第1章 传感与检测技术的理论基础
传感器与检测技术理论基础
式中: γ——引用误差;
Δ——绝对误差。
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%。
在使用仪表和传感器时, 经常也会遇到基本误差和附加误 差两个概念。
第1章传感与检测技术的论理基础
在工程实践和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌 握各种信息, 大多数情况下是要获取被测对象信息的大小, 即被 测量的大小。这样，信息采集的主要含义就是测量#, 取得测量 数据。
“测量系统”这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物。 在工程中, 需要有传感器与多台仪表组合在一起, 才能完成信号 的检测, 这样便形成了测量系统。 尤其是随着计算机技术及信 息处理技术的发展, 测量系统所涉及的内容也不断得以充实。
（5） 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。
第1章传感与检测技术的论理基础
2． 误差的性质
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。
（1） 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。
为了更好地掌握传感器, 需要对测量的基本概念#, 测量系统 的特性#, 测量误差及数据处理等方面的理论及工程方法进行学 习和研究, 只有了解和掌握了这些基本理论, 才能更有效地完成 检测任务。
第1章传感与检测技术的论理基础
传感器与检测技术1-传感器与检测技术的基础知识
y a0 a1x a2 x2 a3x3 an xn
1.3 传感器的基本特性
1.3.1 传感器的静态特性
2.静态特性的校准(标定)条件—静态标准条件
检测系统(传感器)的静态特性是在静态标准条件下进行校准 (标定)的。
检测技术研究的主要内容包括测量原理、测量方法、测量 系统和数据处理四个方面。
检测是利用各种物理、化学及生物效应，选择合适的方法 与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与 测量的方法赋予定性或定量结果的过程。
1.1 检测技术概述
1.1.2 检测方法
1.直接测量、间接测量和联立测量 (1)直接测量 (2)间接测量 (3)联立测量 2.偏差式测量、零位式测量和微差式测量 (1)偏差式测量 (2)零位式测量 (3)微差式测量
测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输入量(下限)
至最大被测输入量(上限)之间的范围，即( xmin , xmax )。
②量程 量程是指检测系统测量上限和测量下限的代数差，即
L xmax xmin
1.3 传感器的基本特性
1.3.1 传感器的静态特性
3.传感器的静态性能指标
(2)灵敏度
灵敏度是指检测系统(传感器)在静态测量时，输出量的增量
15.1数字式检测仪表的设计
1.1.3 检测系统的组成
1.2 传感器基础知识
1.2.1 传感器的定义及组成
传感器的国家标准定义为能感受(或响应)规定的被测量，并按 照一定规律将其转换成可用信号输出的器件或装置。这里的可用 信号是指便于处理、传输的信号，目前电信号是最易于处理和传 输的。
传感器的通常定义为“能把外界非电信息转换成电信号输出 的器件或装置”或“能把非电量转换成电量的器件或装置”。
传感器与检测技术第1章 传感与检测技术基础
由于动态特性的研究方法与控制理论中介绍的研究 方法相似，本书不再重复介绍，这里仅介绍传感器 静态特性的一些指标。
（1）测量范围与量程
记； 转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母
标记； 序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征
产品设计特性、性能参数、产品系列等。
例如CWY—YB—10传感器， C：传感器主称，WY：被测 量是位移；YB：转换原理是 应变式，10：传感器序号。
1.1.4 传感器的基本特性
传感器的特性一般是指输出与输入之间的关系，可 用数学函数、坐标曲线、图表等方式表示。根据被 测量状态的不同，传感器的特性可分为静态特性和 动态特性。
（3）灵敏度 灵敏度S是指传感器的输出量增量∆y与引起
的相应输入量增量∆ x的比值，即
对于线性传感器，它的灵敏 度就是它的静态特性的斜率，即 S= △y/ △x为常数，而非线性传 感器的灵敏度为一变量，用 S=dy/dx表示，它实际上就是输 入特性曲线上某点的斜率，且灵 敏度随着输入量的变化而变化。
测量下限值xmin与测量上限值xmax对应的输出值分别 为输出下限值ymin和输出下限值ymax，则满量程输出 值记为
（2）线性度
