检测与转换技术ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,检测与转换技术ppt课件,1,绪 论,第一章 检测技术基础,第八章 信号变换技术,目 录,第四章 电阻应变传感器及其应用,第五章 电容传感器及其应用,第六章 电感传感器及其应用,第十章 创新设计专题,第二章 误差理论基础,第七章 其它常用传感器,第九章 抗干扰技术,第三章 传感器概述,绪 论第一章 检测技术基础 第八章 信,2,绪 论,检测技术是人类感觉器官的扩展和延伸,，是人类观察自然和测量自然界各种现象的电路手段，是把各种非电量转化为电量的一种过程。,绪 论检测技术是人类感觉器官的扩展和延伸，是人类观察自,3,检测的最重要技术：传感器，是现代信息产业（,计算机、通讯及传感器,）三大支柱之一。,据有关部门统计，全球目前生产出的传感器已达万多种，它们被广泛地应用于各行各业。,检测技术是一门,实用型,、,综合型,的新兴,边沿学科,其应用领域非常广泛,。,检测的最重要技术：传感器，是现代信息产业（计算机、通讯及传感,4,实用性:,1、,各种检测仪器和仪表,2、,各种系统装备中的关键技术或部件,综合性：,传感器技术、误差理论、信号处理、电,子技术、微处理器技术、微电子技术,、人工智能、模糊处理技术等等。,边沿学科：,检测技术渗透在各个学科领域：机械、电气、信息、采矿、勘探、环保、化工、建筑、生物、医学等等。,实用性:1、各种检测仪器和仪表2、各种系统装备中的关键技术或,5,当今最新技术与检测技术,当今最新四大技术,原子能、半导体、计算机、激光器。,原子能：,核辐射检测技术在医疗诊断、材料探伤等方面的应用；,半导体：,电子集成电路及半导体材料大大促进了传感检测技术的发展,计算机：,为检测技术的数据智能处理等方面提供了先进的手段；,激光器：,激光传感检测技术在制导、测距等方面得到广泛的应用。,当今最新技术与检测技术当今最新四大技术原子能：核辐射检测技术,6,爱国者导弹,实战录象,检测技术在军事上的应用一,爱国者导弹实战录象检测技术在军事上的应用一,7,检测技术在军事上的应用二,实弹录象,检测技术在军事上的应用二实弹录象,8,检测技术在军事上的应用二,中国火箭炮,检测技术在军事上的应用二 中国火箭炮,9,检测技术在医疗领域的应用,核磁供振仪,同位素扫描仪,检测技术在医疗领域的应用核磁供振仪同位素扫描仪,10,煤矿顶板支架监测,检测技术在安全监测方面的应用,煤矿矿井调度监测中心,机车铁轨杂散电流检测,火灾报警,煤矿顶板支架监测 检测技术,11,检测技术在其它领域中的应用,航天飞机运行状态的监测,石油的勘探,外星的探索,检测技术在现代汽车工业的应用：,1.提高性能,2.确保安全,检测技术在其它领域中的应用航天飞机运行状态的监测石油的勘探外,12,检测技术急需解决的问题,黄金、纸币真伪识别的问题。,汽 车 防 撞 问 题,火灾早期预警问题,癌症早期诊断问题,蔬菜农药残留快速检测,人体生物电信息检测,宝 石 的 检 测,检测技术急需解决的问题黄金、纸币真伪识别的问题。汽 车 防,13,检测技术涉及到许许多多的创新和发明。,例如：,1、温度计的发明,2、压力计的发明,3、x光检测技术的发明,4、声纳的发明,亚历山大 电话,爱迪生-电灯等,法拉弟-发电机,伽利略-单摆、温度计等,5、雷达的发明,检测技术涉及到许许多多的创新和发明。例如：1、温度计的发明,14,动脑筋,想想我们周围需要检测的事例?,点滴流量的监测,原则: 1.实用性 2.新颖性 3.可行性,要有实用价,值或广泛的,应用前景。,要有创新，不要重,复别人或仿造别人,的发明。,要论证技术上的可行,性，对研究探索方面，,往往会经历从不可能,到可能的过程。,?,演唱水平的检测,动脑筋,想想我们周围需要检测的事例?点滴流量的监测原则:,15,网络监测系统,局域网络监测系统,无线监测装置,便携式检测仪器,检测技术的主要应用产品,网络监测系统局域网络监测系统无线监测装置便携式检测仪器检测技,16,课后思考,1、自动感应出水装置（KFC）,课后思考1、自动感应出水装置（KFC）,17,课后思考,2、传统滚轮鼠标和光电鼠标,课后思考2、传统滚轮鼠标和光电鼠标,18,课后思考,3、手机的语音拨号功能,课后思考3、手机的语音拨号功能,19,课后思考,4、楼宇声光控电子开关,5、数码（摄）相机中的CCD技术和传统相机,课后思考4、楼宇声光控电子开关5、数码（摄）相机中的CCD技,20,第一节 测量方法及分类,第二节 真值和平均值,第三节 检测装置的基本性能,第四节 测量系统的静态特性,第五节 测量系统的动态特性,第一章 检测技术基础,第一节 测量方法及分类第二节 真值和平均值第三节 检测,21,本章学习要求,2、,掌握各种检测方法的特点和应用场合,1、,掌握检测技术的基本原理和基本概念,3、,了解检测系统静态特性的特点和指标,4、,了解检测系统动态特性的特点和指标,本章学习要求2、掌握各种检测方法的特点和应用场合1、掌握检测,22,采用各种手段将被测量与同类标准量进行比较,，从而确定出被测量大小的方法。,测量结果与被测量真值的差别,。,测量,：,误差,：,第一节 测量方法及分类,采用各种手段将被测量与同类标准量进行比较，从而确定出被测量大,23,被测量,同类标准量,1、测重量,砝码,2、测气体,标准气体,被测量同类标准量1、测重量砝码2、测气体标准气体,24,测量方法的分类,根据获得测量结果的方法不同，可以分为直接测量、间接测量和组合测量。,在仪表上直接读出被测量的大小而无须经过任何运算。