1、目 錄 第1章 概 述第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 第3章 不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹 第4章 智能傳感器的集成技術(shù) 第5章 智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實現(xiàn)方法 第6章 通信功能與總線接口 第7章 智能技術(shù)在傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用 第8章 智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用 第9章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述 第2章 智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ) 要 點： 傳感器系統(tǒng)的基本特性； 幾種傳感器的工作原理； 提高傳感器性能的技術(shù)途徑； 誤差與測量誤差分析。2.1 傳感器系統(tǒng)的基本特性 智能化技術(shù)的主要任務(wù)之一是：提高傳感器的精度，改善傳感器的性能（安裝、使用、維護、壽命），它的重要性在于提高經(jīng)濟

2、效益，改善控制水平。 通過對傳感器系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性的分析，了解決定傳感器性能及精度的靜態(tài)、動態(tài)技術(shù)指標(biāo)和基本參量。 首先我們了解一下傳感器的基本知識。目前已研制出來的傳感器有幾千種，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，傳感器的分類有這樣幾種方式。按信號轉(zhuǎn)換效應(yīng)分： 物理型（電容式壓力傳感器）；化學(xué)型（氣敏）；生物型（利用生物效應(yīng)，如電阻的變化、產(chǎn)生熱、生成新的物質(zhì)在生物酶的作用下）按構(gòu)成原理分： 結(jié)構(gòu)型（轉(zhuǎn)換特性由形狀和尺寸決定）； 物性型（由傳感器材料特性決定，如熱電偶由塞貝克函數(shù)決定）。按構(gòu)成傳感器敏感元件材料分： 半導(dǎo)體、陶瓷、有機材料。按應(yīng)用的用途（實際中用及比較多的） 溫度，壓力（電輸出信號），光

3、光輸出信號。傳感器的運作：1) 接觸型（電偶）、非接觸型（紅外測量）。2) 能量轉(zhuǎn)換型（熱敏電阻）、能量控制型（光敏電阻）。3) 轉(zhuǎn)換原理、多重變換（熱輻射溫度計）。對傳感器系統(tǒng)基本特性的研究，基于兩個方面的目的： 1) 用它作為一個測量系統(tǒng) 基于已知的系統(tǒng)特性和測量輸出信號了解輸入信號特性。 2) 用于傳感器系統(tǒng)本身的研究、設(shè)計與建立。 根據(jù)輸入信號是隨時間變化還是不變化，基本特性分靜態(tài)特性和動態(tài)特性，它是由系統(tǒng)內(nèi)部自身的參數(shù)決定的。2.1.1 靜態(tài)特性 靜態(tài)特性又稱“刻度曲線”、“標(biāo)定曲線”， 表達式：1、 靜態(tài)特性的基本參數(shù) 1）零位 當(dāng)x0時， 的值 2）量程 Y（FS），又稱“滿度值

4、” 輸出標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器系統(tǒng)（又稱“變送器”） 對于模擬量，零位： ，上限值： ，量程Y（FS）16mA。數(shù)字量：尚無標(biāo)準(zhǔn)。3）靈敏度 a） b）相對靈敏度： 或 c）靈敏度與靜態(tài)特性（線性與非線性）；靈敏度的高與低。 d）交叉靈敏度的概念 多輸入（ ， ， ）單輸出（ ）系統(tǒng) 智能傳感器系統(tǒng)可以依靠強大的軟件功能，降低交叉靈敏度對測量結(jié)果的影響（如采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)）。 4）分辨率 表征系統(tǒng)有效分辨輸入量最小變化量的能力。 具有A/D轉(zhuǎn)換器的傳感器系統(tǒng)，分辨率為一個量化值q對應(yīng)的輸入變化量，對于實際測量，要求：噪聲電平 q/2。 智能傳感器系統(tǒng)可尋取軟、硬件的方式來抑制噪聲，提高分辨率。比如先測

5、出零輸入的噪聲信號，然后減去 。2、 靜態(tài)特性的性能指標(biāo)1）遲滯 表征系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量由小到大（正行程）或由大到?。ǚ葱谐蹋﹥蓚€靜態(tài)特性不一致的程度，如磁滯曲線。 相對誤差： 100 2）重復(fù)性 系統(tǒng)輸入量按同一方向作全量程、連續(xù)多次變動時，靜態(tài)特性不 一致的程度。 相對誤差： 100 R：多次循環(huán)同向行程輸出量的最大絕對誤差，見上圖。 3）線性度 系統(tǒng)靜態(tài)特性對選定的擬合直線的接近程度。 相對誤差： 100 擬合直線的方法： a）理論線性度； b）平均選點線性度； c）端基線性度； d）最小二乘法線性度。 對應(yīng)上述幾種方式擬合直線表達式： a） b） c） d） 均方差值： 為最小

6、值，亦即： ，4）系統(tǒng)的總精度為量程范圍內(nèi)的基本誤差與滿度值Y（FS）之比的百分數(shù)。 傳感器技術(shù)的主要任務(wù)之一就是致力于改善靜態(tài)特性。 靜態(tài)特性是在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下獲得的，在實際使用中，由于環(huán)境條件的改變還將產(chǎn)生附加誤差，其中溫度附加誤差是主要的。5）溫度系數(shù)與溫度附加誤差 a）零位溫度系數(shù)（ ） T：傳感器系統(tǒng)工作溫度變化范圍。 未經(jīng)補償?shù)膲鹤枋綁毫鞲衅?/ 例如：量程Y(FS)=100mv, T =60, 則溫度附加誤差的相對值6（滿量程）。 b）靈敏度溫度系數(shù) 及其溫度附加誤差 未經(jīng)補償?shù)膲鹤枋綁毫鞲衅鳎?/ 5 /) T60時， 引起的溫度附加誤差的相對值:(63)%。 傳統(tǒng)的傳感器

7、改善傳感器的溫度穩(wěn)定性比較費時費力，經(jīng)過補償后， 、 均可減小一個數(shù)量級。 智能傳感器系統(tǒng)主要采用軟件補償技術(shù)及數(shù)據(jù)融合技術(shù)。2.1.2 動態(tài)特性 系統(tǒng)的動態(tài)特性反映了測量動態(tài)信號的能力，這里主要討論系統(tǒng)動態(tài)特性、信號頻率范圍與動態(tài)誤差的相應(yīng)關(guān)系。 動態(tài)特性用數(shù)學(xué)模型來描述，有三種形式： 時域中的微分方程，復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)（差分方程、狀態(tài)方程），頻率域中的頻率特性。1、 微分方程 常見的傳感器系統(tǒng)是一個一階或二階系統(tǒng)，高階系統(tǒng)由二者合成。 1） 一階系統(tǒng) 如熱電偶測溫元件。 2） 二階系統(tǒng) 壓力傳感器的彈性敏感元件可等效為質(zhì)量彈簧阻尼力學(xué)系統(tǒng)。 標(biāo)準(zhǔn)形式： 諧振頻率: ,固有頻率：2、 傳遞