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间 关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性 特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望 具有线性关系，即具有理想的输入输出关系。 但实际遇到的传感器大多为非线性，如果不考 虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关 系可用一个多项式表示
传感与检测技术 基础知识
2.2
应变式电阻传感器
传感器由弹性敏感元件及粘贴在其上的电阻应变片构成。 应变式电阻传感器有金属丝、金属箔式、薄膜式和半导体式等几种。应变式电阻传感器性能稳定、精度较高。
8
2.1.1 工作原理 当用金属应变片测量应变或应力时，将应变片粘贴于被测对象上，应变片随被测对象产生微小应变，使应变片产生△R。
L
Lmax 100% YFS
：输出量与输入量实际曲线与拟合直线的最大偏差 ：输出满量程值 常用拟合方法包括：①理论拟合；②过零旋转拟合；③ 端点连线拟合； ④ 端点平移拟合； ⑤最小二乘拟合。
2.灵敏度
4
传感器的灵敏度是指稳态时，输出增量 Δy 与输入增量 Δx 的比值，即： Sn= Δy/ Δx 对于线性传感器，其灵敏度为静态特性直线的斜率；对于非线性传感器，其灵敏度是一个变量。
1.3.2 传感器的动态特性：是指传感器在某种输入激励时，输出时间变化的响应特性。 有良好静态特性的传感器，未必有良好的动态特性；传感器的动态特性取决于传感器本身结构。 研究动态特性时，只需研究：正弦输入、阶跃输入和斜坡输入。称“标准”输入信号。 研究传感器的频率特性：主要用通频带、时间常数、固有频率、阻尼比等指标来研究。
Z=F (ρ，μ，r，I，f，x)
电涡流传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强，特别是有非接触测量的优点。
第 4 章 电容式传感器
4.1 4.1.1 电容式传感器 平行板电容式传感器工作原理
C
S S 0 r d0 d0
15
其中：εr----相对介电常数； ε0----真空中的介电常数，ε0=8.85×10-12F/m 1.变极距型
R1 R1 , R 2 R 2 , R 3 R 3 ,
(完整版)《传感器原理及工程应用》第四版(郁有文)课后答案
第一章传感与检测技术的理论基础1．什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？答：某量值的测得值和真值之差称为绝对误差。
相对误差有实际相对误差和标称相对误差两种表示方法。
实际相对误差是绝对误差与被测量的真值之比；标称相对误差是绝对误差与测得值之比。
引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，也用相对误差表示，它是相对于仪表满量程的一种误差。
引用误差是绝对误差（在仪表中指的是某一刻度点的示值误差）与仪表的量程之比。
2．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。
测量误差可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。
在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。
在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。
采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。
引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。
3．用测量范围为-50～+150kPa的压力传感器测量140kPa压力时，传感器测得示值为142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：绝对误差2140142=-=∆kPa实际相对误差%43.1%100140140142=⨯-=δ标称相对误差%41.1%100142140142=⨯-=δ引用误差%1%10050150140142=⨯---=）（γ4．什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。
随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。
第01章 传感器与检测技术基础
1.2 传感器的应用领域和发展趋势
冶金部门对液态金属温度的测量，大型钢厂需要 2
万多台传感器和自动化仪器对轧机的压力、转矩、转速
以及对板材厚度的在线不停机自动检测和控制等；石油 化工部门对温度、压力、流量及液位等参数的多点循环 检测与控制，是保证产品质量的关键。
1.2 传感器的应用领域和发展趋势