,直接测量：,如汽车油位表、油温表,优点：简单、迅速 缺点：精度差,1.1 直接测量、间接测量和组合测量,测量方法的分类 根据获得测量结果的方法不同，可以分为直,25,直接测量除了指针式仪表外,还有什么方式?,直接测量除了指针式仪表外,还有什么方式?,26,首先测出与被测量有确定函数关系的物理量，再经过函数运算求出被测量的大小。,又称“联立测量”，即被测物理量必须经过求解联立方程才能导出结果。,间接测量：,组合测量：,如：测电阻率,首先测出与被测量有确定函数关系的物理量，再经过函数运算求出被,27,组合测量举例：,测量一金属导线的温度系数,故不同 、，测得 、,由,由近似值得,温度系数,组合测量举例：测量一金属导线的温度系数故不同 、，测得,28,动脑筋想想？,测量人体肥胖的程度应采用什么测量方法？,直接测量法,测量脂肪,间接测量法,测量身高和体重,组合测量法,测量身高、体重和脂肪,动脑筋想想？测量人体肥胖的程度应采用什么测量方法？直接测,29,根据测量条件相同与否，分为等精度测量和不等精度测量。,1.,2等精度测量和不等精度测量,等精度测量：,在测量过程中，影响测量误差的各种因素不改变。,不等精度测量：,改变测量条件的测量。,根据测量条件相同与否，分为等精度测量和不等精度测量。,30,名 词 解 释,等精度测量：,不等精度测量：,例如测量一高炉的温度,采用同一测温仪器，,用相同的测量方式，在,相同的条件下测量多次。,例如对瓦斯检测仪器进行温度试验,采用相同的仪器，在,不同的温度条件下对某,一浓度的甲烷气体测量。,名 词 解 释等精度测量：不等精度测量：例如测量一高炉,31,1.,3其它测量方法,接触测量和非接触测量,静态测量和动态测量,接触被测对象的测量,远离被测对象的测量,测量对象的稳态值,如重量、压力等等,测量对象随时间的变化值,如振动、加速度等等。,1.3其它测量方法接触测量和非接触测量静态测量和动态,32,接触测量,非接触测量,举例说明：,接触测量非接触测量举例说明：,33,请判断下面的检测属哪种检测方法？,1.接触测量或非接触测量？,2.静态测量或动态测量?,体温测量,测量塔的倾角,电动机转速测量:,1.用测速发电机?,2.用光电检测法?,烟雾报警,红外测温,汽车速度测量,请判断下面的检测属哪种检测方法？1.接触测量或非接触测量？2,34,测量的目的在于寻求被测量的真值。,设 、代表各次的观测值，n为测量次数，则平均值有如下几种：,第二节 真值和平均值,在科学试验中，通常用平均值代替真值。,测量的目的在于寻求被测量的真值。 设 、,35,1.算术平均值：,2.几何平均值：,3.均方根平均值：,常用来表示,测量真值,1.算术平均值：2.几何平均值：3.均方根平均值：常用来表示,36,衡量检测装置性能的指标主要有精度，稳定性等等.,1.精度：,精密度,在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度（离散程度）,反映了随机,误差的大小,第三节 检测装置的基本性能,衡量检测装置性能的指标主要有精度，稳定性等等.1.精度,37,准确度,它表示测量仪器指示值对真值的偏离程度,反映系统误,差的大小,精确度,它是精密度和准确度的综合反映,反映系统综,合误差的大小,准确度 它表示测量仪器指示值对真值的偏离程度反映系统误,38,例：打靶结果评价：,精密度高,准确度差,精密度高,准确度好,精密度低,准确度差,例：打靶结果评价：精密度高精密度高精密度低,39,2.稳定性：,测值随时间的变化程度,在一定条件下，保持输入信号不变，输出信号随时间而变化,时间t延长,灵敏度下降,零点漂移：,灵敏度变化：,灵敏度的衰减反映使用的寿命指标！,2.稳定性：测值随时间的变化程度在一定条件下，保持输入信号不,40,对任何一个测量系统，在一定条件下，输出输入存在着一定的函数关系，即静态特性,输出量,输入量,一般形式有：,第四节 测量系统的静态特性,对任何一个测量系统，在一定条件下，输出输入存在着一定的函数关,41,1.灵敏度,灵敏度,传感器或检测仪表在稳态下输出量的变化量,y,与输入量的变化量,x,之比，用K表示,如果输入输出特性为线性的传感器或仪表，则,对一般的非线性,输出灵敏度可近似认为: Ka,1,1.灵敏度灵敏度传感器或检测仪表在稳态下输出量的变化量,42,例如：,某铂丝热敏传感器,1.在小测量温度范围内，其阻值与温度可近似,看作线性关系，有 RR,0,(1+,t,T),R,T,0,0,C时的阻值,温度系数,灵敏度为：,KdR/dT=R,0,t,2.将此铂丝构成电桥进行温度测量，输出电压,信号与温度的关系呈非线性关系，有,U=a,0,+a,1,T-a,2,T,2,a,1、,a,2,、a,3,是常数。,U,T,灵敏度为：,K=a,1,例如：某铂丝热敏传感器1.在小测量温度范围内，其阻值与温度可,43,2. 分辨率,分辨率,灵敏度阈值，引起输出量产生微小变化所需的最小输入量的变化量,1。对数字显示的测量系统，分辨率是数字显,示的最后一位所代表的量度。,2。对指针式测量仪表，分辨率与人们的观察能,力和仪表的灵敏度有关。,2. 分辨率分辨率灵敏度阈值，引起输出量产生微小变化所需,44,举例说明：,1.数字天平,2.指针式称重计,天平的分辨率是多少?,0.01g,人们所能观察的指针偏移量为,0.3mm。,设称重计的灵敏度S10mm/Kg,分辨率,x/S=0.3/10=0.03Kg,举例说明：1.数字天平2.指针式称重计天平的分辨率是多少?0,45,3. 线性度,线性度,检测输入输出特性对理想线性输,入输出特性的近似程度。,用实测输入输出特性与理想输入,输出特性的最大偏差对量程之比,的百分数表示。