傳感器的地位與定義重點(diǎn)第一頁，共42頁。假若我們將現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備（具有一定的智能，能對所生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)精確的控制）看成一個(gè)生物體，那么機(jī)械部分組成了它的骨骼，起承載力和傳遞運(yùn)動(dòng)的作用；電力驅(qū)動(dòng)部分構(gòu)成它的肌肉，完成能量的轉(zhuǎn)換，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；控制器（模擬的、數(shù)字的）作為它的大腦，實(shí)現(xiàn)判斷和決策；傳感器和測量系統(tǒng)則是這個(gè)生物體的神經(jīng)系統(tǒng)，承擔(dān)著對外界狀態(tài)和內(nèi)部指令執(zhí)行情況的監(jiān)測。一旦傳感器和測量系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這臺(tái)現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備必然發(fā)生癱瘓。從廣義的角度來說，可以把傳感器定義為：一種能把特定的信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按固定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)（可理解）并能輸出的器件或裝置。廣義的傳感器一般由信號(hào)檢出器件（又稱敏感器件）和信號(hào)處理器件兩部分組成，如圖1-1所示。信號(hào)檢出器件信號(hào)處理器件被測信息輸出信號(hào)圖1-1廣義傳感器信號(hào)檢出器件信號(hào)處理器件被測信息輸出信號(hào)圖1-1廣義傳感器框圖第二頁，共42頁。以熱敏電阻傳感器為例，被測的溫度信息作用在熱敏電阻上，使熱敏電阻的阻値發(fā)生變化，熱敏電阻就是敏感器件。信號(hào)處理器件可以有兩種，一種是供給熱敏電阻恒定的電壓，使變化的溫度信息轉(zhuǎn)換成模擬這個(gè)變化的電流信號(hào)輸出；另一種方式是供給熱敏電阻恒定的電流，使變化的溫度信息轉(zhuǎn)換成模擬這個(gè)變化的電壓信號(hào)輸出。在這里變化的溫度是我們需要的信息，模擬溫度變化的電信號(hào)（電流、電壓）是溫度信息的載體。狹義的傳感器定義是：把非電量信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。輸出的電信號(hào)可以有三種形式：電壓、電流、電脈沖（頻率）。從信號(hào)傳輸?shù)慕嵌瓤?，最容易受到干擾的是電壓型信號(hào)，其次是電流型信號(hào)，最不易受干擾的是頻率型信號(hào)。從信號(hào)處理的角度看，最容易處理，成本最低的信號(hào)是電壓型信號(hào)，其次是電流型，頻率型信號(hào)的處理成本最高?；谝陨显?，工業(yè)現(xiàn)場對于近距離傳輸?shù)男盘?hào)一般采用電壓型，中距離傳輸（10～2000米以內(nèi)）采用電流型，更遠(yuǎn)距離傳輸采用頻率型。第三頁，共42頁。1.2傳感器的分類一般來說，對于同一種被測物理量，可能采用的傳感器有多種。同樣，同一種傳感器原理上也可能被用于對多種不同類型被測量的檢測。因此，傳感器的種類很多，分類的方法也是多種多樣。根據(jù)在檢測過程中對外界能源的需要，可以將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器也可稱為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，其特點(diǎn)在于敏感元件本身能將非電量直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，例如超聲波換能器(壓／電轉(zhuǎn)換)、熱電偶(熱／電轉(zhuǎn)換)、光電池(光／電轉(zhuǎn)換)等。與有源傳感器相反，無源傳感器的敏感元件本身無能量轉(zhuǎn)換能力，而是隨輸入信號(hào)而改變本身的電特性，因此必須采用外加激勵(lì)源對其進(jìn)行激勵(lì)，才能得到輸出信號(hào)。大部分傳感器，如濕敏電容、熱敏電阻、壓敏電阻等都屬于這類傳感器。由于被測量僅能在傳感器中起能量控制作用，也稱為能量控制型傳感器。由于需要為敏感元件提供激勵(lì)源，無源傳感器通常需要比有源傳感器更多的引線，傳感器的總體靈敏度也會(huì)受到激勵(lì)信號(hào)幅度的影響。此外，激勵(lì)源的存在可能增加在易燃易爆氣體環(huán)境中引起爆炸的危險(xiǎn)，在某些特殊場合需要引起足夠的重視。第四頁，共42頁。根據(jù)輸出信號(hào)的類型，可以將傳感器分為模擬傳感器與數(shù)字傳感器。模擬傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，其輸出信號(hào)中的信息一般由信號(hào)的幅度表達(dá)。輸出為方波信號(hào)，其頻率或占空比隨被測參量變化而變化的傳感器稱為準(zhǔn)數(shù)字傳感器。