底重力场、磁场强度、地形地貌、地质断层、矿藏种类 及含量的检测，对海洋水文信息、气象信息、化学成分 以及对潮汐潮流的检测都要用到传感器。特别是对 5 000m以下的深海探测，主要依赖于各种传感器，因为
那里有许多值得开采的矿藏，如锰结核等。此外，近海
的石油钻探和开采也需要传感器。
1.2 传感器的应用领域和发展趋势
展
现代传感与测试技术的发展是采用以计算机为中心 的自动测试系统。这种系统能实现自动校准、自动修正、 故障诊断、信号调制、多路采集及数据的分析处理，并 能打印输出测试结果。实现多参数的自动测量与处理，
可以大大提高测量精度，缩短实验周期，加速产品的开
发。
1.3
传感器的特性
1.3.1
传感器的静态特性
1.3.2
在航空航天技术中，传感器用得早且多。用来检测
飞机及各种宇宙飞行器的飞行参数、运行状态、发动机
推力、燃烧室液体燃料喷嘴的压力和温度，管道中液体 燃料的流量和流速，空中各种卫星、宇宙飞行器的能源 供给，侦察卫星对地面军事设施、重要建筑物的监视和 拍照等。美国阿波罗 10 号宇宙飞船使用大量传感器对
3 295 个参数进行监测。我国“神州”号宇宙飞船，仅
在交通运输部门，为研究飞机的强度，要在机翼上
贴几百个应变片；在试验飞行时，还要利用传感器测量
发动机的转速、转矩和振动等参数，以及飞机上各相关 部位的应力、温度、燃油流量及液位等参数；汽车工业 也要用30多种传感器检测车速、方位、转矩、振动、油 压、油量和温度等参数。
传感器与检测技术的基础理论
第1章传感器与检测技术的 1.1 测量概论1.2 测量数据的估计和处理第1章传感与检测技术的 1.1 测量概论在科学技术高度发达的现代社会中人类已进入瞬息万变的信息时代。
人们在从事工业生产和科学实验等活动中主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置是感知、获取与检测信息的窗口一切科学实验和生产过程特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。
在工程实践和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌握各种信息大多数情况下是要获取被测对象信息的大小即被测量的大小。
这样，信息采集的主要含义就是测量取得测量数据。
“测量系统”这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物。
在工程中需要有传感器与多台仪表组合在一起才能完成信号的检测这样便形成了测量系统。
尤其是随着计算机技术及信息处理技术的发展测量系统所涉及的内容也不断得以充实。
为了更好地掌握传感器需要对测量的基本概念测量系统的特性测量误差及数据处理等方面的及工程方法进行学习和研究只有了解和掌握了这些基本才能更有效地完成检测任务。
一、测量测量是以确定量值为目的的一系列操作。
所以测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较确定被测量对标准量的倍数。
它可由下式表示: x nu （1-1）x或n （1-2）u 式中：x——被测量值u——标准量即测量单位n——比值（纯数）含有测量误差。
由测量所获得的被测的量值叫测量结果。
测量结果可用一定的数值表示也可以用一条曲线或某种图形表示。
但无论其表现形式如何测量结果应包括两部分：比值和测量单位。
确切地讲测量结果还应包括误差部分。
被测量值和比值等都是测量过程的信息这些信息依托于物质才能在空间和时间上进行传递。
参数承载了信息而成为信号。
选择其中适当的参数作为测量信号例如热电偶温度传感器的工作参数是热电偶的电势差压流量传感器中的孔板工作参数是差压ΔP。
测量过程就是传感器从被测对象获取被测量的信息建立起测量信号经过变换、传输、处理从而获得被测量的量值。
第1章传感器与检测技术的理论基础1.
第1章传感器与检测技术的理论基础1・1测量概论1.2测量数据的估计和处理第1章传瘙与检測技术的理论猛础在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入瞬息万变的伍息时代.人们在从审工业生产和科学实验等活动中，主旻依靠对信息资滋的开发、获取.传输和处理.传感器处于研究对象与测控系统的接口位血是感知.获取与检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是自动检测和自动控制系统矣获取的信息，都要通过传感》将其转换为容易传输与处理的电信号.在工程实践和科学实脸中提出的检测任务是正确及时施掌握 各种住息，大多数情况下是要获取被测对象信息的大小，即被测 童的大小.这样，信息来集的主要含义就是测童#,取得测童数据.-测量系统”这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物• 在工程中，需要有传感券与多台仪表组合在一起，才能完成信号 的检测，这样便形成了测量系统.尤其是随密计算机技术及信息 处理技术的发展，测童系统所涉及的内容也不斷得以充实.