传感器与检测技术第3版谢志萍01.docx
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传感器与检测技术第3版谢志萍01
在科学实验和工业生产中，为了及时了解实验进展情况、生产过程情况以
及它们的结果，人们需要经常对一些物理量，如电流、电压、温度、压力、流量、液位等参数进行测量，这时人们就要选择合适的测量装置，采用一定的检测方法进行测量。
测量是人们借助于专门的设备，通过一定的方法，对被测对象收集信息、取得数据概念的过程。
为了确定某一物理量的大小，就要进行比较，因此,有时也把测量定义为“将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量倍数的过程”。
如用兀表示被测量，/X丿表示被测量的数值（即比值，含测量误差），A7表示标准量，即测量单位，则上述定义用数学公式表示为：
兀={X}[X]
1.1.2测量方法
1.直接测量、间接测量与组合测量
（1）直接测量。
用事先分度或标定好的测量仪表，直接读取被测量值的方法称为直接测量。
例如，用电磁式电流表测量电路的某一支路电流、用电压表测量电压、用温度计测量温度等，都属于直接测量。
直接测量是工程技术中大量采用的方法，其优点是测量过程简单而又迅速，但不易达到很高的测量精度。
（2）间接测量。
首先对与被测量有确定函数关系的几个量进行测量,然后再将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需结果，这种测量方法称为间接测量。
例如，在测量直流功率时，根据，先对U和/进行直接测量，再计算出功率P。
间接测量测量手续多，花费时间较长，一般用在直接测量不方便或没有相应直接测量仪表的场合
（3）组合测量。
若被测量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果，则这种测量方法称为组合测量。
组合测量是一种特殊的精密测量方法，操作手续复杂，花费时间长，多用于科学实验等特殊场合。
2.等精度测量与不等精度测量
用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量，称为等精度测量。
用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量称为非等精度测量。
3.偏差式测量、零位式测量和微差式测量
（1）偏差式测量。
在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量值，这种测量方法称为偏差式测量。
仪表上有经过标准量具校准过的标尺或刻度盘。
在测量时，利用仪表指针在标尺上的示值，读取被测量的数值。
偏差式测量简单、迅速，但精度不高，这种测量方法广泛应用于工程测量中。
（2）零位式测量。
用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表来检测测量系统的平衡状态，从而判定被测量值等于已知标准量的方法称为零位式测量。
用天平测量物体的质量、用电位差计测量未知电压都属于零位式测量。
在零位式测量中，标准量是一个可连续调节的量，被测量能够直接与标准量相比较，测量误差主要取决于标准量具的误差，因此可获得较高的测量精度。
另外，指零机构愈灵敏，平衡的判断愈准确，愈有利于提高测量精度。
但这种方法需要平衡操作，测量过程复杂，花费时间长，因此不适用于测量迅速变化的信号。
（3）微差式测量。
微差式测量综合了偏差式测量和零位式测量的优点。
它将被测量x大部分作用先与己知的标准量N相比较，取得差值A后，再用偏差法测得此差值，则X=N+z\。
由于△口N,因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量△,即使测量△的精度较低，但因△口x,故总的测量精度仍很高。
例如，测量稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，可采用如图1.1所示的微差式测量方法。
一
1.传感器
传感器是把被测量（如物理量、化学量、生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系，并且容易测量的量（通常为电学量）的装置。
它是一种获得信息的重要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。
2.信号处理电路r
通常传感器输出信号是微弱的，需要由信号处理电路加以放大、调制、解调、滤波、运算以及数字化处理等。