,max,0,A,输出,输入,100,线性度=,最大偏差,量程,3. 线性度线性度检测输入输出特性对理想线性输用实测输入,46,1.某一天平压力传感检测装置,测量量程为1000g，,实测输入输出特性与理想输入输出特性的最,大偏差为5g，其线性度为：,=5/1000=0.5%,线性度,也叫“非线性误差”,2.某超声波测距传感装置，检测范围为0500m，,在整个测量范围内，与理想线性输出的最大误差,为3m，其非线性误差为：,=3/500=0.6%,举例说明：,1.某一天平压力传感检测装置,测量量程为1000g，=5/,47,4.迟滞（滞环）,滞环,说明测量系统正向（输入量增大）和反向（输入量减小）特性不一致的程度,最大滞环误差率：,输出,输入,0,A,100,m,4.迟滞（滞环）滞环说明测量系统正向（输入量增大）和反向,48,5.重复性,在同样的工作条件下，输入按同一方向作全量程多次（三次以上）往复变化时，测量系统刻度特性曲线的一致性,输出,输入,0,A,100,m,5.重复性 在同样的工作条件下，输入按同一方向作全量程多次,49,动态特性是描述系统输入输出与时间的关系。,动态特性常用微分方程表示。,检测系统的动态特性又称“动态响应”。,分析检测系统的动态特性常用时域分析方法，,如用传递函数进行分析。通常取输入信号为阶,跃信号，分析输出的响应。,第五节 测量系统的动态特性,动态特性是描述系统输入输出与时间的关系。动态特性常用微分方程,50,1.一阶检测系统,一阶检测系统又称惯性系统，它的运动方程,是：,y输出量,x输入量,f阻尼系数,K常数(动力学的刚度,系数),检测系统的传递函数为：,T=f/K称为时间常数,表示检测系统的滞后,程度。,1.一阶检测系统 一阶检测系统又称惯性系统，它的运动方程,51,一阶检测系统在阶跃输入下的响应特性:,y,0,Y,t,0,T,响应时间,输出达到稳态值的,90%或95%所需的时间.,时间常数T反映,响应的快慢.,一阶检测系统在阶跃输入下的响应特性:y0Yt0T响应时间,52,2.二阶检测系统,二阶检测系统又称振荡系统，它的运动方程,是：,传递函数为:,式中,W,0-,系统固有频率,阻尼比,2.二阶检测系统二阶检测系统又称振荡系统，它的运动方程传递函,53,二阶检测系统在阶跃输入下的响应特性:,y,t,0,=0.2,=0.6,=1,=2,=5,1 惯性特性,响应时间定义与一阶,系统相同.,超调量,%=峰值/稳态值100%, 二阶检测系统在阶跃输入下的响应特性:yt0=0.2=,54,第 一 章 小 结,1、基本概念,测量和误差、真值和平均值、精度、稳定性等,2、检测方法的分类和特点,直接测量、间接测量和组合测量；等精度测量和不等精度,测量；静态测量和动态测量；接触测量和非接触测量等,3、检测系统的静态特性,灵敏度、线性度、分辨率、迟滞和重复性等,4、检测系统的动态特性,一阶系统和二阶系统的特征 响应时间,第 一 章 小 结1、基本概念测量和误差、真值和平均值、精度,55,第一节 误差的表示方法,第二节 测量误差的分类,第三节 误差分析与处理方法,第四节 测量误差的综合处理,第五节 测量系统的误差分配原则,第二章 误差理论基础,第一节 误差的表示方法第二节 测量误差的分类第三节 误,56,学 习 要 求,1、掌握误差的表示方法、特点和计算；,2、熟悉三种误差类型、特点和判断方法；,3、了解减小或消除误差的基本方法；,4、掌握误差综合的计算方法。,学 习 要 求1、掌握误差的表示方法、特点和计算；2、熟悉三,57,学习误差的意义:,1.正确认识误差的性质,分析误差产生的原,因,以便消除或减小它;,2.正确处理数据,合理计算所得结果,以便在,一定条件下,得到更接近真实值的数据;,3.正确组成检测系统,合理设计检测系统或选,用测量仪表,正确选择检测方法,以便在最经济,的条件下,得到理想的测量结果.,学习误差的意义:1.正确认识误差的性质,分析误差产生的原2.,58,测量值,1.1 绝对误差：,被测量真值，通常无法知道，常用较高精度的仪器示值代替,第一节 误差的表示方法,如铂电阻温度计指示的,温度相对于普通温度计,而言是真值.,测量值1.1 绝对误差：被测量真值，通常无法知道，常用较高精,59,绝对误差的特征：,具有量纲，与被测量相同,其大小与所取单位有关,如0.1kg,如,能反映误差的大小和方向,不能反映测量的精细程度,+表示偏大;,-表示偏小.,为什么？,绝对误差的特征：具有量纲，与被测量相同其大小与所取单位有,60,举例说明,1.用温度仪测量温度，绝对误差是,1,0,C,对测量1000,0,C的炉温，精度很高；但对测量人体体温则误差太大。,2.一只钟的误差是1秒，误差是否大？,是工作一天的误差还是一年的误差？,举例说明1.用温度仪测量温度，绝对误差是10C对测量10,61,1.2相对误差,-绝对误差与被测量真值之比.,科学研究中常用算术平均值代替真值；,工程上常用测量显示值代替真值。,1.2相对误差-绝对误差与被测量真值之比.科学研究中,62,举例说明：,例1.测量温度的绝对误差为,1,0,C，测量水的沸点,温度100,0,C，测量的相对误差是多少？,例2.某电子天平的相对误差是0.5%，测量500g,重物的误差是多少？,举例说明：例1.测量温度的绝对误差为10C，测量水的沸点例,63,相对误差的特征：,大小与被测量单位无关,能反映测量工作的精细程度,能反映误差的大小和方向,相对误差比较符合实际检测需要，一般地，测,量范围越小，要求的绝对误差越小。比如量程为,1000Kg的秤，相对误差为1，则测量10Kg重物的,误差为0.1Kg，而测量500Kg重物的误差为5Kg。