1、第1章 测量与传感器 1.1 测量与测量误差 1.2传感器 1.3思考题第1章 测量与传感器1.1.1 测量 测量是人们借助于专门设备，通过一定的技术手段和方法,对被测对象收集信息、取得数量概念的过程。它是一个比较过程，即将被测量与和它同性质的标准量进行比较，获得被测量为标准量的若干倍的数量概念。传感器获取被测对象的参数，也是一种测量。测量结果可以是一定的数字，也可以是某种图线。但无论其形式如何，测量结果总包含有两部分：即大小（包括符号的正、负）及相应的单位。测量结果不注明单位，则该结果无意义。测量是一个过程，它包括比较、平衡、误差和读数，这一过程的核心是比较。此外，还必须进行一定的变换。因为
2、人们的感官能直接给出定量概念的被测量不多，绝大多数的被测量都要变换为某一个中间变量，然后才能给出定量的概念。因此，必须用传感器将模拟量变换成为标准电量（电压或电流），再经A/D转换器送入计算机中。1.1 测量与测量误差测量与测量误差第1章 测量与传感器 测量的目的就是求取被测量的真值。所谓真值是指在一定的客观条件下，某物理量确切存在的真实值。但是，真值是永远无法获得的。因为在测量中会不可避免地产生各种误差，这是由于测量设备、测量方法和手段以及测量者本身因素的影响，而且是无法克服的影响。例如，在测量温度时，热量可以通过温度传感器从被测物体上传导出来，这样，将导致温度的下降。因此，测量结果并未反映
3、出被测对象的真实面貌，而仅仅是一种近似值。第1章 测量与传感器1.1.2 测量误差 测量结果偏离真值的大小是由测量误差来衡量的，测量误差的大小反映了测量结果的好坏，即测量精度的高低。因此，为了使测量结果更接近真值，提高测量的精确度，有必要讨论一下误差产生的原因、种类，以便在测量过程中想办法减小误差，提高测量的精确度。造成测量误差的原因是多方面的，表示误差的方法也是多种多样的。第1章 测量与传感器1绝对误差和相对误差 误差可以用绝对误差和相对误差来表示。绝对误差用表示，它是指某一物理量的测量值Ax与真值A0之间的差值，即=Ax-A0。由于真值是无法求得的，所以常常用基准器的量值代表真值，叫做约定
4、真值，其与真值之差可以忽略不计。为了使用方便，有时用“真值”这个词来代替“约定真值”。绝对误差是有量纲的。有时绝对误差不足以反映测量值偏离真值的程度，为了说明测量精确度的高低，引入了相对误差这一概念。相对误差常用百分比的形式来表示，一般多取正值。相对误差有以下几种。第1章 测量与传感器（1）实际相对误差gA：实际相对误差gA是用绝对误差D测量实际值（即真值）A0的百分比表示，即 gA （2）示值（标称）相对误差gx：示值相对误差gx是用绝对误差与被测量的仪器示值Ax的百分比值来表示的相对误差值，即%1000Ax100%Agx 第1章 测量与传感器（3）满度（引用）相对误差gm：满度（引用）相对
5、误差gm是用绝对误差D仪器的满度值Am的百分比表示的相对误差，即%100mAgm 在上式中，当取最大值时，若仪表的下限为零（Amin=0），满度相对误差gm常用来确定仪表的精度等级S，即100mmAS若仪表的下限不为零（Amin0），则有100minmaxmAAS第1章 测量与传感器 精度等级S规定取一系列标准值。在我国电工仪表中常用的精度等级有以下七种：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。仪表的精度从仪表面板上的标志就可以判断出来。通常可以根据精度等级S以及仪表的量程范围，推算出该仪表在测量过程中可能出现的最大绝对误差，从而正确选择适合测量要求的仪表。第1章 测量与传感器
6、【例1】现有0.5级的（0400）的和1.5级的（0100）的两个温度计，要测量50的温度，应采用哪一个温度计较好？解：当用0.5级的温度计测量时，可能出现的最大示值相对误差为%100 x1mA400 0.5%100%50%4gm 若用1.5级的温度计测量时，可能出现的最大示值相对误差为%100 x2mA%10050%5.1100%3gm 经过计算得出，使用1.5级的温度计测量时，其示值相对误差比使用0.5级温度计测量时的示值相对误差小，因而更为合适。由此可知，在选用仪表时，应兼顾精度等级和量程。根据经验通常，希望示值落在仪表满度值的2/3附近。第1章 测量与传感器2粗大误差、系统误差和随机误
7、差 （1）粗大误差（Gross error）：粗大误差也称过失误差，是指那些明显偏离真值的误差。造成粗大误差的原因主要是由于测量人员的粗心大意或电子测量仪器突然受到强大的干扰而引起的，例如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等因素而造成的误差。从数值的大小而言，粗大误差明显地超过在正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以排除。第1章 测量与传感器（2）系统误差（Systematic error）：系统误差也称装置误差，是指服从某一确定规律的误差。它反映了测量值偏离真值的程度。按照误差表现的特点，系统误差可分为恒值误差和变值误差两大类。误差值不变的称为恒值误差。例如，由于刻度盘分度差错或刻度盘