信号处理电路的主要作用就是把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压（或电流）信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构
3.显示装置
（1）模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示被测量数值的大小，如毫伏表、毫安表等，其特点是读数方便、直观，结构简单，价格低廉，在检测系统中一直被大量使用。
但这种显示方式的精度受标尺最小分度限制
而且读数时易引入主观误差。
（2）数字显示是指用数字形式来显示测量值，目前大多采用LED发光数码管或液晶显示屏等，如数字电压表。
这类检测仪器还可附加打印机，打印记录测量数值，并易于计算机联机，使数据处理更加方便。
（3）图像显示是指用屏幕显示（CRT）读数或被测参数变化的曲线，主要用于计算机自动检测系统中。
4.数据处理装置和执行机构
数据处理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱分析等。
随着计算机技术的飞跃发展，微机在自动检测系统中已得到了非常广泛的应用。
微机在检测技术分支领域中的应用主要有：
自动测试仪器及系统、智能仪器仪表和虚拟仪器等。
微机自动测控系统的典型结构如图
r被测控对線
传感犧1—
传感器2►
■
■
传感器na
其他仪器
或系统
数抑采集子系
统及其接口
数据通信子系
统及其接口
微机基本子系统
数据分配子系
统及其接口
—控制
被割试组件
测试信号发生器
■
J英他控制对彖
基本
I/O子
系统及
其接II
示录印
W记打
键盘输入
其他I/O设备
1.2误差的基本概念
1.2.1测量误差
1.绝对误差与相对误差
（1）绝对误差。
绝对误差是指测量值A*与被测量真值A）之间的差值，用§表
在实际使用中被测量真值A。
是得不到的，一般用理论真值或计量学约定真值X。
来代替A。
。
3=Ax-X0
所谓相对误差（用表示）是指绝对误差5与被测量真值X。
的百分比
7=2x100%
X。
在实际测量中，由于被测量真值是未知的，而指示值又很接近真值，因此也可以用指示值久代替真值X。
来计算相对误差。
一般情况下，使用相对误差来说明不同测量结果的准确程度，即用来评定某一测量值的精确度，但不适用于衡量测量仪表本身的质量。
因为同一台仪表可以用来测量许多不同真值的被测量，在整个测量范围内的相对误差不是一个定值。
随着被测量的减小，相对误差变大。
为了更合理地评价仪表质量，采用了引用误差的概念。
如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大值4代替5,则可得到最大引用误差
/On^^XlOO%
1.2误差的基本概念
例1・1有一台测量仪表，测量范围为-200°C~+800°C,准确度为0.5级，现用它测量500°C的温度，求仪表引起的最大绝对误差和相对误差是多少？
解:
仪表量程£=800-（-200）=1000（°C）最大绝对误差：
Qn=0.5%xl000=5（°C）最大相对误差：
丫二』11=梟十100%=1%
4500
1.2误差的基本概念
例1・2已知待测拉力为70N,现有两只测力仪表，一只为0.5级，测量范围为0〜500N；另一只为1.0级，测量范围为0〜100N。
问选用哪一只测力仪表较好？
为什么？
解：
选择正确的测量仪表，要求相对误差要小。
用0.5级仪表测量时，最大相对误差为：
z-SnX100%=5000-5%X100%=3.57%1470
用1.0级仪表测量时，最大相对误差为：
z100%=1^-1^X100%=1.43%
2470
因为人＞/所以选用L0级的较好。
（1）系统误差。
在相同条件下，多次重复测量同一量时，保持恒定、或遵循某种规律变化的误差称为系统误差。
其误差的数值和符号不变的称为恒值系统误差。
按照一定规律变化的，称为变值系统误差。
变值系统误差又可分为累进性的、周期性的和按复杂规律变化的等多种类型。
（2）随机误差。
在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和
符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。
（3）粗大误差。
明显歪曲测量结果的误差称为粗大误差，又称过失误差。
含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。
在实际测量中，由于粗大误差的误差数值特别大，容易从测量结果中发现，一经发现粗大误差,可以认为该次测量无效，坏值应从测量结果中剔除，从而消除它对测量结果的影响。
