传感器应用技术(传感器概述)ppt课件

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1、传感器技术传感器技术Sensor TechnologySensor Technology梁长垠梁长垠 教授教授Professor LiangProfessor Liang传感器技术Sensor Technology梁长垠 教授as a:Professor(not famous)Senior TechnicianSenior EngineerVisiting Scholar(NJIT,USA)Professional leaderNational Quality Courses(TV technology&Intelligent electronic product design and pro

2、duction)Technical Experts(for national professional skills competition)Self Introductionas a:Professor(not famous)教学内容第一章 课程引导与传感器概述第二章 温敏传感器及应用第三章 光敏传感器及应用第四章 力敏传感器及应用第五章 超声波传感器及应用第六章 磁敏传感器及应用第七章 其他新型传感器及应用 教学内容第一章 课程引导与传感器概述第一章 课程引导与传感器概述 第一节 课程引导 课程目标 教学设计 课程考核第二节 传感器概述 传感器定义与作用 传感器组成与分类 传感器的性能指标

3、 传感器发展趋势与重点方向第三节 测量与误差 测量与有效数字 测量误差分类与特性第一章 课程引导与传感器概述 第一节 课程引导Course Introduction -Course objectives -Course requirements -Course examination Office hours Tuesday:14:0016:30 Wednesday:14:0016:30Tel:26731194 13612830566第一节 课程引导Course Introduction -课程目标课程目标(Course objectives)(1)(1)了解常用传感器的分类与特性了解常用传感

4、器的分类与特性;(2)(2)掌握常用传感器工作原理、使用方法及应用环境；掌握常用传感器工作原理、使用方法及应用环境；(3)(3)熟悉设计配合传感器应用的各类调理电路并能调试；熟悉设计配合传感器应用的各类调理电路并能调试；(4)(4)能够达到独立选择传感器、设计测量电路及各种显示记能够达到独立选择传感器、设计测量电路及各种显示记 录电路，完成符合实际工程需要的简单测量应用系统录电路，完成符合实际工程需要的简单测量应用系统 的设计、制作及调试的目标。的设计、制作及调试的目标。(5)(5)培养学生初步形成服务现代电子制造及相关产业所需要培养学生初步形成服务现代电子制造及相关产业所需要 的基本技能，为

5、后续课程学习打下坚实的基础，并具的基本技能，为后续课程学习打下坚实的基础，并具 备良好的职业生涯发展能力。备良好的职业生涯发展能力。课程目标(Course objectives)(1)了解知识目标知识目标:（1 1）熟悉）熟悉传感器传感器的定义、分类与基本特性。的定义、分类与基本特性。（2 2）了解）了解测量与误差测量与误差基本概念基本概念（3 3）熟悉）熟悉常用仪器仪表功能常用仪器仪表功能与工作原理，掌握电子电路常规参与工作原理，掌握电子电路常规参数的测试方法。数的测试方法。（4 4）掌握）掌握温度传感器温度传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与

6、测试方法。制作与测试方法。（5 5）掌握）掌握光电传感器光电传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法。制作与测试方法。（6 6）掌握）掌握压力传感器压力传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法。制作与测试方法。（7 7）掌握）掌握超声传感器超声传感器种类、特性、工作原理及应用电路分析、种类、特性、工作原理及应用电路分析、制作与测试方法。制作与测试方法。（8 8）掌握）掌握其他新型传感器其他新型传感器的特性及应用方法。的特性及应用方法。（9 9）具备设计、制作和调试小型传感器测试系统的综合能力

7、。）具备设计、制作和调试小型传感器测试系统的综合能力。知识目标:（1）熟悉传感器的定义、分类与基本特性。（2）能力目标能力目标:（1）方法能力：能根据需要使用工具、媒体独立搜集信息并正确评价信息；能根据工作任务要求制定工作计划并有步骤地开展工作；能独立学习、主动获取新知识，具备分析问题与解决问题的能力；能进行职业生涯规划，具备一定的决策能力。（2）社会能力：具有良好的人际交流能力及团队协作精神；具有良好的公共关系处理能力与接受新事物的能力；具有一定的心理自我调整能力；具有社会责任心、道德意识和法律知识运用能力。具有产品的质量意识、成本意思和安全意识。（3）专业能力：能够识别与检测常用传感器；能