8、移动而使仪表的刻度产生误差，就属于该类型。其余大部分的附加误差都归属于变值误差。例如，由于环境温度波动而使电源电压出现波动、电子元件老化、机械零件变形移位、仪表零点的漂移等均属此类。总之，系统误差的特征是，系统误差具有一定规律性，其产生原因具有一定的可知性。因此，应尽可能预先了解各种系统误差的成因，并设法消除其影响。通常可以通过实验的方法或引入修正值的方法予以修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件来消除该误差。在一个测量系统中，测量的准确度通常由系统误差来表征，系统误差越小，则表明测量的准确度越高。第1章 测量与传感器（3）随机误差（Random error）：同一测量条件下，多次对同一被测量
9、进行测量，有时会发现测量值时大时小，具有一定的随机性，这种误差即为随机误差，也称为偶然误差。随机误差是一种服从大多数统计规律的误差，虽然某个误差的出现是随机的，但就误差的整体而言，它具有一定的规律性。随机误差的产生是由很多影响量的微小变化的总和所造成的，难以具体分析。但对其总和可用统计规律描述。随机误差的大小通常用精密度来表示。随机误差越大，测量的精密度越低，而随机误差越小，测量的精密度就越高。通常我们可以对同一被测量进行等精度的多次测量，对其结果取平均值以减小随机误差。第1章 测量与传感器3静态误差和动态误差（1）静态误差（Static error）：被测量不随时间变化时所得到的误差称为静态
10、误差。前面讨论的误差，大多数属于静态误差。（2）动态误差（Dynamic error）：当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差即为动态误差。动态误差是由于测量系统（或仪表）存在着各种惯性，使其对输入信号的变化响应滞后，或输入信号中不同的频率成分在通过测量系统时，受到不同的衰减和延迟而造成的误差，它的大小为动态测量和静态测量时所得误差的差值。第1章 测量与传感器1.1.3 测量方法测量方法多种多样，分类的方法也各不相同。例如，根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量与动态测量；根据测量的手段不同，可分为直接测量与间接测量；根据测量时与被测对象的接触与否
11、，可分为接触式测量和非接触式测量；为了监视生产过程，可在生产线上随时监视产品质量的测量称为在线测量，反之称为非在线测量；根据被测量读数方法的不同，又可分为偏差法测量、零位法测量、微差法测量。第1章 测量与传感器1直接测量与间接测量（1）直接测量：使用事先经过标定的有分度的仪表对被测量进行测量，从而得出被测量的数值，这种测量方法称为直接测量。直接测量既可以采用直接比较法，把同一种物理量的被测量与标准量直接进行比较；也可以采用间接比较法，把被测量变换为能够与标准量直接比较的物理量，然后再进行比较。在电测技术中有很多采用直接比较法的实例，而非电量电测技术中全部采用间接比较法进行测量。例如在应变式测力
12、计中，先由弹性体把力变换为形变，再由应变计将形变变换为电阻值的变化，然后与标准电阻相比较。测量时应当由标准测力计标定分度。第1章 测量与传感器（2）间接测量：所谓间接测量是指通过对若干个与被测量有确定的函数关系的物理量进行直接测量，然后再通过代表该函数关系的公式、曲线或表格求出未知量的测量方法。在现代测量中，一般通过检测元件检测出被测量，然后再通过信息处理部件（运算放大器或微处理器）来进行数据分析处理，最终得到未知被测量的值。间接测量随着现代测量技术的发展得到了越来越广泛的应用。第1章 测量与传感器2偏差法、零位法和微差法测量（1）偏差法测量：在测量过程中，被测量作用于测量仪表的比较装置（指针
13、），使该比较装置产生偏移，这种利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示被测量数值的测量方法，称为偏差法测量。在使用该测量方法时，必须事先用标准量具对仪表刻度进行校正。显然，采用偏差法测量的仪表内不包括标准量具。例如，使用弹簧秤测量物体的质量，用磁电式电压表测量电压等，都属于直接用指针偏移的大小来表示被测量的偏差法测量。偏差法测量容易产生灵敏度漂移和零点漂移。例如，日久天长，随着弹簧的弹性系数的变化，弹簧秤的读数产生偏差。所以，必须定期对偏差式仪表进行校验和校正。偏差法测量虽然过程简单、迅速，但由于刻度的精确度不能做得很高，因而其测量精度一般不高于0.5。第1章 测量与传感器（2）零位法测