,相对误差的特征：大小与被测量单位无关能反映测量工作的精细,64,1.3 引用误差,-是一种特殊的相对误差表示法，常用于,连续刻度的仪表中，实质给出仪表的最,大绝对误差。,引用误差,A,满量程刻度值,x,m,测量中最大绝对误差,1.3 引用误差-是一种特殊的相对误差表示法，常用于,65,指示仪表通常按,进行分类。例如电工仪表按,大小分为7级：0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0,对一定级别的仪表，其绝对误差 为一常数，,x= ,A ,不随示值刻度发生变化，但示值相对误差则不同，越接近仪表满刻度，示值相对误差越小，反之则越大。,引用误差的用途,指示仪表通常按 进行分类。例如电工仪表按 大小分,66,例：满刻度为100v, =2.5%,的电 压表,其绝对误差,若测量电压为25v,其示值相对误差,大于引用,相对误差,结论：在使用电工仪表进行测量，要选择合适的量程，一般要求被测量工作在不小于满刻度的2/3区域,例：满刻度为100v, =2.5% 的电 压表其绝对误,67,在同一条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化。这叫“系统误差”。它又分为两类：,恒值系统误差,指在一定条件,下，大小和符号都保持不变的系统误差,2.1系统误差：,第二节 测量误差的分类,在同一条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变,68,变值系统误差,在一定条件下，,按某一确定规律变化的系统误差。根据变化规律有以下三种情况：,指在整个测量过,程中，误差的数值向一个方向变化。,指在测量过程中，,数值是按周期性变化的。,指误,差变化的规律复杂，一般用表格、曲线或公式表示。,A.,累进性系统误差,。,B.,周期性系统误差,。,C.,按复杂规律变化的系统误差,。,变值系统误差在一定条件下，按某一确定规律变化的系统误差,69,产生系统误差的原因主要是：,仪器不良，如零点未校准刻度不准；,测试环境的变化，如外界湿度、温度、压力变化等；,安装不当；,测试人员的习惯偏向，如读数偏高；,测量方法不当。,产生系统误差的原因主要是：仪器不良，如零点未校准刻度不准；,70,2.2 随机误差：,在一定测量条件下的多次重复测量，误差出现的数值和正负号没有明显的规律。这叫“随机误差”。,这类误差是由许多复杂因素微小变化的总和引起的，分析较困难，对于某一次具体测量，不能在测量过程中设法把它去除。,2.2 随机误差： 在一定测量条件下的多次重复测量，误,71,随机误差具有随机变量的一切特点，在多次测量中服从统计规律。,随机误差是没有规律的，如何估计它的大小？,随机误差表现了测量的分散性。在误差分析时，常用精密度表示随机误差的大小。随机误差愈小，精密度愈高。而系统误差则用准确度表示。,随机误差具有随机变量的一切特点，在多次测量中服从统计,72,2.3.疏失误差,又称“过程误差”或“粗大误差”，简称“粗差”，这是一种由于测量人员的粗心或过度疲劳造成的误差。,具有疏失误差的测量值称为“坏值”，在实际计算中应舍去。,2.3.疏失误差 又称“过程误差”或“粗大误差”，简称“,73,3.1 系统误差,1.系统误差的判别,a)实验对比法,采用多台更同类或相近的仪器进行同样的测试,和比较，分析测量结果的差异，可判断系统误差是,否存在。,(1)恒值系统误差的判断,-这种方法常用于新仪器的研制。,第三节 误差分析与处理方法,3.1 系统误差1.系统误差的判别a)实验对比法 采用多,74,b)改变测量条件法,通过改变产生系统误差的条件进行同一量的测量,可发现测量条件引起的系统误差。,也可用更高精度的仪器来校正，判断系统,误差的大小。,c)理论计算与分析法,对于因测量方法或测量原理引起的恒值系统,误差，可以通过理论计算和分析加以判断和修正。,b)改变测量条件法 通过改变产生系统误差的条件进行同一量的,75,a)残余误差观察法:,对被测量x,0,进行多次测量后得测量列x,1,x,2,.,x,n,得到相应的残余误差U,1,U,2,.,U,n,。,对残余误差进行列表或作图进行观察。,0,n,U,0,U,n,0,U,n,无系统误差,线性系统误差,周期性系统误差,(2)变值系统误差的判断,a)残余误差观察法: 对被测量x0进行多次测量后得测量,76,b)残余误差之和相减法(马利科夫判据):,当测量次数较多时，将测量列前一半的残余误,差之和，减去测量列后一半的残余误差之和。,若M接近于零，说明不存在变化的系统误差；,若M显著不为零，则认为存在变化的系统误差。,式中，n为测量次数，Kn/2 或 k=(n+1)/2,b)残余误差之和相减法(马利科夫判据): 当测量次数较多时,77,2. 系统误差的消除与削弱,(1)固定不变的系统误差消除法:,代替法,-在一定的条件下,选择一个大小适当并可调的已知标量去代替测量中的被测量,并使仪表的指示值保持原值不变.此时该标准量即为被测的数值.,例如: 代替法测量精密电阻R,x。,R,1,R,2,R,3,R,x,R,1,R,2,R,3,R,N,调R,2,使,电桥平衡,调R,N,电桥平,衡。,R,N,R,x,2. 系统误差的消除与削弱(1)固定不变的系统误差消除法:,78,交换法-在测量中将引起系统误差的某些,条件（如被测物的位置）相互交换，而保持,其它条件不变，使产生系统误差的因素对测,量起相反的作用，取两次测量的平均值作为,测量结果，以消除系统误差。,例如：用等臂天平称某物重量。