为了更好地掌扱传感》,需要对测童的篡本槪念#,测t 系统 的特性#,测童谋差及数据处理竽方面的理论及工程方法进行学习 和研究，只有了解和掌握了这些基本理论，才能更有效地完成检 测任务•、測量测i 是以确定童值为目的的一系列操作，所以测量也就是将 被测*与同种牲质的标准量进行比校，确定被测*对标准i 的倍数. 它可由下式表示：A n- — u式中：1—被测童值； U —标准童，即测*单位；n —比值（纯敷），舍有测童哄差.由测量所获得的被测的量值叫测董姑果.测量结果吁用 一定的数x = nu（1-1）<l-2)值表示，也可以用一条曲线或某种图形表示.但无论其表现形式如何，测量结果应包括两部分；比值和测董单位. 确切地讲，测萱结果还应包括误盖部分.敎测量值和比值等都是测量过程的住息.这些传息依托于物质才能在空间和时间上进行传递.参数承栽了信息而成为传号.选择其中适当的参数作为测量传号.例如热电偶温度传感器的工柞参數是热电偶的电势，基压流量传感器中的孔板工作参数是星压AP・测量过程就是传感器从械测对象获取披测童的信息，建立起测童信号，经过变换、传输、处理，从而获得被测量的量值.实现祉测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法. 针对不同测童任务进行具体分析以找出切实可行的测萱方法，对测量工作是十分重要的.对于测量方法，从不同角度.有不同的分类方法.根据荻得测量值的方法町分为直接测量、间接测量和俎合测量；根据测量的精度因素情况可分为等牯度测量与非等精度测量；根据测量方式可分为僞差式测量，累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*与动态测*;根测*敏感元件是否与被测介质接触可分为接JH测量与非接触测量；根据测量系统是否向就测对象施加能量可分为主动式测童与被动式测*爭，/. i祺制建.甸按側交鸟值合測受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称为直接测量.例如，用磁电式电流表测量电路的某一支路电流，用弹簧管压力袁测量压力茅，都属于直接测i.直接测*的优点是测量过釋简单而又迅速，块点是测量耕度不高.在使用仪表或传感零进行测量时，首先对与测量有确定函数关系的几个i?进右测童，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i称为间接测童.间接测童测董手续较多，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.若被测量必须经过求解联立方程组，才能得到聂后结果，則称这样的测i为组合测童.组合测*是一种特殊的精密测t方法，操作手缕复杂，花费时间长，多用于科学实验克錚殊场合・例如，电阻值与温度间的公式为: 当&0, a, P都为未知童时：①改变测i温虞，在3种s<tj, tj及t/F,分别测得对应的电阻值^tl»叽2凤质；②然后代入上述公式，得到一组联立方程；③解此方程组后，便可以得a, P和R".s.孑楷*制爻鸟晨#打*制爻用相同仪表与测童方法对同一试测童进行多次重复测i,称为等赭度测量.用不同精度的仪袤或不同的测量方法，或在环境条件相差彳艮大时对被测量进行多决复复测童称为非寻精度测重.被测童在测童过程中是B）定不变的，对这种被测童进行的测童称为静态测量.静态测量不需要考虑时I可因素对测i的彫响.*测量在测i过程中是随时间不斷变化的，对这种披测量进行的测量称为动态测量.4.偽；1式測受.家A式測微左比測侵用仪41揩针的位卷（即偽拦）决定械测量的量值，这种测量方法称为偏差式测量.应用这种方法测量时，仪表則度审先用标准爲具标定.在测量时，输入破测童，按W仪表指针在标尺上的示值，决定被测量的数值.这科方法测量过程比较简单，迅速，但测童结呆精度较低.用指頼仪表的欢位措示燈测测量系统妁平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值，这种测量方法称为笨位式测量.在测i时，已知标准量直接与被测量相比校，已知童应连续可调，指辈仪表指歩:时，被测童与已知标准量相等.例如天平等.厚Ui式测*的优点是可以获得比较高的测量桶度，但测量过程比较复杂，费时较长，不适用于测量迅連变化的信号。
传感器与检测技术 ppt课件第一章
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1.1.2 传感器的组成与分类
敏感元件(sensing element): 直接感受 敏感元件 :
被测量的变化, 被测量的变化,并输出与被测量成确定关系的某一物 理量的元件,它是传感器的核心. 理量的元件,它是传感器的核心.
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1.1.3 传感器基本特性
传感器的静态特性: 传感器的静态特性: 1. 测量范围:传感器所能测量到的最小输入量 与最大输入量 之间 测量范围:
的范围称为传感器的测量范围. 的范围称为传感器的测量范围.