由于這類信號(hào)可直接輸入到微處理器內(nèi)，利用微處理器內(nèi)的計(jì)數(shù)器即可獲得相應(yīng)的測量值，因此，準(zhǔn)數(shù)字傳感器與數(shù)字電路具有很好的兼容性。數(shù)字傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，數(shù)字輸出不僅重復(fù)性好、可靠性高，而且不需要A/D轉(zhuǎn)換，比模擬量信號(hào)更容易傳輸。令人遺憾的是，由于敏感機(jī)理、研發(fā)歷史等多方面的原因，目前實(shí)用的數(shù)字傳感器種類非常少。市場上的許多所謂數(shù)字傳感器實(shí)際上是輸出為頻率或占空比的準(zhǔn)數(shù)字傳感器。第五頁，共42頁。實(shí)際上，最常用的傳感器分類法有兩種。一種是按照被測對象進(jìn)行分類，這是眾多工業(yè)現(xiàn)場的傳感器用戶所需要的分類方式。物理量傳感器如溫度、壓力、流量、液位、位移傳感器等，化學(xué)量傳感器如化學(xué)成分、氣味、基因、蛋白質(zhì)等傳感器。但這種分類方式難以包羅萬象，因?yàn)樾枰獪y量的對象幾乎有無限多個(gè)。另一種分類方式是根據(jù)傳感器的工作原理進(jìn)行分類，這是傳感器研究人員所常用的分類方式。這種分類方式有助于減少傳感器的類別數(shù)，并使傳感器的研究與信號(hào)調(diào)理電路直接相關(guān)。為了準(zhǔn)確地把握傳感器工作原理與信號(hào)測量、調(diào)理電路的關(guān)系，本教材也按此分類組織教學(xué)知識(shí)體系。第六頁，共42頁。1.3測量系統(tǒng)的分類工業(yè)現(xiàn)場的測量系統(tǒng)按不同的劃分方式可以分為多種測量系統(tǒng)。如按測量的目的分類，可分為控制型測量系統(tǒng)和監(jiān)測型測量系統(tǒng)。為了控制產(chǎn)品的質(zhì)量，測量多個(gè)生產(chǎn)工藝參數(shù)，如化學(xué)反應(yīng)溫度、軋制速度、成型壓力、灌裝重量等參數(shù)，這類參數(shù)參與了控制器的生產(chǎn)工藝參數(shù)決策并受到控制調(diào)整，這類測量系統(tǒng)為控制型測量系統(tǒng)。為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，對設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電機(jī)電流、電壓、軸承溫度、潤滑油流量、振動(dòng)速度等參數(shù)進(jìn)行測量，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)值時(shí)發(fā)出報(bào)警，以避免發(fā)生事故，這類測量系統(tǒng)為監(jiān)測型測量系統(tǒng)。舊式的工業(yè)設(shè)備采用的是單體型測量系統(tǒng)，每項(xiàng)被測參數(shù)各用各的測量系統(tǒng)，如圖1-2所示。傳感器處理電路記錄顯示儀表圖1-2單體型測量系統(tǒng)組成框圖第七頁，共42頁。新的工業(yè)設(shè)備多采用綜合型（或稱集成型）測量系統(tǒng)，其典型特征是多個(gè)傳感器共用1個(gè)后續(xù)處理裝置，而且測量系統(tǒng)的后端采用數(shù)字處理的方式。其構(gòu)造如圖1-3所示。傳感器處理電路圖1-3綜合型測量系統(tǒng)組成框圖傳感器處理電路傳感器處理電路。。。。。。。。模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換裝置數(shù)字式運(yùn)算處理裝置顯示器打印機(jī)鍵盤鼠標(biāo)第八頁，共42頁。更新型的工業(yè)設(shè)備更進(jìn)一步地采用了網(wǎng)絡(luò)型測量系統(tǒng)。如圖1-4所示。顯示器計(jì)算機(jī)打印機(jī)A/D轉(zhuǎn)換處理電路傳感器A/D轉(zhuǎn)換處理電路傳感器A/D轉(zhuǎn)換處理電路傳感器A/D轉(zhuǎn)換處理電路傳感器．．．．．．圖1-４網(wǎng)絡(luò)型測量系統(tǒng)組成框圖網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字通訊總線第九頁，共42頁。1.4測量誤差在檢測過程中，不論采用什么樣的測量儀表，也不論采用什么樣的測量方式和方法，由于測量儀表本身不夠準(zhǔn)確，測量方法不夠完善，以及測量者本人經(jīng)驗(yàn)不足，人的感覺器官受到局限等原因，都會(huì)使測量結(jié)果與被測量的真值之間存在著差異，這個(gè)差值就稱為測量誤差。測量誤差的主要來源可以概括為工具誤差(又稱儀器誤差)、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差等。測量的目的就是為了求得與被測量真值最接近的測量值，在合理的前提下，這個(gè)值越逼近真值越好。但不管怎么樣，測量誤差不可能為零。在實(shí)際測量中，只需達(dá)到相應(yīng)的精確度就可以了，決不是精確度越高越好。