,交换法-在测量中将引起系统误差的某些例如：用等臂天平称,79,(2)线性系统误差消除法：,最常用的方法是“,对称测量法”,例:测量电阻R,x,。,U,x,U,N,K,E,R,R,x,R,N,i,i,t,0,标准电阻R,N,已知，有，,R,x,=U,x,R,N,/U,N,但是，用于U,x,和U,N,测量时间的不同，产生误差。,由于电池的放电,E 减小而产生。,(2)线性系统误差消除法：最常用的方法是“对称测量法”例:测,80,t,1,t,2,t,3,i,t,0,i,i-e,I-2e,消除误差的处理：,取等距时间间隔，,t=t,2,-t,1,=t,3,-t,2,得到对应的电流变化。,t,1,时刻，测得R,x,上的电压： U,1,iR,x,t,2,时刻，测得R,N,上的电压： U(i-e)R,N,t,3,时刻，测得R,x,上的电压：U,3,=(i-2e)R,x,联立求解，得：,t1t2t3it0ii-eI-2e消除误差的处理：取等距时间,81,(3)周期性变化的系统误差消除法：,可用,半周期读数法：,设误差为周期性变化，经过180,0,后，误差变,号，利用此特点，每隔半,个周期进行一次测量，取,两次读数的平均值作为,测值，即可消除周期性,误差。,0,U,n,周期性系统误差,需要准确确定误差的周期。,(3)周期性变化的系统误差消除法：可用半周期读数法： 设,82,3.2 随机误差分析方法,1. 随机误差的统计特性,就随机误差个体而言，其大小和方向都无法,预测，但就随机误差的总体而言，都具有统计,规律。,在检测系统中，绝大多数随机误差近似服从正态分布。,P,0,P-随机误差的概率密度, - 随机误差,3.2 随机误差分析方法1. 随机误差的统计特性 就随机,83,2. 随机误差的估计,问题:用算术平均值作为真值的近似值，误差,有多大,?-对随机误差的估计,均方根估计最适合服从正态分布的随机误差的估计。,(1)测量列的均方根误差,设测量列为x,1,x,2,.,x,N。,列均方根误差为：,反映测量列的离散,程度，从而反映测,量的精密度。,2. 随机误差的估计问题:用算术平均值作为真值的近似值，误差,84,列均方根误差与误差估计的置信概率,P,x,0,测量值典型,正态分布曲线,可见：,a)全部测量值分,布在算术平均值,附近；,B)测量值误差在,-,+的概率,为68.27%；在2+2的概率为95.45%。,在3+3的概率为99.73%。,列均方根误差与误差估计的置信概率Px0测量值典型可见：a),85,(2)算术平均值的均方根误差,对某量测量n次，可得到一个算术平均值,重复上述过程m次，可得m个算术平均值，即，,以上算术平均值相对于真值的离散程度可以用算术平均值的均方根误差 表示：,可以证明，列均方根误差,与,算术平均值的均,方根误差 有以下关系：,测量结果的表示方法：,或,(2)算术平均值的均方根误差 对某量测量n次，可得到一个算,86,例如：对某重物进行了十次等精度测量，测值为：,20.62 20.82 20.78 20.82 20.70,20.78 20.84 20.78 20.85 20.85 g,1）,测量值的算术平均值；,2）测量值的均方根误差；,3）测量结果的表达。,求:,例如：对某重物进行了十次等精度测量，测值为：1）测量值的算术,87,解：1）,2）,3）,解：1）2）3）,88,3.3 疏失误差或粗大误差的处理,1. 粗大误差产生的原因,1)测量人员主观的原因：,包括测量人员的经验不足、操作不当、,或工作过度疲劳或测量时不细心、不耐心、,工作责任感不强等等，造成了错误的读数或,错误的记录。,2)客观外界条件的原因：,由于测量条件意外的改变，如机械振动、强,电磁辐射或电网电压波动等，引起仪表示值或被,测对象位置、性能的某些改变而产生误差。,3.3 疏失误差或粗大误差的处理1. 粗大误差产生的原因1),89,2. 判断粗大误差的准则,莱依特准则：,设某一测量列中，测量值只含有随机误差，,根据随机误差的正态分布规律，其误差落在,3以外的概率约为0.3，所以若发现有残余,误差有,则认为该测值x,i,是粗大误差，应予剔除。,2. 判断粗大误差的准则莱依特准则： 设某一测量列中，测,90,例：对容器中一溶液的浓度共测量15次，结果为：,20.42 20.43 20.40 20.43 20.42 20.43 20.39 20.30,20.40 20.43 20.42 20.41 20.39 20.39 20.40 %,试判断并剔除异常值。,【解】, 剔除20.30,例：对容器中一溶液的浓度共测量15次，结果为：试判断并剔除异,91,对剩下的14个数据继续继续判断：,逐一检查u,i,，其绝对值无一超过0.048。,所以，15个测量数据中只有20.30是异常值。,对剩下的14个数据继续继续判断：逐一检查ui，其绝对值无一超,92,10.0,8.0,5.0,8.0,8.0,5.0,其它粗大误差的应用举例:,8.0,8.0,8.0,8.0,8.0,8.0,-裁判评分,最后得分:,10.08.05.0 8.0 8.05.0其它粗大误差的应,93,前例结果分析,:,若不去掉最高分和最低分,则,结果与前面处理的结果相同，,为什么？,若采用莱依特准则进行粗大误差的处理，则,显然也不合理!,前例结果分析:若不去掉最高分和最低分,则,结果与前面处理的结,94,测量误差的综合处理是研究检测各个环节的误差对系统误差的影响规律，以确定总误差与各环节误差的关系。