2、传感器的基本特性、检测原理与介绍

第一章检测技术的基本概念本章学习测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理，测量不确定度以及传感器的基本特性等，它们是自动检测技术的理论基础。

教学要求1．掌握测量的基本概念和测量方法。

2．掌握测量误差的分类和基本概念。

3．掌握测量结果的数据统计处理。

4．理解测量不确定度5．理解传感器的概念及其基本特性。

重点：测量的基本概念及方法；绝对误差、相对误差及准确度的计算；传感器的分类、组成及特性。

难点：随机误差的概念及处理方法。

测量不确定度的理解第三节测量不确定度任何测量都有误差，测量结果是被测量的一个估计，测量结果必须带有不确定性。

测量不确定度就是评定测量结果的一个重要指标。

与测量结果相关联的一个参数，用以表征合理地赋予被测量之值的分散性。

通常用标准差表示3第三节测量不确定度表征合理地赋予被测量之值的分散性的参数称为不确定度。

测量不确定度是对测量结果的不可信程度或对测量结果有效性的怀疑程度。

不确定度表征被测量的真值在某个量程范围内的一个估计，是测量结果的一个重要参数，用以表征被测量的分散程度。

不确定度越小，测量结果越可信。

45不确定度评定中常用名词标准不确定度：用标准偏差表示的测量结果不确定度。

不确定度的A类评定：对观测列进行统计分析以评定不确定度的方法。

（用统计方法的不确定度估计） 不确定度的B类评定：评定标准不确定度的非统计分析方法。

（根据任何其他信息的不确定度估计。

这信息可能来自过去的测量经验，来自校准证书，来自生产厂的技术说明书，来自计算，来自出版物的信息，根据常识等等。

）合成标准不确定度：当结果由若干其它量得来时，按其他各量的方差和协方差算得的标准不确定度。

扩展不确定度：确定测量结果区间的量，期望测量结果以合理地赋予的较高置信水平包含在此区间内。

包含因子：为获得扩展不确定度，作为合成不确定度乘数的数字因子（亦有称覆盖因子、扩展因子）包含区间：基于可获得的信息，能赋予某量的值所处的区间，该区间与一定高的概率相联系。

置信水平（包含概率）：与包含区间相联系的概率6测量不确定度的分类为了正确地评定测量结果的不确定度，应全面分析影响测量结果的各种因素，仔细列出测量结果的所有不确定度来源。

不确定度评定得太大，会造成资源浪费，评定得太小，将影响工程质量。

在完成不确定度的分析和评定后，应给出不确定度报告。

测量不确定度的来源①对被测量的定义不完善；②被测量定义复现的不理想；③被测量的样本不能代表定义的被测量；④环境条件对测量过程的影响考虑不周，或环境条件的测量不完善；⑤模拟仪表读数时人为的偏差；⑥仪器分辩力或鉴别阈不够；⑦赋予测量标准或标准物质的值不准；⑧从外部来源获得并用以数据计算的常数及其他参数不准；⑨测量方法和测量过程中引入的近似值及假设；⑩在相同条件下被测量重复观测值的变化等。

7测量不确定度评定1) 确定被测量和测量方法测量原理、环境条件、所用仪器设备、测量程序和数据处理等。

2) 建立数学模型所谓建立数学模型，就是根据被测量的定义和物理模型（测量方案），用一个函数关系将测量过程模型化，以确定被测量与有关量之间的函数关系。

一个被测量可能依赖若干个有关量，为此，先要识别出所有被测的输入量，然后通过数学模型（函数关系），用所有的已知输入量计算输出量（最终的待测量）。

只有评定了所有各输入量的不确定度，才能给出被测量值（输出量）的不确定度。

建立物理模型和相应的数学模型，实际上就给出了被测量值的不确定度主要来源。

如果对被测量不确定度有贡献的分量未包括在数学模型中，应特别加以说明，如环境因素的影响。

83) 求被测量的最佳估值不确定度评定时对测量结果的不确定度评定，而测量结果应理解为被测量之值的最佳估计。

4) 确定各输入量的标准不确定度包括不确定度的A类评定和B类评定。

5)确定各个输入分量标准不确定度对输出量的标准不确定度的贡献由数学模型对各输入量求偏导数确定灵敏系数，然后由输入量的标准不确定度分量求输出量对应的标准不确定度分量。