必須清楚地知道，提高測量精確度是要付出人力、物力，是要以犧牲測量可靠性為代價(jià)的。那種不計(jì)工本，不顧場合，一味追求越準(zhǔn)越好的做法是不可取的，要有技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兼顧的意識(shí)，正確的做法應(yīng)是追求最高的性價(jià)比。1.4.1測量誤差第十頁，共42頁。為了便于對誤差進(jìn)行分析和處理，人們通常把測量誤差從不同角度進(jìn)行分類。按照誤差的表示方法可分為絕對誤差、相對誤差和引用誤差；按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差；按照被測量與時(shí)間的關(guān)系可分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。1．絕對誤差與相對誤差（1）絕對誤差。絕對誤差是指測量值A(chǔ)x與被測量真值A(chǔ)o之間的差值，用δ表示，即：δ=Ax－Ao（1-1）由式（1.1）可知，絕對誤差的單位與被測量的單位相同，且有正負(fù)之分。用絕對誤差表示儀表的誤差大小也比較直觀，它被用來說明測量結(jié)果接近被測量真值的程度。在實(shí)際使用中被測量真值A(chǔ)o是得不到的，一般用理論真值或計(jì)量學(xué)約定真值Xo來代替Ao。則式（1.1）可寫成δ=Ax－Xo（1-2）第十一頁，共42頁。

絕對誤差不能作為衡量測量精確度的標(biāo)準(zhǔn)，例如用一個(gè)電壓表測量200V電壓，絕對誤差為＋1V，而用另一個(gè)電壓表測量10V電壓，絕對誤差為＋0.5V，前者的絕對誤差雖然大于后者，但誤差值相對于被測量值卻是后者大于前者，即兩者的測量精確度相差較大，為此人們引入了相對誤差。（2）相對誤差。所謂相對誤差(用γ表示)是指絕對誤差δ與被測量真值Xo的百分比。即：(1-3)在上面的例子中：γ1<γ2，所以，相對誤差比絕對誤差能更好地說明測量的精確程度。第十二頁，共42頁。在實(shí)際測量中，由于被測量真值是未知的，而指示值又很接近真值，因此也可以用指示值A(chǔ)x代替真值Xo來計(jì)算相對誤差。一般情況下，使用相對誤差來說明不同測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，即用來評定某一測量值的精確度，但不適用于衡量測量儀表（含傳感器）本身的質(zhì)量。因?yàn)橥慌_(tái)儀表可以用來測量許多不同真值的被測量，在整個(gè)測量范圍內(nèi)的相對誤差不是一個(gè)定值。隨著被測量的減小，相對誤差變大。為了更合理地評價(jià)儀表質(zhì)量，采用了引用誤差的概念。第十三頁，共42頁。（3）引用誤差。引用誤差是絕對誤差δ與儀表量程L的比值，通常以百分?jǐn)?shù)表示，即：（1-4）如果以測量儀表整個(gè)量程中，可能出現(xiàn)的絕對誤差最大值δm代替δ，則可得到最大引用誤差對一臺(tái)確定的儀表或檢測系統(tǒng)，出現(xiàn)的絕對誤差最大值是一個(gè)定值，所以其最大引用誤差就是一個(gè)定值，由儀表本身性能所決定。一般用最大引用誤差來確定測量儀表的精度等級。工業(yè)儀表常見的精度等級有0.1級、0.2級、0.5級、1.0級、1.5級、2.0級、2.5級、5.0級等。第十四頁，共42頁。2．系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差（1）系統(tǒng)誤差。在相同條件下，多次重復(fù)測量同一量時(shí)，保持恒定、或遵循某種規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。其誤差的數(shù)值和符號(hào)不變的稱為恒值系統(tǒng)誤差。按照一定規(guī)律變化的，稱為變值系統(tǒng)誤差。變值系統(tǒng)誤差又可分為累進(jìn)性的、周期性的和按復(fù)雜規(guī)律變化的等多種類型。檢測裝置本身性能不完善、測量方法不當(dāng)、對儀器的使用不當(dāng)、環(huán)境條件的變化等原因都可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。如果能設(shè)法消除這些原因，則系統(tǒng)誤差也就被消除了。例如，由于儀表刻度起始位不對產(chǎn)生的誤差，只要在測量前校正指針零位即可消除。系統(tǒng)誤差的大小表明測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)誤差越小，則測量結(jié)果越準(zhǔn)確。系統(tǒng)誤差的大小說明了測量結(jié)果偏離被測量真值的程度。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律的，因此可通過實(shí)驗(yàn)或分析的方法，查明其變化規(guī)律和產(chǎn)生原因，通過對測量值的修正，或者采用一定的預(yù)防措施，就能夠消除或減小它對測量結(jié)果的影響。第十五頁，共42頁。（2）隨機(jī)誤差。在相同條件下，多次測量同一量時(shí)，其誤差的大小和符號(hào)以不可預(yù)見的方式變化，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差是由很多復(fù)雜因素的微小變化的總和所引起的，其分析起來比較困難。