8、够正确选用仪器仪表对传感器应用电路的参数进行测量、调整及简单故障排查；能以团队形式用专业方法完成小型传感器测试系统的设计、制作、调试，并对整机性能进行综合测试。能力目标:（1）方法能力：能根据需要使用工具、媒体独立搜集教学设计教学设计成绩评定平时成绩50分期末考试50分平时考勤无故迟到或早退1次扣1分旷课一次扣2分课程考核成绩评定平时成绩50分平时考勤无故迟到或早退1次扣1分课程考第二节第二节 传感器概述传感器概述传感器的定义与作用传感器的定义与作用2.1传感器的组成与分类传感器的组成与分类传感器的性能指标传感器的性能指标传感器发展趋势与重点方向传感器发展趋势与重点方向 2.22.32.4第二

9、节 传感器概述传感器的定义与作用2.1传感器的组成与传感器的定义与作用传感器的定义与作用2.1一一.定义定义国家标准（国家标准（GB7665-87GB7665-87）中传感器（）中传感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）定义：）定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。可用输出信号的器件或装置。传感器是检测器件或测量装置，能完成检测任务；传感器是检测器件或测量装置，能完成检测任务；输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量

10、等；物量等；输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电量，主要是电量；以是气、光、电量，主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。*传感器又称为变换器、换能器、探测器、检知器等传感器又称为变换器、换能器、探测器、检知器等传感器的定义与作用2.1一.定义能够感受规定的被测量并按照一传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器所检测的信号品种极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测及控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号

11、能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。传感器的狭义定义：将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。传感器传感器来自外界的信号来自外界的信号电信号电信号传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成二二.作用作用人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则子计算机

12、相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（相当于人的五官部分（“电五官电五官”）。）。传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段二.作用人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过三三.传感器的重要性与应用传感器的重要性与应用电子信息技术电子信息技术计算机应用技术计算机应用技术通信技术通信技术传感器技术传感器技术2020世纪世纪8080年代年代日本日本将传感器技术列为优先发展的十大技术之首。将传感器技术列为优先发展的十大技术之首。美国学术界美国学术界认为认为2020世纪世纪8080年代是传感器的时代。年代是传感器的时代。近几十年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者

13、达近几十年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达3838人。人。“没有传感器就没有现代科学技术没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。的观点已为全世界所公认。1.重要性重要性2020世纪世纪3030年代传感器的研究开始起步。年代传感器的研究开始起步。三.传感器的重要性与应用电子信息技术计算机应用技术通信技术传2.2.传感器技术的应用传感器技术的应用传感器技术在军事国防、工业自动化和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透：生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已

14、层出不穷，并在日新月异地发展。2.传感器技术的应用美国的维吉尼亚级潜艇美国的维吉尼亚级潜艇美国的维吉尼亚级潜艇 1991年海湾战争年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占精确制导炸弹和导弹占8%1994年美国防部建立自动测试系统执行局年美国防部建立自动测试系统执行局 2003年伊拉克战争，年伊拉克战争，90%精确制导炸弹和导弹精确制导炸弹和导弹 1991年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占8%1994年美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器-OICW 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射激光测距仪：可精确的定位目标。在发

15、射2020毫米高爆弹时，激毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。以便精确的设定引爆时间。美军研制的未来单兵作战武器-OICW 夜视瞄准机系统：非美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD-NMD1.1.地基拦截器地基拦截器2.2.早期预警系统早期预警系统3.3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.4.管理与控制系统管理与控制系统5.5.卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统监测系统监测系统:探测和发现探测和发现敌人导弹的发射并追踪敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；导弹的飞行轨道

16、；拦截器：能识别真假弹拦截器：能识别真假弹头，敌友方头，敌友方美国国家导弹防御计划-NMD1.地基拦截器监测系统:探传感器应用技术(传感器概述)ppt课件Distance measurementDistance measurement传感器应用技术(传感器概述)ppt课件传感器应用技术(传感器概述)ppt课件传感器应用技术(传感器概述)ppt课件2.2传感器的组成与分类传感器的组成与分类 被测量敏感元件敏感元件转换元件转换元件测量电路电量辅助电源敏感元件：敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。如：应变式压力传感器的敏感元件是弹性膜片，其作用是将压力转换成膜片的