2. 量程:传感器测量范围的上限值 与下限值 的代数差 - 称为量程. 量程: 称为量程. 3. 精度:传感器的精度是指测量结果的可靠程度,是测量中各类误差 精度:传感器的精度是指测量结果的可靠程度,
1.1.4 传感器的命名,代号和图形符号 传感器的命名,
1.传感器的命名 传感器的命名
传感器的全称应由"主题词+四级修饰语"组成,即 主题词 —— 传感器 一级修饰语 —— 被测量,包括修饰被测量的定语. 二级修饰语 —— 转换原理,一般可后缀以"式"字 . 三级修饰语 —— 特征描述,指必须强调的传感器结构,性能,材
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1.1.3 传感器基本特性
当传感器的输入信号是常量,不随时间变化时, 当传感器的输入信号是常量,不随时间变化时,其 输入输出关系特性称为静态特性. 输入输出关系特性称为静态特性. 传感器的基本特性是指系统的输入与输出关系特性 即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号 和输入信号( ,即传感器系统的输出信号y(t)和输入信号(被测 之间的关系, 量)x(t)之间的关系,传感器系统示意图如下图所 之间的关系 示.
传感器与检测技术的理论基础
传感器与检测技术的理论基础第1章传器与感测技术检理的基论础1.1测量概论12 测量.据数估的计处和理第章1传与检感测技术理论的基础.11 测量论ピ诳聘偶际醺叨确⒀У拇锎现会社中,人类已入进息万瞬的变信时息。
人们在从代事业生产工和科学实等验动中, 活主要靠对依信资源息开发的获、取传、输和处理传感器。
处于究研对象测与系控统接的位口, 是Z知、获感取与测信检的窗息, 口一切学科验实生产和过,程特别自是检测动自和控动系统制获取要的息信都,要通传过器将感其转为容换传易输与理的处信号电。
在工程实践和学实验科提中的检出任务是正确测时地掌握各及信息, 大多种情数况下要是获取被测象信对息大的, 即被小测的大量小。
样这信，采集的息要含义就主是量测,# 取测量数得。
据“ 测量系统这一概”念是感传技发术到一定阶段展的物。
产在程工中需要有传,感器多台仪与组表合一起, 才在完成能号信的检测,这样便形成了测系统。
量尤其随着是计算技机及术息信理处术技的发展,量系测统涉及的内所容也断得以充不实。
为了更好サ匚沾感掌,器要需对量测基本概的念#, 测量系统特的性# ,量测差误数据及处理方等的面论理工及方程进法行学和研习,究只有解了和掌握这些基本了论理,能才有效更完地成测检务。
任一、测量ゲ饬渴且远量值确目的为一的列操系作。
以测量也就所是将它可由下式表:被示量与测种性质同的标准量行比进, 确较被定量测标对量的准倍。
数x un 或中：式(-1)1n xux――测量值;(1-被2)u――标量准即测,单量;位n―比―(值数纯),含有测量误。
差由测量所得的获测被量的值叫测量果结测。
结量可果一用定的数表值,示也可以一用条曲线某或图形种表示。
无但论其表现形如式, 何测结果量应括两包部分比值：和量测单。
位切地确讲测量结,还果应包括误部分差。
被测量值和ケ戎档仁遣饬抗程的都息, 信这信息些依托于质物能在空间才和间上进行时传。
递数参载承了信而息为成信。
号选择其适当中的参作数测量为信, 例号如热电温度偶传器的工作感参是数热偶电电的势,差压流量感传器中的孔板作工参是数差Δ压。
传感器原理及工程应用第5版答案
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传感器原理及工程应用第5版答案
第1章传感与检测技术的理论基础（P26）
1-1：测量的定义？
答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。
所以，测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。
1-2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？
答：绝对误差是测量结果与真值之差
即：绝对误差=测量值一真值
相对误差是绝对误差与被测量真值之比，常用绝对误差与测量值之比，以百分数表示，即：相对误差=绝对误差/测量值×100%
引用误差是绝对误差与量程之比，以百分数表示，即：引用误差=绝对误差/量程×100%
1-3用测量范围为一50~150kPa的压力传感器测量140kPa的压力时，传感器测得示值为142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
已知：真值L=140kPa测量值x=142kPa测量上限=150kPa测量下限=—50kPa
.绝对误差A=x-L=142-140=2（kPa）
实际相对误差6=2=21.43%
Z140标称相对误差6=A2～1.41%
T142。
传感器与检测技术基础
转换元件 它是将敏感元件输出的非电信号直接转换为电信号，或直接将被测非电信号转换为电信号(如应变式压力传感器的电阻应变片，它作为转换元件将弹性敏感元件的输出转换为电阻)。 转换电路 它能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、处理和传输的有用信号。
传感器的分类 传感器技术是一门知识密集型技术。
1.2 测量误差与准确度