但是，隨機(jī)誤差具有隨機(jī)變量的一切特點(diǎn)，在一定條件下服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此通過多次測量后，對其總和可以用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來描述，從而在理論上估計(jì)出其對測量結(jié)果的影響。隨機(jī)誤差的大小表明測量結(jié)果重復(fù)一致的程度，即測量結(jié)果的分散性。通常，用精密度表示隨機(jī)誤差的大小。隨機(jī)誤差大，測量結(jié)果分散，精密度低；反之，測量結(jié)果的重復(fù)性好，精密度高。第十六頁，共42頁。（3）粗大誤差。明顯歪曲測量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差，又稱過失誤差。含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值。在實(shí)際測量中，由于粗大誤差的誤差數(shù)值特別大，容易從測量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差，可以認(rèn)為該次測量無效，壞值應(yīng)從測量結(jié)果中剔除，從而消除它對測量結(jié)果的影響。粗大誤差主要是人為因素造成的。例如，測量人員工作時(shí)的疏忽大意，出現(xiàn)了讀數(shù)錯(cuò)誤、記錄錯(cuò)誤、計(jì)算錯(cuò)誤或操作不當(dāng)?shù)?。另外，測量方法不恰當(dāng)，測量條件意外地突然變化，也可能造成粗大誤差。在分析測量結(jié)果時(shí)，就應(yīng)先分析有沒有粗大誤差，先把壞值從測量值中剔除，然后再進(jìn)行系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的分析。第十七頁，共42頁。3．靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差靜態(tài)誤差是指在測量過程中。被測量隨時(shí)間變化很緩慢或基本上不變化的測量誤差。以上所介紹的測量誤差均屬于靜態(tài)誤差。在被測量隨時(shí)間變化時(shí)進(jìn)行測量所產(chǎn)生的附加誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。由于檢測系統(tǒng)(或儀表)對動(dòng)態(tài)信號(hào)的響應(yīng)需要一定時(shí)間，輸出信號(hào)來不及立即反應(yīng)輸入信號(hào)的量值，加上傳感器對不同頻率的輸入信號(hào)的增益和時(shí)間延遲不同，因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的波形將不完全一致而造成動(dòng)態(tài)誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量選用動(dòng)態(tài)特性好的儀表，以減小動(dòng)態(tài)誤差。第十八頁，共42頁。1.4.2誤差的處理及消除方法1．隨機(jī)誤差的處理在相同條件下，對某個(gè)量重復(fù)進(jìn)行多次測量，排除系統(tǒng)誤差和粗大誤差后，如果測量數(shù)據(jù)仍出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，則存在隨機(jī)誤差。在等精度測量情況下，得到n個(gè)測量值x1、x2、…、xn，設(shè)只含有隨機(jī)誤差δ1、δ2、…、δn，這組測量值或隨機(jī)誤差都是隨機(jī)事件，可以用概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來處理。隨機(jī)誤差的處理目的就是從這些隨機(jī)數(shù)據(jù)中求出最接近真值的值，對數(shù)據(jù)精密度的高低（或可信度）進(jìn)行評定并給出測量結(jié)果。測量實(shí)踐表明，多數(shù)測量的隨機(jī)誤差具有以下特征：（1）絕對值小的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率大于絕對值大的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率。（2）隨機(jī)誤差的絕對值不會(huì)超出一定界限。（3）測量次數(shù)n很大時(shí)，絕對值相等、符號(hào)相反的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率相等，當(dāng)n～∞時(shí)，隨機(jī)誤差的代數(shù)和趨近于零。第十九頁，共42頁。根據(jù)長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，人們公認(rèn)，一組等精度的重復(fù)測量值的算術(shù)平均值最接近被測量的真值，而算術(shù)平均值很容易根據(jù)測量結(jié)果求得，即：因此，可以利用算術(shù)平均值代替真值x0來計(jì)算式（1-7）中的δi值。