17、变形。转换元件：转换元件：将将敏感元件的输出转换成电路参量。如：应变式压力传感器的转换元件是应变片，其作用是将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。测量电路：测量电路：将其进一步变换成可直接利用的电信号。一一.传感器的组成传感器的组成2.2传感器的组成与分类 被测量敏感元件转换元件测量电路电量最最简简单单的的传传感感器器由由一一个个敏敏感感元元件件(兼兼转转换换元元件件)组组成成，它它感感受受被被测测量量时时直直接接输输出出电电量量，如如热热电电偶偶。有有些些传传感感器器由由敏敏感感元元件件和和转转换换元元件件组组成成，没没有有转转换换电电路路，如如压压电电式式加加速速度度传传感感器器，其其中中质

18、质量量块块是是敏敏感感元元件件，压压电电片片（块块）是是转转换换元元件件。有有些些传传感感器器，转转换换元元件件不不只只一一个个，要要经经过过若干次转换。若干次转换。由于空间的限制或者其他原因由于空间的限制或者其他原因,测量电路常装入电箱中。测量电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过测量电路后才能输出电信然而，因为不少传感器要在通过测量电路后才能输出电信号，从而决定了测量电路是传感器的组成环节之一。号，从而决定了测量电路是传感器的组成环节之一。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量传感器自动检测系统的组成传感器自动检测系统的组成 传感器自动检测系统的组成 2.2传

19、感器的组成与分类传感器的组成与分类1 1、按、按工作机理（检测范畴）：工作机理（检测范畴）：物理型、化学型、生物型等物理型、化学型、生物型等 2 2、按、按构成原理：构成原理：结构型、结构型、物性型物性型、复合型、复合型 3 3、按、按能量转换情况：能量转换情况：能量控制型、能量转换型能量控制型、能量转换型4 4、按、按物理原理物理原理：十种十种 5 5、按传感器、按传感器用途用途 ：位移、压力、振动、温度传感器等：位移、压力、振动、温度传感器等6 6、按、按转换过程可逆与否转换过程可逆与否 ：单向和双向：单向和双向7 7、按、按输出信号输出信号：模拟信号和数字信号：模拟信号和数字信号 8 8

20、、按、按能源能源：有源传感器和无源传感器：有源传感器和无源传感器 二、传感器的二、传感器的分类分类 2.2传感器的组成与分类1、按工作机理（检测范畴）：物理型、按照物理原理分类：按照物理原理分类：电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；气电式传感器：电位器式、应变式；热电式传感器：热电偶、热电阻；波式传感器：超声波式、微波式等；射线式传感器：热辐射式、射线式；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振

21、弦式等。按照物理原理分类：u结构型传感器是利用传感器本身结传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的构参数的变化来实现信号转换的。例如：电容式传感器是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。u物性型传感器是利用敏感器件材料本身物理性质敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测的变化来实现信号的检测。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。结构型传感器是利用传感器本身

22、结构参数的变化来实现信号转换的。能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,磁电式加速度计磁电式加速度计.能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.常用传感器外形：常用传感器外形：压电式压力传感器气敏传感器温度传感器超声波传感器热电偶常用传感器外形：压电式压力传感器气敏传感器温度传感器超声波传传感器的性能指标传感器的性能指标 传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。u当

23、输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；u当当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。2.3传感器的性能指标 传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。当（一）静态特性技术指标（一）静态特性技术指标传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素

24、的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y输出量；x输入量；a0零点输出；a1理论灵敏度；a2、a3、an非线性项系数。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。静态特性曲线可实际测试获得。为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。理想情况下理想情况下，y=a0+a1x（一）静态特性技术指标传感器的输出输入关系或多或少地存在非线1 1测量范围与量程测量范围与量程（1）测量范围(measuring range)传感器所能测量到的最小输入

25、量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。（2）量程(span)传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。1测量范围与量程（1）测量范围(measuring ran2 2线性度线性度指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。2线性度指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直3 3迟滞迟滞传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。迟滞误差

