传感器原理及检测技术电子--绪论.pptx

1 1一、教材：一、教材：一、教材：一、教材：梁福平等，传感器原理及检测技术梁福平等，传感器原理及检测技术梁福平等，传感器原理及检测技术梁福平等，传感器原理及检测技术M.M.武汉：华中科技大学出版社，武汉：华中科技大学出版社，武汉：华中科技大学出版社，武汉：华中科技大学出版社，20102010年年年年.二、二、二、二、主要教学参考书：主要教学参考书：主要教学参考书：主要教学参考书：1 1 胡向东，徐洋，冯志羽，等胡向东，徐洋，冯志羽，等胡向东，徐洋，冯志羽，等胡向东，徐洋，冯志羽，等.智能检测技术与系统智能检测技术与系统智能检测技术与系统智能检测技术与系统 M.M.北京：北京：北京：北京：高等教育出版社，高等教育出版社，高等教育出版社，高等教育出版社，20082008年年年年.2 Ramon Pallas-Areny2 Ramon Pallas-Areny，John G Webster.John G Webster.传感器和信号调传感器和信号调传感器和信号调传感器和信号调节节节节 M.2M.2版版版版.张伦，译张伦，译张伦，译张伦，译.北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2003.2003.3 3 强锡富强锡富强锡富强锡富.传感器传感器传感器传感器 M.3M.3版版版版.北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，200420044 4 王化祥王化祥王化祥王化祥.传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 M.M.天津：天津大学出版社，天津：天津大学出版社，天津：天津大学出版社，天津：天津大学出版社，2007.2007.5 5 叶湘滨，等叶湘滨，等叶湘滨，等叶湘滨，等.传感器与测试技术传感器与测试技术传感器与测试技术传感器与测试技术 M.M.北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，2007.2007.6 6 吴道悌吴道悌吴道悌吴道悌.非电量检测技术非电量检测技术非电量检测技术非电量检测技术 M.3M.3版版版版.西安：西安交通大学出版社，西安：西安交通大学出版社，西安：西安交通大学出版社，西安：西安交通大学出版社，2004.2004.7 7 于彤于彤于彤于彤.传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 M.M.北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，2008.2008.8 8 张玉莲张玉莲张玉莲张玉莲.传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术 M.M.北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，北京：机械工业出版社，2007.2007.9 Ernest O Doebelin.9 Ernest O Doebelin.测量系统应用与设计测量系统应用与设计测量系统应用与设计测量系统应用与设计 M.M.北京：机械工北京：机械工北京：机械工北京：机械工业出版社，业出版社，业出版社，业出版社，2005.2005.2 2成绩评定成绩评定n n课堂成绩（课堂成绩（课堂成绩（课堂成绩（考勤、听课状态、课堂提问考勤、听课状态、课堂提问）1010分；分；分；分；n n作业成绩作业成绩作业成绩作业成绩1010分；分；分；分；n n大作业（课程设计）大作业（课程设计）大作业（课程设计）大作业（课程设计）1515分；分；分；分；n n实验实验实验实验5 5分分分分n n期末考试期末考试期末考试期末考试6060分。分。分。分。课程性质：专业核心课（必修）课程性质：专业核心课（必修）理论学时：理论学时：44，实验课时，实验课时8.课程成绩评定方式：课程成绩评定方式：通过考勤、听课状态、课堂提问、通过考勤、听课状态、课堂提问、学生作业、实验、课程设计及期末考试等情况综合评价学学生作业、实验、课程设计及期末考试等情况综合评价学生的学习成绩，平时成绩占生的学习成绩，平时成绩占40%、期末考试成绩占、期末考试成绩占60%。3 3 使用分小组作业完成方式。即一个班按人数平均分为使用分小组作业完成方式。即一个班按人数平均分为使用分小组作业完成方式。即一个班按人数平均分为使用分小组作业完成方式。