8、函數(shù) 1）一階系統(tǒng)： 2）二階系統(tǒng)：3、 頻率特性 頻率特性是拉氏變換因子s的實部為零的拉氏變換，又稱傅氏變換。 1）一階系統(tǒng)： 2）二階系統(tǒng) * 一階系統(tǒng)： 幅頻特性： 對數(shù)幅頻特性： 相頻特性： * 二階系統(tǒng)： 相頻特性：4、 動態(tài)誤差 假定，輸入信號： 輸出信號: , 直流放大倍數(shù)為1 動態(tài)幅值誤差可表示為： 表示0時的幅頻特性的模，結(jié)合上述頻率特性表達式可得: 1）一階系統(tǒng)： 頻率越高，動態(tài)幅值誤差越大，當(dāng) ， 要減少，時間常數(shù)要足夠小。 2）二階系統(tǒng)： 目標(biāo)頻率越高，誤差越大，希望 越大越好。由 可知，減少m，可增大 。 采用微機械加工技術(shù)可實現(xiàn)微米數(shù)量級尺寸，使微型化的壓阻式壓力傳

9、感器固有頻率1MHz以上，而傳統(tǒng)壓力傳感器固有頻率 只有幾十KHz。 研究傳感器的動態(tài)性能時，為避免復(fù)雜數(shù)學(xué)上帶來的困難，通常都忽略了傳感器的非線性，把傳感器簡化為一個集中參數(shù)系統(tǒng)。 用常系數(shù)線性常微分方程來描述： 傳感器的物理模型，通常分別用零階、一階、二階來描述。 例如： 電位器傳感器為零階 熱敏傳感器為一階 加速度傳感器為二階 作業(yè)2： 一個二階傳感器系統(tǒng)，要想改善其動態(tài)特性，應(yīng)如何進行，試用不同的模型形式具體分析之。 幾種傳感器動態(tài)特性分析方法：1、 傳感器動態(tài)模型的分類 1）參數(shù)模型與非參數(shù)模型 2）連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)模型 參數(shù)模型是個表達式，而非參數(shù)模型是條曲線。2、 脈沖響應(yīng)函數(shù)

10、法 對于線性傳感器，任意形式的輸入 x（t）看成是由無數(shù)個“脈沖”疊加組成， ，對應(yīng)每一個脈沖輸入，傳感器都有一個響應(yīng) ， 因此總輸出 是 ， 之和： ：脈沖響應(yīng)函數(shù)3、 動態(tài)建模方法： 1）機理分析法 根據(jù)各種基本理論，對傳感器的轉(zhuǎn)換原理進行分析和抽象，提出模型，列出微分方程。2）實驗建模法 對傳感器進行動態(tài)標(biāo)定，采集輸入、輸出數(shù)據(jù)；采用系統(tǒng)辨識，時間序列分析和沃爾什變換等方法，建立其差分方程或微分方程形式的數(shù)學(xué)模型。 實驗建模法的特點： a） 需要進行動態(tài)標(biāo)定實驗，需要相關(guān)實驗設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集、記錄 設(shè)備； b） 要選擇合適的標(biāo)定方法如激勵信號，既要簡單、易行，又要能充 分考核傳感器的動態(tài)

11、特性。 c） 其模型不直接反映傳感器的結(jié)構(gòu)和原理； d） 所建模型便于與實驗結(jié)果對照，準(zhǔn)確、可靠。2.2 幾種傳感器的工作原理 這里主要介紹幾種易于采用標(biāo)準(zhǔn)集成化工藝來實現(xiàn)的傳感器，如：結(jié)構(gòu)型；諧振式；電荷耦合器件（CCD）及指紋傳感器；氣敏傳感器。2.2.1 結(jié)構(gòu)型傳感器 工作原理與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型傳感器完全一樣，由兩部分構(gòu)成： 1）等效機械系統(tǒng)，將被測量變換為中間變量； 2）變換器，將中間變量變換為輸出量。 主要介紹基于半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)的電阻式變換器和基于電容效應(yīng)的電容式變換器。可測：壓力，加速度等參量。1、 基于壓阻效應(yīng)的電阻變換器 1）壓阻效應(yīng) 指半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力（西格瑪）作用時，其電阻率

12、發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。 電阻率相對變化： ：材料的壓阻系數(shù)（ Si約為4080 ） 電阻絲的電阻值： ，若受拉力F作用時， 增加 ， （截面半徑）減少 ，電阻率 增大 ，則有： 由材料力學(xué)： 由虎克定律： 將 ， 代入 得： a）金屬材料： 無壓阻效應(yīng)： , , ； b）半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)很大： 1）基于壓阻效應(yīng)的變換器 半導(dǎo)體硅材料的特性：具有良好的壓阻特性和優(yōu)良的彈性性能，加工工藝：半導(dǎo)體擴散工藝，離子注入工藝；制作型式：p型硅電阻條。 電阻條在應(yīng)力作用下的相對變化量： 壓阻系數(shù)應(yīng)具有明顯的各向異性，在不同的晶面、晶向上其壓阻系數(shù)不同。 三種晶面： 如下圖硅晶體結(jié)構(gòu)： 硅晶胞，晶格常數(shù)為：

13、a； 硅是共價鍵，四方體結(jié)構(gòu)，硅原子之間共有兩個電子； 晶面：節(jié)點的排列完全相同； 相鄰面之間距離相等；一簇晶面可以把所有節(jié)點都包括進去；晶面不同，晶面上的節(jié)點密度（原子密度）就不同；晶面一般用晶面指數(shù)來標(biāo)記。 取最小截距的整數(shù)值的晶面指數(shù)稱為密勒指數(shù)。截距為負數(shù)，指數(shù)上劃“一”作為標(biāo)記：（100），（010），（001）晶面簇100。 晶軸：對稱性較高的晶向。 晶格間距： 晶體中所取的方向不同，其物理、化學(xué)性質(zhì)不同，形成了晶體的各向異性： （100） 5.42 腐蝕速率，最快 （110） 3.83 快 （111） 3.13 慢 晶向：取與晶面垂直的法線方向表示：100,110,111。一簇對

14、應(yīng)的晶向：, , 。物理型傳感器與物質(zhì)常數(shù)： 傳感器材料物質(zhì)常數(shù)有無利用各向異性基本傳感器例子半導(dǎo)體霍爾系數(shù)有霍爾元件半導(dǎo)體壓阻系數(shù)有形變規(guī)壓電體壓電率有超聲波傳感器熱釋電體熱釋電常數(shù)有紅外探測器強磁性體磁阻增加率有磁傳感器半導(dǎo)體金屬電阻溫度系數(shù)無熱敏電阻半導(dǎo)體金屬賽貝克系數(shù)無熱電偶半導(dǎo)體量子效應(yīng)系數(shù)無光電管半導(dǎo)體光電導(dǎo)增益無光電池壓阻效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式 晶體中受到應(yīng)力作用，在晶胞中電場分量 是電流密度 應(yīng)力 的函數(shù)。 ，i、j、k、l均為1，2，3；不考慮壓電效應(yīng)和恒流供電： 壓阻系數(shù): 我們把 與零應(yīng)力時的電阻率 的比值定義為壓阻系數(shù)，即： 1）基本壓阻系數(shù) 作用在Si晶體的應(yīng)力，有三個獨立

15、的垂直應(yīng)力分量 和三個獨立的剪切應(yīng)力分量 （見下圖） 應(yīng)力 所引起的電阻率相對變化為： 電阻率變化量、壓阻系數(shù)、應(yīng)力三者之間的關(guān)系： 在晶軸座標(biāo)系中，三個晶軸是完全等效的， ， 考慮垂直應(yīng)力不產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng)，剪切應(yīng)力不產(chǎn)生垂直壓阻效應(yīng)。 壓阻系數(shù)矩陣變?yōu)? :縱向壓阻系數(shù), ：橫向壓阻系數(shù), ：剪切壓阻系數(shù) 、 、 統(tǒng)稱為晶軸座標(biāo)系的壓阻系數(shù)。 2）任意座標(biāo)系（非晶軸座標(biāo)系）的壓阻系數(shù)： 用橫向壓阻系數(shù) （指電流方向與應(yīng)力方向垂直）和縱向壓阻系數(shù) （電流方向與應(yīng)力方向一致）表示： ， ， ：縱向方向余弦； ， ， ：橫向方向余弦。 2、 基于電容效應(yīng)的電容變換器 1）平板電容器 ，：介電常數(shù)