26、迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即0yxHmaxyFS迟滞特性式中Hmax正反行程间输出的最大差值。3迟滞传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反3重复性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。重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即yx0Rmax2Rmax1Rmax1正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最大重复性偏差。4重复性3重复性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5灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。传感器输出的变化量传感器输出

27、的变化量 y y与引起该变化量的输入变化量与引起该变化量的输入变化量 x x之比即之比即为其静态灵敏度，其表达式为为其静态灵敏度，其表达式为K=y/x5灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出5分辨力与阈值当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分分辨辨率率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值阈值。6稳定性稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化

28、，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。5分辨力与阈值当传感器的输入从非零值缓慢增加时，在超过某一 7 7静态误差静态误差 静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。8、精确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)精密度精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内测量，由同一个测量者，用同一个传

29、感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。精密度是连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。精密度是随机误随机误差大小的标志差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。高不一定准确度高。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,某流量传感某流量传感器的准确度为器的准确度为0.3m0.3m3 3/s/s，表示该传感器的输出值与真值偏离，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m0.3m3 3/s/s。准确度是。准确度是系统误差大小的标志系统误差大小的标志，准确度高意

30、味着系统误，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。差小。同样，准确度高不一定精密度高。7静态误差 静态误差是指传感器在其全量程内精确度精确度：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。（a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。精确度：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（二）传感器的动态特性（二）传感器的动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，

31、只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。标准输入有三种：u正弦变化的输入u阶跃变化的输入u线性输入经常使用的是前两种。（二）传感器的动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的0.42.4传感器开发的新趋势与重点方向传感器开发的新趋势与重点方向 传感技术的发展分为两个方面：提高与改善传感器的技术性能提高与改善传感器的技术性能寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。传感器技术的发展过程：发展过程发展过程结构型传感器结构型传感器(结构参量变化结构参量变化)物性型传感器物性型传感器(材料性质变

32、化材料性质变化)智能型传感器智能型传感器(微计算机技术微计算机技术)0.42.4传感器开发的新趋势与重点方向 传感技术的发展分为 传感器的发展趋势与重点方向传感器的发展趋势与重点方向1.传感器的发展趋势传感器的发展趋势 开展新理论研究，采用新技术、新材料、开展新理论研究，采用新技术、新材料、新工艺，实现传感器的新工艺，实现传感器的“五化五化”发展，发展，即智能化、可移动化、微型化、集成化、即智能化、可移动化、微型化、集成化、多样化。多样化。v 开发新型传感器开发新型传感器 v 开发新材料开发新材料v 新工艺的采用新工艺的采用 v 集成化、多功能化集成化、多功能化v 智能化智能化 2.4 传感器

33、的发展趋势与重点方向传感器的发展趋势 开发开发新材料开发新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。（1）半导体敏感材料（2）陶瓷材料（3）磁性材料（4）智能材料如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。开发新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础，新工艺的采用新工艺的采用 在发

34、展新型传感器中，离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术，是近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。新工艺的采用 在发展新型传感器中，离不开新工艺集成化、多功能化集成化、多功能化 为同时测量几种不同被测参数，可将几种不同的

35、传感器元件复合在一起，作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。把多个功能不同的传感元件集成在一起，除可同时进行多种参数的测量外，还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价，可反映出被测系统的整体状态。同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集同一功能的多元件并列化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来成工艺在同一平面上排列起来，如CCD图像传感器。多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件一体化，组装成一个器件。集成化、多功能化 为同时测量几种不同被测参数，可将几种智能

36、化智能化 对外界信息具有对外界信息具有检测检测、数据处理数据处理、逻辑判断逻辑判断、自诊断自诊断和和自自适应适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物，它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便

37、等优点，是传感器重要的发展方向之一。如，如，DS18B20DS18B20传感器测量系统传感器测量系统。智能化 对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断 传感器的发展趋势与重点方向传感器的发展趋势与重点方向2.未来传感器发展的重点方向未来传感器发展的重点方向 可穿戴式应用可穿戴式应用 无人驾驶无人驾驶 医护与健康监测医护与健康监测 工业控制工业控制2.4 传感器的发展趋势与重点方向2.未来从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机检测系统。从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机第三节第三节 测量与误差测量与误差测量与测量方法测量与测量方法3.1有效数