即一个班按人数平均分为若干个小组（最后一个小组允许人数不足平均数），每若干个小组（最后一个小组允许人数不足平均数），每若干个小组（最后一个小组允许人数不足平均数），每若干个小组（最后一个小组允许人数不足平均数），每个小组的人员随机确定，每个小组提交一份作业答案，个小组的人员随机确定，每个小组提交一份作业答案，个小组的人员随机确定，每个小组提交一份作业答案，个小组的人员随机确定，每个小组提交一份作业答案，全班总分一定，根据每个小组的答案质量确定等级（分全班总分一定，根据每个小组的答案质量确定等级（分全班总分一定，根据每个小组的答案质量确定等级（分全班总分一定，根据每个小组的答案质量确定等级（分为为为为A A、B B、C C、D D、E E五等，分别对应评分加权系数五等，分别对应评分加权系数五等，分别对应评分加权系数五等，分别对应评分加权系数1.01.0、0.80.8、0.60.6、0.40.4和和和和0.20.2，也可按百分制计加权；如有小，也可按百分制计加权；如有小，也可按百分制计加权；如有小，也可按百分制计加权；如有小组不交答案，则评为组不交答案，则评为组不交答案，则评为组不交答案，则评为F F，对应加权系数，对应加权系数，对应加权系数，对应加权系数0.00.0），然后换算），然后换算），然后换算），然后换算成分数；小组内组员的成绩首先由小组内成员互评确定成分数；小组内组员的成绩首先由小组内成员互评确定成分数；小组内组员的成绩首先由小组内成员互评确定成分数；小组内组员的成绩首先由小组内成员互评确定等级（参照小组成绩评定方法，不参与答案讨论的学生等级（参照小组成绩评定方法，不参与答案讨论的学生等级（参照小组成绩评定方法，不参与答案讨论的学生等级（参照小组成绩评定方法，不参与答案讨论的学生评为评为评为评为F F等级。等级。等级。等级。如果组内不区分，则全组均为如果组内不区分，则全组均为C C等等，确定等级结果在上交作业答案的同时提交，并由小组内确定等级结果在上交作业答案的同时提交，并由小组内确定等级结果在上交作业答案的同时提交，并由小组内确定等级结果在上交作业答案的同时提交，并由小组内每个成员的签名确认，再根据小组的总分换算成个人得每个成员的签名确认，再根据小组的总分换算成个人得每个成员的签名确认，再根据小组的总分换算成个人得每个成员的签名确认，再根据小组的总分换算成个人得分（如果最后一个小组的组成人数未达平均数，则将小分（如果最后一个小组的组成人数未达平均数，则将小分（如果最后一个小组的组成人数未达平均数，则将小分（如果最后一个小组的组成人数未达平均数，则将小组总评成绩做一个加权变换）。组总评成绩做一个加权变换）。组总评成绩做一个加权变换）。组总评成绩做一个加权变换）。4 4传感器原理 检测技术电感传感器应变传感器电容传感器压电传感器温度传感器磁传感器光电感器其他传感器光纤传感器课程主要内容课程主要内容传感器的工作原理、结构、主要传感器的工作原理、结构、主要参数、检测电路及其典型应用参数、检测电路及其典型应用智能化传感器基础知识、定义、基础知识、定义、分类发展趋势、选分类发展趋势、选用原则、一般特性。用原则、一般特性。5 5参考文献参考文献1、传感器传感器（第（第4版），强锡富，机械工业出版社，版），强锡富，机械工业出版社，2003，测控技术与仪器教学指导委员会推荐用书；，测控技术与仪器教学指导委员会推荐用书；2、传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用，郁有文，主编，西安电，郁有文，主编，西安电 子科技大学出版社，子科技大学出版社，2003，教育部规划教材；，教育部规划教材；3、传感器与检测技术传感器与检测技术，陈杰、黄鸿编著，高等教育，陈杰、黄鸿编著，高等教育 出版社，出版社，2002，教育部规划教材；（少学时教材），教育部规划教材；（少学时教材）4、传感器原理及应用传感器原理及应用，王化祥、张淑英编著，天津，王化祥、张淑英编著，天津 大学出版社，大学出版社，2003，教育部规划教材；，教育部规划教材；5、传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术，余成波、胡新宇、赵勇，余成波、胡新宇、赵勇，高等教育出版，高等教育出版，2004年年 6 6期刊杂志期刊杂志7 7传感器图片传感器图片传感器图片传感器图片超声传感器超声传感器超声传感器超声传感器 电感传感器电感传感器电感传感器电感传感器 电容传感器电容传感器电容传感器电容传感器 红外温度传感器红外温度传感器红外温度传感器红外温度传感器 磁阻传感器磁阻传感器磁阻传感器磁阻传感器 热电偶热电偶热电偶热电偶 气体成分传感器气体成分传感器气体成分传感器气体成分传感器 流量传感器流量传感器流量传感器流量传感器 8 8使用使用使用使用USBUSB接口的测量硬件及接口的测量硬件及接口的测量硬件及接口的测量硬件及IEEE 1451.4 TEDSIEEE 1451.4 TEDS智能传感器智能传感器智能传感器智能传感器 热敏电阻热敏电阻离子感烟器离子感烟器 明火探测器明火探测器 传感传感器实器实验仪验仪传感传感器实器实验装验装置置9 