传感器与检测技术基础.

1/21传感器与检测技术SensorsandDetectiontechnology朱启兵[e-mail]2/21第1章检测技术基础一、传感器的特性与指标二、改善传感器性能的技术途径三、传感器的合理选用四、传感器的标定1.1检测技术的基本概念一、测量的基本概念及分类二、测量误差分析1.2传感器特性与标定第1章传感器与检测技术基础3/21一、基本概念及分类第1章传感器与检测技术基础(1)测量：以确定客观事物的属性和量值为目的，借助于一定的工具和设备，用比较的方法取得被测量数据的过程，包括数据处理、显示或记录等步骤。(2)检测：利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或仪器所能接收的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成执行器所能接收的信号，实现对被测物理量的控制。测量+信号检出，意义更为广泛的测量(3)测试：带有试验性质的检测，在特定情况下，检测信号可由模拟被测物理量的信号发生装置产生。4/21第1章传感器与检测技术基础检测过程：信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理检测技术：被测量的测量原理、测量方法、测量系统和数据处理检测的分类被测量值的物理属性：电量、非电量检测原理（物理的、化学的、生物学的）：检测方法：电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等1.按测量过程的特点分类可分为直接测量和间接测量。2.按测量仪表是否与被测物体相接触分类可分为接触测量法和非接触测量法。3.按测量对象的特点分类可分为静态测量法和动态测量法。5/211.按测量过程的特点分类可分为直接测量和间接测量。(1)直接测量:直接测量是针对被测量选用专用仪表进行测量，直接获取被测量值的过程，如用温度表测温度和用电位差计测电动势等。1)偏差法。2)零位法。3)微差法。(2)间接测量：用直接测量法测得与被测量有确切函数关系的一些物理量，然后通过计算求得被测量值的过程称为间接测量。第1章传感器与检测技术基础6/212.按测量仪表是否与被测物体相接触分类可分为接触测量法和非接触测量法。(1)接触测量法：检测仪表的传感器与被测对象直接接触，承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称接触测量法。(2)非接触测量法：检测仪表的传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，以达到测量目的的方法，称非接触测量法。第1章传感器与检测技术基础7/213.按测量对象的特点分类可分为静态测量法和动态测量法。(1)静态测量法:静态测量方法是指被测对象处于稳定情况下的测量。(2)动态测量法:动态测量是指在被测对象处于不稳定的情况下进行的测量。第1章传感器与检测技术基础8/21二、测量误差分析第1章传感器与检测技术基础1.测量误差的定义由于检测系统(仪表)不可能绝对精确，测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。9/212.测量误差来源第1章传感器与检测技术基础(1)原理误差：测量原理和方法本身存在缺陷和偏差近似：假设：理论上成立、实际中不成立如：误差因素互不相关(2)装置误差：测量仪器、设备、装置导致的测量误差电路：电源波动、元件老化、漂移、电气噪声(3)环境误差：测量环境、条件引起的测量误差空气温度、湿度，大气压力，振动，电磁场干扰，气流扰动，(4)使用误差：理论分析与实际情况差异方法：测量方法存在错误或不足如：采样频率低、测量基准错误读数误差、违规操作、机械：零件材料性能变化、配合间隙变化、传动比变化、蠕变、空程10/21绝对误差：某被测量的仪表示值x与其真值A0的差值Δx，即0xxA第1章传感器与检测技术基础Δx可正可负，具有和被测量相同的量纲单位。真值A0是指在测量一个量时，该量本身所具有的真实大小。理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值。如三角形内角和180°约定真值：一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值。在没有系统误差的情况下，足够多次的测量值的平均值可以作为约定真值。相对真值（实际值）：高一级测量仪器的指示值即为下一等级的真值。（1）误差的表示方法分类可分为绝对误差和相对误差。3.误差分类11/21相对误差：即百分比误差，分为实际相对误差，示值相对误差和引用误差。引用误差：绝对误差与仪表满量程值yFS的百分比，用γn表示，即0100%AxA100%nFSxy第1章传感器与检测技术基础示值相对误差：绝对误差与示值x的百分比，用γx表示，即100%xxx实际相对误差：等于绝对误差与真值A0的百分比，用γA表示，即12/21当x取仪表的最大绝对误差值m时，引用误差常被用来确定仪表的准确度（DegreeofAccuracy）等级S，即m100FSΔSy我国的模拟仪表有下列七种等级，准确度等级的数值越小，仪表的就越昂贵。表1-1仪表的准确度等级和基本误差准确度等级0.10.20.51.01.52.55.0基本误差±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%第1章传感器与检测技术基础如何确定一个仪表的精度等级？例如，量程为0～1000V的数字电压表，如果其整个量程中最大绝对误差为1.05V，则有:maxmaxmax1.05100%100%0.105%1000%FSxyS国家规定故S=0.213/21例1-1现有准确度为0.5级的0～300℃的和准确度为1.0级的0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？