1、新型傳感技術新型傳感技術孫立軍孫立軍緒論、第一章緒論、第一章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性參考資料參考資料教材教材王化祥，張淑英王化祥，張淑英傳感器原理及應用傳感器原理及應用（第（第3版）版）其它其它王君，凌振寶王君，凌振寶傳感器原理及檢測技術傳感器原理及檢測技術，2003樊尚春，樊尚春，傳感器技術及應用傳感器技術及應用（第（第2版），版），2010王化祥王化祥 等等現(xiàn)代傳感技術及應用現(xiàn)代傳感技術及應用，2008王厚樞，陳行祿，王厚樞，陳行祿，傳感器原理傳感器原理，1987內容和學時安排內容和學時安排傳感器的一般特性傳感器的一般特性4應變式傳感器應變式傳感器2電容式傳感器電容式傳感器6電感

2、式傳感器電感式傳感器4壓電式傳感器壓電式傳感器2數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器6固態(tài)傳感器固態(tài)傳感器6光導纖維式傳感器光導纖維式傳感器2智能傳感技術智能傳感技術4傳感器的標定傳感器的標定4實驗課實驗課6復習和答疑復習和答疑2合計合計42+6基本要求基本要求準時來上課；準時來上課；不打擾其他同學聽課；不打擾其他同學聽課；平時成績占平時成績占10-20%，最后考試占，最后考試占80-90%。熱量表（戶用）熱量表（戶用）傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例熱量表（戶用）熱量表（戶用）傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例熱量表的安裝示意圖熱量表的安裝示意圖傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例傳感

3、器應用、科研實例傳感器應用、科研實例110OdhqdhqQvm 式中：式中：Q 釋放或吸收的熱量，釋放或吸收的熱量，kJ；qm 流經熱量表的水的質量流量，流經熱量表的水的質量流量，kg / h ；qv 流經熱量表的水的體積流量，流經熱量表的水的體積流量，m3 / h ； 流經熱量表的水的密度，流經熱量表的水的密度，kg / m3 ；h 熱交換系統(tǒng)入口與出口處水的溫差值對應熱交換系統(tǒng)入口與出口處水的溫差值對應的水的的水的比比焓值差，焓值差，kJ / kg ； 時間，時間，h。熱量的計算熱量的計算比焓差法比焓差法熱量表的積算儀熱量表的積算儀傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例機械式熱量表的基表

4、機械式熱量表的基表機械式熱量表的表芯機械式熱量表的表芯傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例機械式熱量表的計算流體力學（機械式熱量表的計算流體力學（CFD）仿真模型）仿真模型傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例速度分布云圖速度分布云圖速度矢量圖速度矢量圖傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例葉輪葉片表面受力分析葉輪葉片表面受力分析傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例水流量標準裝置水流量標準裝置傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例CFD仿真與實驗結果對比仿真與實驗結果對比傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例流量點流量點（m3/h）儀表系

5、儀表系數(shù)數(shù)(1/L)平均儀表平均儀表系數(shù)系數(shù)(1/L)線性度誤線性度誤差差(%)流速流速m/s湍流湍流強度強度仿真轉仿真轉速速 (rad)仿真儀表仿真儀表系數(shù)系數(shù)(1/L)仿真平均儀仿真平均儀表系數(shù)表系數(shù)(1/L)仿真線性仿真線性度誤差度誤差(%)0.0350.01980.07370.6069.9211.0753.0010.06410.58410.7491.8350.03620.06831.210.7430.15110.6950.34710.7590.2040.0557.1511.3483.51810.9452.02180.041371.111.408CFD仿真與實驗結果對比仿真與實驗結果對比

6、傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例 （a） （b） (c)需要優(yōu)化的參數(shù)示意圖需要優(yōu)化的參數(shù)示意圖機械式熱量表的基表結構參數(shù)優(yōu)化機械式熱量表的基表結構參數(shù)優(yōu)化傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例 各方案中改變的參數(shù)及參數(shù)值各方案中改變的參數(shù)及參數(shù)值優(yōu)化方案優(yōu)化方案改變參數(shù)改變參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值原模型原模型=38.5；L=2.4 mm；R=26.5 mm；r=16 mm；b=0 mm1R=38.5；L=2.4 mm；R=26 mm；r=16 mm；b=0 mm2L=38.5；L=1.2 mm；R=26.5mm；r=16 mm；b=0 mm3=39；L=2.4 mm；R=26 mm；r=1