,设Y为被测量， 、为中间变量，找出被测量与中间变量的函数关系：,第四节 测量误差的综合处理,测量误差的综合处理是研究检测各个环节的误差对系统误差的影响规,95,进行全微分得：,其中，,为被测量的绝对误差,为变量 的绝对误差,为,对 的偏导数,对上式两边除以Y，就可得相对误差的综合,表达式：,进行全微分得：其中， 为被测量的绝对误差为变量 的绝对误,96,举例说明：,解：,例1. 已知桥臂电阻R,1,、R,2,、R,N,的精度为0.1，,假定R,1,100,，R,2,1000，当R,N,100,时电桥平衡，求R,x,的精确值。,最大误差为：,R,x,=10(1,0.3%),举例说明：解：例1. 已知桥臂电阻R1、R2、RN的精度为0,97,例2：测量一段导线电阻。已知导线截面的测量,误差是,3%，导线长度的测量误差是2%，,求该电阻的最大测量误差。,解：,最大测量误差是：,例2：测量一段导线电阻。已知导线截面的测量解：最大测量误差是,98,已知系统总误差，求各组成环节的误差属于误差分配问题。误差分配原则是：,必须兼顾各环节可以达到的误差水平，合理地进行误差分配。,分配测量环节的误差应满足系统误差要求。,利用正负环节误差可相互抵消的特点，降低系统总误差，或采用质量较低的元器件,第五节 测量系统的误差分配原则,已知系统总误差，求各组成环节的误差属于误差分配问题。误,99,1、基本概念,绝对误差和相对误差的特点；,三种误差产生的原因和特点，,系统误差和粗大误差的判断方法,2、误差计算,算术平均值的计算，均方根误差的计算；,误差综合计算。,第二章小结,1、基本概念绝对误差和相对误差的特点；2、误差计算算术平均值,100,第一节 传感器的重要性,第二节 传感器的定义及组成,第三节 传感器的分类,第四节 传感器的发展趋势,第三章 传感器概述,第一节 传感器的重要性第二节 传感器的定义及组成第三节,101,当今世界是以信息技术为特征的新技术革命时代，传,感器技术是现代信息技术的重要支柱。,一个国家、一项工程设计中传感器应用的数量和水平直,接标志着其技术先进的程度。,传感器技术当今被广泛地应用在各种先进的设备和系统,中。如“阿波罗”运载火箭采用的传感器达2077个；宇宙飞,船部分的传感器达1218个；一架波音飞机所用的传感器达,上千只。,第一节,传感器的重要性,当今世界是以信息技术为特征的新技术革命时代，传,102,定义：,能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。,其中，敏感元件能直接感受或响应被测量,的部分。,转换元件将敏感元件感受或响应的被,测量转换成适于传输和测量,的电信号部分。,例如：应变式压力传感器,弹性膜片是敏感元件,将压力转换成膜片的变形,应变片是转换元件,将变形转换成阻值的变化,第二节 传感器的定义及组成,定义： 能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的,103,传感器的组成,被测量,敏感元件,转换元件,测量电路,电量,测量电路,（信号调节与转换电路）：,把传感元件输出的电信号转换为便于显示、,记录、处理和控制的有用电信号的电路。,Smart Sensor,集敏感、转换、和信号处理,为一体的智能传感器。,传感器技术：,包括敏感元件技术（新材料和新工,艺等）、测量电路技术、信号转换技术、信号处,理技术等等。,传感器的组成被测量敏感元件转换元件测量电路电量测量电路（信号,104,(1)按外界输入的信号变换为电信号采用的效应 分类:,物理传感器、化学传感器、生物传感器,利用物理效应进行变换为物理传感器,利用化学效应进行变换为化学传感器,利用生物效应进行变换为生物传感器,如热敏电阻传感器,如催化气体传感器,如生化传感器,第三节 传感器的分类,(1)按外界输入的信号变换为电信号采用的效应 分类:,105,化学效应、生物效应,味敏传感器,味觉,化学效应、生物效应,气敏传感器,嗅觉,物理效应,热敏传感器,触觉,物理效应,声敏传感器,听觉,物理效应,光敏传感器,视觉,效 应,传感器,感觉,下表给出了与五官对应的传感器：,化学效应、生物效应味敏传感器味觉化学效应、生物效应气敏传感器,106,大象鼻子的敏感效应,取代大象鼻子的传感器：,1、防盗： 压力传感器、热红外传感器、玻璃碎声传感器、门窗,磁敏传感器等,2、酒精检测：酒敏气体传感器,大象鼻子的敏感效应取代大象鼻子的传感器：1、防盗： 压力传感,107,(3)按被测量对象分类:,速度(加速度),力(力矩、压力），流速，液位，温度，湿度，光，电压，电流，浓度，气体成分，位移等传感器,(4)按工作原理分类:,电阻式,电容式,电感式,涡流式,光电式,应变式,压电式,热电式,(2)按能量的传递方式分类：,有源传感器,无需外加电源便可将被测量转换,成电量。,无源传感器,属能源控制型传感器，需辅助电源。,(3)按被测量对象分类:速度(加速度),力(力矩、压力），流,108,硬币传感检测技术的发明,硬币传感检测技术的发明,109,电子检测：,硬币的金属成分和体积大小可根据测量到的电阻值的大小来推算。,磁性检测：,当硬币从磁铁两极间通过时，它会慢下来，速度的变化取决于硬币的重量及材料,。,光学检测：,硬币通过一组发光二极管和光电传感器时，它的速度和直径就能检测出来。,电子检测：磁性检测：光学检测：,110,烟雾传感检测技术的发明,烟雾传感检测技术的发明,111,辐射源,微弱的辐射源所产生的辐射线能使检测室内的空气离子化。,微处理器,微处理器检测电极中的电流，当电流下降时启动报警器。,辐射源微处理器,112,检测与转换技术ppt课件,113,金属传感探测技术的发明,金属传感探测技术的发明,114,检测与转换技术ppt课件,115,检测与转换技术ppt课件,116,检测与转换技术ppt课件,117,1,固态化趋向,2,集成化和多功能化趋向,3,图象化趋向,4,智能化趋向,固态传感器体积小，便于集成。