9电子产品1010第一章第一章 绪绪 论论主主要要内内容容重重点点难难点点重点：重点：重点：重点：传感器定义、组成、分类和发展趋势传感器定义、组成、分类和发展趋势传感器定义、组成、分类和发展趋势传感器定义、组成、分类和发展趋势 ；传感器；传感器；传感器；传感器 的静态特性指标、相关计算；传感器的选用原则的静态特性指标、相关计算；传感器的选用原则的静态特性指标、相关计算；传感器的选用原则的静态特性指标、相关计算；传感器的选用原则 难点：改善传感器的性能的技术途径；最小二乘拟合难点：改善传感器的性能的技术途径；最小二乘拟合难点：改善传感器的性能的技术途径；最小二乘拟合难点：改善传感器的性能的技术途径；最小二乘拟合 和动态特性指标计算和动态特性指标计算和动态特性指标计算和动态特性指标计算 传感器的基本概念传感器的基本概念传感器的分类传感器的分类传感器的特性与主要性能指标传感器的特性与主要性能指标应用传感器需遵循的原则与考虑的主要因素应用传感器需遵循的原则与考虑的主要因素传感器技术的发展传感器技术的发展1111人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较眼（视觉）眼（视觉）耳（听觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）皮肤（触觉）舌（味觉）舌（味觉）感知外界信息感知外界信息 大脑大脑 肌体肌体第一节第一节 传感器的基本概念传感器的基本概念一、传感器的地位和作用一、传感器的地位和作用1212第一节第一节 传感器的基本概念传感器的基本概念1313传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等工程等多类型多类型交叉学科交叉学科，涉及传感检测原理、传感，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一技术是构成现代信息技术三大支柱之一。第一节第一节 传感器的基本概念传感器的基本概念1414工工业业生生产产第一节传感器的基本概念第一节传感器的基本概念1515智能建筑智能建筑降低能耗提高操作者工作效率提高楼宇内部舒适程度提供高效的设备管理手段监控软件缩短投资回收周期降低培训成本第一节传感器的基本概念第一节传感器的基本概念1616航空航天宇宙飞船航空航天宇宙飞船 飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；动测量；“阿波罗阿波罗10”飞船对飞船对3295个参数进行检测，其中：个参数进行检测，其中：温度传感器温度传感器559个个压力传感器压力传感器140个个信号传感器信号传感器501个个遥控传感器遥控传感器142个个专家说：专家说：整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动显示、记录公路的压力、温度、车流量）智能公路（自动显示、记录公路的压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）未来世界未来世界第一节第一节 传感器的基本概念传感器的基本概念1717HumanwithSensors1818传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。血压测定方法和输出的结果血压测定方法和输出的结果第一节传感器的基本概念第一节传感器的基本概念1919第一节 传感器的基本概念 广义：广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。国家标准（国家标准（GB7665-2005）：）：对传感器（对传感器（Transducer/Sensor）的定义：）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。出信号的器件或装置。二、传感器的定义二、传感器的定义2020测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。测量仪器一般由信号检测器件和信号处理两部分组成。这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化这种能感应被测量的变化并将其转换为其他物理量变化 的器件就是传感器。的器件就是传感器。输入匹配输入匹配放大变换放大变换被测信号被测信号输出输出检测器件检测器件信号处理信号处理广义传感器广义传感器第一节 传感器的基本概念 2121n n以上定义表明传感器有以下含义以上定义表明传感器有以下含义以上定义表明传感器有以下含义以上定义表明传感器有以下含义它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置；成检测装置；成检测装置；成检测装置；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；化学量、生物量等；化学量、生物量等；化学量、生物量等；能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。