16、，：板板間隙。 集成傳感器中制作電容變換器主要采用改變S和的方法實現(xiàn)。 2）電容式變換器 a）變間隙式電容變換器 i）輸入輸出特性 或 之間的關(guān)系 在被測參量的作用下，動電極發(fā)生位移，產(chǎn)生變形, (S=0) ， ，當(dāng) 時 展開的冪級數(shù)為： 輸入輸出的關(guān)系存在嚴重的非線性。 ii) 靈敏度 ： 近似值： ，與 的平方成反比， 越小，靈敏度越高。 iii) 理論線性度 理想的擬合曲線方程: 擬合偏差： 最大擬合偏差： 理論線性度誤差： ， 越小，線性度越差。 線性度誤差的產(chǎn)生，源于靈敏度的非常數(shù)。 b）變面積式電容變換器 i）輸入輸出特性： （0） ii）靈敏度： 常數(shù) iii）理論線性度： 上面

17、我們介紹了基于“壓阻效應(yīng)”和“電容效應(yīng)”的變換器，下面我們介紹以此為基礎(chǔ)的傳感器。3、 壓力傳感器 1）壓阻式壓力傳感器 常見的微機械壓力傳感器類型 常用的彈性敏感元件有：周邊固支的圓形、方形和矩形膜片。電阻改變量與相應(yīng)部位膜片的應(yīng)力成正比，下面我們推導(dǎo)這種關(guān)系： a）周邊固支圓形膜片 根據(jù)彈性力學(xué)理論： 徑向應(yīng)力： 切向應(yīng)力： r0， ， 達到最大值： r0.635a， 0；r0.812a， 0； ra， ， 的絕對值最大。 ， 一般選001，011，211三個晶面族的晶面制作壓敏電阻。 i）若按下圖在膜片上的同一應(yīng)力區(qū)沿1 0或1 1 0晶向制作P型硅電阻，此時電阻的壓阻系數(shù)最大。 縱向壓

18、阻系數(shù)： 橫向壓阻系數(shù)： :剪切壓阻系數(shù)，由實驗測定。 對于電阻 、 而言： 縱向應(yīng)力： ；橫向應(yīng)力： ，則： 對于電阻 、 而言： 縱向應(yīng)力： ；橫向應(yīng)力： ，則： 由上式可見，在壓力P的作用下，電阻的變化與半徑成正變，與膜片厚度成反變。當(dāng)ra時，即在邊緣處電阻變化是最大。 解釋橫向、縱向與徑向、切向的關(guān)系。 由于 、 與 、 有相同的變化量，但符號相反，適合于構(gòu)成全橋差動電路。 靈敏度： ii）若壓阻電阻分別位于正、負應(yīng)力區(qū)： 選用N型硅（110）晶面作彈性膜片，沿110晶向的直徑上制作四個等值P型硅電阻，如右圖所示。此時： 縱向壓阻系數(shù)： 橫向壓阻系數(shù)： 引起電阻改變量的符號取決于應(yīng)力的

19、方向。 ， 通過合理的設(shè)計電阻條的長度和位置，可以保證： ，即四個電阻條的平均應(yīng)力相等。在P的作用下，四個電阻的變化量相等，而符號相反，構(gòu)成差動全橋輸出。 平均應(yīng)力的計算公式： 除了圓形膜片外，還有周邊固支的方形、矩形膜片，它們均可建立： ， k：與壓阻系數(shù)有關(guān)的常數(shù)。 b）動態(tài)性能 周邊固支圓形彈性膜片的固有頻率： ：硅的密度； ：彈性模量； 0.35：硅的泊松比； 模的橫向剛度系數(shù)。 當(dāng)a0.045 ，h108 ， 2.268 橫向剛度系數(shù)： ，F(xiàn)：壓力，W：中心撓度。 中心撓度： c）保證線性的基本條件 i）中心撓度W不能太大，要保證好的線性關(guān)系： 這時 ，另外，上述一些公式的推導(dǎo)是建立

20、在小撓度理論的基礎(chǔ)上的，應(yīng)力較大時這種線性關(guān)系便不成立，硅的破壞應(yīng)力： ，要求 ，亦即： ，這時： ， 上述兩個公式是對被測壓力量程的要求。 ii）采用E型結(jié)構(gòu) d）硅彈性膜片對性能的影響 正方形、長方形膜片的輸出靈敏度高于圓形；圓形膜片精度高，低微壓力、高壓力性能好；從小型化和易于批量生產(chǎn)的角度，方形優(yōu)于圓形。作業(yè)3： 為什么方形膜片的輸出靈敏度高，而圓形膜片精度高，試分析之。作業(yè)4： 若在（2 1 1）晶面上制作P型硅電阻，請問按下圖在膜片上的同一應(yīng)力區(qū)沿什么晶向制作，此時電阻的壓阻系數(shù)最大，是多少？ 2）電容式壓力傳感器 變換形式： 與壓阻式壓力傳感器相比的優(yōu)點：靈敏度高；溫度穩(wěn)定性好；

21、壓力量程低。 a）圓形膜片壓力敏感電容變換器 ， b：鋁電極半徑 電容器的電容： ，當(dāng) 時， ，其中， 。 舉例說明： 22m，a500m，b350m，h20m 當(dāng) 時， ， ， 。 i）輸入輸出特性 ii）壓力靈敏度 與壓阻式的比較： 按上例的參數(shù)： 說明：電容式壓力傳感器比壓阻式壓力傳感器靈敏度高。 b) 動態(tài)性能 取決于彈性敏感元件，應(yīng)該與壓阻式壓力傳感器一致。4、加速度傳感器 1）測量加速度的方法（原理） 壓阻式，電容式，壓電式，利用的基本上是mkb機械系統(tǒng)，只是變換器輸出的參量不同， 。 在慣性式加速度計的力學(xué)模型中，我們需要了解的是其特性與參量間的關(guān)系： mkb機械力學(xué)系統(tǒng)完成對被

22、測加速度 轉(zhuǎn)換為中間變量（，變形位移y）的任務(wù)，配以不同形式的檢測或y的變換器則構(gòu)成不同形式的加速度傳感器。 2）基于壓電效應(yīng)的加速度傳感器 壓電效應(yīng)是可逆的，壓電傳感器是一種典型的“雙向傳感器”。 a）正壓電效應(yīng)：沿一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形，在一定表面上產(chǎn)生電荷，外力去掉，又重新回到不帶電的狀態(tài)。 b）逆壓電效應(yīng)：在電介質(zhì)的極化方向施加電場，電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力。 c）缺點：無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗，需用低電容的低噪聲電纜，工作溫度25。 輸出電荷表達式： ，d：壓電系數(shù) 壓電式加速度傳感器： 3）伺服式加速度計 又稱力平衡式加速度計，具有負反饋環(huán)節(jié)。