14、量：在测量过程中，被测量作用于测量仪表的比较装置，利用指零机构的作用，使被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构的示值为零来确定被测量的值指示该已知标准量的值。这种测量方法称为零位法测量。在使用零位法测量的仪表中，标准量具是装在测量仪表内的，可以通过调整标准量来进行平衡操作，当两者相等时，用指零仪表的零位来指示测量系统的平衡状态。第1章 测量与传感器 例如，用天平来测量物体的质量，用自动平衡电位差计测量电压，是零位法测量的典型实例。图1-1是自动平衡电位差计原理图。当有被测电压Ux出现并接入系统，放大器有电压输出，这个电压会使电动机有转速输出，通过传动机构带动电刷移动，从而改变UR大小，在
15、某一时刻会出现放大器的两输入电压相同，放大器输出为零，电动机停转，电刷停止在一个固定的位置，此时的被测电压就等于标准电压UR。上述的测量过程就是零位法测量。在零位法测量中，测量结果的误差主要取决于标准量的误差，因此测量精度较高，但平衡过程比较复杂，多用于缓慢信号的测量。第1章 测量与传感器（3）微差法测量：微差法测量是偏差法和零位法测量的综合应用。在测量时，被测量的绝大部分都被用零位法测量的比较装置的标准量所抵消，其剩余部分，即两者的差值再用偏差法来测量。钢板厚度测量仪原理图如图1-2所示。标准厚度钢板产生的电压，作为标准电压UR，当有被测钢板出现时，经过信号处理电路得到的电压Ui作为被测电压
16、。两者接入差动放大电路的不同输入端，如果钢板厚度与标准厚度相同，放大电路输出电压为零，如果厚度不同，将输出极性不同、大小不等的电压信号，极性反映的是被测钢板厚度比标准厚度是大还是小。使用微差法测量的仪表在使用时要定期用标准量来校正，以保证其测量精度。第1章 测量与传感器图1-1 自动平衡电位差计原理图1滑线电阻；2电刷；3指针；4刻度尺；5传动机构；6检零放大器；7伺服电动机第1章 测量与传感器图1-2 钢板厚度测量仪原理图1被测钢板；2放射性物质；3铅盒；4射线；5射线探测器；6差动放大器；7指示仪表第1章 测量与传感器1.2 1.2 传感器传感器1.2.1 传感器的定义、组成和分类 对于一
17、个测量系统，它所测量的各种物理量，其形式是不一样的，可以是机械量、电磁量、热工量、光学量，但不论是哪种物理量，它们都可以分为模拟量和数字量两大类。传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出，如电压、电流、频率等信号。这一定义包含以下方面。（1）传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务；（2）它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量；（3）它的输出量是经转换后的电量信号，且有一定的对应关系和转换精度。第1章 测量与传感器 传感器是由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成的。其中敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件，通过它可以将被测量
18、转换成为与之有确定关系的、便于转换的非电量信号。该信号再通过传感元件，被转换为电参量。测量转换电路的作用就是将传感元件输出的电参量再转换成易于处理的电压、电流或频率量。应当注意的是，不是所有的传感器都有敏感元件和传感元件之分，有些传感器则将两者合二为一。图1-3是传感器组成原理框图。图1-3 传感器组成原理框图第1章 测量与传感器 敏感元件与传感元件在结构上常装在一起。为了减小外界对转换电路的影响，也希望它们装在一起，但限于空间结构，转换电路常装入单箱内。在转换电路后面，往往还有信号的放大、处理、显示等后续电路，它们通常不包含在传感器的范围之内。图1-4为电位器式气体压力传感器简图。传感器将被
19、测气体压力转换成弹簧管自由端的位移，电位器将位移转换成电阻值的变化，通过测量电路再转换成电压的输出。这里的弹簧管就是敏感元件，电位器就是传感元件，同时它又是转换电路的一部分。图1-4 电位器式气体压力传感器简图1弹簧管；2电位器第1章 测量与传感器 测量气体压力，还可以用下面的传感器，如图1-5所示为电感式气体压力传感器结构简图。膜盒2的下半部与壳体1相连，上半部通过连杆与磁心相连，磁心4置于两组线圈3中，线圈通过导线连接于转换电路5。其中，膜盒是敏感元件，它能将被测气体压力转换成膜盒中心的位移，通过连杆将此位移作用于磁心上，磁心与线圈组成的是电感传感器，它是一个传感元件。因而，膜盒的位移使传