n n按使用场合不同又称为：按使用场合不同又称为：按使用场合不同又称为：按使用场合不同又称为：发送器、传送器、变送器、检测器、探头发送器、传送器、变送器、检测器、探头传感器功用传感器功用：一感二传，即感受被测信息，并传送出去。：一感二传，即感受被测信息，并传送出去。V、I、F、P2222三、传感器的组成三、传感器的组成 辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路被测量被测量电量敏感元件敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。关系的某一物理量的元件。转换元件转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。转换成电路参量。基本转换电路基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。称转换电路），便可转换成电量输出。物理、化学、物理、化学、生物信息生物信息2323实实际际上上，有有些些传传感感器器很很简简单单，有有些些则则较较复复杂杂，大大多多数数是是开环系统开环系统，也有些是带反馈的，也有些是带反馈的闭环系统闭环系统。由由敏敏感感元元件件和和转转换换元件组成的传感器元件组成的传感器由于空间的限制或者其他原因由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入仪表中。转换电路常装入仪表中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。由一个敏感元件组成由一个敏感元件组成的最简单的传感器的最简单的传感器质量快质量快压电片压电片2424第二节第二节 传感器的分类传感器的分类 物理型：物理型：化学型：利用电化学反应原理化学型：利用电化学反应原理 生物型：利用生物活性物质选择性生物型：利用生物活性物质选择性 结构型：取决于几何尺寸和形状结构型：取决于几何尺寸和形状物性型：取决于材料性质物性型：取决于材料性质一、传感器的工作原理一、传感器的工作原理2525第二节第二节 传感器的分类传感器的分类 二、按被测量二、按被测量力学量、温度、磁学量、光学量、流量、湿度、力学量、温度、磁学量、光学量、流量、湿度、浓度、气体成分等浓度、气体成分等1、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号2、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器3、传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器、传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器4、按可变电参量：电阻型、电感型或电容型、按可变电参量：电阻型、电感型或电容型5、按传感器技术发展：聋哑传感器、按传感器技术发展：聋哑传感器(DumbSensor)、智能、智能传感器传感器(SmartSensor)、网络化传感器、网络化传感器(NetworkedSensor)三、其他分类三、其他分类2626n n定义：定义：定义：定义：传感器特性：指输入传感器特性：指输入传感器特性：指输入传感器特性：指输入x x（被侧量）与输出（被侧量）与输出（被侧量）与输出（被侧量）与输出y y之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系静态特性：当输入量为常量，或变化极慢时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系动态特性：当输入量随时间较快地变化时的关系第三节传感器的特性与主要性能指标第三节传感器的特性与主要性能指标一、传感器的静态特性与主要性能指标一、传感器的静态特性与主要性能指标 2727一、传感器的静态特性与主要性能指标一、传感器的静态特性与主要性能指标 1测量范围和量程测量范围和量程 定义：定义：传感器所能测量到的最小被测量（输入）传感器所能测量到的最小被测量（输入）xmin与与最大被最大被测测量（输入）量（输入）xmax之间的范围称为传感器之间的范围称为传感器的测量范围（的测量范围（measuring range）,表示为（表示为（xmin，xmax）。