new传感器项目1

项目1传感器误差与特性分析学习目标技能目标能对测量数据进行分析整理能根据实际使用条件选择适合的传感器知识目标掌握测量误差的分类及一般计算方法掌握传感器的定义及组成理解传感器的基本特性及相应指标了解传感器未来发展趋势项目1传感器误差与特性分析项目1传感器误差与特性分析任务1检测结果的数据整理测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与作为单位的标准量进行比较，以确定被测量是标准量的多少倍数的过程。所得的倍数就是测量值，其大小可以用数字、曲线或图形表示，测量结果包括数值大小和测量单位两部分。1.1.1测量与测量方法知识链接项目1传感器误差与特性分析项目1传感器误差与特性分析在自动化领域中，检测的任务不仅是对成品或半成品的检验和测量，而且为了检查、监督和控制某个生产过程或运动对象并使之处于给定的最佳状态，需要随时检查和测量各种参量的大小和变化等情况。项目1传感器误差与特性分析图1.1电炉控制系统项目1传感器误差与特性分析1．电测法和非电测法电测法在现代测量中被广泛采用。电测法是指在检测回路中含有测量信息的电信号转换环节，可以将被测的非电量转换为电信号输出。电测法可以获得很高的灵敏度和精确度，输出信号可实现远距离传输，便于实现测量过程的自动化、数字化和智能化。项目1传感器误差与特性分析2．直接测量和间接测量直接测量是用预先标定好的测量仪表直接读取被测量的测量结果。如用万用表测量电压、电流、电阻等，简单且快速。间接测量则需要先测出中间量，利用被测量与中间量的函数关系再计算出被测量的数值，过程较为复杂。项目1传感器误差与特性分析3．静态测量和动态测量根据被测量是否随时间变化，将测量方法分为静态测量和动态测量。静态测量是测量不随时间变化或变化很缓慢的物理量；动态测量则是测量随时间变化的物理量。项目1传感器误差与特性分析4.接触式测量和非接触式测量根据测量时是否与被测对象相互接触而划分为接触式测量和非接触式测量。5.模拟式测量和数字式测量模拟式测量是指测量结果可根据仪表指针在标尺上的定位进行连续读取的方法；数字式测量是指测量结果以数字的形式直接给出的方法。项目1传感器误差与特性分析1．绝对误差绝对误差x是指测量值x与真值L0之间的差值。1.1.2测量误差及其表示方法0xxL实际真值L代替，即用被测量多次测量的平均值或上一级标准仪器的测量值。xxL（1.1）（1.2）绝对误差是一个有符号、大小、量纲的物理量，它只表示测量值与真值之间的偏离程度和方向，而不能说明测量质量的好坏。项目1传感器误差与特性分析2．相对误差（1.3）相对误差常用百分比来表示，一般多取正值。相对误差可分为实际相对误差、示值（标称）相对误差和最大引用（相对）误差等。（1）实际相对误差实际相对误差是用测量值的绝对误差x与其实际真值L的百分比来表示的相对误差，即100%xL项目1传感器误差与特性分析（1.4）（2）示值（标称）相对误差示值（标称）相对误差是用测量值的绝对误差x与测量值x的百分比来表示的相对误差，即%100xxx（3）引用（相对）误差引用（相对）误差是指测量值的绝对误差x与仪器量程Am的百分比。引用误差的最大值叫做最大引用（相对）误差，即m%100||mmx=（1.5）项目1传感器误差与特性分析最大引用误差又称满度（引用）相对误差或仪表的基本误差，是仪表的主要质量指标。基本误差去掉百分号（%）后的数值定义为仪表的精度等级，规定取一系列标准值，通常用阿拉伯数字标在仪表的刻度盘上，等级数字外有一圆圈。精度等级数值越小，测量精确度越高，仪表价格越贵。表1.1仪表的精度等级和基本误差精度等级0.10.20.51.01.52.54.05.0基本误差0.1%0.2%0.5%1.0%1.5%2.5%4.0%5.0%项目1传感器误差与特性分析【例1】某温度计的量程范围为0～500℃，校验时该表的最大绝对误差为6℃，试确定该仪表的精度等级。