這樣，式(1-7)中的δi=xi－x0，就可改換成νi=xi－x，νi稱為剩余誤差。不論n為何值，總有：由此可以看出，雖然我們可求得n個(gè)剩余誤差，但實(shí)際上它們之中只有(n-1)個(gè)是獨(dú)立的?？紤]到這一點(diǎn)，測量次數(shù)n為有限值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)誤差的估計(jì)值σs可由下式計(jì)算：第二十頁，共42頁。式(1-10)為貝塞爾公式。在一般情況下，我們對σ和σs。并不加以嚴(yán)格區(qū)分，統(tǒng)稱為標(biāo)準(zhǔn)誤差。圖1-5不同σ下的正態(tài)分布曲線（誤差分布）標(biāo)準(zhǔn)誤差σ的大小可以表示測量結(jié)果的分散程度。圖1-5為不同σ下正態(tài)分布曲線。由圖可見：σ愈小，分布曲線愈陡峭，說明隨機(jī)變量的分散性小，測量精度高；反之，σ愈大，分布曲線愈平坦，隨機(jī)變量的分散性也大；則精度也低。圖1-5不同σ下的正態(tài)分布曲線第二十一頁，共42頁。通常在有限次測量時(shí)，算術(shù)平均值不可能等于被測量的真值x0，它也是隨機(jī)變動(dòng)的。設(shè)對被測量進(jìn)行m組的“多次測量”后(每組測量n次)，各組所得的算術(shù)平均值1、2、…、m，圍繞真值x0有一定的分散性，也是隨機(jī)變量。算術(shù)平均值的精度可由算術(shù)平均值的均方根偏差σt來評定。它與σs的關(guān)系如下：所以，當(dāng)對被測量進(jìn)行m組“多次測量”后，在無系統(tǒng)誤差和粗大誤差的情況下，根據(jù)概率分析，它的測量結(jié)果x0可表示為：

(概率P=0.62827)

(概率P=0.9973)(1-12)或第二十二頁，共42頁。例1-1等精度測量某電阻10次，得到的測量值為：167.95Ω、167.60Ω、167.87Ω、168.00Ω、167.82Ω、167.45Ω、167.60Ω、167.88Ω、167.85Ω、167.60Ω，求測量結(jié)果。解：將測量值列于表1-2。序號(hào)測量值xi殘余誤差vi1167.950.1880.0353442167.60-0.1620.0262443167.870.1080.0116644168.000.2380.0566445167.820.0580.0033646167.45-0.3120.0973447167.60-0.1620.0262448167.880.1180.0139249167.850.0880.00774410167.60-0.1620.026244測量結(jié)果為：x=167.762±0.051(概率P=0．6827)或x=167.762±3×0.051=167.762±0.153(概率P=0．997)第二十三頁，共42頁。2．粗大誤差的判別與壞值的舍棄在重復(fù)測量得到的一系列測量值中，首先應(yīng)將含有粗大誤差的壞值剔除后，才可進(jìn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)處理。但是也應(yīng)當(dāng)防止無根據(jù)地隨意丟掉一些誤差大的測量值。對懷疑為壞值的數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)加以分析，盡可能找出產(chǎn)生壞值的明確原因，然后再?zèng)Q定取舍。實(shí)在找不出產(chǎn)生壞值的原因，或不能確定哪個(gè)測量值是壞值時(shí)，可以按照統(tǒng)計(jì)學(xué)的異常數(shù)據(jù)處理法則，判別壞值并加以舍棄。統(tǒng)計(jì)判別法的準(zhǔn)則很多，在這里我們只介紹拉依達(dá)準(zhǔn)則(3δ準(zhǔn)則)?！肋_(dá)準(zhǔn)則簡便，易于使用，因此得到廣泛應(yīng)用。但它是以重復(fù)測量次數(shù)以n→∞時(shí)，數(shù)據(jù)按正態(tài)分布為前提的。當(dāng)偏離正態(tài)分布，特別是測量次數(shù)n較小時(shí)，此準(zhǔn)則并不可靠。因此，可采用其他統(tǒng)計(jì)判別準(zhǔn)則。這里不再一一介紹。另外，除對粗大誤差用剔除準(zhǔn)則外，更重要的是提高工作人員的技術(shù)水平和工作責(zé)任心；保證測量條件穩(wěn)定，防止因環(huán)境條件劇烈變化而產(chǎn)生的突變影響。第二十四頁，共42頁。3．系統(tǒng)誤差的消除在測量結(jié)果中，一般都含有系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。我們可以采用3σ準(zhǔn)則，剔除含有粗大誤差的壞值，從而消除粗大誤差對測量結(jié)果的影響。雖然隨機(jī)誤差是不可能消除的，但我們可以通過多次重復(fù)測量，利用統(tǒng)計(jì)分析的方法估算出隨機(jī)誤差的取值范圍，也能減小隨機(jī)誤差對測量結(jié)果的影響。