EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术及应用电路项目化教学 EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用课程地位和作用课程地位和作用 课程简介EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用一、一、传感器技术概述传感器技术概述传感器技术简介 “没没有有传传感感器器就就没没有有现现代代科科学学技技术术”的的观观点点已已为为全全世世界界所所公公认认。以以传传感感器器为为核核心心的的检检测测系系统统就就像像神神经经和和感感官官一一样样，源源源源不不断断地地向向人人类类提提供供宏宏观观与与微微观观世世界界的的种种种种信信息息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。成为人们认识自然、改造自然的有力工具。 传传感感器器技技术术作作为为信信息息科科学学的的一一个个重重要要分分支支，与与计计算算机机技技术术、自自动动控控制制技技术术和和通通信信技技术术等等一一起起构构成成了了信信息息技技术术的的完整学科。完整学科。 在在人人类类进进入入信信息息时时代代的的今今天天，人人们们的的一一切切社社会会活活动动都都是是以以信信息息获获取取与与信信息息转转换换为为中中心心，传传感感器器作作为为信信息息获获取取与与信信息息转转换换的的重重要要手手段段，是是信信息息科科学学最最前前端端的的一一个个阵阵地地，是是实现信息化的基础技术之一。实现信息化的基础技术之一。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介一、一、传感器技术概述传感器技术概述EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用一、一、传感器技术概述传感器技术概述传感器技术简介 传传感感器器 感感觉觉，感感知知；传传送送 （Sensor、Transducer）人体系统：人体系统： 人人类类有有五五大大感感觉觉器器官官，即即眼眼、耳耳、鼻鼻、舌舌、皮皮肤肤。通通过过这这些些感感觉觉器官感知外界信息。器官感知外界信息。机器系统：机器系统： 机机器器系系统统中中，传传感感器器是是各各种种机机械械和和电电子子设设备备的的感感觉觉器器官官。感感知知光光、色色、温温度度、压压力力、声声音音、湿湿度度、气味及辐射等。气味及辐射等。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介一、一、传感器技术概述传感器技术概述外外外外界界界界信信信信息息息息感感感感 官官官官人人人人 脑脑脑脑肢肢肢肢 体体体体人人人人 体体体体 系系系系 统统统统传感器传感器传感器传感器计算机计算机计算机计算机执行器执行器执行器执行器机机机机 器器器器 系系系系 统统统统人机系统的机能对应关系人机系统的机能对应关系人机系统的机能对应关系人机系统的机能对应关系“ “机电五官机电五官机电五官机电五官” ”EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器有些性能超过人的感官：传感器有些性能超过人的感官：传感器有些性能超过人的感官：传感器有些性能超过人的感官：（1 1）测量人体无法感知的量）测量人体无法感知的量）测量人体无法感知的量）测量人体无法感知的量（3 3）测量范围宽、精确高、可靠性好）测量范围宽、精确高、可靠性好）测量范围宽、精确高、可靠性好）测量范围宽、精确高、可靠性好（2 2）恶劣环境下工作）恶劣环境下工作）恶劣环境下工作）恶劣环境下工作 例如：例如：例如：例如： 温度传感器：温度传感器：温度传感器：温度传感器：-196 1800-196 1800 压力传感器：压力传感器：压力传感器：压力传感器：0.01 10000kPa0.01 10000kPa 精度：精度：精度：精度：0.1% 0.01%0.1% 0.01% 可靠度：可靠度：可靠度：可靠度：8 9 8 9 级级级级一、一、传感器技术概述传感器技术概述传感器技术简介EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介二、二、传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位n 现代信息技术的三大支柱之一现代信息技术的三大支柱之一现代信息技术的三大支柱之一现代信息技术的三大支柱之一 传感器技术（信息采集）传感器技术（信息采集）传感器技术（信息采集）传感器技术（信息采集） 通信技术通信技术通信技术通信技术 （信息传输）（信息传输）（信息传输）（信息传输） 计算机技术（信息处理）计算机技术（信息处理）计算机技术（信息处理）计算机技术（信息处理） 在在在在信信信信息息息息系系系系统统统统中中中中分分分分别别别别起起起起到到到到 “ “感感感感官官官官” ”、“ “神神神神经经经经” ”和和和和“ “大大大大脑脑脑脑” ”的的的的作用。作用。作用。作用。 n 现代测量与自动控制的首要环节现代测量与自动控制的首要环节现代测量与自动控制的首要环节现代测量与自动控制的首要环节 传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的传感器是信息采集系统的首要部件，计算机的“五官五官”。 没没有有传传感感器器对对原原始始信信息息进进行行精精确确、可可靠靠的的捕捕获获和和转转换换，一一切测量和控制都是不可能实现的。切测量和控制都是不可能实现的。