传感器测量范围的上限值与下限值的代数和传感器测量范围的上限值与下限值的代数和xmaxx称为量程（称为量程（span）。例如一温度传感器的测）。例如一温度传感器的测量范围是量范围是-30+120,那么该传感器的量程为那么该传感器的量程为150。28282灵敏度与灵敏度误差s=(k/k)100%由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即灵敏度误差用相对误差表示，即可见，传感器输出曲线的可见，传感器输出曲线的斜率斜率就是其灵敏度。对线性就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。是一常数，与输入量大小无关。K=y/x传感器输出的变化量传感器输出的变化量y与引起该变化量的输入变化与引起该变化量的输入变化量量 x之比即为其静态灵敏度之比即为其静态灵敏度(Sensitivity)，其表达式，其表达式为为2929分分辨辨力力用用绝绝对对值值表表示示,用用与与满满量量程程的的百百分分数数表表示示时时称称为为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。3分辨力与分辨率分辨力分辨力（resolution）:指传感器能检测到的最小的输指传感器能检测到的最小的输入增量的入增量的xmin的绝对值的绝对值。有些传感器。有些传感器,当输入量连续变当输入量连续变化时化时,输出量只作阶梯变化输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个则分辨力就是输出量的每个“阶梯阶梯”所代表的输入量的大小。所代表的输入量的大小。分辨率反映了传感器分辨率反映了传感器检测输入微小变化的能力。影响传感器分辨力的因素很检测输入微小变化的能力。影响传感器分辨力的因素很多，如机械运动部件的摩擦和卡塞、电路中的储能元件多，如机械运动部件的摩擦和卡塞、电路中的储能元件和和A/D的位数。在传感器的测量范围内，由于其输入的位数。在传感器的测量范围内，由于其输入/输出之间呈非线性关系，所以在不同输入时分辨力不同，输出之间呈非线性关系，所以在不同输入时分辨力不同，用用max|xmin|表示传感器的分辨力。用满量程的百分表示传感器的分辨力。用满量程的百分数表示时称为分辨率。数表示时称为分辨率。3030静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。4 4线性度线性度(Linearity)(Linearity)传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性静态特性可用下列多项式代数方程表示可用下列多项式代数方程表示：式中：式中：y输出量；输出量；x输入量；输入量；a0零点输出；零点输出；a1理论灵敏度；理论灵敏度；a2、a3、an非线性项系数。非线性项系数。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn3131 通常用相对误差通常用相对误差L表示：表示：Lmax一最大非线性误差；一最大非线性误差；yFS量程输出。量程输出。在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差非线性误差或线性度线性度。一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是太大的情况下，总是采用直线拟合的办法采用直线拟合的办法来线性化。来线性化。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。L=(Lmax/yFS)100%理论拟合；理论拟合；端点连线平移拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合；端点连线拟合；过零旋转拟合；过零旋转拟合；最小二乘拟合；最小二乘拟合；最小包容拟合最小包容拟合32323333设拟合直线方程：设拟合直线方程：设拟合直线方程：设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxi最小二乘拟合法最小二乘法拟合最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有若实际校准测试点有n个，则第个，则第i个校准数据与拟合直线上响应个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理：使最小二乘法拟合直线的原理：使为最小值，即为最小值，即i=yi-(kxi+b)对对k k和和b b一阶偏导数等于零，求出一阶偏导数等于零，求出b b和和k k的表达式的表达式3434即即得到得到k k和和b b的表达式的表达式将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。