23、 優(yōu)點：大大改善加速度計的動態(tài)性能與靜態(tài)精度。 在下圖中假設(shè)： 轉(zhuǎn)換系數(shù)為1，則閉環(huán)系統(tǒng)的前向通道的傳遞函數(shù)： 無反饋時，輸出電壓u在一定頻帶范圍內(nèi)（ ）與慣性力 f 或者說被測加速度 a 成正比。 有反饋時，I（s）是一個反向傳感器， 與u成正比，方向與 相反，當(dāng)系統(tǒng)處于動態(tài)平衡時， ，質(zhì)量塊位移量極小。 反向傳感器傳遞函數(shù)： 常數(shù) 閉環(huán)傳遞函數(shù)： , 以加速度a為輸入，電壓u為輸出： ， ， ， 對于上述系統(tǒng)總傳遞函數(shù)，我們可作如下討論： a）該系統(tǒng)仍為一個二階系統(tǒng)； i) ，固有角頻率擴大了 倍。 ii) 阻尼比 減少了 倍。 iii) 0時，靜態(tài)增益為 ，減少了 倍。 b) 閉環(huán)系統(tǒng)的

24、靜態(tài)精度 系統(tǒng)的相對誤差： 若： 10， 20， 1 則：-0.5。2.2.2 諧振式頻率輸出型傳感器 諧振式傳感器需要解決的問題： 諧振式與被測對象之間關(guān)系的建立：激振方式的選擇，頻率的測量。 特點：直接輸出準(zhǔn)數(shù)字量，如頻率，相位或計數(shù)脈沖；精度高，穩(wěn)定性好。 1）諧振結(jié)構(gòu)形式：懸臂梁、振弦、振膜、振筒等等。 2）使力學(xué)結(jié)構(gòu)起振的方式：利用逆壓電效應(yīng)的壓電激勵、熱脈沖激勵、光脈沖激勵；利用電容效應(yīng)的靜電力激勵；加電流脈沖的激勵。 3）測量方式：利用壓電效應(yīng)的壓電變換器，基于壓阻效應(yīng)的電阻變換器；電容變換器等。 為維持等幅振蕩，需加入具有正反饋的環(huán)節(jié)。 舉例說明諧振傳感器的工作原理：1、 一根

25、張緊弦的固有頻率 單自由度機械力學(xué)系統(tǒng)的無阻尼固有頻率： ：張緊弦的橫向剛度系數(shù) ； ， ：線密度；則： 根據(jù)上式，可測：力、位移、壓力、等，構(gòu)成頻率輸出型傳感器。2、 恒定磁場中通電流振弦的等效電路 主要是建立起一種變換關(guān)系，即在mkb機械系統(tǒng)與LC并聯(lián)電路之間建立一種關(guān)系。 在上圖中， ， ， 電流 受到的磁場作用力 為克服慣性力使弦產(chǎn)生加速度 ，其位移引起電容量變化，因此： ， ， 電流 受到的磁場作用力 為克服彈性力使振弦產(chǎn)生橫向變形位移x， ，k：弦的橫向剛度系數(shù)； 弦長的變化引起電感量的變化，弦的形變位移速度： 與前面的公式相互比較： ， 。 LC并聯(lián)回路的諧振頻率： 說明：在恒定

26、磁場中通以電流i的振弦，其力學(xué)系統(tǒng)的固有頻率與其等效 、 并聯(lián)電路的諧振頻率一致，從而說明輸出電壓信號的頻率可以直接反映壓力的變化。3、 測量電路 可采用上述的等效電路模型。 舉例：日本橫河公司開發(fā)出的H型硅微結(jié)構(gòu)諧振式壓力變送器，量程為 Pa的精度為 ，（4050）工作范圍內(nèi)的綜合精度為 0.49。4、 振弦式力諧振傳感器的輸出輸入特性 在公式 中，假定： ，則： ； 它的冪級數(shù)展開式為： ， 具有較大的非線性，忽略高階量，理論線性度： 靈敏度： ； 若采用差動式結(jié)構(gòu)，即一個固有振蕩頻率增加，另一個減少，兩者輸出之差作為輸出，則 ，S1； 5、 諧振型溫度計 利用晶體的各向異性，通過選擇適當(dāng)

27、的切割角度，把溫度系數(shù)小的晶體用作頻率的基準(zhǔn)，溫度系數(shù)大的作為測量頻率。 特點：分辨率高，穩(wěn)定性好，輸出頻率信號。 晶體振子頻率 的溫度特性近似用下式表示： ； 、：由切割角度決定的常數(shù)。2.2.3 CCD圖像傳感器（charge coupling device） CID（charge infusion device）電荷注入器件補充：光傳感器 1)、作為光量檢測的方法 a）將光照射到顯示光電效應(yīng)的物質(zhì)上，直接得到電輸出； b）光被物質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔瑥亩鴾y量物質(zhì)溫度的升高而反映光的信息； c）利用光的干涉效應(yīng)，產(chǎn)生光波頻率的和及差，反映光的信息。 光電效應(yīng)分： a）內(nèi)光電效應(yīng)：入射光子引起元

28、件物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生或感應(yīng)出電子和空穴等載流子，這些載流子停留在物質(zhì)內(nèi)部，引起物質(zhì)電性質(zhì)發(fā)生變化（內(nèi)量子效應(yīng)），它分光電導(dǎo)效應(yīng)和光電效應(yīng)。 i）光電導(dǎo)效應(yīng)：改變元件物質(zhì)的電導(dǎo)率，用于制作光敏電阻。 ii）光電效應(yīng)：入射光在兩種半導(dǎo)體的結(jié)合處激發(fā)起電子空穴對，電子與空穴分別向相反的方向移動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢。PN結(jié)、光敏二極管 、三極管、CCD等。 b）外光電效應(yīng)：入射光被物質(zhì)的表面所吸收，并從表面向外部釋放電子，又稱光電發(fā)射效應(yīng)，如光電管、光電倍增管。 2)、 MOS結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)定性 當(dāng)足夠數(shù)目的電子匯集在表面時，達到飽和狀態(tài)，此時離開表面的擴散電流和流向表面的漂移電流達到動態(tài)平衡，達到飽和狀態(tài)所需要

29、的時間稱為熱馳豫時間，室溫下為1秒到幾秒，信號電荷的存貯時間 要遠小于熱馳豫時間。 3）、電荷傳輸?shù)暮唵文Ｐ?4）、轉(zhuǎn)移效率 CCD是一種動態(tài)模擬移位寄存器，信號電荷的轉(zhuǎn)移效率最重要，設(shè)從一個電極轉(zhuǎn)移到下一個電極的轉(zhuǎn)移效率為： 。 對應(yīng)的 稱為失效率， 。轉(zhuǎn)移N個電極后電荷量為 ，則： ，一般要求 。 表面溝道電荷耦合器件（SCCD）與埋溝道電荷耦合器件（BCCD）的區(qū)別： BCCD的優(yōu)點：傳輸效率達到99.99，傳輸速度提高； 缺點：工藝復(fù)雜，結(jié)電容小，電荷存貯能力下降。 在P型襯底上外延或擴散薄n層，形成PN結(jié)，當(dāng)在PN結(jié)上加反向偏壓時，在PN結(jié)區(qū)便形成了耗盡層。 5）、線陣CCD 6）、