系統(tǒng)誤差，盡管其值固定或按一定規(guī)律變化，但往往不易從測量結(jié)果串發(fā)現(xiàn)，也不容易找到其變化規(guī)律，又不能像對待隨機(jī)誤差那樣，用統(tǒng)計(jì)分析的方法確定它的存在和影響，而只能針對具體情況采取不同的處理措施，對此沒有普遍適用的處理方法。有效地找出系統(tǒng)誤差的根源并減小或消除的關(guān)鍵是如何查找誤差根源，這就需要對測量設(shè)備、測量對象和測量系統(tǒng)進(jìn)行全面分析，了解其中有無產(chǎn)生明顯系統(tǒng)誤差的因素，并采取相應(yīng)措施予以修正或消除。由于具體條件不同，在分析查找誤差根源時(shí)并無一成不變的方法，這與測量者的經(jīng)驗(yàn)和測量技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，但我們可以從以下見個(gè)方面進(jìn)行分析考慮：第二十五頁，共42頁。(1)所用傳感器、測量儀表或組成元件是否準(zhǔn)確可靠。例如，傳感器或儀表靈敏度不高，儀表刻度不準(zhǔn)確，變換器、放大器等性能不太優(yōu)良，這些都可能引起常見的系統(tǒng)誤差。(2)測量方法是否完善。例如，我們可以利用電位差計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)電阻，采用對稱測量法來測量未知電阻，如圖1-6（a）所示。圖中，RN是已知電阻、Rx是待測電阻。一般測量步驟是先測出RN和Rx上的電壓UN和Ux，然后按下式計(jì)算出Rx的值：………….（3）傳感器或儀表安裝、調(diào)整或放置是否合理。例如，安裝時(shí)沒有調(diào)好儀表水平位置，儀表指針偏心等都會(huì)引起系統(tǒng)誤差。（4）傳感器或儀表工作場所的環(huán)境條件是否符合規(guī)定條件。例如，環(huán)境溫度、濕度、氣壓等的變化也會(huì)引起系統(tǒng)誤差。（5）測量者的操作是否正確。第二十六頁，共42頁。分析查找了系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生根源后，應(yīng)采取有效的措施予以修正或消除。消除系統(tǒng)誤差的常用方法有：（1）在測量結(jié)果中進(jìn)行修正。對于已知的系統(tǒng)誤差，可以用修正值對測量結(jié)果進(jìn)行修正；對于變值系統(tǒng)誤差，設(shè)法找出誤差的變化規(guī)律，用修正公式或修正曲線對測量結(jié)果進(jìn)行修正；未知系統(tǒng)誤差，則按隨機(jī)誤差進(jìn)行處理。（2）消除產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源。在測量之前，仔細(xì)檢查儀表，正確調(diào)整和安裝；防止外界干擾影響；選擇環(huán)境條件比較穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行讀數(shù)等。（3）在測量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償措施。找出系統(tǒng)誤差的規(guī)律，在測量系統(tǒng)中采取補(bǔ)償措施，自動(dòng)消除系統(tǒng)誤差。如用熱電偶測量溫度時(shí)，熱電偶參考端溫度變化引起系統(tǒng)誤差，消除此誤差的方法之一是在熱電偶回路中加一個(gè)冷端補(bǔ)償器，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。（4）實(shí)時(shí)反饋修正。由于微機(jī)自動(dòng)測檢技術(shù)的發(fā)展，可用實(shí)時(shí)反饋修正的方法來消除復(fù)雜變化的系統(tǒng)誤差。當(dāng)查明某種誤差因素的變化對測量結(jié)果有明顯的復(fù)雜影響時(shí)，應(yīng)盡可能找出其影響測量結(jié)果的函數(shù)關(guān)系或近似的函數(shù)關(guān)系。及時(shí)按照其函數(shù)關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)算出影響測量結(jié)果的誤差值；對測量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)修正。第二十七頁，共42頁。1.5測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性1．線性度傳感器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線(即靜特性曲線)偏離直線的程度，又稱非線性誤差。靜特性曲線可通過實(shí)際測試獲得。在實(shí)際使用中，大多數(shù)傳感器為非線性的，為了得到線性關(guān)系，常引入各種非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。如采用非線性補(bǔ)償電路或計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行線性化處理。但如果傳感器非線性的次方不高，輸入量變化范圍較小時(shí)，可用一條直線(切線或割線)近似地代表實(shí)際曲線的一段，如圖1-7所示，使傳感器輸出．