35355 5迟滞迟滞0yxHmaxyFS迟滞特性迟滞特性式中式中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。迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。信号差值的最大者即为回程误差。传感器在正传感器在正(输入量增大输入量增大)反反（输入量减小）行程中输出（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分差一般以满量程输出的百分数表示数表示,即即36366稳定性稳定度指在规定时间内，测量条件不变的情况下，由传稳定度指在规定时间内，测量条件不变的情况下，由传感器中随机性变动，周期性变动，漂移等引起输出值的感器中随机性变动，周期性变动，漂移等引起输出值的变化。用精密度和观测时间长短表示。如，某传感器输变化。用精密度和观测时间长短表示。如，某传感器输出电压值每小时变化出电压值每小时变化1.3mV，则其稳定度可表示为，则其稳定度可表示为1.3mVh。稳定性有两个指标：稳定性有两个指标：测量传感器输出值在一段时间中的变化，以稳定度表测量传感器输出值在一段时间中的变化，以稳定度表示；示；传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，传感器外部环境和工作条件变化引起输出值的不稳定，用影响量表示。用影响量表示。在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。时间工作稳定性或零点漂移。3737n影响量指传感器由外界环境或工作条件影响量指传感器由外界环境或工作条件变化引起输出值变化的量。它是由温度、变化引起输出值变化的量。它是由温度、湿度、气压、振动、电源电压及电源频湿度、气压、振动、电源电压及电源频率等一些外加环境影响所引起的。说明率等一些外加环境影响所引起的。说明影响量时，必须将影响因素与输出值偏影响量时，必须将影响因素与输出值偏差同时表示。例如，某传感器由于电源差同时表示。例如，某传感器由于电源变化变化10而引起其输出值变化而引起其输出值变化0.02mA，则应写成，则应写成0.02mA(U10U)。38387 7重复性重复性(Repeatability)(Repeatability)yx0Rmax2Rmax1重复性误差可用正反行程的最重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即大偏差表示，即重复性是指传感器在输入按重复性是指传感器在输入按同一方向同一方向连续多次变动时所连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度得特性曲线不一致的程度。重重复复性性误误差差也也常常用用绝绝对对误误差差表表示示。检检测测时时也也可可选选取取几几个个测测试试点点，对对应应每每一一点点多多次次从从同同一一方方向向趋趋近近，获获得得输输出出值值系系列列yi1，yi2，yi3，yin，算算出出最最大大值值与与最最小小值值之之差差或或3作作为为重重复复性性偏偏差差Ri，在在几个几个Ri中取出最大值中取出最大值Rmax作为重复性误差。作为重复性误差。Rmax1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。3939 8 8静态误差静态误差取取2和和3值值即即为为传传感感器器的的静静态态误误差差。静静态态误误差差也也可可用用相对误差来表示，即相对误差来表示，即静态误差的求取方法：把全部输出数据与拟合直线上对静态误差的求取方法：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差应值的残差,看成是随机分布，求出其标准偏差，即看成是随机分布，求出其标准偏差，即静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。理论值的偏离程度。yi各测试点的残差；n一测试点数。4040与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度精度)9、精确度准确度准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某某流量传感器的准确度为流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出，表示该传感器的输出值与真值偏离值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度高。