7、6.5 mm；b=0 mm4r=38.5；L=2.4 mm；R=26.5 mm；r=16.5 mm；b=0 mm5、R=39；L=2.4 mm；R=26 mm；r=16 mm；b=0 mm6、L、R、r=39；L=1.2 mm；R=26 mm；r=16.5 mm；b=0 mm7、L、R、r=40；L=1.2 mm；R=25.8 mm；r=16.5 mm；b=0 mm8、L、R、r、b=39；L=1.2 mm；R=26 mm；r=16.5 mm；b=2 mm9、L、R、r、b=40；L=1.2 mm；R=25.8 mm；r=16.5 mm；b=2 mm機械式熱量表的基表結構參數(shù)優(yōu)化機械式熱量表的

8、基表結構參數(shù)優(yōu)化傳感器應用、科研實例傳感器應用、科研實例知識背景：知識背景： 數(shù)、理、電路、電子技術、自動控制理論等。數(shù)、理、電路、電子技術、自動控制理論等。研究內容：研究內容： 研究信息的提取與處理的理論、方法和技術。研究信息的提取與處理的理論、方法和技術。我們的專業(yè)：我們的專業(yè)：“自動化自動化” “工業(yè)自動化工業(yè)自動化” “過程自動過程自動化化”我們的目的：要實現(xiàn)我們的目的：要實現(xiàn)“過程控制過程控制” 或或“運動控制運動控制” 即用自動化裝置或設備代替人對生產過程進行操作即用自動化裝置或設備代替人對生產過程進行操作或控制?；蚩刂?。緒論緒論熱水閥冷水閥熱水冷水調節(jié)器傳感器傳感器執(zhí)行器調節(jié)目的

9、：調節(jié)目的：水量適中，水溫適宜。水量適中，水溫適宜。緒論緒論控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)舉例手動控制：憑感覺，根據經驗做出決定，用手調節(jié)閥門。手動控制：憑感覺，根據經驗做出決定，用手調節(jié)閥門。自動控制：用自動化裝置去感覺、去判斷，去控制閥門。自動控制：用自動化裝置去感覺、去判斷，去控制閥門。代替人手的自動化裝置代替人手的自動化裝置執(zhí)行器；執(zhí)行器；代替人大腦的自動化裝置代替人大腦的自動化裝置調節(jié)器、計算機（電腦）；調節(jié)器、計算機（電腦）；代替人感覺器官的自動化裝置代替人感覺器官的自動化裝置傳感器；傳感器；在自動控制系統(tǒng)中，在自動控制系統(tǒng)中，傳感器傳感器又叫做又叫做電五官電五官。 除了在自動控制系統(tǒng)中具有

10、十分重要的作用之外，以除了在自動控制系統(tǒng)中具有十分重要的作用之外，以傳感器傳感器為核心的為核心的自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)本身就是一項十分重要的本身就是一項十分重要的工作，是國民經濟各領域必不可少的，占有重要地位。工作，是國民經濟各領域必不可少的，占有重要地位。熱水閥冷水閥熱水冷水緒論緒論控制系統(tǒng)舉例控制系統(tǒng)舉例 自動測量系統(tǒng)（如溫度計、壓力表、速度表自動測量系統(tǒng)（如溫度計、壓力表、速度表和液位計等）；和液位計等）； 自動計量系統(tǒng)（如水表、電度表、計量秤以自動計量系統(tǒng)（如水表、電度表、計量秤以及熱量表等）；及熱量表等）； 自動保護、自動信號、自動診斷系統(tǒng)（自動自動保護、自動信號、自動診斷系統(tǒng)（自

11、動控制系統(tǒng)的組成部分）；控制系統(tǒng)的組成部分）；傳感器傳感器被測對象被測對象輸出單元輸出單元被測參數(shù)被測參數(shù) x非電量非電量輸出參數(shù)輸出參數(shù) y電量電量緒論緒論自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)框圖：自動檢測系統(tǒng)框圖：輸出單元類型：輸出單元類型： 構成的自動檢測系統(tǒng)構成的自動檢測系統(tǒng) 顯示、記錄儀表等顯示、記錄儀表等 自動測量系統(tǒng)自動測量系統(tǒng) 計數(shù)器、累加器等計數(shù)器、累加器等 自動計量系統(tǒng)自動計量系統(tǒng) 報警器等報警器等 自動保護、自動信號系統(tǒng)自動保護、自動信號系統(tǒng) 調節(jié)器、計算機等調節(jié)器、計算機等 自動管理、自動控制系統(tǒng)自動管理、自動控制系統(tǒng) 各種自動檢測系統(tǒng)，框圖中的前兩塊一般是相同的。各種