第1章传感器与检测技术基础精度等级高低仅说明该检测仪表的引用误差最大值的大小，它决不意味着该仪表某次实际测量中出现的具体误差值是多少。14/21第1章传感器与检测技术基础(2)按被测量与时间关系分类可分为静态误差和动态误差。①静态误差：被测量不随时间变化时测得的测量误差称为静态误差。②动态误差：被测量在随时间变化过程中所测得的测量误差称为动态误差。15/21（3）按误差的性质分类可分为系统误差、随机误差和粗大误差系统误差：在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差大小和符号保持恒定或按某一确定规律变化。第1章传感器与检测技术基础①已定系差:指在测量过程中误差大小和符号都不变的系差。②未定系差:在测量过程中大小和符号变化不定，或按一定规律变化的系差。线性变化系差、周期性变化的系差、复杂规律变化的系差1）系统误差分类16/21第1章传感器与检测技术基础2）系统误差出现的原因①工具误差(又称仪器误差或仪表误差)：由于测量仪表或仪表组成元件本身不完善所引起的误差；②方法误差：指由于对测量方法研究的不够所引起的误差③定义误差：由于对被测量的定义不够明确而形成的误差④理论误差：由于测量理论本身不够完善、而只能进行近似的测量所引起的误差。⑤环境误差：由于测量仪表工作环境(温度、气压、湿度等)不是仪表校验时的标准状态，而是随时间在变化，从而引起的误差。⑥安装误差：由于测量仪表的安装或放置不正确所引起的误差。⑦个人误差：个人误差是指由于测量者本人不良习惯或操作不熟练所引起的误差。17/21第1章传感器与检测技术基础3）系统误差的发现(a)恒定系差的检验:无法通过数据处理方法判断，只能用高一级仪表发现。(b)未定系差的发现①剩余误差观察法。根据测量数据的各个剩余误差大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。设共n次测量，第i次测量的值为xi11,niiiixxvxxn18/21第1章传感器与检测技术基础3)系统误差的发现②剩余误差校核法线性系统误差判断（马利科夫判据）设共n次测量，第i次测量的值为xi11,niiiixxvxxn将前K个剩余误差相加，后n-k个剩余误差相加。当n为偶数时，k=n/2;当n为奇数时，k=(n+1)/211kniiiikvv当显著不为零时，可以认为存在线性系统误差19/21第1章传感器与检测技术基础3)系统误差的发现②剩余误差校核法周期性系统误差判断（阿贝-赫梅特准则）设共n次测量，第i次测量的值为xi11,niiiixxvxxn212112,11,niiiivuvvnun若可以认为存在周期性系统误差20/21第1章传感器与检测技术基础例：等臂天平称重---左右两臂长的微小差别---恒值系统误差①换位法/替代法/抵消法4)系统误差的消除例：千分尺---空行程（刻度变化，量杆不动）---恒值系统误差②差动法被测量对传感器起差动作用干扰因素起相同作用---被测量的作用相加---干扰的作用相减抑制干扰提高灵敏度和线性度作用：21/21第1章传感器与检测技术基础4)系统误差的消除③半周期偶数观测法（消除周期性系统误差）两次测量所得的周期系统误差---数值相等、正负相反---取平均值例：仪器的安装偏心④对称观测法（消除线性系统误差）例：测量平面度正向：12345反向：54321正反向平均22/21随机误差1)随机误差的分布特性第1章传感器与检测技术基础在相同测量条件下多次测量同一物理量，其误差没有固定的大小和符号，呈无规律的随机性，此类误差称为随机误差。正态分布（高斯分布）---大多数；均匀分布---量化误差、舍入误差；)(P00xxxx为单次测量值，为真值222222)(hehePdedPF22221)()(23/211）随机误差的分布特性①对称性：绝对值出现正误差和负误差的概率相等。②单峰性：只有一个峰值，峰值就是概率密度函数的极大值。③互抵性：对一系列等精度的n次测量，当n→+∞时，各次测量的随机误差δi(i=1，2，…，n)的代数和趋于零。④有界性：绝对值很大的误差出现的概率趋近于零，即误差的绝对值实际上不会超过某个限值。用处：判断粗大误差第1章传感器与检测技术基础0110()0limlimnniinniixx24/21第1章传感器与检测技术基础数学期望（Expectation）标准偏差（Standarddeviation）-KK0101[]()01limlimninininiExxxxn21limniinn确定真值反映随机误差的集中程度（精密度），不能反映任意一次测量的随机误差δ注意：上述计算都是在无限次测量条件（可以获得真值x0）条件下获得。当有限次测量（真值和算术平均值存在误差），如何计算？25/212）有限次测量条件下的标准差（贝塞尔公式）设n次等精度测量的测得值为x1,x2,…,xn。各测得值xi的剩余误差(残差)vi为11,niiiivxxxxn其中：211niivn第1章传感器与检测技术基础110100iiinnnxxxxvxxxxxvxxxxxvx111222221111/2nnniiiiiinnnniiiiiiiivnxxnvnxnvvnx222221111//2/0nnniiijiiijnijijxnnnn适量大，反映的是有限次测量条件下，任意一次测量的精密程度26/213）算术平均值的标准差如果在相同条件下，对同一被测量进行多组重复测量。则对任意一组的重复测量，可以获得一个算术平均值。由于随机误差的存在，各组计算的算术平均值也不相同，它们围绕被测量真值有一定分散。其分散程度用算术平均值的标准差表示。21(1)niixvnnn第1章传感器与检测技术基础n,x算术平均值的标准差是单次测量标准差的1/当测量次数越大时，越接近与真值。27/214）测量的极限误差第1章传感