目前最先进的,固态传感器是在一块芯片上同时集成差压、静压和,温度传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿。,将敏感元件、转换单元和信号处理单元集成。,开始发展从一维、二维到三维空间的测量问题。,传感器信号处理的智能化，可完成传感器的自,动补偿，自动调整和信号的识别等等。,第四节 传感器的发展趋势,1固态化趋向2集成化和多功能化趋向3图象化趋向4智能化趋向,118,到目前为止，还尚未有统一的智能传感器定义。一般认为：传感器与微处理器结合并赋予人工智能的功能，又兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器 。,到目前为止，还尚未有统一的智能传感器定义。一般认为：,119,几个常用的传感器网址, 传感器在线国外著名的传感器杂志的网站，内容非常全面。网站有文章索引服务、业界动态、买家指南、职场中心等栏目。每月初会刊登出该杂志当月的封面故事以及杂志目录。网站的技术论坛非常不错。如果你的英文过硬，可以上这里来咨询。建议国内文好的传感器从业人员访问一下该网站，相信对你日后的工作和专业素养的提高都会有很大的帮助。,几个常用的传感器网址 http:/www.sensorsm,120,几个常用的传感器网址,传感器资讯网,“传感器资讯网”是中国电子元件行业协会敏感元器件与传感器分会的官方网站。专业性强，栏目设置全面，资料详尽。设有新闻动态、展会期刊、业界名人、技术园地、六十大类、供求社区等六大板块。你可以及时掌握业界动态、展会信息。每月下旬，网站会提供给浏览者最新的协会会刊传感器技术目录，以便读者浏览查询。,几个常用的传感器网址 http:/www.globalse,121,几个常用的传感器网址,中国工控网传感器专栏这是一家以工业控制及自动化为主的专业网站。网站定位涉及工控及自动化方面的十六个领域，传感器是其中之一。网站内的传感器专栏设有传感器厂商、传感器产品、资料中心、传感器动态等栏目，该专栏每天的信息量不小，但论坛上的有些帖子的回复并不是特别准确，广告味比较浓。,几个常用的传感器网址 http:/www.gongkong,122,推荐基本参考书,传感器与检测技术,彭军 编著,西安电子科技大学出版社,推荐基本参考书 传感器与检测技术,123,推荐基本参考书,传感器原理及应用,王化祥 张淑英 编著,天津大学出版社,推荐基本参考书 传感器原理及应用,124,推荐基本参考书,现代传感器技术基础,杨宝清 编著,中国铁道出版社,推荐基本参考书 现代传感器技术基础,125,推荐基本参考书,传感器与应用电路设计,赵继文 编著,科学出版社,推荐基本参考书 传感器与应用电路设计,126,第一节,电阻应变片,第二节 基本测量电路电桥电路,第三节 电阻应变片传感器的应用,第四章 电阻应变式传感器,第一节 电阻应变片第二节 基本测量电路电桥电路第三节,127,学 习 要 求,1、掌握电阻应变片的工作原理,2、掌握电阻应变式传感器的检测方法,3、熟悉不同种类直流电桥的输出特点,4、熟悉电阻应变式传感器的典型应用,5、学习和掌握电阻应变传感器的创新应用,学 习 要 求1、掌握电阻应变片的工作原理2、掌握电阻应变式,128,电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成电阻变化的检测元件,。,它由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广泛的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片。,L,F,F,第一节 电阻应变片,电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷重、扭力等）,129,1.1 应变电阻效应,导体产生机械变形时，电阻值发生变化的现象称为“应变电阻效应”。,金属丝受力拉长，截面积S变小，由 知，R将增大。,即,径向应变,测量相对误差：,1.1 应变电阻效应 导体产生机械变形时，电阻值发生变化,130,金属导线在受应力拉长或缩短的时候,不仅,长度要变,面积也要发生变化。其电阻的变化如,何计算？,金属导线在受应力拉长或缩短的时候,不仅,131,由材料力学知：横向应变 与纵向应变,的关系可以用泊松系数,来描述：,应变灵敏系数,由材料力学知：横向应变 与纵向应变应变灵敏系数,132,对于大多数金属材料，泊松系数,所以k,s,的数值在1.44.8之间，一般取k,s,为2（应变片的灵敏度）左右。利用这种效应制成传感器，即为电阻应变片。,要制成电阻应变片，用单一金属丝难以实现，所以用金属丝绕制。如用直径为0.0150.05mm,的细金属丝绕成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，两侧由引线接出，线栅上再覆盖一层绝缘保护膜。,一般线栅面积为,3,10mm,2,阻值为,60150 ,对于大多数金属材料，泊松系数 要制成,133,1.2,环境温度对,测量的影响,造成应变片测量误差的因素很多，测量时要,加以考虑。其中环境温度的影响是首要的误差。,而当应变金属丝受环境温度影响时，有：,R,T,R,T0,1+,T,（TT,0,）,温度系数,T,4.2810,-3,/,温度变化1时， R,T,R,T0,（1+,T,），即，,R/R(R,T,R,T0,)/R,T0,=22140 ,比较,R/Rk,s,l,=2,l,（假设K,S,2）,环境温度变化1相当于引起2140,的应变，必须解决。