3)恰为第n位单位数字的0.5，则第n位为偶数或零时就舍去，为奇数时则进1。 (2)参加中间运算的有效数字的处理 1)加法运算：运算结果的有效数字位数应与参与运算的各数中小数点后面的有效位数相同。 2)乘除运算：运算结果的有效数字位数，应与参与运算的各数中有效位数最小的相同。 3)乘方及开方运算：运算结果的有效数字位数比原数据多保留一位。 4)对数运算：取对数前后有效数字位数应相同。 2.测量数据的处理 常用的数据处理方法有列表法、图示法、最小二乘法线性拟合。
列表法 列表法是把被测量的数据列成表格，可以简明地表示有关物理量之间的对应关系，便于随时检查测量结果是否合理，及时发现和分析问题。
01
图示法 图示法是用图形或曲线表示物理量之间的关系，它能更直观地表示物理量之间的变化规律，如递增或递减。
02
最小二乘法线性拟合 图示法虽然能很直观方便地将测量中的各种物理量之间的关系、变化规律用图像表示出来，但是，在图像的绘制上往往会引起一些附加的误差。
1.1 传感器简述
1.1 传感器简述
1)超调量σ：传感器输出超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。 2)延滞时间td：阶跃响应达到稳态值的50%所需要的时间。 3)上升时间tr：传感器的输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所需的时间。 4)峰值时间tp：传感器从阶跃输入开始到输出值达到第一个峰值所需的时间。 5)响应时间ts：传感器从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需的时间。 (2)频率响应法 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。
传感与检测第1章
如图1.3（b）所示。其输出-输入特性方程为
y= a0+ a2 x2 +a4 x4 +… 其线性范围较窄，一般传感器设计很少采用这 种特性 。
（3）仅有奇次非线性项
如图1.3（c）所示，其输出－输入特性方 程式为：
y= a1x +a3x3 + a5x5+… 具有这种特性的传感器，一般在输入量x相当
1.2.4 传感器技术的基本概况
1.传感器的基本要求
可靠性；静态特性；动态性能；量程；抗干扰能 力；通用性；轮廓尺寸；成本；能耗；对被测对象的 影响等。
2.传感器技术的一般方法
（1）差动技术 （2）平均技术 （3）补偿与修正技术 （4）干扰抑制 （5）稳定性处理
1.3 传感器的基本特性
传感器的输出-输入关系特性是传感器的基本 特性，从误差角度去分析输出-输入特性是测量技 术所要研究的主要内容之一。输出-输入特性虽是 传感器的外部特性，但与其内部参数有密切关系。
a0，a1， …an——常数； b0，b1， …bn——常数；
d n y ——输出量对时间t的n阶导数；
dt n dmx
——输入量对时间t的m阶导数。
dt m
3、传递函数
b1
dx dt
b0
x
动态特性的传递函数在线性（或线性化）定常系 统中是指初始条件为0时，为系统输出量的拉氏变换与 输入量的拉氏变换之比。
灵敏度就是静态特性的斜率，如图1.5（a）所
示，即：
Sn
y y0 x
而非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图1.5
（b）所示，即用dy/dx表示传感器在某一工作
点的灵敏度。
y y
第1章传感与检测技术的理论基础
（2）零位式 又称天平法，一般用已知标准量去衡量未知的被测量x，
求得测量结果。
例：天平、电子电位差计
特点：较高的测量精度，但测量过程比较复杂，费时较 长，不适用于迅速变化的信号。
（3）微差式
微差Δ=x-N
其中：x —被测量，N —标准量
则x=Δ+ N
通过检测微差获得高精度的测量结果
特点：反应快，测量精度高，特别适用于在线控制参数
如果仪表在标定条件下工作, 则仪表所具有的误差为基本误 差。例仪表是在电源电压(220±5)V、电网频(50±2)Hz、环境温 度(20±5)℃条件下工作。
（5） 附加误差
仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。
例：温度附加误差、频率附加误差、电源电压波动附加误差 等。
3． 误差的性质
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。
系统误差是有规律性的，因此可以通过实 验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可 以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。
夏天摆钟变慢的原因是什么？
产生粗大误差的一个例子
对测量结果评价的三个概念
❖（１）精密度 ❖（２）准确度 ❖（３）精确度
1
评价：偶然误差比较小，系统误差比较大， 精密度比较高。
2
次重复测量, 称为等精度测量。
（2）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。
3． 偏差式测量、 零位式测量与微差式测量
（1）偏差式 利用指针偏移的偏差大小表示被测量结果。 例：称重计等。
特点：过程比较简单、迅速，但测量结果精度较低。
1传感与检测技术的理论基础 (1)讲解
上课时数2，累计时数2章（节）目：第1章传感与检测技术的理论基础教学内容：①本门课概貌；②测量的基础知识；③测量误差分析及处理教学要求：掌握测量的基本概念及基本方法，理解测量误差的分析及处理方法。
教学重点：测量误差相关概念及处理方法。
教学难点：测量误差的表示与计算。