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介二、二、传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位n 衡量国家综合实力的重要标志衡量国家综合实力的重要标志衡量国家综合实力的重要标志衡量国家综合实力的重要标志 传传感感器器与与传传感感器器技技术术的的发发展展水水平平是是衡衡量量一一个个国国家家综综合合实实力力的的重重要要标标志志，也也是是判判断断一一个个国国家家科科学学技技术术现现代代化化程程度度与与生生产产水水平高低的重要依据。平高低的重要依据。 日日本本：传传感感器器技技术术列列为为计计算算机机、通通讯讯、激激光光、半半导导体体、超超导导和和传传感器感器等六大核心技术之一。在等六大核心技术之一。在21世纪技术预测中将传感器列为首位。世纪技术预测中将传感器列为首位。 美美国国：传传感感器器及及信信号号处处理理列列为为对对国国家家安安全全和和经经济济发发展展有有重重要要影影响响的关键技术之一。的关键技术之一。 欧洲：欧洲：传感器技术作为优先发展的重点技术。传感器技术作为优先发展的重点技术。 中国：中国：在国家重点科技项目中，传感器也列在重要位置。在国家重点科技项目中，传感器也列在重要位置。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介二、二、传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位n 传感器技术的应用遍及各个领域传感器技术的应用遍及各个领域传感器技术的应用遍及各个领域传感器技术的应用遍及各个领域 传传传传感感感感器器器器已已已已渗渗渗渗透透透透到到到到宇宇宇宇宙宙宙宙开开开开发发发发、海海海海洋洋洋洋探探探探测测测测、军军军军事事事事国国国国防防防防、环环环环境境境境保保保保护护护护、资资资资源源源源调调调调查查查查、医医医医学学学学诊诊诊诊断断断断、生生生生物物物物工工工工程程程程、商商商商检检检检质质质质检检检检、甚甚甚甚至至至至文文文文物物物物保保保保护护护护等极其广泛的领域。等极其广泛的领域。等极其广泛的领域。等极其广泛的领域。 毫毫毫毫不不不不夸夸夸夸张张张张地地地地说说说说：几几几几乎乎乎乎每每每每个个个个现现现现代代代代化化化化项项项项目目目目，以以以以至至至至各各各各种种种种复复复复杂杂杂杂工工工工程程程程系统，都离不开各种各样的传感器。系统，都离不开各种各样的传感器。系统，都离不开各种各样的传感器。系统，都离不开各种各样的传感器。 传传传传感感感感器器器器技技技技术术术术在在在在发发发发展展展展经经经经济济济济、推推推推动动动动社社社社会会会会进进进进步步步步方方方方面面面面的的的的重重重重要要要要作作作作用用用用，是十分明显的。是十分明显的。是十分明显的。是十分明显的。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介二、二、传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位4D彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑（美联社图片）彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑（美联社图片）EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用信信信信息息息息处处处处理理理理电电电电信信信信电电电电话话话话科科科科技技技技测测测测试试试试设设设设备备备备控控控控制制制制交交交交通通通通控控控控制制制制输输输输电电电电系系系系统统统统机机机机床床床床机机机机器器器器人人人人家家家家用用用用电电电电器器器器照照照照相相相相机机机机汽汽汽汽车车车车飞飞飞飞机机机机船船船船舶舶舶舶气气气气象象象象海海海海洋洋洋洋环环环环境境境境污污污污染染染染医医医医疗疗疗疗防防防防火火火火光光光光能能能能利利利利用用用用热热热热能能能能利利利利用用用用土土土土木木木木建建建建筑筑筑筑农农农农林林林林机机机机械械械械能能能能利利利利用用用用货货货货币币币币金金金金融融融融食食食食品品品品11111155551101101031034747363659598181616127277878343431 3131 314747111111707076769393616126262121242420201414需要量需要量需要量需要量传感器技术的应用领域传感器技术的应用领域传感器技术的应用领域传感器技术的应用领域EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 自动检测与自动控制系统自动检测与自动控制系统自动检测与自动控制系统自动检测与自动控制系统 石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。 造纸造纸木材烘干木材烘干烟草加工烟草加工芯片生产芯片生产化工化工纺织纺织EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 汽车与传感器汽车与传感器汽车与传感器汽车与传感器 传传传传统统统统：行行行行驶驶驶驶速速速速度度度度、距距距距离离离离、发发发发动动动动机机机机旋旋旋旋转转转转速速速速度度度度、燃料剩余量。燃料剩余量。燃料剩余量。燃料剩余量。 安安安安全全全全：安安安安全全全全气气气气囊囊囊囊系系系系统统统统、防防防防盗盗盗盗装装装装置置置置、防防防防滑滑滑滑控控控控制制制制系系系系统统统统、防防防防抱抱抱抱死死死死装装装装置置置置、电电电电子子子子变变变变速速速速控控控控制制制制装装装装置置置置、汽汽汽汽车车车车“ “黑匣子黑匣子黑匣子黑匣子” ”。 环环环环保保保保：排排排排气气气气循循循循环环环环装装装装置、电子燃料喷射装置。置、电子燃料喷射装置。置、电子燃料喷射装置。置、电子燃料喷射装置。 EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用 单单单单能能能能机机机机器器器器人人人人：生生生生产产产产用用用用的的的的自自自自动动动动机机机机械械械械式式式式（加加加加工工工工、组组组组装装装装、检检检检验验验验）。检测臂的位置和角度传感器。检测臂的位置和角度传感器。检测臂的位置和角度传感器。检测臂的位置和角度传感器。隧道凿岩机器人隧道凿岩机器人隧道凿岩机器人隧道凿岩机器人汽车焊装生产线汽车焊装生产线汽车焊装生产线汽车焊装生产线EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用 智能机器人：智能机器人：智能机器人：智能机器人：判断能力。视觉传感器、触觉传感器。判断能力。视觉传感器、触觉传感器。用于水下探测的机器人用于水下探测的机器人用于水下探测的机器人用于水下探测的机器人用于家庭服务的机器人用于家庭服务的机器人用于家庭服务的机器人用于家庭服务的机器人EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用 智智智智能能能能机机机机器器器器人人人人：埃埃及及金金字字塔塔世界最古老石棺的考古挖掘。世界最古老石棺的考古挖掘。 法法法法老老老老咒咒咒咒语语语语：“ “不不不不论论论论是是是是谁谁谁谁骚骚骚骚扰扰扰扰了了了了法法法法老老老老的的的的安安安安宁宁宁宁，死死死死神神神神之之之之翼翼翼翼将将将将在在在在它它它它的的的的头头头头上上上上降降降降临临临临。” ”小机器人挑战法老咒语，代替科小机器人挑战法老咒语，代替科小机器人挑战法老咒语，代替科小机器人挑战法老咒语，代替科学家勇探胡夫金字塔内部秘道。学家勇探胡夫金字塔内部秘道。学家勇探胡夫金字塔内部秘道。学家勇探胡夫金字塔内部秘道。“金字塔漫游者金字塔漫游者”机器人机器人 5 51 11 1，地地面面探探测测雷雷达达、超超声声波波传感器（测石头厚度）。传感器（测石头厚度）。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 传感器与家用电器传感器与家用电器传感器与家用电器传感器与家用电器 自自自自动动动动电电电电饭饭饭饭锅锅锅锅、吸吸吸吸尘尘尘尘器器器器、空空空空调调调调器器器器、电电电电子子子子热热热热水水水水器器器器、风风风风干干干干器器器器、电电电电熨熨熨熨斗斗斗斗、电电电电风风风风扇扇扇扇、洗洗洗洗衣衣衣衣机机机机、洗洗洗洗碗碗碗碗机机机机、照照照照相相相相机机机机、电电电电冰冰冰冰箱箱箱箱、电电电电视视视视机机机机、录录录录像机、家庭影院。像机、家庭影院。像机、家庭影院。像机、家庭影院。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 传感器与遥感技术传感器与遥感技术传感器与遥感技术传感器与遥感技术 飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波。飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波。飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波。飞机及航天飞行器：近紫外线、可见光、远红外线、微波。 船舶：超声波传感器。船舶：超声波传感器。船舶：超声波传感器。船舶：超声波传感器。微波微波微波微波红外接收传感器红外接收传感器红外接收传感器红外接收传感器红外线分布差异红外线分布差异红外线分布差异红外线分布差异矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区矿藏埋藏地区地地地地 面面面面EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 传感器在军事技术领域的应用传感器在军事技术领域的应用传感器在军事技术领域的应用传感器在军事技术领域的应用 “ “改改改改变变变变那那那那种种种种认认认认为为为为军军军军事事事事力力力力量量量量主主主主要要要要是是是是军军军军舰舰舰舰、坦坦坦坦克克克克和和和和飞飞飞飞机机机机的的的的概概概概念念念念，把把把把我我我我们们们们的的的的注注注注意意意意力力力力放放放放在在在在思思思思考考考考信信信信息息息息和和和和电电电电信信信信技技技技术术术术所所所所能能能能提提提提供供供供的的的的军军军军事事事事力力力力量量量量上上上上来来来来。这这这这场场场场军军军军事事事事革革革革命命命命标标标标志志志志着着着着一一一一种种种种转转转转变变变变，即即即即从从从从重重重重视视视视军军军军舰舰舰舰、坦坦坦坦克克克克和和和和飞飞飞飞机机机机，转转转转为为为为重重重重视视视视诸诸诸诸如如如如传传传传感感感感器器器器这这这这类类类类东东东东西西西西的的的的作用。作用。作用。作用。” ”“ “信息时代的军事革命信息时代的军事革命信息时代的军事革命信息时代的军事革命” ”美国参联会副主席欧文斯上将美国参联会副主席欧文斯上将美国参联会副主席欧文斯上将美国参联会副主席欧文斯上将特种武器观察、侦察、探测特种武器观察、侦察、探测特种武器观察、侦察、探测特种武器观察、侦察、探测EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 传感器在医疗及人体医学上的应用传感器在医疗及人体医学上的应用传感器在医疗及人体医学上的应用传感器在医疗及人体医学上的应用 医医医医用用用用传传传传感感感感器器器器：人人人人体体体体内内内内部部部部温温温温度度度度、血血血血液液液液、呼呼呼呼吸吸吸吸流流流流量量量量、 肿肿肿肿瘤瘤瘤瘤、心心心心音、腔内压力、心脑电波。音、腔内压力、心脑电波。音、腔内压力、心脑电波。音、腔内压力、心脑电波。 n 传感器与航空及航天传感器与航空及航天传感器与航空及航天传感器与航空及航天 飞行器：控制在预定轨道上。飞行器：控制在预定轨道上。