,一般,l,应变单位为几百几千(110,-6,),1.2 环境温度对测量的影响 造成应变片测量误差的因素,134,1.3温度补偿措施,1,应变片补偿法,将两个特性相同的应变片，用同样的方法粘贴在同样材质的两个器件上，置于相同的温度中，承受应力的为工作片，不受应力的为补偿片,。,测量时，如温度变化两个应变片引起的电阻增量不但符号相同，而且数量相同，根据电桥平衡条件R,1,R,4,R,2,R,3,，电桥必然保持平衡。,应变片R,1,测量元件,应变片R,2,温度补偿元件,R,1,R,2,R,3,R,4,U,0,1.3温度补偿措施1应变片补偿法 将两个特性相同的应变片,135,2,应变片自补偿,使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量等于零或相互抵消，从而不产生测量误差。,这是利用某些电阻材料的温度系数有正负特性，将这两种不同的电阻丝串联成一个应变片来实现的温度补偿，其条件是这两段电阻丝栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等，方向相反,。,即,或，,这种温度补偿方法给应变片的应用带来了方便，但,不易达到理想的效果，而且成本较高。,2应变片自补偿 使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量,136,3,热敏电阻补偿法,将热敏电阻R,t,置于应变片相同的温度下，可以进行温度补偿，有下列多种方式：,U,B,T,R,1,R,t,U,0,不变,T,R,1,R,t,U,0,不变,R,1,R,2,R,3,R,4,R,t,U,0,R,1,R,2,R,t,R,3,U,0,B,3热敏电阻补偿法 将热敏电阻Rt置于应变片相同的温度下，,137,2.1,电桥概述,1电桥工作原理,平衡条件：,R,1,R,2,R,3,R,4,U,S,U,0,第二节 基本测量电路电桥电路,2.1电桥概述1电桥工作原理平衡条件：R1R2R3R4US,138,2电桥分类,按输入电源分：,直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒流源电桥,按被测电阻的接入方式分：,四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件，,其它均为电阻；,四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥 臂，这两个敏感元件在测量对象中， 阻值变化大小相等，方向相反；,四个桥臂中两个敏感元件是相对桥 臂，变化大小相对，方向相同。,单臂电桥,差动电桥,相对臂电桥,双差动电桥,-四个敏感元件，分成大小相等、方,向相反的两对。,2电桥分类按输入电源分：直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒,139,按桥臂电阻的配备方式分：,串联对称电桥(第一类对称电桥),并联对称电桥(第二类对称电桥),等臂电桥,按电桥的工作方式分：,平衡电桥,不平衡电桥,R,1,R,2,R,3,R,4,U,S,U,0,a)对称电桥,R,1, R,2,R,3,R,4,R,1,R,3,，R,2,R,4,R,1,R,2,R,3,R,4,b)不对称电桥,不满足上述条件的电桥,满足R,1,R,4,R,2,R,3,又称“全对称电桥,按桥臂电阻的配备方式分：串联对称电桥(第一类对称电桥)并联对,140,2.2 不平衡单臂电桥的工作特性,单臂R,1,为敏感元件变化的电桥输出为：,对串联对称电桥：,由R,1,=R,2,R,3,=R,4,得,由 (Q是微小量) 可展成泰勒级数：,所以得：,2.2 不平衡单臂电桥的工作特性单臂R1为敏感元件变化的电桥,141,忽略后一项,2,/8,，得,理想输出,电桥电压灵敏度：,非线性度：,可见，输入量变化,越大，非线性误差越大。,若要求电桥误差小于 0.03，即,f,3,则允许,最大值为 0.06 （最大的测量范围）,其结论同全对称电桥。,忽略后一项2/8，得理想输出电桥电压灵敏度：非线性度：可见,142,2.3差动电桥的工作特性,设：,且,则,灵敏度,比单臂电桥高一倍,线性度,R,1,和R,2,为敏感元件,2.3差动电桥的工作特性 设：且则灵敏度比单臂电桥高一倍,143,2.4 双差动电桥的工作特性,灵敏度,比差动电桥高一倍,线性度,设：,均为敏感元件,R,1,R,2,R,3,R,4,且,2.4 双差动电桥的工作特性灵敏度比差动电桥高一倍线性度,144,2.4 相对臂电桥的工作特性,设,得,灵敏度较高，但非线性误差较大，常用于极性显示。,2.4 相对臂电桥的工作特性设得灵敏度较高，但非线性误差较大,145,2.5 提高不平衡电桥输出线性度的方法,2,电桥输出端串接一大阻值的电阻R,L,R,1,R,2,R,3,R,4,U,S,U,0,R,L,I,o,U,0,R,0,R,L,I,o,当R,L,R,0,电桥输出电阻,1,采用差动电桥工作方式,（前面已述）,2.5 提高不平衡电桥输出线性度的方法2电桥输出端串接一大阻,146,3,采用恒流源供电方式,等臂电桥,：,若,R,1,为敏感元件，有：,R,2,R,4,R,1,R,3,I,S,U,o,s,os,U,U,4,e,=,线性度：,理想输出：,灵敏度：,若U,S,RI,S,供电，灵敏度近似不变，非线性误差为,/2,。,3采用恒流源供电方