30、面陣CCD： a）行間傳輸結(jié)構(gòu) b）幀傳輸結(jié)構(gòu) 7）CCD攝像器件的重要特性 a）光電特性 輸出信號電壓與入射的照度是線性關(guān)系，入射照度100 lex輸出飽和 b）光譜特性 對藍光和黃光的靈敏度低，因為反射的影響，需采用透明電極。 c）暗電流 室溫為510nA/cm2，對存貯時間有影響。 d）噪聲 CCD是一種低噪聲器件，CCD噪聲主要由輸入電路、寄存器本身輸出電路引起。主要從結(jié)構(gòu)（BCCD）設(shè)計和工藝的改進方面降低噪聲。 e）分辨率： 由像素總數(shù)和傳輸效率決定。 CCD的工作過程： 通過光學(xué)系統(tǒng)將被測物體成像在器件的受光面上，受光面下的像素小單元將像光量轉(zhuǎn)換為電荷信號并存儲，然后在時序控制信

31、號作用下，被存儲的電荷信號被轉(zhuǎn)移傳輸和順序輸出。1、 基本單元（參照前圖） 作用：電荷的存儲；電荷的轉(zhuǎn)移。2、 基本單元的功能 1）電荷存儲 加正電壓，P型硅里的空穴被趕盡，形成負離子空間電荷（又 稱耗盡區(qū)），沒有導(dǎo)電的載流子。對于帶負電的電子來說，耗盡區(qū)是電子的“勢阱”。 “勢阱”具有存儲電子的功能，存貯了電荷的勢阱稱為電荷包。 勢阱的深度決定于正電壓U的大小，寬度決定電極的寬度。 每個獨立的存貯電子電荷的MOS基本單元被稱為一個“像素”。 勢阱中存儲的電子來源有兩種方式： a）光注入 光入射到半導(dǎo)體硅片上，產(chǎn)生電子空穴對，光生電子被附近的勢阱俘獲，空穴被排斥出耗盡區(qū)，光電子數(shù)量與光強成正比

32、，該單元既 可存儲電荷，又有感光的作用，稱為“光敏元”。 b）由光電二極管陣列產(chǎn)生的光生載流子注入產(chǎn)生 光生電子被勢阱俘獲，光生空穴被趕走，該單元只起存儲電荷的 作用，如TCD142D型線陣CCD器件。 2）電荷耦合 勢阱中的電荷從一個MOS單元轉(zhuǎn)移到另一個MOS單元是基于MOS單元的電荷耦合功能來實現(xiàn)的。 將一定規(guī)則變化的電壓加到各個MOS單元的電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動。 通常，把MOS元的電極分為幾組，有三組，有兩組。 三相驅(qū)動時鐘脈沖相位相差120。 為了不使電極間隙下方界面處出現(xiàn)阻礙電荷轉(zhuǎn)移的勢壘，間隙寬度應(yīng)小于3m ，只有電極間隙足夠小，前一電極下勢阱由深

33、到淺，后一電極下的勢阱由淺變深才相通，電荷的轉(zhuǎn)移不會受阻礙。 電荷轉(zhuǎn)移傳輸?shù)腗OS單元陣列稱為讀出移位寄存器，它們須遮光。 3）電荷的輸出 被轉(zhuǎn)移傳輸?shù)男盘栯姾梢敵?，輸出方式有多種，下圖為電流輸出方式。 OG：輸出柵極，加直流偏置以使漏擴散和時鐘脈沖之間退耦，實際上是防止在時鐘脈沖作用下最終信號電荷擴散掉。 區(qū)與P型硅接觸處構(gòu)成PN結(jié)，施加UDD構(gòu)成反向偏置二極管，轉(zhuǎn)移到 下面的電荷包越過輸出柵流入到反向偏置二極管的深勢阱中。在dt時間內(nèi)，流入的信號電荷為 ，二極管輸出電流 。 A點電位： A點的電位變化量與信號電荷的量成正變， 經(jīng)C耦合至放大器放大輸出。 v為復(fù)位管，它的作用就是在 電極下

34、的勢阱未形成前在柵極G加復(fù)位脈沖，使 A點電位復(fù)位到 ，當(dāng) 到來時，v截止。 3、二相線陣TCD142D型CCD器件的基本結(jié)構(gòu) 組成部分：有2124個光電二極管線陣，其中前64個和后面12個是被遮蔽的，構(gòu)成像素的是中間2048個單元。為提高傳輸速率，采取上下兩行存貯柵的結(jié)構(gòu)，分別存貯奇偶列的信號電荷。 單元：14m14m，中心距：14m 有效總長：20481428.672mm。 存貯柵的作用：相當(dāng)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采樣器的作用； 移位寄存器的作用：相當(dāng)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中保持器的作用； 轉(zhuǎn)移柵的作用：相當(dāng)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采樣開關(guān)的作用。4、 TCD142D型CCD器件的工作時序5、 應(yīng)用舉例 利用線

35、陣CCD器件自動檢測工件直徑，表面檢測。機器人視覺系統(tǒng)應(yīng)用。單片指紋傳感器 生物識別技術(shù)（Biometric Identification Technology）是利用人體生物特征進行身份認證的技術(shù)。 “認人不認物”的特征要求：人各有異，終身不變，隨身攜帶。 同時具備這三個特點的人體生物特征主要有指紋、虹膜、DNA。 適用于生物識別的人體特征有手形、指紋、臉形、虹膜、視網(wǎng)膜、脈搏、耳廓等。行為特征有簽字、聲音、按鍵力度等。目前，指紋機和手形機在人體特征識別技術(shù)市場中的占有率最高，分別為34，26。1、 指紋識別基本原理 1）指紋圖像的兩大特點： a）具有唯一性，匹配上12個特征的兩個指紋相同的

36、幾率僅為 b）具有基本不變的相對穩(wěn)定性 指紋識別的過程分四個步驟：讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和對比。 2）指紋圖像的獲取 主要有4種：光學(xué)取像設(shè)備、壓電式指紋傳感器、半導(dǎo)體指紋傳感 器、超聲波指紋掃描儀。 在半導(dǎo)體指紋傳感器中又分溫差感應(yīng)式（FCD4B14）和電容感應(yīng)式（FPS100）。 3）指紋識別技術(shù)的基本原理 指紋特征分兩類：一類是總體特征，用眼睛可直接觀察到的特征；另一類是局部特征，主要指節(jié)點特征，主要以： a）節(jié)點類型； b）方向； c）曲率； d）位置（x，y座標(biāo)） 方面來區(qū)分。 指紋識別過程： 指紋采樣預(yù)處理二值化細化紋路提取細節(jié)特征提取指紋匹配2、 FCD4B14/AT7

37、7C101B型指紋傳感器（內(nèi)部結(jié)構(gòu)見下圖） 2.2.4 半導(dǎo)體氣敏傳感器 傳統(tǒng)手段:電化學(xué)使用電極與電介液對氣體進行檢測。 光化學(xué)利用氣體的光學(xué)折射率或吸收等特性。 缺點：檢測速度慢，設(shè)備復(fù)雜，成本高，使用不方便。 新型半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(yōu)點： 元件體積小，功耗低，特性一致性好，適合自動，連續(xù)過程檢測。其中以薄膜型器件為好，它可以與集成電路的制造工藝兼容。 半導(dǎo)體氣敏傳感器按控制機理分類： 1）電阻控制型氣敏傳感器（金屬氧化物半導(dǎo)體）； 2）非電阻控制型氣敏傳感器（半導(dǎo)體材料硅）； 氣敏傳感器的要求： 1）具有良好的選擇性（半導(dǎo)體法的選擇性較差） 2）較高的靈敏度和寬的動態(tài)響應(yīng)范圍。 3）性能

