、2 2、3 3、nn随机误差：随机误差：残余误差：残余误差：第二十二页，讲稿共三十一页哦2 随机误差的数字特征随机误差的数字特征标准偏差标准偏差 在等精度测量列中，单次测量的标准差在等精度测量列中，单次测量的标准差 n测量次数；测量次数；i每次测量中相应各测量每次测量中相应各测量值的随机误差值的随机误差实际工作中用残差来近似代替随机误差实际工作中用残差来近似代替随机误差求标准差的估计值求标准差

19、的估计值贝塞尔（贝塞尔（贝塞尔（贝塞尔（BesselBessel）公式）公式）公式）公式 第二十三页，讲稿共三十一页哦2 随机误差的数字特征随机误差的数字特征标准偏差标准偏差测量列算术平均值的标准差测量列算术平均值的标准差测量列算术平均值的标准差测量列算术平均值的标准差 算术平均值标准差算术平均值标准差s 测量列中单次测量的标准差测量列中单次测量的标准差 n 测量次数测量次数当测量次数当测量次数n愈大时，算术平均值愈接近被测愈大时，算术平均值愈接近被测量的真值，测量精度也越高。量的真值，测量精度也越高。第二十四页，讲稿共三十一页哦一、一、随机误差的统计处理随机误差的统计处理 3 正态分布随机误

20、差的概率计算正态分布随机误差的概率计算第二十五页，讲稿共三十一页哦一、一、随机误差的统计处理随机误差的统计处理 3 正态分布随机误差的概率计算正态分布随机误差的概率计算1）（-，+）之间随机误差出现的概率：之间随机误差出现的概率：2）（-2，+2）之间随机误差出现的概率：之间随机误差出现的概率：3）（-3，+3）之间随机误差出现的概率：之间随机误差出现的概率：第二十六页，讲稿共三十一页哦一、一、随机误差的统计处理随机误差的统计处理 3 正态分布随机误差的概率计算正态分布随机误差的概率计算所以在一组测量数据中，测量数据习惯上用下式表示：所以在一组测量数据中，测量数据习惯上用下式表示：所以在一组测

21、量数据中，测量数据习惯上用下式表示：所以在一组测量数据中，测量数据习惯上用下式表示：其中：其中：其中：其中：算术平均值算术平均值算术平均值算术平均值 k-k-置信系数（置信系数（置信系数（置信系数（1 1、2 2、3 3）-算术平均值的标准差算术平均值的标准差算术平均值的标准差算术平均值的标准差第二十七页，讲稿共三十一页哦 二、二、系统误差的通用处理方法系统误差的通用处理方法从误差根源上消除系统误差从误差根源上消除系统误差系系统统误误差差是是在在一一定定的的测测量量条条件件下下,测测量量值值中中含含有有固固定定不不变变或或按按一一定定规规律律变变化化的的误误差差。系系统统误误差差不不具具有有抵

22、抵偿偿性性,重重复复测测量量也也难难以以发发现现,在在工工程程测测量量中中应应特特别注意该项误差。别注意该项误差。由由于于系系统统误误差差的的特特殊殊性性,在在处处理理方方法法上上与与随随机机误误差差完完全全不不同同。有有效效地地找找出出系系统统误误差差的的根根源源并并减减小小或或消消除除的的关关键键是是如如何何查查找找误误差差根根源源,这这就就需需要要对对测测量量设设备备、测测量量对对象象和和测测量量系系统统作作全全面面分分析析,明明确确其其中中有有无无产产生生明明显显系系统误差的因素统误差的因素,并采取相应措施予以修正或消除。并采取相应措施予以修正或消除。第二十八页，讲稿共三十一页哦 所所

23、用用传传感感器器、测测量量仪仪表表或或组组成成元元件件是是否否准准确确可靠。可靠。测测量量方方法法是是否否完完善善。如如用用电电压压表表测测量量电电压压,电电压压表表的的内阻对测量结果有影响。内阻对测量结果有影响。传感器或仪表安装、调整或放置是否正确合理。传感器或仪表安装、调整或放置是否正确合理。传传感感器器或或仪仪表表工工作作场场所所的的环环境境条条件件是是否否符符合合规规定定条条件。件。测量者的操作是否正确。测量者的操作是否正确。例如读数时的视差、例如读数时的视差、视力视力疲劳等都会引起系统误差。疲劳等都会引起系统误差。第二十九页，讲稿共三十一页哦3.粗大误差的判别粗大误差的判别（1 1）

24、33准则准则准则准则（2 2）肖维勒准则）肖维勒准则）肖维勒准则）肖维勒准则多次重复测量所得的多次重复测量所得的多次重复测量所得的多次重复测量所得的n n个测量值中，某个测量值的残余误差个测量值中，某个测量值的残余误差个测量值中，某个测量值的残余误差个测量值中，某个测量值的残余误差 vi vi ZcZc，则剔除此数据。，则剔除此数据。，则剔除此数据。，则剔除此数据。第三十页，讲稿共三十一页哦3.粗大误差的判别粗大误差的判别（3 3）格拉布斯准则）格拉布斯准则）格拉布斯准则）格拉布斯准则某个测量值的残余误差的绝对值某个测量值的残余误差的绝对值 vi G，应予剔，应予剔除。除。第三十一页，讲稿共三十一页哦