静态误差是指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本上不变化的测量误差。
以上所介绍的测量误差均属于静态误差。
在被测量随时间变化时进行测量所产生的附加误差称为动态误差。
由于检测系统（或仪表）对动态信号的响应需要一定时间，输出信号来不及立即反应输入信号的量值，加上传感器对不同频率的输入信号的增益和时间延迟不同，因此输出信号与输入信号的波形将不完全一致而造成动态误差。
在实际应用中，应尽量选用动态特性好的仪表，以减小动态误差。
测量实践表明，多数测量的随机误差具有以下特征：
（1）绝对值小的随机误差出现的概率大于绝对值大的随机误差出现的概
（2）随机误差的绝对值不会超出一定界限。
（3）测量次数必艮大时，绝对值相等、符号相反的随机误差出现的概率
相等，当moo时，随机误差的代数和趋近于零。
■•
1.2误差的基本概念
随机误差的上述特征，说明其分布是单一峰值的和有界的，且当测量次数无穷大时，这类误差还具有对称性（即抵偿性），所以测量过程中产生的随机误差服从正态分布规律。
分布密度函数为：
1.2误差的基本概念
式中，5是随机误差，3=x-x0
&为测量值，血为测量值的真值）;b是均方根误差，或称标准误差。
标准误差b可由下式求得：
Hn2
"喇曾r）
BP：
Pj挣2
根据长期的实践经验，人们公认，一组等精度的重复测量值的算术平均值最接近被测量的真值，而算术平均值很容易根据测量结果求得
1.2误差的基本概念
x=1
扭壬/乜+…+£
"/=1
Yl
测量次数〃为有限值时，标准误差的估计值％可由下式计算:
6二
n
i=i
1.2误差的基本概念
标准误差b的大小可以表示测量结果的分散程度。
况下，根据概率分析（具体分析请读者查阅有关著作）它的测量结果
X。
可表示为：
XQ=X±a-（概率P二0.6827）
X0=X±3a-（概率P二0.9973）
X
例1・3等精度测量某电阻10次，得到的测量值为：
167.950、167.60Q
、167.870、16&000、167.820、167.450、167.600、167.880、
167.850、167.60Q,求测量结果。
1.2误差的基本概念
解：
将测量值列于表1・1。
序号
测量值九
残余误差Vi
1
167.95
0.188
0.035344
2
167.60
-0.162
0.026244
3
167.87
0.108
0.011664
4
168.00
0.238
0.056644
5
167.82
0.058
0.003364
6
167.45
-0.312
0.097344
7
167.60
-0.162
0.026244
8
167.88
0.118
0.013924
9
167.85
0.088
0.007744
10
167.60
-0.162
0.026244
1=167.762
别=0
Zvj2=0.304760
测量结果为：
X=167.762土0.051（概率P二0.6827）
或
x=167.762±3x0.051=167.762±0.153（概率P二0.997）
1.2误差的基本概念
2•粗大误差的判别与坏值的舍弃
在重复测量得到的一系列测量值中，首先应将含有粗大误差的坏值剔除后
才可进行有关的数据处理。
误差气二不一兀（i=l,2…，n）,
若某个测
并按贝塞尔公式cr
算出标准误差6
在等精度测量情况下，得到〃个测量值XI、兀2、…、无，先算出其算术平均值7及剩余
量值也的剩余误差叫满足下式:
Va=兀—％〉3b
（1）所用传感器、测量仪表或组成元件是否准确可靠。
例如，传感器或仪表灵敏度不高，仪表刻度不准确，变换器、放大器等性能不太优良，这些都可能引起常见的系统误差。
（2）测量方法是否完善。
例如，我们可以利用电位差计和标准电阻，采用对称测量法来测量未知电阻，如图
一般测量步骤是先测出Rn和Rx上的电压和/,然后按下式计算出Rx的值：
1.2误差的基本概念
LB
（b）
但"n和/的值不是在同一时刻测量的，而电流/随时间有较缓慢的变化，这个变化将给测量带来系统误差。
假设电流/随时间的缓慢变化是与时间成线性关系的，如图
1.2误差的基本概念
如果在…$和三个等间隔的时刻，按照/、人、/的顺序测量，相应的电流变化量是则有：
在九时刻：
Rx上的电压为在丫2时刻：
Rn上的电压为在『3时刻：
Rx上的电压为
解此方程组可得：
U严企r
/=（/-刃心》
U3=（I—2£）Rn,
他+/、
2U2
调好仪表水平位置，仪表指针偏心等都会引起系统误差。
（4）传感器或仪表工作场所的环境条件是否符合规定条件。
例如,
环境温度、湿度、气压等的变化也会引起系统误差。
（5）测量者的操作是否正确。
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