第1章传感与检测技术的理论基础1. 本门课概貌·智能家居控制系统（图）·台灯展示·单回路控制系统框图测量——测量表示、测量方法、不确定度、数据的分析与处理、干扰抑制……传感器作用：传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段；如果说机器是人的体力的延伸，计算机是人大脑的延伸，哪么传感器说应该是人的感观的延伸。
传感器具有视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉。
如手机需要感受声音、图像、电磁波、电池电量的传感器；全自动洗衣机需要感受水位、水温、水的清洁程度的传感器；自动生产线如汽车喷漆，电路板焊接；航天飞机，宇宙撞击。
传感器应用范围：航天、航空、兵器、舟船、交通、冶金、机械、电子、化工、轻工、能源、环保、煤炭、石油、医疗卫生、生物工程、宇宙开发、农林牧副渔、日常生活。
需求见“应用与需求图”（唐贤远编《传感器原理及应用》图1.2）地位：信息产业的三大支柱（传感器技术、信息技术、计算机技术）之一；没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。
课程特点：知识面广，是过去所学物理、化学与数学等知识的一个大汇总及升华。
本门课主要讲解常用传感器的基本工作原理及部分应用实例。
学习本课程的目的与要求:1) 了解不同传感器的主要特性，能根据使用要求选用合适的传感器。
2) 熟悉常用传感器的工作原理，掌握其应用方法与注意事项。
3) 熟悉传感器的常用信号处理电路。
4）激活大家的创新细胞。
（演示台灯）关于大纲与教材、参考书关于学习：1）授课、报告与研讨相结合。
2）安排第9周的2次课为研讨课，第8周第一次课前每人上交一篇中期论文，题目自定，内容要求按照杂志科技论文的形式对某种传感器系统进行功能和技术描述。
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第1章传感与检测技术的论理基础图 1- 2 Fra bibliotek环测量系统框图
采用开环方式构成的测量系统, 结构较简单, 但各环节特 性的变化都会造成测量误差。 （2） 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, 其结构如图 1 - 3 所示。
第1章传感与检测技术的论理基础
图 1 – 3 闭环测量系统框图
式中 ： x——被测量值;
第1章传感与检测技术的论理基础
由测量所获得的被测的量值叫测量结果。测量结果可用一 定的数值表示, 也可以用一条曲线或某种图形表示。但无论其 表现形式如何, 测量结果应包括两部分：比值和测量单位。 确 切地讲, 测量结果还应包括误差部分。 被测量值和比值等都是测量过程的信息, 这些信息依托于 物质才能在空间和时间上进行传递。参数承载了信息而成为信 号。 选择其中适当的参数作为测量信号, 例如热电偶温度传感 器的工作参数是热电偶的电势, 差压流量传感器中的孔板工作 参数是差压P。测量过程就是传感器从被测对象获取被测量 的信息, 建立起测量信号, 经过变换、传输、处理, 从而获得被 测量的量值。
第1章传感与检测技术的论理基础
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。设: N为标准量, x为被测量, 为二者之差, 则x=N+。由于N是标准量, 其误差很小, 且 N, 因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量, 即使测量的精度 , 较低, 但因x, 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。
第1章传感与检测技术的论理基础
在工程实践和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌 握各种信息, 大多数情况下是要获取被测对象信息的大小, 即被 测量的大小。这样，信息采集的主要含义就是测量#, 取得测量 数据。 “测量系统”这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物。 在工程中, 需要有传感器与多台仪表组合在一起, 才能完成信号 的检测, 这样便形成了测量系统。 尤其是随着计算机技术及信 息处理技术的发展, 测量系统所涉及的内容也不断得以充实。 为了更好地掌握传感器, 需要对测量的基本概念#, 测量系统 的特性#, 测量误差及数据处理等方面的理论及工程方法进行学 习和研究, 只有了解和掌握了这些基本理论, 才能更有效地完成 检测任务。
第1章传感与检测技术的论理基础
2． 误差的性质 ． 误差的性质 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。 （1） 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。 （2） 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。
L
×100%
(1 - 7）
ξ = × 100% x
第1章传感与检测技术的论理基础
（3） 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 γ=
× 100% (1 - 9） 测量范围上限 - 测量范围下限