飞行器：控制在预定轨道上。飞行器：控制在预定轨道上。 速速速速度度度度、加加加加速速速速度度度度、飞飞飞飞行行行行距距距距离离离离测测测测量量量量：陀陀陀陀螺螺螺螺仪仪仪仪、阳阳阳阳光光光光传传传传感感感感器器器器、星星星星光光光光传感器、地磁传感器。传感器、地磁传感器。传感器、地磁传感器。传感器、地磁传感器。 周围环境、内部设备监控、本身状态。周围环境、内部设备监控、本身状态。周围环境、内部设备监控、本身状态。周围环境、内部设备监控、本身状态。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用传感器技术简介三、三、传感器技术的应用传感器技术的应用n 传感器技术的应用遍及各个领域传感器技术的应用遍及各个领域传感器技术的应用遍及各个领域传感器技术的应用遍及各个领域 传传传传感感感感器器器器已已已已渗渗渗渗透透透透到到到到宇宇宇宇宙宙宙宙开开开开发发发发、海海海海洋洋洋洋探探探探测测测测、军军军军事事事事国国国国防防防防、环环环环境境境境保保保保护护护护、资资资资源源源源调调调调查查查查、医医医医学学学学诊诊诊诊断断断断、生生生生物物物物工工工工程程程程、商商商商检检检检质质质质检检检检、甚甚甚甚至至至至文文文文物物物物保保保保护护护护等极其广泛的领域。等极其广泛的领域。等极其广泛的领域。等极其广泛的领域。 毫毫毫毫不不不不夸夸夸夸张张张张地地地地说说说说：几几几几乎乎乎乎每每每每个个个个现现现现代代代代化化化化项项项项目目目目，以以以以至至至至各各各各种种种种复复复复杂杂杂杂工工工工程程程程系统，都离不开各种各样的传感器。系统，都离不开各种各样的传感器。系统，都离不开各种各样的传感器。系统，都离不开各种各样的传感器。 传传传传感感感感器器器器技技技技术术术术在在在在发发发发展展展展经经经经济济济济、推推推推动动动动社社社社会会会会进进进进步步步步方方方方面面面面的的的的重重重重要要要要作作作作用用用用，是十分明显的。是十分明显的。是十分明显的。是十分明显的。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用所谓传感器是来自“感觉”一词传感器技术属现代高新技术（电五官） 根据GB7665-87，【传感器】（TransducerSensor）的定义定义为：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使用1、传感器定义、传感器定义1-1 传感器的作用与功能传感器的作用与功能EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用什么是传感器？什么是传感器？ppp压力压力膜盒位移膜盒位移杠杆位移杠杆位移电刷位移电刷位移电位器电压电位器电压如何获取信息？如何获取信息？输输输输 入入入入输输输输 出出出出EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用实现测量的过程：实现测量的过程：利用输入输出的关系，利用输入输出的关系，由输出电压解算出输入由输出电压解算出输入( (被测量被测量) )什么是传感器？什么是传感器？ppp如何获取信息？如何获取信息？EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用敏感元件敏感元件（Sensing element） 直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。转换元件转换元件（Transduction element） 能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。2、传感器的组成、传感器的组成1-1 传感器的作用与功能传感器的作用与功能EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用图图 1.1传感器组成方块图传感器组成方块图EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用表表1.2传感器的分类传感器的分类EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用30 传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态传感器的输入量可分为静态量和动态量两类。静态量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。量指稳定状态的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。无论对动态量通常指周期信号、瞬变信号或随机信号。无论对动态量或静态量，传感器输出电量都应当不失真地复现动态量或静态量，传感器输出电量都应当不失真地复现输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态输入量的变化。这主要取决于传感器的静态特性和动态特性。特性。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用31 2.1 传感器的静态特性 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。 通常，要求传感器在静态情况下的输出输入关系保持线性。实际上，其输出量和输入量之间的关系（不考虑迟滞及蠕变效应）可由下列方程式确定。 （2-1-1） 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用32 式中 输出量； 输入量； 零位输出； 传感器的灵敏度，常用K表示； 非线性项待定常数。 由(2-1-1)式可见，如果 ，表示静态特性通过原点。