輸入線性化。所采用的直線稱為擬合直線。實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差(或線性度)，通常用相對誤差γL表示，即：式中，ΔLmax是最大非線性絕對誤差；γFS是滿量程輸出。第二十八頁，共42頁。2．靈敏度靈敏度S是指傳感器的輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的輸入量Δx的比值，即：(1-15)對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即S為常數(shù)；而非線性傳感器的靈敏度為一變量，用S=dy／dx表示。傳感器的靈敏度如圖1-8所示。圖1-8傳感器的靈敏度第二十九頁，共42頁。3．遲滯(回差滯環(huán)現(xiàn)象)傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輸出．輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯，如圖1-9所示。也就是說，對于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正、反行程輸出信號(hào)大小不等。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷所造成的，例如，彈性敏感元件的彈性滯后、運(yùn)動(dòng)部件摩擦、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動(dòng)等，具有一定的隨機(jī)性。遲滯大小通常由實(shí)驗(yàn)確定。遲滯誤差γH可由下式計(jì)算：式中，ΔHmax是正、反行程輸出值間的最大差值。圖1-9傳感器遲滯特性第三十頁，共42頁。4．重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-10所示。多次按相同輸入條件測試的輸出特性曲線越重合，其重復(fù)性越好，誤差越小。不重復(fù)性γR常用標(biāo)準(zhǔn)偏差σ表示，也可用正、反行程中的最大偏差ΔRmax表示，即：或:圖1-10重復(fù)性第三十一頁，共42頁。5．分辨率傳感器的分辨率是指在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測輸入量的最小變化量ΔXmin。有時(shí)也用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)(ΔXmin／XFS×100％)表示。6．穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性一般是指長期穩(wěn)定性，是在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異，因此通常又用其不穩(wěn)定度來表征傳感器輸出的穩(wěn)定程度。7．漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化，包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。傳感器在零輸入時(shí)，輸出的變化稱為零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化。溫度漂移是指當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移。漂移一般可通過串聯(lián)或并聯(lián)可調(diào)電阻來消除。第三十二頁，共42頁。1.6測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)。在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下，輸出信號(hào)一般來說不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，如圖1-11所示，傳感器的輸入與輸出曲線在幅值和相位上都有差異。這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。圖1-11某傳感器的響應(yīng)曲線對傳感器動(dòng)態(tài)特性的分析，同自動(dòng)控制系統(tǒng)分析一樣，通常從時(shí)域和頻域兩方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法。

第三十三頁，共42頁。1.6.1瞬態(tài)響應(yīng)法