解：根据题意知6℃，500℃，代入式中该温度计的基本误差介于1.0%与1.5%之间，从表1.1中可知，因此该表的精度等级应定为1.5级。mx||m%2.1%1005006%100||mmmAx项目1传感器误差与特性分析【例2】工艺要求检测温度指标（300±6）℃，现拟用一台0～500℃温度表测量，试选择该表的精度等级。解：根据式（1.5）得若选择1.5级的温度表，对应的|Δx|m=7.5℃，显然不能满足工艺要求，因此这里选择1.0级的温度表。通过上述两例可以看出，校验仪表时确定精度等级与根据工艺要求选择仪表精度等级是有区别的，在实际中应注意。%2.1%1005006%100||mmmAxmx项目1传感器误差与特性分析1.1.3测量误差的分类及来源按误差表现的规律划分为系统误差、随机误差、粗大误差和缓变误差。1.系统误差：对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不变或者按照一定规律变化，这种误差称为系统误差。（1）系统误差的分类按照所表现出来的规律，通常把系统误差划分为四类。项目1传感器误差与特性分析①固定不变的系统误差：指在重复测量中，数值大小和符号均不变的系统误差。②线性变化的系统误差：是指随着测量次数或时间的增加，数值按照一定比例而不断增加（或减少）的系统误差。③周期性变化的系统误差：是指数值和符号循环交替、重复变化的系统误差。④复杂规律变化的系统误差：是指既不随时间做线性变化，也不做周期性变化，而是按照复杂规律变化的系统误差。线性、周期性或复杂规律变化的系统误差统称为变值系统误差。项目1传感器误差与特性分析（2）系统误差的发现①实验比对法。用多台同类或相近的仪表对同一被测量进行测量，通过分析测量结果的差异来判断系统误差是否存在。②残余误差观察法。将一个测量列的残余误差pi（测量值与测量值平均值之差）在pi—n坐标中依次连接后，通过观察误差曲线即可以判断有无系统误差的存在。项目1传感器误差与特性分析③准则判别法。有许多准则可以方便地判断出系统误差的存在，如马利科夫准则可以判断测量列中是否存在线性变化系统误差；阿贝-赫梅特准则可以判断测量列中是否存在周期性变化系统误差等。图1.2pi—n示意图项目1传感器误差与特性分析（3）系统误差的减小和消除方法①替代法。在测量条件不变的基础上，用标准量替代被测量，实现相同的测量效果，从而用标准量确定被测量。此法能有效地消除检测装置的系统误差。②零位式测量法。测量时将被测量x与其已知的标准量A进行比较，调节标准量使两者的效应相抵消，系统达到平衡时，被测量等于标准量。③补偿法。在传感器的结构设计中，常选用在同一干扰变量作用下所产生的误差数值相等而符号相反的零部件或元器件作为补偿元件。例如热电偶冷端温度补偿器的铜电阻。项目1传感器误差与特性分析④修正法。仪表的修正值已知时，将测量结果的指示值加上修正值，就可以得到被测量的实际值。此法可削弱测量中的系统误差。⑤对称观测法（交叉读数法）。许多复杂变化的系统误差，在短时间内可近似看做线性系统误差。在测量过程中，合理设计测量步骤以获取对称的数据，配以相应的数据处理程序，从而得到与该影响无关的测量结果。这是消除线性系统误差的有效方法。⑥半周期偶数观测法。周期性系统误差的特点是每隔半个周期所产生的误差大小相等、符号相反。项目1传感器误差与特性分析2．随机误差对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化、不可预知，这种误差称为随机误差。（1）随机误差的统计特性随机误差就单次测量而言是无规律的，其大小、方向均不可预知，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但当测量次数无限增加时，该测量列中的各个测量误差出现的概率密度分布服从正态分布，即项目1传感器误差与特性分析222)(21)(xexf图1.1随机误差的正态分布曲线（1.6）正态分布的随机误差具有：对称性、单峰性、有界性、抵偿性等特征。