此时静态特性是由线性项（ ）和非线性项 叠加而成，一般可分为以下4种典型情况。 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用33 (1)理想线性图1-1(a) (2-1-2) (2)具有X奇次阶项的非线性图1-1(b) (2-1-3) (3)具有X偶次阶项的非线性图1-1(c) (2-1-4) (4)具有X奇、偶次阶项的非线性图1-1(d) (2-1-5) 图图2-1-1 2-1-1 传感器的传感器的4 4种典型静态特征种典型静态特征2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用34 传感器的静态特性是在静态标准条件下测定的。在标准工作状态下，利用一定精度等级的校准设备，对传感器进行往复循环测试，即可得到输出输入数据。将这些数据列成表格，再画出各被测量值(正行程和反行程)对应输出平均值的连线，即为传感器的静态校准曲线。 传感器静态特性的主要指标有以下几点。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用35图图2-1-2 2-1-2 传感器的线性度传感器的线性度 (1) 线性度(非线性误差) 在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程(FS)输出值的百分比称为线性度(见图2-1-6)。 用 代表线性度，则 (2-1-6) 式中 校准曲线与拟合直线间 的最大偏差； 传感器满量程输出， 。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用36 由此可知，非线性误差是以一定的拟合直线或理想直线为基准直线算出来的。因而，基准直线不同，所得线性度也不同，见图2-1-3。图图2-1-32-1-3 基准直线的不同拟合方法基准直线的不同拟合方法2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用37 应当指出，对同一传感器，在相同条件下进行校准试验时得出的非线性误差不会完全一样。因而不能笼统地说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线。目前国内外关于拟合直线的计算方法不尽相同，下面仅介绍两种常用的拟合基准直线方法。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用38 1)端基法 把传感器校准数据的零点输出平均值 和满量程输出平均值 连成的直线 作为传感器特性的拟合直线(见图2-1-4)。其方程式为 (2-1-7) 式中 Y输出量； X输入量； a0Y轴上截距； K直线a0b0的斜率。图图2-1-4 2-1-4 端基线性度拟合直线端基线性度拟合直线2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用39 由此得到端基法拟合直线方程，按(2-1-6)式可算出端基线性度。这种拟合方法简单直观，但是未考虑所有校准点数据的分布，拟合精度较低，一般用在特性曲线非线性度较小的情况。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用40 2)最小二乘法 用最小二乘法原则拟合直线，可使拟合精度最高。其计算方法如下。 令拟合直线方程为Y=a0+KX 。假定实际校准点有n个，在n个校准数据中，任一个校准数据Yi与拟合直线上对应的理想值a0+KXi 间线差为 (2-1-8)2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用41 最小二乘法拟合直线的拟合原则就是使 为最小值，亦即 使 对K和a0的一阶偏导数等于零，从而求出K和a0的表达式 联立求解以上二式，可求出K和a0 ，即 式中 n校准点数。 由此得到最佳拟合直线方程，由(2-1-6)式可算得最小二乘法线 性度。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用42 通常采用差动测量方法来减小传感器的非线性误差。例如，某位移传感器特性方程式为 另一个与之完全相同的位移传感器，但是它感受相反方向位移，则特性方程式为 在差动输出情况下，其特性方程式可写成 可见采用此方法后，由于消除了X偶次项而使非线性误差大大减小，灵敏度提高一倍，零点偏移也消除了。因此差动式传感器已得到广泛应用。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用43 (2) 灵敏度 传感器的灵敏度指到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。由图1-5可知，线性传感器校准曲线的斜率就是静态灵敏度K。其计算方法为 非线性传感器的灵敏度用dY/dX表示，其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率。 图图2-1-52-1-5 传感器灵敏度的定义传感器灵敏度的定义2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用44 (3)精确度(精度) 说明精确度的指标有三个：精密度、正确度和精确度。 1)精密度 它说明测量结果的分散性。即对某一稳定的对象(被测量)由同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次(等精度测量) ，其测量结果的分散程度。愈小则说明测量越精密(对应随机误差)。 2)正确度 它说明测量结果偏离真值大小的程度，即示值有规则偏离真值的程度。指所测值与真值的符合程度(对应系统误差)。 