38、穩(wěn)定，（半導(dǎo)體法稍差，可靠性也不是很好） 4）響應(yīng)速度快，重復(fù)性好 5）保養(yǎng)簡單，價格便宜1、 電阻控制型氣敏傳感器機理 敏感元件與被測氣體接觸引起電導(dǎo)變化，電導(dǎo)變化分表面電導(dǎo)變化與體電導(dǎo)變化。 一般構(gòu)成：加熱器溫度測量元件氣敏元件 a）晶界勢壘模型 根據(jù)多晶體半導(dǎo)體能帶模型。半導(dǎo)體氣敏材料是半導(dǎo)體微粒的集合體。由于粒子接觸界面勢壘的存在，當(dāng)晶粒接觸面吸附可以容納電子性的氣體 ( 等氧化性氣體 )時，勢壘更加增高，阻礙了電子在晶粒之間的運動，材料表現(xiàn)為較高的電阻率；當(dāng)吸附可以供電子性的氣體（ 等還原性氣體）時，勢壘變低，促進了電子在晶粒之間的運動，材料的電阻率降低，有些氣體吸附后，勢壘無明顯的

39、變化。 對于半導(dǎo)體氣敏機理（或工作原理）的解釋，不同類型的傳感器可以歸納成四種模式：接觸粒界勢壘理論；整體原子價控制理論；能級生成理論( ,ZnO ）；表面電荷層理論。 b）頸部模型 參見相關(guān)參考書中的內(nèi)容。 1）表面控制型 利用半導(dǎo)體表面因吸附氣體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化的特性。 檢測對象：多數(shù)是可燃性氣體。 傳感器材料： ，ZnO 。 激活劑（添加劑）：摻有少量的貴重金屬（如Pt等）。 2）體控制型 利用體電阻的變化。 檢測對象：液化石油氣（丙烷），煤氣( , ) ，天然氣（甲烷） 傳感器材料: , , 等。2、 影響電阻控制型氣敏傳感器的因素及改善方法 1）氧化分壓的影響 氣敏傳感器對還

40、原性氣體的測量是建立在首先在氧化性氣體中被氧化 的基礎(chǔ)之上的，因此環(huán)境中氧化分壓， 對傳感器的靈敏度影響很大，氧吸附接近飽和時，吸附覆蓋度： 2）溫度 因為溫度可以促進氧化或還原反應(yīng)的進行，因此溫度對傳感器的靈敏度影響很大，每種傳感器都有一個最佳工作溫度點。 ：300；ZnO：450500； 實際應(yīng)用中，盡量選擇工作溫度低，靈敏度高的氣敏傳感器。 3）濕度 為減少或消除濕度對傳感器特性的影響，應(yīng)盡可能選擇較高的工作溫度。根據(jù)水蒸氣分壓對傳感器電導(dǎo)的影響特性，也可以將金屬氧化物半導(dǎo)體用作濕敏材料。 4）改善選擇性 a）摻雜其他金屬氧化物或其他添加物。 b）控制元件的燒結(jié)溫度。 c）改變元件工作時

41、的加熱溫度。 三種方法需要在實驗的基礎(chǔ)上進行不同的組合應(yīng)用，才能取得好的效果。3、 非電阻型氣敏傳感器 主要是利用金屬和半導(dǎo)體接觸的肖特基二極管的伏安特性，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）的閾值（ ）電壓變化特性進行測量。 1）金屬柵MOS元件基本原理： MOS電容器： ： 介電常數(shù) ， ：硅介電常數(shù)，D：最大耗盡層厚度 ， ：P型硅的摻雜受主濃度； ：MOS電容器的閾值電壓，與金屬柵的功函數(shù)及半導(dǎo)體的材料的性質(zhì)和制造工藝有關(guān)。 ：金屬的功函數(shù)；x：半導(dǎo)體的電子親和勢； ：半導(dǎo)體的禁帶寬度； ：半導(dǎo)體的費米能級與其本征費米能級之差； ：氧化物的固定電荷量。 如下圖所示： 2）MOSFE

42、T工作原理 在MOSFET的結(jié)構(gòu)圖中， 時，MOS管工作于飽和狀態(tài)，漏源電流： ； ：常數(shù)， ：漏極電壓， ：柵源電壓差。保持 不變，將柵極與漏極短接，則： 。 在PdMOSFET氫敏器件中： ：Pd 界面吸附氫原子飽和時， 變化的最大值， 見下圖： ， c1，d1為正、逆反應(yīng)的速度函數(shù)。 3）氧化鋯氧傳感器。 工作原理的不同分：電位式、極限電流式。 4）三元催化劑處理尾氣： 、 、 見下圖：催化劑廢氣凈化率與傳感器輸出特征的關(guān)系 為提高燃燒效率，一般希望發(fā)動機工作在貧燃狀態(tài)，這樣對氧含量的檢測提出了比較高的要求，這時采用極限電流式。4、 氣敏傳感器的集成化與智能化 集成化和智能化的含義： a

43、）多個傳感器集成在同一芯片上，構(gòu)成陣列式，提高選擇性。 b）信號處理電路與傳感器集成在一起。 1）集成化對氣敏元件的要求 須采用與集成電路兼容工藝制備，即特殊工藝不能對其它集成元件構(gòu)成不良影響。 2）集成化設(shè)計 a）相鄰相似單元 可以消除因環(huán)境因素所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，提高測量精度。 b）帶有自恒溫系統(tǒng)與信號處理電路的傳感器 使氣敏傳感器工作在對被測氣體靈敏度最高的合適溫度。 c）氣敏單元陣列 作用：提高傳感器的選擇性和濃度測量精度，類似于數(shù)字信號處理中的相關(guān)分析。2.3 提高傳感器性能的技術(shù)途徑 傳感器性能主要指：穩(wěn)定性、可靠性、精度、動態(tài)響應(yīng)范圍等。 2.3.1 合理選擇結(jié)構(gòu)、參數(shù)和工藝1、

44、如壓阻式壓力傳感器，硅敏感膜片有C型到E型、EI型。 按照前面的介紹，E型與C型比，可以提高它的線性度，EI型還可以提高靈敏度。2、 壓阻式加速度傳感器 從雙梁變到4梁，升到雙島五梁，其演變的結(jié)果，可以得到高的靈敏度和小的橫向效應(yīng)。2.3.2 基于差動對稱結(jié)構(gòu)的差動技術(shù) 差動技術(shù)的優(yōu)越性：可以消除零位值，減小非線性，提高靈敏度，抵消共模誤差干擾。1、 差值輸出形式 如前面介紹過的振弦諧振式壓力傳感器的差動結(jié)構(gòu)。 與理論線性度相比，非線性誤差減小 ，靈敏度提高一倍。 2、 差與和之比值為輸出形式 變間隙式電容變換器存在有嚴重的非線性： ， 1）差值輸出 理論線性度： ，（ ）； 靈敏度： ， （

45、 ） ； 另外消除了零點值的項。 2）差與和之比值： ，非線性誤差為零。 3）電路實現(xiàn)形式（如右圖） 與 之間是理想的線性關(guān)系。3、 輸出形式 仍以差動電容為例，定義： ，則： ，通過公式變換，略去高階項： 線性度： ， 與差值輸出一樣； 靈敏度： ，與差值輸出比提高2倍，比單個輸出提高4倍。4、 電橋電路 電橋電路是集成式傳感器一種重要的輸出電路形式，對于壓阻式電阻變換器，它是基本的配接電路。 1）電橋的連接方式： 2）恒流源與恒壓源作為供電電源的差別 a）電壓源： ，靈敏度： ； 單臂橋： ， ； 線性度： 。 半橋： ， ； 全橋： ， 。 b）電流源： 單臂橋： ， 線性度： 。 差動