研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，在時(shí)域中對傳感器的響應(yīng)和過渡過程進(jìn)行分析的方法，為時(shí)域分析法，這時(shí)傳感器對所加激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)稱為瞬態(tài)響應(yīng)。常用激勵(lì)信號(hào)有階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)、脈沖函數(shù)等。下面以最典型、最簡單、最易實(shí)現(xiàn)的階躍信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)來分析評價(jià)傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)：u(t)=0t≤01t>0時(shí)，其輸出特性稱為階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)特性。瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線如圖1-12所示。圖1-12階躍響應(yīng)特性曲線第三十四頁，共42頁。（1）最大超調(diào)量σp：最大超調(diào)量就是響應(yīng)曲線偏離階躍曲線的最大值，常用百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)穩(wěn)態(tài)值為1，則最大百分比超調(diào)量。最大超調(diào)量反映傳感器的相對穩(wěn)定性。（2）延滯時(shí)間td：td是階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值50％所需要的時(shí)間。（3）上升時(shí)間tr：它是從零上升到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。（4）峰值時(shí)間tp：響應(yīng)曲線從零到第一個(gè)峰值時(shí)所需的時(shí)間。（5）響應(yīng)時(shí)間ts：響應(yīng)曲線衰減到距穩(wěn)態(tài)值之差不超過±5％或±2％時(shí)所需要的時(shí)間。有時(shí)稱又為過渡過程時(shí)間。第三十五頁，共42頁。1.6.2頻率響應(yīng)法頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性。傳感器對正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。對傳感器動(dòng)態(tài)特性的理論研究，通常是先建立傳感器的數(shù)學(xué)模型，通過拉氏變換找出傳遞函數(shù)表達(dá)式，再根據(jù)輸入條件得到相應(yīng)的頻率特性。大部分傳感器可簡化為單自由度一階或二階系統(tǒng)。為了更清晰準(zhǔn)確地表述傳感器對動(dòng)態(tài)信號(hào)的響應(yīng)特性，采用正弦函數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，觀察輸出信號(hào)的波形特征。輸入信號(hào)：X(t)=Asin(ωt)輸出信號(hào)：Y(t)=Bsin(ωt+φ)其中：ω為園頻率，ω=2πf；f為頻率，次/秒K=B/A，為輸出/輸入信號(hào)的幅值比，K(ω)為幅頻函數(shù)φ為滯后角，傳感器對不同的輸入信號(hào)頻率有不同的滯后，φ(ω)為相頻函數(shù)第三十六頁，共42頁。圖1-13顯示了測定傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置構(gòu)成。Asin(ωt)信號(hào)發(fā)生器傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析儀X(t)Y(t)X(t)圖1-13動(dòng)態(tài)響應(yīng)測定K(ω)φ(ω)Asin(ωt)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)是幅值A(chǔ)恒定，園頻率ω從0～ωmax變化。動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析儀同時(shí)接受X(t)、Y(t)信號(hào)，輸出K(ω)圖像如圖1-14所示：ω=2πf01ωaωc圖1-14傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)幅頻特性圖（頻響特性圖）第三十七頁，共42頁。圖1-14中，0～ωa段的K=1，意味著當(dāng)信號(hào)的頻率ω<ωa，輸出信號(hào)的幅值B與輸入信號(hào)的幅值A(chǔ)相等，即輸出信號(hào)在幅值上完全復(fù)現(xiàn)了輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了在信號(hào)幅值方面的不失真測量。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率ω>ωa，輸出信號(hào)在幅值上將出現(xiàn)失真。其中ωc是傳感器的固有頻率，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率ω在這附近時(shí)，將引起傳感器的共振，使輸出大于輸入。ω>ωc，傳感器的響應(yīng)因跟不上輸入信號(hào)的變化，而使輸出衰減。頻響特性