20、感器的自感L变化，并通过转换电路输出电压。利用传感器可以对多种物理量进行检测，相同的被测量又有不同的测量方法，而不同的传感器又是由不同的工作原理制造出来的。为了便于全面了解传感器的性能与结构，下面将介绍几种不同的传感器分类方法。第1章 测量与传感器图1-5 电感式气体压力传感器结构简图1壳体；2膜盒；3线圈；4磁心；5转换电路第1章 测量与传感器1按传感器输出量的性质分类按传感器输出量的性质分类，传感器可以分为：（1）参数传感器：如触点传感器、电阻传感器（电位器、热敏电阻、光敏电阻、气敏电阻、压敏电阻等传感器）、电感传感器（自感、差动变压器、压磁、涡流等传感器）、电容传感器、气动传感器等；（2
21、）光电传感器：如光电池、压电传感器、磁电传感器、热电偶、霍尔传感器等；（3）脉冲传感器：如光栅、磁栅和感应同步器等；（4）特殊传感器：如超声波探头，电磁检测装置等。第1章 测量与传感器2按被测量的性质分类按被测量的性质分类，传感器可以分为机械量传感器（几何尺寸、几何形状、力、速度、加速度、振动、光洁度、产品计数等传感器）、热工量传感器（温度、温差、压力、流量、气体成分等传感器）、探伤传感器等。3按传感器的结构分类按传感器的结构分类，传感器可以分为：直接传感器、差动传感器、补偿传感器等。第1章 测量与传感器1.2.2 1.2.2 传感器的特性传感器的特性传感器的特性一般是指传感器的输入、输出特性
22、，它有静态和动态之分。传感器动态特性的研究方法与控制理论中介绍的相似，故不再重复。下面仅介绍被测物理量处于稳定状态时的静态特性的性能指标。第1章 测量与传感器（1）灵敏度（Sensitivity）：是指在稳定状态下，传感器的输出量变化值与引起此变化的输入量变化值之比，用K来表示xyxyKdd式中，x为输入量；y为输出量；K为灵敏度。对于线性传感器来讲，灵敏度为一常数；对于非线性传感器，灵敏度是随输入量的变化而变化的。图1-6是传感器输出特性与灵敏度的关系曲线。从输出特性曲线上看，曲线越陡，则灵敏度越高，通过作该曲线切线的方法可以求得曲线上任一点处的灵敏度。图1-6 传感器输出特性与灵敏度关系曲
23、线第1章 测量与传感器（2）分辨率（Resolution）：是指传感器能检测出的被测信号最小变化量。当被测信号的变化量小于分辨率时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般都可以认为该仪表的最后一位所表示的数值即为该仪表的分辨率，有时也可以认为是它的最大绝对误差。（3）线性度（Linearity）：又称为非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差和传感器满量程输出的百分比，即式中，rL为线性度；Lmax为传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差；ymax为传感器最大量程；ymin为传感器最小量程。%100minmaxmaxLyyLr第1章 测
24、量与传感器图1-7是传感器线性度示意图。拟合直线是指与传感器实际输出特性最相近的一条直线，通常这条直线要用计算机去寻找。为了计算方便，可以用传感器实际输出特性两端点的连线来代替，这条连线称为端基理论直线。一般传感器的线性度越小越好。图1-7 传感器线性度示意图 1传感器正向特性；2传感器反向特性；Hmax正向特性与反向特性的最大差值 第1章 测量与传感器（4）迟滞（Hysteresis）：是指传感器正向特性与反向特性的不一致程度，通常用H来表示。它也称为迟滞系数%10021minmaxmaxHyyL一般希望迟滞H越小越好，传感器迟滞特性示意图如图1-8所示。图1-8 传感器迟滞特性示意图 1拟
25、合直线；2实际特性曲线；Lmax实际特性与拟合直线间的最大偏差第1章 测量与传感器思考题思考题1.1 什么是测量？测量为什么会带来误差？举例说明绝对误差不能真正反映测量结果的好与坏。1.2 现有一个1.5级的万用表，量程有10V挡和15V挡两挡，要测8V电压，应选哪个量程？为什么？1.3 已知一压力计测量范围为（010）MPa，输出特性为Uo=1+0.5p-0.02p2。计算它的灵敏度.。1.4 有一温度计，精度为0.5级，量程为-50150。如测量100的温度，可能出现的示值相对误差是多少？1.5 数字式测量传感器的分辨率和什么有关系？1.6 图1-9是射击弹着点示意图，试分析各包含哪些误差？设想各由哪些原因造成？(a)着点一 (b)着点二 (c)着点三 图1-9 射击弹着点示意图1.7 一测量仪表，示值下限为零时，若绝对误差取最大值，仪表的精度与满度相对误差的关系是什么？若为1.0级表时，它的满度相对误差为多少？