12、自動檢測系統(tǒng)，框圖中的前兩塊一般是相同的。輸出單元的不同，使得輸出單元的不同，使得自動檢測系統(tǒng)具有不同的功能。自動檢測系統(tǒng)具有不同的功能。傳感器傳感器被測對象被測對象輸出單元輸出單元被測參數(shù)被測參數(shù) x非電量非電量輸出參數(shù)輸出參數(shù) y電量電量緒論緒論自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)緒論緒論傳感器傳感器(transducer或或sensor)是將各種是將各種非電量非電量(包包括物理量、化學量、生物量等括物理量、化學量、生物量等)按一定規(guī)律轉換按一定規(guī)律轉換成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量成便于處理和傳輸?shù)牧硪环N物理量(一般為電量一般為電量)的裝置。的裝置。傳感器及傳感技術傳感器及傳感技術非電量非電量（溫度

13、、壓力、流量、物位、位移、轉（溫度、壓力、流量、物位、位移、轉角以及振動、加速度等等）；角以及振動、加速度等等）；電信號（電壓、電流、電阻、電容、電感以及電信號（電壓、電流、電阻、電容、電感以及電脈沖頻率等等）電脈沖頻率等等）緒論緒論傳感器及傳感技術傳感器及傳感技術緒論緒論傳感器及傳感技術傳感器及傳感技術傳感器技術是涉及到傳感器的機理研究與分析、傳感器技術是涉及到傳感器的機理研究與分析、傳感器的設計與研制、傳感器的性能評估與應傳感器的設計與研制、傳感器的性能評估與應用的用的綜合技術綜合技術。傳感器技術也稱為自動檢測與自動轉換技術。傳感器技術也稱為自動檢測與自動轉換技術。傳感器技術研究的主要內容

14、是信息的提取、信傳感器技術研究的主要內容是信息的提取、信息的轉換以及信號處理的理論和方法。息的轉換以及信號處理的理論和方法。緒論緒論傳感器的組成傳感器的組成轉換元件轉換元件敏感元件敏感元件測量電路測量電路非電量或非電量或電參數(shù)電參數(shù)電量或電量或電參數(shù)電參數(shù)非電量非電量電量電量輔助電源輔助電源傳感器的組成框圖傳感器的組成框圖1）敏感元件）敏感元件：也叫做：也叫做“預變換器預變換器” 將被測非電量預先變成另一種易于變換成電量的非將被測非電量預先變成另一種易于變換成電量的非電量。電量。2）轉換元件：）轉換元件： 將感受到的非電量直接轉變成電量。將感受到的非電量直接轉變成電量。3）測量電路：）測量電路

15、： 將轉換元件輸出的電量轉換成便于顯將轉換元件輸出的電量轉換成便于顯示、記錄、控制和處理的有用的電信號的電路。示、記錄、控制和處理的有用的電信號的電路。緒論緒論傳感器的組成傳感器的組成緒論緒論傳感器的組成傳感器的組成敏感元件敏感元件被檢測量被檢測量x非電量非電量輸出輸出y電量電量 B型結構：型結構：敏感元件輸出的電量還需要專用電路的變換敏感元件輸出的電量還需要專用電路的變換才能用來顯示、記錄等，這里的敏感元件也叫做電參數(shù)才能用來顯示、記錄等，這里的敏感元件也叫做電參數(shù)傳感器。傳感器。 敏感元件敏感元件被檢測量被檢測量x非電量非電量輸出輸出y電量電量測量電路測量電路電參數(shù)電參數(shù) A型結構：型結構

16、：敏感元件的輸出可直接用來顯示、記錄。敏感元件的輸出可直接用來顯示、記錄。. 按物理結構分類：按物理結構分類：緒論緒論傳感器的分類傳感器的分類 C型結構：型結構：敏感元件的輸出仍然是非電量，是易于轉換敏感元件的輸出仍然是非電量，是易于轉換為電量的非電量。這里的敏感元件叫做預變換器。為電量的非電量。這里的敏感元件叫做預變換器。 被檢測量被檢測量x非電量非電量敏感元件敏感元件輸出輸出y電量電量測量電路測量電路電參數(shù)電參數(shù)轉換元件轉換元件非電量非電量A、B、C型結構的傳感器統(tǒng)稱為簡單結構型。型結構的傳感器統(tǒng)稱為簡單結構型。D型結構：型結構：(差動型結構差動型結構)輸出輸出Z電量電量差動電路差動電路正