6) 求合成标准不确定度利用不确定度传播率，对输出量的标准不确定度分量进行合成。

7) 求扩展不确定度根据被测量的概率分布和所需的置信水准，确定包含因子，由合成标准不确定度计算扩展不确定度。

8) 报告测量结果的不确定度报告测量不确定度时，必须给出测量结果。

最终不确定度的修约是直接进位，而不是舍去9测量不确度的评定流程列出各不确定度分量的表达式A类评定1.数学表达式被测量(输出量)y 与各输入量的函数关系为:2.求最佳值+=x n x 1(13.不确定度A 类评定4. 不确定度的B 类评定5. 合成标准不确定度评定6. 扩展不确定度的评定7. 不确定度结果测量结果的完整表达式测量值不确定度单位置信水平扩展因子X=x±U(单位),(P=XX%),k=2或3例1-5分量来源校准证书给出设备的U、校准证书给出设备U、k校准证书给出设备U、检定证书给出“等”，查检定系数表检定证书给出“级”，则最大允许误差若两次检定值之差d, 则稳定性仪器、仪表分辨率δ两次测量重复性限r两次测量复现性限R单测检验限R温度系数不对称第四节传感器及基本特性一、传感器的定义与组成传感器：以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于处理的另一种物理量。

组成：（1）敏感元件（2）传感元件（3）测量转换电路。

敏感元件：直接感受被测量的元件传感元件：将非电量转换为电参量测量转换电路：将电参量转换成易于处理的电信号1-弹簧管2-电位器系统3 电刷4 传动机构传感器示意图举例：测量压力的电位器式压力传感器敏感元件传感元件分压比式测量转换电路（1）弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。

弹性敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移α弹簧管放大图当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。

其他各种弹性敏感元件在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。

压力传感器的外形及内部结构（2）被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-----电阻的变化（ΔR）360度圆盘形电位器右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。

接地（3）测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。

在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关。

系的电压Uo传感器原理框图二、传感器分类传感器常用的分类方法有：１）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。

2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。

本教材采用第二种分类法三、传感器基本特性：一般指输入、输出特性；描述传感器输入–输出关系的方法，有静态、动态之分1.静态特性:静态检测是指测量时，检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化很缓慢（静态量或准静态量）静态量或准静态量）。

静态检测时，系统所表现出的响应特性称为静态响应特性。

传感器的静态特性指标灵敏度、分辨力、线性度、迟滞、稳定性、电磁兼容性、可靠性（2）分辨力：指传感器能检出被测信号的最小变化量。

当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。

对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。

一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。

分辨率：分辨力/满量程输入值非线性误差越小越好作图法求线性度演示（1—拟合曲线2—实际特性曲线）（a）端基线性度将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度。

(b) 最小二乘法：与校准曲线的残差平方和最小设物理量y和x满足y=f(x)=a+kx有n个测量数据: (x1,y1), (x2,y2), …, (xn,yn)，(n>2)则第i个测试数据与拟合直线之间的残差：Δi = y i–(a+ b x i)残差平方和最小：∑Δi2=min使∑Δi2对a和b的一阶导数为0也称为回程误差、滞后或变差。

传感器在正、反行程，输入-输出曲线的不重合程度。

实际测量系统在相同的测量条件下，当输入量由小增大，或由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量存在差值，则定义回程误差为：（4）迟滞%1002maxmax×Δ=y H 迟滞△H max ——正反行程输出的最大差值y max ——满量程输出量产生环境影响量的因素：温度、湿度、电源电压、电源频率等注意标示：如0.1uA/(U±5%)表示电源电压变化±5%，引起示值变化0.1uA等。

例1-7（6）电磁兼容性：电子设备在规定的电磁干扰环境下能按照原设计要求正常工作的能力，且不向同一环境中的其它设备释放超过允许的电磁干扰。

（7）可靠性：可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。

可靠性指标：1.故障平均间隔时间：两次故障间隔的时间2.平均修复时间：排除故障所花费的时间3.故障率或失效率：故障变化曲线浴盆曲线故障率的变化大体可分为三个阶段：（1）初期失效期：这期间开始阶段故障率很高，失效的可能性很大，但随着时间的增加而迅速降低（2）偶然失效期：这期间故障率较低，是构成检测系统作用寿命的主要部分。

（3）衰老失效期：这期间的故障率随时间的增加而迅速增大，经常损坏和维修。

“老化”试验：在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境→低温环境→高温环境……反复循环。

老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低。

老化试验台灵敏度——传感器输出量与输入量增量的比值对于线性传感器对于非线性传感器举例：设电源电压为器输出25mV的电压。

则传感器的灵敏度为：分辨率——传感器所能感知的最小输入量秤盘传感器。