项目1传感器误差与特性分析（2）随机误差的估计标准误差nLxnxniini12012)()(11)(1212npnxxniiniis贝塞尔公式（1.7）（1.9）算术平均值1211nniixxxxxnn（1.8）项目1传感器误差与特性分析置信区间或置信限：[k,k]，置信系数为k，误差落在确定区间[k,k]的置信概率P。k=1时，P{|x|≤}=68.62%k=2时，P{|x|≤2}=95.44%k=3时，P{|x|≤3}=99.73%。算术平均值的标准误差对于一个等精度的、独立的、有限的测量列来说，在没有系统误差和粗差的的情况下，它的测量结果通常表示为：n3xx)73.99(00P（1.11）（1.12）项目1传感器误差与特性分析3．粗大误差测量结果明显偏离其实际值时所对应的误差称为粗大误差或疏忽误差，又叫过失误差。含有粗大误差的测量值称为坏值。误差理论剔除坏值的基本方法是首先给定一个置信概率并确定一个置信区间，凡超出此区间的误差即认为它不属于随机误差而是粗大误差，应将该粗大误差所对应的坏值予以剔除。常用的拉依达准则（3准则）规定：凡是随机误差大于3的测量值都认为是坏值，应予以剔除。项目1传感器误差与特性分析4．缓变误差数值随时间而缓慢变化的误差称为缓变误差，主要是由于测量仪表零件老化、失效、变形等原因造成的。这种误差在短时间内不易察觉，但在较长时间后会显露出来。通常可以采用定期校验的方法及时修正缓变误差。项目1传感器误差与特性分析任务与实施【任务】用温度传感器对某温度进行12次等精度测量，测量数据（℃）如下：20.46、20.52、20.50、20.52、20.48、20.47、20.50、20.49、20.47、20.49、20.51、20.51要求对该组数据进行分析整理，并列写出最后的测量结果。【实施方案】数据处理一般采取的步骤如下：项目1传感器误差与特性分析1.记录填表将测量数据xi(i=1、2、3、………n)按测量序号依次列在表格的第1、2列中，如表1.2所示。2.计算①求出测量数据列的算术平均值，填入表1.2第1列的下面。②计算各测量值的残余误差，并相应列入表1.2中的第3列。x493.2092.24512112111211iiniixxnxxxpii项目1传感器误差与特性分析当计算无误时，理论上有，但实际上，由于计算过程中四舍五入所引入的误差，此关系式往往不能满足。本例中③计算值并列在表1.2第4列，按贝塞尔公式计算出标准误差后，填入本列下面。0004.0121iip01niip2ip421068.44ip02.0111068.44141212npii02.0111068.44141212npii项目1传感器误差与特性分析3.判别坏值根据拉依达准则检查测量数据中有无坏值。如果发现坏值，应将坏值剔除，然后从第2步重新计算，直至数据列中不存在坏值。如果无坏值，则继续步骤4。采用拉依达准则检查坏值，因为，而所有测量值的剩余误差均满足，显然数据中无坏值。421068.44ip02.0111068.44141212npii06.03ip3||ip项目1传感器误差与特性分析4.列出最后测量结果①在确定不存在坏值后，计算算术平均值的标准误差。②写出最后的测量结果：，并注明置信概率。因此最后的测量结果写成006.01202.0n3xx018.0006.033018.0493.20x)7.99(00P(℃)项目1传感器误差与特性分析任务2传感器特性分析与传感器选用1．传感器的组成传感器就是能够感觉外界信息，并能按一定规律将这些信息转换成可用的输出信号的器件或装置。传感器的输入量通常指非电量，如物理量、化学量、生物量等；而输出量是便于传输、转换、处理、显示的物理量，主要是电量信号。1.2.1传感器的组成及其分类知识链接