17、向傳感器正向傳感器反向傳感器反向傳感器被檢測量被檢測量x非電量非電量+x-x電參數(shù)電參數(shù)電參數(shù)電參數(shù)-y+y緒論緒論傳感器的分類傳感器的分類緒論緒論傳感器的分類傳感器的分類 D型結構傳感器中的正向傳感器與反向傳感器感受到型結構傳感器中的正向傳感器與反向傳感器感受到的被測量的作用方向相反（的被測量的作用方向相反（ +x 、-x ）；因此在相）；因此在相同的被測量作用下，它們同的被測量作用下，它們各自的輸出也相反各自的輸出也相反（+y、-y）；輸出同時作用到差動電路上，差動電路的輸出）；輸出同時作用到差動電路上，差動電路的輸出Z與輸出信號之差與輸出信號之差（ +y) -(-y ）成正比，所以成正比

18、，所以D型型結構傳感器又稱為結構傳感器又稱為差動結構型差動結構型傳感器。傳感器。 差動型傳感器的特點是：靈敏度高，抗干擾能力強，差動型傳感器的特點是：靈敏度高，抗干擾能力強，線性度好。線性度好。緒論緒論傳感器的分類傳感器的分類 在在D D型結構中，正向傳感器與反向傳型結構中，正向傳感器與反向傳感器是在結構原理、尺寸、參數(shù)上感器是在結構原理、尺寸、參數(shù)上完全完全相同的相同的簡單結構型傳感器。簡單結構型傳感器。. 按輸入量（被測參數(shù)）分類：按輸入量（被測參數(shù)）分類：可分為：溫度、壓力、差壓、物位、位移量、可分為：溫度、壓力、差壓、物位、位移量、 速度、加速度、濕度等傳感器。速度、加速度、濕度等傳感

19、器。. 按測量原理分類按測量原理分類 ：A.基于電磁學基于電磁學（1）變電阻）變電阻原理：電位器式、應變式傳感器等。原理：電位器式、應變式傳感器等。緒論緒論傳感器的分類傳感器的分類（2）變磁阻原理：電感式、差動變壓器式、電）變磁阻原理：電感式、差動變壓器式、電 渦流式傳感器等。渦流式傳感器等。 B. 基于固體物理學：半導體力敏、熱敏、光敏、基于固體物理學：半導體力敏、熱敏、光敏、氣敏等傳感器。氣敏等傳感器。 . 按結構型和物性型分類按結構型和物性型分類 ：A. 結構型：材料幾何形狀或尺寸的改變；結構型：材料幾何形狀或尺寸的改變；B. 物性型：材料物理性質的變化；物性型：材料物理性質的變化；緒論

20、緒論傳感器的分類傳感器的分類（一）測量的定義（一）測量的定義(1) (1) 測量就是人們借助專門設備，通過實驗的方法對測量就是人們借助專門設備，通過實驗的方法對客觀事物取得測量結果的過程?？陀^事物取得測量結果的過程。(2) (2) 測量是通過物理實驗，把一個量（被測量）和作測量是通過物理實驗，把一個量（被測量）和作為比較單位的另一個量（標準）相比較的過程。為比較單位的另一個量（標準）相比較的過程。1.0 1.0 測量誤差測量誤差 任何測量結果與被測真實值之間都有差異。凡是測任何測量結果與被測真實值之間都有差異。凡是測量都不可避免地會出現(xiàn)測量誤差。量都不可避免地會出現(xiàn)測量誤差。研究測量誤差研究測

21、量誤差就是就是要通過含有誤差的測量結果求得被測真值的最佳逼近要通過含有誤差的測量結果求得被測真值的最佳逼近值并估計其精確程度。值并估計其精確程度。一一. . 誤差的基本概念誤差的基本概念 第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性基準基準標準標準工作量器工作量器基準分級基準分級: 一級最高，三級最差；一級最高，三級最差；標準分等標準分等: 一等最高，三等最差。一等最高，三等最差。（二）真實值與測得值（二）真實值與測得值1.真實值真實值: 是被測量的真實數(shù)值，是用任何手段也得不是被測量的真實數(shù)值，是用任何手段也得不到的。到的。 在實際工作中把以下三種數(shù)值視為真實值：在實際工作中把以下三種數(shù)