46、半橋： ， 全 橋： ， 恒流源供電時，單臂電橋的非線性誤差是電壓源供電時的1/2。 3）電橋?qū)材８蓴_量的補償特性 書中有比較詳細的公式推導(dǎo)及結(jié)果，這里不作說明，但要了解單臂、差動半橋、差動全橋以及電壓源與電流源供電時的差別。 a）電橋?qū)ν柕墓材８蓴_量 ，具有補償作用。 b）恒流源供電的差動全橋，理論上無溫度誤差。 c）實際電路在制作過程中不可能保證特性完全一致，因而仍存在零 位輸出、零位漂移以及靈敏度溫度誤差，需要采用進一步的補償措施。2.3.3 補償措施 這里主要介紹針對壓阻式傳感器的一些補償措施。1、 改善非線性的內(nèi)補償法 1）指導(dǎo)思想：想辦法使兩橋臂的非線性誤差數(shù)值相等，符號相反

47、。 2）具體實現(xiàn)形式：雙島結(jié)構(gòu)的方形硅膜片是一種結(jié)構(gòu)補償?shù)男问剑ㄒ娪覉D） 。 3）補償要求： =02、 拼湊補償法 1）溫度補償 以保證輸出量與目標(biāo)量之間的單值函數(shù)關(guān)系為前提，尋求目標(biāo)參量之外的變化量之間的相互補償。如電壓源和電流源可被制作成一個與未補償電橋輸出具有相反溫度特性的供電電源。2.3.4 多信號測量法1、 二信號法 前提：有相同的系統(tǒng)誤差，該系統(tǒng)誤差可被大大減?。ㄒ娤聢D）。 如果直接測量： ， 希望 ，使得相對誤差越小。 2、 三信號法 ， 前提：在測量過程中， 、 、 均保持不變， 、 均為精密電阻。優(yōu)點：可以用低精度的放大器、恒流源獲得高精度的測量結(jié)果。 3、 三步測量法 1）

48、測零點； 2）用參考量 作標(biāo)準(zhǔn)對全系統(tǒng)總增益作實時標(biāo)定； 3）測量：其中 要有足夠的精度才能保證測量精度。2.4 誤差與測量誤差分析 在這一節(jié)里，主要是系統(tǒng)性的介紹誤差的概念、誤差分析的方法及如何進行測量誤差的分析，以便在進行傳感器及儀器設(shè)備系統(tǒng)研制時，合理的分解分配各部分誤差；對研制好的傳感器及儀器設(shè)備，通過綜合各部分的誤差，對其性能給予正確的評價。 2.4.1 誤差的概念1、 誤差的定義及相關(guān)術(shù)語 1)真值、約定真值 真值：表征在研究某量時所處的條件下完善地確定的量值； 約定真值：為了給定的目的，可以替代真值的量值。 2)精度（精確度）、精密度、準(zhǔn)確度 精度：表示測量結(jié)果與被測“真值”靠近

49、的程度； 精密度：精度的組成部分之一，反映被測量測量值中的隨機誤差大 小。一般用標(biāo)準(zhǔn)偏差或者用或然誤差（0.6745）來表示。 其中，測量值的50%落在0.6745之間，測量值的68.3%落在之間。 準(zhǔn)確度：精度的組成部分之一，反映被測量測量值中的系統(tǒng)誤差大小。一般給出其修正公式而不作為性能指標(biāo)。 3)變差（遲滯誤差） 4)再現(xiàn)性與重復(fù)性、漂移 再現(xiàn)性是指經(jīng)過一段時間以后，在同一工作條件下，輸入/輸出特性曲線間的一致程度。 再現(xiàn)性包含零點誤差、量程誤差、變差、不靈敏區(qū)、重復(fù)性、漂移。 5)線性度 6)測量誤差與絕對誤差、相對誤差 測量誤差=測量值-真值； 它反映的是測量值偏離真實值的大小和方向

50、，因此又常稱它為絕對誤差。 絕對誤差一般只適用于標(biāo)準(zhǔn)量具或標(biāo)準(zhǔn)儀表的校準(zhǔn)，注意絕對誤差具有符號。 絕對誤差和相對誤差均可以用來判斷測試的精確程度，但絕對誤差只能用于判斷同一被測量的測試精度，相對誤差可用于比較不同類量或同類量而不同值的測試精度，以及具有不同類量變換的測試裝置精度和多檔測試裝置精度。 7)引用誤差 是直讀式指針儀表中通用的一種誤差表示方法。 8)偏差 偏差=測量值-算術(shù)平均值 誤差與偏差概念上的差別：誤差是測量值和真值之差。 9)算術(shù)平均誤差 在一組n次測量中，各次測量偏差的絕對值的平均值稱為算術(shù)平均誤差， 算術(shù)平均誤差是一種常用的表示誤差的方法，但它不能反映出測量值的分布情況。

51、 10)標(biāo)準(zhǔn)誤差（標(biāo)準(zhǔn)偏差） 標(biāo)準(zhǔn)誤差（嚴格意義上來說應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)偏差）也稱為均方根誤差。它的定義是：一組n次測量中（n是一個很大的數(shù)），各次測量偏差平方算術(shù)平均值的根稱為單個測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（或測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差）， 標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方稱為方差。 測量次數(shù)較少時，尤其當(dāng)n5時，常用如下計算公式： 在n10時，與S差別很小。 11)或然誤差 或然誤差常用符號表示。它表示在一組測量中，測量值的誤差落在+和-之間的概率是1/2。 當(dāng)測量次數(shù)足夠多時，或然誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、算術(shù)平均偏差之間存在一定的關(guān)系，見下表：誤差1.00001.48261.25330.67451.00000.84540.79891.18291

52、.0000 12)基本誤差 指傳感器、儀表在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差，儀表的精度等級由其基本誤差決定。 標(biāo)準(zhǔn)條件一般指：電源電壓（2205）V；電網(wǎng)頻率（502）Hz；環(huán)境溫度（205）；大氣壓力（101310）mbar；濕度65%5%。 13)附加誤差 當(dāng)傳感器、儀表的使用條件偏離額定條件時，就會出現(xiàn)附加誤差。 14)零點誤差、量程誤差 零點誤差：傳感器、儀表輸入為零時的輸出值，一般用滿量程的百分數(shù)來表示； 量程誤差：傳感器、儀表輸出的理想量程與實測量程之差，一般用滿量程的百分數(shù)來表示。 15)儀器誤差、環(huán)境誤差 16)粗大誤差、人員誤差、疏失誤差 粗大誤差：明顯地歪曲了測量結(jié)果的異常誤

53、差。在進行誤差分析處理時，含有粗差的測量值稱為壞值，應(yīng)該剔除。 17)方法誤差、定義誤差、理論誤差 方法誤差：由于測量方法不完善及所依據(jù)的理論不嚴密所產(chǎn)生的，如：在測量結(jié)果的表達式中沒有得到反映，而在實際測量中又起作用的一些因素所引起的誤差。 定義誤差：指對被測量的定義不夠明確而形成的誤差。 理論誤差：指測量理論不夠完善，而只能進行近似測量所引起的誤差。 18)測量的不確定度 是用來表示誤差范圍的一個重要概念。所謂不確定度，是指測量值附近的一個范圍，這個范圍可能（相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)差的置信概率）包括被測量量的真值。 在計量工作和精密測試中，已普遍使用不確定度來評定實驗結(jié)果的誤差。 19)系統(tǒng)誤差、隨機