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用准确度准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如, ,某某流量传感器的准确度为流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出，表示该传感器的输出值与真值偏离值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度高。精确度精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的精确度常以测量误差的相对值表示。者的代数和。机器的精确度常以测量误差的相对值表示。 （c）精确度高）精确度高（a）准确度高而精密度低）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高）准确度低而精密度高EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用46 在工程应用中，为了简单表示测量结果的可靠程度，引入一个精确度等级概念，用A来表示 。传感器与测量仪表精确度等级A以一系列标准百分数值(0.001，0.005，0.02，0.05，1.5，2.5，4.0)进行分挡。这个数值是传感器和测量仪表在规定条件下，其允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。它可以用下式表示 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用47 式中 A 传感器的精度； A 测量范围内允许的最大绝对误差； 满量程输出。 传感器设计和出厂检验时，其精度等级代表的误差指传感器测量的最大允许误差。传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用48 (4) 最小检测量和分辨力 最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限量。最小检测量越小，表示传感器检测微量的能力越高。 由于传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一般用相当于噪声电平若干倍的被测量为最小检测量，用公式表示为 (2-1-14) 式中 M最小检测量； C系数(一般取15)； N噪声电平； K传感器的灵敏度。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用49 例如，电容式压力传感器的噪声电平为0.2 mV，灵敏度K为5 mV/mm ，若取C=2，则根据(1-14)式计算得最小检测量为0.08 mm 。 数字式传感器一般用分辨力表示，即输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用(5). (5). 迟滞迟滞传感器在正传感器在正( (输入量增大输入量增大) )反反（输入量减小）行程中输出（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合程度为迟滞输入曲线不重合程度为迟滞。0yxHmaxyFS迟滞特性迟滞特性 迟滞特性如图所示，它迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。传一般是由实验方法测得。传感器在全量程范围内最大的感器在全量程范围内最大的迟滞差值迟滞差值HmaxHmax与满量程输与满量程输出值出值Y YFSFS之比称为迟滞误差之比称为迟滞误差, ,用用d dH H表示，即表示，即 EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用51 式中 输出值在正反行程间的最大偏差； 传感器的迟滞。 迟滞现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂及积塞灰尘等。 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用(6). (6). 重复性重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差可用正反行程重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即的最大偏差表示，即yx0Rmax2Rmax1Rmax1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用53 式中 重复性； 标准偏差。 当用贝塞尔公式计算标准偏差时，则有 (2-1-18) 式中 测量值； 测量值的算术平均值； n 测量次数。 重复性所反映的是测量结果偶然误差的大小，而不表示与真值之间的差别。有时重复性虽然很好，但可能远离真值。 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用54 (7)零点漂移 传感器无输入(或某一输入值不变)时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值(或原指示值)，即为零点漂移。 (2-1-19) 式中 最大零点偏差(或相应偏差)； 满量程输出。 2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性EXIT传感器技术及应用传感器技术及应用55 (8)温漂 温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化 1 输出最大偏差与满量程的百分比来表示。 (2-1-20) 式中 输出最大偏差； 温度变化范围； 满量程输出。2 2 传感器的一般特性传感器的一般特性