22、值視為真實值：（1）真值）真值A0 （理論真值，定義值）：由理論、定義來（理論真值，定義值）：由理論、定義來的數(shù)值。的數(shù)值。（2）指定值）指定值AS ：人為規(guī)定的數(shù)值。：人為規(guī)定的數(shù)值。（3）傳遞值）傳遞值A：由上一級基準或標準傳遞下來的數(shù)值。：由上一級基準或標準傳遞下來的數(shù)值。1.0 1.0 測量誤差測量誤差第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性（2）算術平均值）算術平均值 :如果排除系統(tǒng)誤差，在如果排除系統(tǒng)誤差，在等精度的測量條件下，等精度的測量條件下，n為有限次，則為有限次，則 是被測量是被測量真值真值（ A0 、 AS 或或 A ）的數(shù)學期望。）的數(shù)學期望。 11niixxn

23、x（三）測量誤差的分類（三）測量誤差的分類1. 隨機誤差：由于隨機的、不確定的、不可預知的因隨機誤差：由于隨機的、不確定的、不可預知的因素而引起的測量誤差。素而引起的測量誤差。2. 系統(tǒng)誤差：有一定規(guī)律的誤差。系統(tǒng)誤差：有一定規(guī)律的誤差。3. 粗大誤差：由于測量時人為的疏忽或失誤造成的誤粗大誤差：由于測量時人為的疏忽或失誤造成的誤差，應予以剔除。差，應予以剔除。2.測得值：測得值有很多種表示方法，最常用的有如下測得值：測得值有很多種表示方法，最常用的有如下兩種：兩種：（1）單次測得值）單次測得值x：一次測量所得數(shù)值。：一次測量所得數(shù)值。1.0 1.0 測量誤差測量誤差第第1 1章章 傳感器的一

24、般特性傳感器的一般特性（四）測量誤差的表示方法（四）測量誤差的表示方法1. 絕對誤差：絕對誤差：測得值測得值=真實值真實值+誤差誤差 即：即：誤差誤差=測得值測得值-真實值真實值（1）真差）真差 =x- 與真實值之差；式中：與真實值之差；式中： x 為測得值；為測得值； 是真實值。是真實值。 （2）剩余誤差）剩余誤差(殘差殘差) 與平均值之差；式中：與平均值之差；式中： 為第為第i次測得值；次測得值； 是算術平是算術平均值。均值。 （3）標準誤差（方均根差）標準誤差（方均根差）xxiixniinniinnnx121211)(xi條件：條件：測量次數(shù)測量次數(shù) (無法辦到無法辦到) ；是真實值是真

25、實值(無法得無法得到到)。n1.0 1.0 測量誤差測量誤差第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性niiniinnnxx121211111)(用貝塞爾公式計算的用貝塞爾公式計算的標準誤差標準誤差： 在這個公式中，在這個公式中， 既不需要既不需要 又可以用算術平均值來又可以用算術平均值來 代替真實值代替真實值參與計算，避免了求取真值的困難。參與計算，避免了求取真值的困難。2. 相對誤差：相對誤差：（1）實際相對誤差）實際相對誤差 一般寫成：一般寫成： 絕對誤差與真實值之比；式中：絕對誤差與真實值之比；式中： 為上述任意一種絕對為上述任意一種絕對誤差；誤差；A就是就是 ，是真實值，是真實

26、值（ A0、AS 或或 A 中之一）中之一） 。 （2）示值相對誤差）示值相對誤差 也叫也叫讀數(shù)相對誤差讀數(shù)相對誤差。 AxAx%100 xxx%100AxAn1.0 1.0 測量誤差測量誤差第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性是絕對誤差與測得值之比；式中：是絕對誤差與測得值之比；式中： 是測得值。是測得值。x （3）引用相對誤差引用相對誤差 也叫額定相對誤差、滿度相對誤差。式中的也叫額定相對誤差、滿度相對誤差。式中的 是所用測量儀器或工具的測量上限是所用測量儀器或工具的測量上限與下限與下限 之差，叫做之差，叫做量程量程。如果則有。如果則有minmaxxxxmxmaxxmin0mi

27、nxxxmmax%100mmxx比較比較 與與 可可見：由于見：由于%100mmxx%100 xxxxxmax所以所以mx 儀表的精度等級儀表的精度等級就是用引用誤差去掉百分號后的圓整就是用引用誤差去掉百分號后的圓整系列值來表示的。系列值有：系列值來表示的。系列值有：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等。等。只是在只是在xxmax時才有：時才有：xm1.0 1.0 測量誤差測量誤差第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性 傳感器的輸入量可分為靜態(tài)量和動態(tài)量兩類。傳感器的輸入量可分為靜態(tài)量和動態(tài)量兩類。靜態(tài)量靜態(tài)量指穩(wěn)定狀態(tài)的信號或變化極其緩慢的信號（準靜態(tài)）。指穩(wěn)定