精密度精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是精密度是随机随机误差大小的标志，精密度高，意味着随误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。4141精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。仪器测量误差的相对值表示。（a）准确度高而精密度低）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高）准确度低而精密度高（c）精确度高）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。在测量中我们希望得到精确度高的结果。4242例题：测得某检测装置的一组输入输出数据如下：例题：测得某检测装置的一组输入输出数据如下：例题：测得某检测装置的一组输入输出数据如下：例题：测得某检测装置的一组输入输出数据如下：试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度试用最小二乘法拟合直线，求其线性度和灵敏度 Xi0.92.53.34.55.76.7yi1.11.62.63.24.05.0带入数据得：，拟合直线灵敏度 0.68，线性度 7%0.1944343被被测测量量可可能能以以各各种种形形式式随随时时间间变变化化，只只要要输输入入量量是是时时间间的的函函数数，则则其其输输出出量量也也将将是是时时间间的的函函数数。其其间间的的关关系系用用动动态态特特性性方方程程描描述述。设设计计传传感感器器时时，根根据据动动态态特特性性要要求求及及使使用用条条件件选选择择方方案案和和确确定定参参数数。使使用用传传感感器器时时，根根据据动动态态特特性性及及使使用用条条件件确确定定使使用用方方法法，同同时时估估计计给给定定条条件件下下传传感感器器动动态态误误差差、响响应应速速度度(延延迟迟时时间间)和动态灵敏度。和动态灵敏度。二、传感器的动态特性与动态指标二、传感器的动态特性与动态指标动态特性指传感器对动态特性指传感器对随时间变化随时间变化的输入量的的输入量的响应特性。响应特性。4444 传感器动态特性方程就是指在动态传感器动态特性方程就是指在动态测量时，传感器的输出量与输入被测量测量时，传感器的输出量与输入被测量之间随时间变化的函数关系。它依赖于之间随时间变化的函数关系。它依赖于传感器本身的测量原理、结构，取决于传感器本身的测量原理、结构，取决于系统内部机械的、电气的、磁性、光学系统内部机械的、电气的、磁性、光学的等各种参数，而且这个特性本身不因的等各种参数，而且这个特性本身不因输入量、时间和环境条件的不同而变化。输入量、时间和环境条件的不同而变化。45451 1零阶传感器动态特性指标零阶传感器动态特性指标 零阶传感器的输出通过下列类型的方程与其输入相零阶传感器的输出通过下列类型的方程与其输入相联系联系y(t)=kx(t)传感器的传输函数传感器的传输函数G(s)=k 传感器的频率特性传感器的频率特性G(j)=k 零阶传感器是比例传感系统，其性能由静态灵敏度零阶传感器是比例传感系统，其性能由静态灵敏度k表征并维持恒定不变。因此，传感器的动态误差和延表征并维持恒定不变。因此，传感器的动态误差和延迟两者皆为零。迟两者皆为零。上式的输入上式的输入输出关系要求传感器不包含任何储能输出关系要求传感器不包含任何储能元件。例如，用来测量线性位移和旋转位移的电位器型元件。例如，用来测量线性位移和旋转位移的电位器型传感器。传感器。46462一阶传感器动态特性指标 在一阶传感器中包含一个储能元件和另一些耗在一阶传感器中包含一个储能元件和另一些耗能元件。输入能元件。输入x(t)和输出和输出y(t)由一阶微分方程描述：由一阶微分方程描述：相应的传递函数为：相应的传递函数为：K静态灵敏度静态灵敏度(静态增益静态增益)，K=1/a0时间常数，时间常数，=a1/a04747 二阶传感器包含两个储能元件和一些耗能元件。二阶传感器包含两个储能元件和一些耗能元件。如，由质量、弹簧和阻尼器构成的加速度传感器，可如，由质量、弹簧和阻尼器构成的加速度传感器，可变电感、分布电容和匹配电阻构成的位移传感器，均变电感、分布电容和匹配电阻构成的位移传感器，均为经典的二阶系统。传感器输入为经典的二阶系统。传感器输入x(t)和输出和输出y(t)由二阶微由二阶微分方程相联系：分方程相联系：传递函数传递函数：3 3二阶传感器动态特性指标二阶传感器动态特性指标时间常数，时间常数，；0自振角频率自振角频率,0=1/阻尼比，阻尼比，；k静态灵敏度，静态灵敏度，k=b0/a048482.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0二阶传感器幅频与相频特性二阶传感器幅频与相频特性