式中: γ——引用误差; ——绝对误差。 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%。 在使用仪表和传感器时, 经常也会遇到基本误差和附加误 差两个概念。
第1章传感与检测技术的论理基础
其中x为正向通道的输入量, β为反馈环节的传递系数, 正 向通道的总传递系数k=k2k3。 由图 1 - 3可知:
x = x x f
xf=βy y=kx=k(x1-xf)=kx1-kβy
k 1 y= x1 = x1 1 1 + kβ +β k
当k>>1时，则
第1章传感与检测技术的论理基础
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。 根据以上分析可知, 在构成测量系统时, 应将开环系统 与闭环系统巧妙地组合在一起加以应用, 才能达到所期望的 目的。 测量误差 四、 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。
第1章传感与检测技术的论理基础
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。 2． 等精度测量与不等精度测量 ． 等精度测量与不等精度测量 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。 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。
第1章传感与检测技术的论理基础
测量 一、 测量 测量是以确定量值为目的的一系列操作。 所以测量也就 是将被测量与同种性质的标准量进行比较, 确定被测量对标 准量的倍数。 它可由下式表示:
x = nu
或
（1-1）
x n= u
u——标准量, 即测量单位; n——比值（纯数）, 含有测量误差。
（1-2）
第1章传感与检测技术的论理基础
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=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。 （2） 相对误差相对误差的定义由下式给出: δ=
式中: δ——相对误差, 一般用百分数给出; ——绝对误差; L——真实值。 由于被测量的真实值L无法知道, 实际测量时用测量值x代 替真实值L进行计算, 这个相对误差称为标称相对误差, 即
第1章传感与检测技术的论理基础
1． 直接测量、 间接测量与组合测量 ． 直接测量、 间接测量与组合测量 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称为直接 测量。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。 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。
第1章传感与检测技术的论理基础
第1章 传感器与检测技术的理论基础 章
1.1 测量概论 1.2 测量数据的估计和处理
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第1章传感与检测技术的论理基础
第1章 传感与检测技术的理论基础 章
1.1 测量概论 测量概论
在科学技术高度发达的现代社会中, 人类已进入瞬息万 变的信息时代。人们在从事工业生产和科学实验等活动中, 主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处 于研究对象与测控系统的接口位置, 是感知、获取与检测信 息的窗口, 一切科学实验和生产过程, 特别是自动检测和自动 控制系统要获取的信息, 都要通过传感器将其转换为容易传 输与处理的电信号。
第1章传感与检测技术的论理基础
3． 偏差式测量、 零位式测量与微差式测量 ． 偏差式测量、 零位式测量与微差式测量 用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值, 这种测 量方法称为偏差式测量。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。 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。
第1章传感与检测技术的论理基础
1． 测量误差的表示方法 ． 测量误差的表示方法 测量误差的表示方法有多种, 含义各异。 （1） 绝对误差绝对误差可用下式定义: =x-L (1 - 6）
式中: ——绝对误差; x——测量值; L——真实值。 对测量值进行修正时, 要用到绝对误差。 修正值是与绝对 误差大小相等、符号相反的值, 实际值等于测量值加上修正值。
第1章传感与检测技术的论理基础
测量系统 三、 测量系统 1. 测量系统构成 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。 图 1 - 1表示测量系统原理结构框图。
图 1 – 1 测量系统原理结构框图
第1章传感与检测技术的论理基础
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。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。 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。
第1章传感与检测技术的论理基础