28、狀態(tài)的信號或變化極其緩慢的信號（準靜態(tài)）。動態(tài)量動態(tài)量通常指周期信號、瞬變信號或隨機信號。通常指周期信號、瞬變信號或隨機信號。 無論對動態(tài)量或靜態(tài)量，傳感器輸出電量都應當不失無論對動態(tài)量或靜態(tài)量，傳感器輸出電量都應當不失真地復現(xiàn)輸入量的變化。這主要取決于傳感器的靜態(tài)特真地復現(xiàn)輸入量的變化。這主要取決于傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。性和動態(tài)特性。第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性 1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 傳感器在被測量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出量和傳感器在被測量的各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出量和輸入量之間的關系稱為靜態(tài)特性。輸入量之間的關系稱為靜態(tài)特性。 通常，要求

29、傳感器在靜態(tài)情況下的輸出通常，要求傳感器在靜態(tài)情況下的輸出輸入關系輸入關系保保持線性持線性。實際上，其輸出量和輸入量之間的關系（不考。實際上，其輸出量和輸入量之間的關系（不考慮遲滯及蠕變效應）可由下列方程式確定。慮遲滯及蠕變效應）可由下列方程式確定。第第1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性2012nnYaa Xa Xa X （1-1） 式中式中 輸出量；輸出量； 輸入量；輸入量； 零位輸出；零位輸出； 傳感器的靈敏度，常用傳感器的靈敏度，常用K K表示；表示； 非線性項待定常數(shù)。非線性項待定常數(shù)。 由式可見，如果由式可見，如果 ，表示靜態(tài)特性通過原點。，表示靜態(tài)特性通過原點。此時靜態(tài)特性是

30、由線性項（此時靜態(tài)特性是由線性項（ ）和非線性項）和非線性項 疊加而成，一般可分為以下疊加而成，一般可分為以下4 4種典型情況。種典型情況。 0a1a23,na aa00a 22(,)nna Xa X1a XYX第第1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性2012nnYaa Xa Xa X (1)理想線性理想線性圖圖1-1(a) (1-2)(2)具有具有X奇次階項的非線性奇次階項的非線性圖圖1-1(b) (1-3)(3)具有具有X偶次階項的非線性偶次階項的非線性圖圖1-1(c) (1-4)(4)具有具有X奇、偶次階項的非線性奇、偶次階項的非線性圖圖1-1

31、(d) (1-5) 圖圖1-1傳感器的傳感器的4種典型靜態(tài)特征種典型靜態(tài)特征1Ya X35135Ya Xa Xa X24124Ya Xa Xa X2341234Ya Xa Xa Xa X第第1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 由此可見，除圖由此可見，除圖1-1(a)為理想線性關系外，其余均為為理想線性關系外，其余均為非線性關系。其中非線性關系。其中具有具有X奇次項的奇次項的曲線圖曲線圖1-1(b)，在原，在原點附近一定范圍內基本上是線性特性。點附近一定范圍內基本上是線性特性。 實際應用中，若非線性項的方次不高，則在輸入量實際應用中，若非線性項的方次

32、不高，則在輸入量變化不大的范圍內，變化不大的范圍內，用切線或割線代替用切線或割線代替實際的靜態(tài)特實際的靜態(tài)特性曲線的某一段，使傳感器的靜態(tài)特性接近于線性，性曲線的某一段，使傳感器的靜態(tài)特性接近于線性，這稱為這稱為傳感器靜態(tài)特性的線性化傳感器靜態(tài)特性的線性化。 在設計傳感器時，應將測量范圍選取在靜態(tài)特性在設計傳感器時，應將測量范圍選取在靜態(tài)特性最最接近直線的一小段接近直線的一小段，此時原點可能不在零點。，此時原點可能不在零點。 以圖以圖1-1(d)為例，如取為例，如取ab段，則原點在段，則原點在c點。點。第第1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性圖圖1-

33、21-2傳感器的線性度傳感器的線性度 一、線性度一、線性度(非線性誤差非線性誤差) 傳感器校準曲線與擬合直線間最大傳感器校準曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程偏差與滿量程(FS)輸出值的百分比稱輸出值的百分比稱為線性度。為線性度。 用用 代表線性度，則代表線性度，則 (1-6) 式中式中 校準曲線與擬合直線間校準曲線與擬合直線間 的最大偏差；的最大偏差； 傳感器滿量程輸出，傳感器滿量程輸出， 。maxYL第第1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性%100SFmaxYYLSFY0maxSFYYY 非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準直非線性誤差是以