54、誤差/偶然誤差 系統(tǒng)誤差：對同一物理量進行多次重復(fù)測量時，如果誤差按照一定的規(guī)律性出現(xiàn)，則稱該誤差為系統(tǒng)誤差，又稱為確定性誤差。 隨機誤差：在相同條件下多次重復(fù)測量同一量時，誤差的大小與符號均發(fā)生變化，且沒有確定的變化規(guī)律，但多次測量其平均值趨于零的誤差。 在測量中，系統(tǒng)誤差、偶然誤差、疏失誤差三者同時存在，但它們對測量的影響不同。 系統(tǒng)誤差、偶然誤差均很小，測量的精確度高； 在工程測量中，有的測量結(jié)果是不可取的； 在測量中，系統(tǒng)誤差與偶然誤差的數(shù)量級必須一致，只有兩者數(shù)值相當(dāng)，其測量結(jié)果才是可取的。2 誤差的分類 按其數(shù)字表達式可分為：絕對誤差和相對誤差； 按其性質(zhì)特點可分為：系統(tǒng)誤差、偶然

55、誤差、疏失誤差。2.4.2 誤差分析理論1 系統(tǒng)誤差1) 系統(tǒng)誤差的特征、來源及分類 系統(tǒng)誤差的特征 在確定的實驗條件下，具有確定性。 系統(tǒng)誤差的來源 測量儀器誤差；個人因素引起的誤差；測量方法或測量理論誤差；環(huán)境誤差；使用誤差；定義誤差。 系統(tǒng)誤差的分類 已定系統(tǒng)誤差/未定系統(tǒng)誤差；恒定系統(tǒng)誤差/變化系統(tǒng)誤差。2) 如何發(fā)現(xiàn)實驗或測量中存在系統(tǒng)誤差 分析實驗所依據(jù)的理論公式所要求的約束條件在測量中是否已滿足； 分析實驗儀器所要求的使用條件在測量過程中是否滿足。對比的方法 包括實驗方法、測量儀器、測量方法、測量條件的對比。數(shù)據(jù)分析法 主要用于發(fā)現(xiàn)測量中是否存在變化的系統(tǒng)誤差。方法1：將測量值數(shù)

56、列的偏差按測量的先后次序排列，觀察其數(shù)值和符號 的變化。要求：系統(tǒng)誤差遠較偶然誤差為大。方法2：將測量值序列分為前后兩半，比較兩部分偏差之和的差值，如 果顯著不為0，則表明存在系統(tǒng)誤差。剩余誤差觀察法 與數(shù)據(jù)分析法類似，畫出p-n分布圖，觀察其變化規(guī)律。計算數(shù)據(jù)比較法 根據(jù)判據(jù)關(guān)系式確定測量中是否存在系統(tǒng)誤差的標(biāo)志。多組測量的方差分析不同公式計算標(biāo)準(zhǔn)誤差比較法3) 如何消除實驗或測量中的系統(tǒng)誤差 從誤差來源上消除系統(tǒng)誤差； 用修正方法消除系統(tǒng)誤差； 應(yīng)用測量技術(shù)消除系統(tǒng)誤差。 恒值系統(tǒng)誤差：對換測量法；替代法；異號法。 變值系統(tǒng)誤差：對稱觀測法；半周期偶然數(shù)觀測法；使系統(tǒng)誤差隨機化；引入更正值

57、法；直接比較法；替換法；差值法；正負誤差相消法。4) 如何確定實驗或測量中的系統(tǒng)誤差已被消除 某一項或幾項殘余系統(tǒng)誤差的代數(shù)和的絕對值em不超過測量結(jié)果的誤差絕對值e的最后一位有效數(shù)字的1/2單位，可將em舍去，且不會對測量結(jié)果的精度產(chǎn)生可察覺的影響。5) 系統(tǒng)誤差的綜合與分配 系統(tǒng)誤差的綜合 絕對誤差的綜合： ； ； 若dxi的符號不清楚，可采用公式： 。 相對誤差的綜合： 系統(tǒng)誤差的分配 在儀表或傳感器系統(tǒng)設(shè)計中，一般都是按照各部件或元件的最大允許誤差進行誤差分配的。 測振儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 整臺測振儀的特性： 系統(tǒng)綜合誤差： 系統(tǒng)誤差的分配方法和原則： 無論什么樣的系統(tǒng)，均可以用全微分的方法

58、來綜合和分配其誤差； 根據(jù)誤差綜合公式合理分配誤差，以避免不必要的過高要求； 必須照顧到各部分可能達到的誤差水平，進行可行的誤差分配； 充分利用局部系統(tǒng)誤差若存在正、負則可以相互抵消的特點，以減小系統(tǒng)誤差，從而采用質(zhì)量較低的元件或部件構(gòu)建整個系統(tǒng)，以降低成本。2 隨機誤差/偶然誤差1) 隨機誤差的產(chǎn)生及其與系統(tǒng)誤差的關(guān)系 隨機誤差是許多微小的、獨立的、不可分割的系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計綜合。一次測量的單個隨機誤差沒有任何預(yù)知的確定規(guī)律，但在多次重復(fù)測量的總體上，隨機誤差服從統(tǒng)計規(guī)律。統(tǒng)計規(guī)律中，高斯正態(tài)分布是其中最基本和最重要的。服從正態(tài)分布的隨機誤差具有抵償性，當(dāng)測量次數(shù)趨于無窮時，其隨機誤差的總體平

59、均值趨近于零。習(xí)慣上將這種具有抵償性的隨機誤差又稱做偶然誤差。 在一定條件下，系統(tǒng)誤差和偶然誤差可以相互轉(zhuǎn)化，兩者之間并不存在絕對的界限。2) 隨機誤差的分布 隨機誤差的3個特點： 小誤差比大誤差出現(xiàn)的機會多； 絕對值相等的正、負誤差出現(xiàn)的機會相等； 在一定的實驗條件下，誤差的絕對值有一定的限度。x：測量值；P(x)：測量值的概率密度；xm：被測物理量的真值； ：精密度指數(shù)；：測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；u=x-xm：誤差。測量值的概率密度分布曲線精密度指數(shù)h的物理意義 一般的工程實驗誤差分布均近似的遵循正態(tài)分布；我們在給出其誤差值大小的同時，亦應(yīng)給出對應(yīng)的概率大??；對于絕對值大于3的誤差一般不應(yīng)作為隨

60、機誤差來考慮，這是區(qū)分系統(tǒng)誤差、粗大誤差和隨機誤差的基礎(chǔ)。2.4.3 測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理1 直接測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理1) 單次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理 單次測量無法進行誤差計算而只能作誤差估計。這種估計主要依據(jù)所使用的儀器精密度、測量環(huán)境條件、實驗者的辨別能力等。 單次測量結(jié)果必須寫成如下形式：2) 等精度多次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理 等精度多次測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理步驟： 判斷系統(tǒng)誤差，并消除或減小其影響； 求算術(shù)平均值； 求剩余誤差 求算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差 ， 求算術(shù)平均值的極限誤差 寫出測量結(jié)果 建立在正態(tài)分布上的標(biāo)準(zhǔn)差計算結(jié)果，在測量次數(shù)較少時，對實際精度評價過高。因此，對于K10的測量結(jié)果精度估計，常用