34、一定的擬合直線或理想直線為基準直線算出來的?；鶞手本€不同，所得線性度也不同。線算出來的?；鶞手本€不同，所得線性度也不同。圖圖1-31-3 基準直線的不同擬合方法基準直線的不同擬合方法第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 ( (一一) )端基法端基法 把傳感器校準數(shù)據的零點輸把傳感器校準數(shù)據的零點輸出平均值出平均值 和滿量程輸出平均和滿量程輸出平均值值 連成的直線連成的直線 作為傳作為傳感器特性的擬合直線。感器特性的擬合直線。 (1-7)(1-7) 式中式中 Y輸出量；輸出量； X輸入量；輸入量； a0Y軸上截距；軸上截距； K直線直線a0b0

35、的斜率。的斜率。圖圖1-4 1-4 端基線性度擬合直線端基線性度擬合直線0a0b0 0a b0YaKX第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性擬合精度較低，一般用擬合精度較低，一般用在特性曲線非線性度較在特性曲線非線性度較小的情況。小的情況。 (二二)最小二乘法最小二乘法 用最小二乘法原則擬合直線，可使擬合精度最高。用最小二乘法原則擬合直線，可使擬合精度最高。 令擬合直線方程為令擬合直線方程為Y=a0+KX 。假定。假定實際校準點實際校準點有有n個，個，在在n個校準數(shù)據中，任一個校準數(shù)據個校準數(shù)據中，任一個校準數(shù)據Yi與擬合直線上對與擬合直線上對

36、應的應的理想值理想值a0+KXi 間線差為間線差為 (1-8)0()iiiYaKX 第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 最小二乘法擬合直線的擬合原則就是使最小二乘法擬合直線的擬合原則就是使 為最小為最小值，亦即使值，亦即使 對對K和和a0的一階偏導數(shù)等于零，從而求的一階偏導數(shù)等于零，從而求出出K和和a0。21nii21nii渦輪流量傳感器的特性曲線和非線性矯正渦輪流量傳感器的特性曲線和非線性矯正渦輪儀表系數(shù)的非線性修正渦輪儀表系數(shù)的非線性修正- -分段線性化分段線性化544454xxKKKKffff544454xxKKKKffff渦輪儀表系

37、數(shù)的非線性修正渦輪儀表系數(shù)的非線性修正- -分段線性化分段線性化例：頻率例：頻率f4為為500Hz，對應的儀表系數(shù)，對應的儀表系數(shù)K4為為1718 1/L；頻率頻率f5為為1200Hz，對應的儀表系數(shù)，對應的儀表系數(shù)K5為為1703 1/L；則；則當頻率當頻率fx為為750 Hz時對應的儀表系數(shù)時對應的儀表系數(shù)Kx為為64.1712250700151718)500750(5001200171817031718xK1/L 通常采用差動測量方法減小傳感器的非線性誤差。例通常采用差動測量方法減小傳感器的非線性誤差。例如，某位移傳感器特性方程式為如，某位移傳感器特性方程式為 另一個與之完全相同的位移傳

38、感器，但是它感受另一個與之完全相同的位移傳感器，但是它感受相反相反方向位移方向位移，則特性方程式為，則特性方程式為 在差動輸出情況下，其特性方程式可寫成在差動輸出情況下，其特性方程式可寫成 采用此方法消除了采用此方法消除了X偶次項而使非線性誤差大大減小，偶次項而使非線性誤差大大減小，靈敏度提高一倍靈敏度提高一倍，零點偏移也消除了。，零點偏移也消除了。234101234Yaa Xa Xa Xa X234201234Yaa Xa Xa Xa X35121352()YYYa Xa Xa X 第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性21oooeee1oe

39、2oe1oe2oe鐵心向上時，鐵心向上時，鐵心向下時，鐵心向下時，差動變壓器式壓力計差動變壓器式壓力計差動結構使信號差動結構使信號成倍增強成倍增強第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 二、靈敏度二、靈敏度 靈敏度指到達穩(wěn)定工作狀態(tài)時靈敏度指到達穩(wěn)定工作狀態(tài)時輸出變化量輸出變化量與引起此變與引起此變化的化的輸入變化量輸入變化量之比。線性傳感器校準曲線的斜率就是之比。線性傳感器校準曲線的斜率就是靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度K。 非線性傳感器的靈敏度用非線性傳感器的靈敏度用dY/dX表示，其數(shù)值等于最表示，其數(shù)值等于最小二乘法擬合直線的斜率。小二乘法擬合直

40、線的斜率。圖圖1-51-5 傳感器靈敏度的定義傳感器靈敏度的定義YKX輸出變化量輸入變化量第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 三、精確度三、精確度(精度精度) 說明精確度的指標有三個：精密度、正確度和精確說明精確度的指標有三個：精密度、正確度和精確度。度。 (一一)精密度精密度 說明測量結果的說明測量結果的分散性分散性。對某一被測量用同一傳感。對某一被測量用同一傳感器，在相當短的時間內連續(xù)重復測量多次，其測量結器，在相當短的時間內連續(xù)重復測量多次，其測量結果的分散程度。果的分散程度。愈小則說明測量越精密愈小則說明測量越精密(隨機誤差隨機誤差

41、)。 (二二)正確度正確度 它說明測量結果它說明測量結果偏離真值大小的程度偏離真值大小的程度。示值有規(guī)則。示值有規(guī)則偏離真值的程度。所測值與真值符合程度偏離真值的程度。所測值與真值符合程度(系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差)。第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 (三三)精確度精確度 它含有精密度與正確度兩者之和的意思。測量的綜合它含有精密度與正確度兩者之和的意思。測量的綜合優(yōu)良程度。在最簡單的場合下可取兩者的代數(shù)和，即優(yōu)良程度。在最簡單的場合下可取兩者的代數(shù)和，即=+。通常精確度以相對測量誤差來表示。通常精確度以相對測量誤差來表示。 第第1 1章章 傳感器

42、的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性低精密度，低精密度，低正確度低正確度高精密度，高精密度，低正確度低正確度低精密度，低精密度，高正確度高正確度高精密度，高精密度，高正確度高正確度 式中式中 A 傳感器的精度；傳感器的精度； A 測量范圍內允許的最大絕對誤差；測量范圍內允許的最大絕對誤差； 滿量程輸出。滿量程輸出。第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 在工程應用中，采用精確度等級。傳感器與測量儀在工程應用中，采用精確度等級。傳感器與測量儀表精確度等級表精確度等級A以一系列標準百分數(shù)值以一系列標準百分數(shù)值(0.04

43、，0.075，0.1，0.2，0.5，1.5，2.5，3.0，4.0)進行分擋。此進行分擋。此數(shù)值是傳感器和測量儀表，允許的最大絕對誤差值相數(shù)值是傳感器和測量儀表，允許的最大絕對誤差值相對于其測量范圍的百分數(shù)。對于其測量范圍的百分數(shù)。SFY%100SFYAA在流量計的檢定規(guī)程中，一般用線性度度誤差表示正確度，重在流量計的檢定規(guī)程中，一般用線性度度誤差表示正確度，重復性表示精密度，兩個指標單獨規(guī)定。有的情況下用兩者的平復性表示精密度，兩個指標單獨規(guī)定。有的情況下用兩者的平方和再開方做為儀表的基本誤差。方和再開方做為儀表的基本誤差。第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜

44、態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 四、最小檢測量和分辨力四、最小檢測量和分辨力 最小檢測量是指傳感器能確切反映被測量的最低極最小檢測量是指傳感器能確切反映被測量的最低極限量。限量。 傳感器的最小檢測量易受噪聲的影響，所以一般用傳感器的最小檢測量易受噪聲的影響，所以一般用相當于噪聲電平若干倍的被測量為最小檢測量。相當于噪聲電平若干倍的被測量為最小檢測量。 (1-14) 式中式中 M最小檢測量；最小檢測量； C系數(shù)系數(shù)(一般取一般取15)； N噪聲電平；噪聲電平； K傳感器的靈敏度。傳感器的靈敏度。CNMK第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性 例如，電容式

45、壓力傳感器的噪聲電平為例如，電容式壓力傳感器的噪聲電平為0.2 mV，靈敏，靈敏度度K為為5 mV/mm ，若取，若取C=2，則根據，則根據(1-14)式計算得式計算得最小檢測量為最小檢測量為0.08 mm 。 數(shù)字式傳感器一般用分辨力表示，即輸出數(shù)字指示值數(shù)字式傳感器一般用分辨力表示，即輸出數(shù)字指示值最后一位數(shù)字最后一位數(shù)字所代表的輸入量。所代表的輸入量。2H O2H O第第1 1章章 傳感器的一般特性傳感器的一般特性1.1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性CNMK 五、遲滯（回差）五、遲滯（回差） 遲滯是指在相同工作條件下作遲滯是指在相同工作條件下作全測量范圍校準時，在同一次校全測量范圍校準時，在同一次校準中對應同一輸入量的準中對應同一輸入量