38、字有效数字2.1误差理论基础误差理论基础2.13.23.3第三节 测量与误差测量与测量方法3.1有效数字2.1误差测量与测量方法测量与测量方法一、测量一、测量 测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。测量的结果包括测量的结果包括数值大小数值大小和和测量单位测量单位两部分。数值的大小两部分。数值的大小可以用数字表示，也可以是曲线或者图形。无论表现形

39、式如何，可以用数字表示，也可以是曲线或者图形。无论表现形式如何，在测量结果中必须注明单位。测量过程的核心是比较。在测量结果中必须注明单位。测量过程的核心是比较。注意：没有测量单位，测量结果是没有意义的。注意：没有测量单位，测量结果是没有意义的。(写实验报告时应注意写实验报告时应注意)3.1测量与测量方法一、测量注意：没有测量单位，测量结果是没有意义二、测量方法二、测量方法 测量方法分为直接测量和间接测量两大类。测量方法分为直接测量和间接测量两大类。1.1.直接测量直接测量 能直接得到被测量的数值的测量方法。能直接得到被测量的数值的测量方法。1 1）直接比较测量法）直接比较测量法 将被测量直接与

40、已知其值的同类量进行比较，将被测量直接与已知其值的同类量进行比较，从而求得被测量。从而求得被测量。所使用的测量工具一般是所使用的测量工具一般是直读指示式仪表直读指示式仪表，且已预先用标准量具进行了且已预先用标准量具进行了分度分度和和校准校准。（如用（如用电压表测电压，游标卡尺测长度）电压表测电压，游标卡尺测长度）优点优点：测量过程简单、方便，应用广泛。：测量过程简单、方便，应用广泛。二、测量方法2 2）微差测量法）微差测量法将被测量和与其量值只有微小差将被测量和与其量值只有微小差别的已知量进行比较，测出这两别的已知量进行比较，测出这两个量值之间的差值。个量值之间的差值。优点优点：当已知量精确度

41、很高，而：当已知量精确度很高，而其值又很接近被测量时，用较低其值又很接近被测量时，用较低精度的测量仪表，也能得到高精精度的测量仪表，也能得到高精度的测量结果。度的测量结果。2）微差测量法 3 3）零位测量法）零位测量法通过调整一个或几个已知数值的量使之与通过调整一个或几个已知数值的量使之与被测量达到平衡，从而确定被测量的测量被测量达到平衡，从而确定被测量的测量方法。方法。所使用的测量仪表一般包括所使用的测量仪表一般包括标准量具标准量具和一和一个个指零部件指零部件，也称平衡或补偿测量法。，也称平衡或补偿测量法。（如天平称重，平衡电桥）（如天平称重，平衡电桥）优点优点：可获得较高精确度。：可获得较

42、高精确度。缺点缺点：测量中需进行平衡操作，测量过：测量中需进行平衡操作，测量过程较复杂。程较复杂。3）零位测量法 2.2.间接测量间接测量 先对一个或几个与被测量有确定函数关系的量进行先对一个或几个与被测量有确定函数关系的量进行直接测量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表直接测量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表格求得被测量。格求得被测量。比如测物体的密度。比如测物体的密度。一般来说，间接测量法需要测量的量较多，因此测量和计算一般来说，间接测量法需要测量的量较多，因此测量和计算的工作量较大，引起误差的因素也较多。通常在采用直接测的工作量较大，引起误差的因素也较多。通常在采用直接测量很

43、不方便，或误差较大，或缺乏直接测量仪器时，才使用量很不方便，或误差较大，或缺乏直接测量仪器时，才使用间接测量。间接测量。2.间接测量比如测物体的密度。一般来说，间接测量法需要测有效数字如1/3，等 位数有限，如0.333，3.14159等 1.1.概念概念 数字分类：完全准确数字；有效数字。有效数字的构成(读取)：准确部分+一位非准确部分(误差所在位)。(I)(I)物体长度物体长度L L估读为估读为4.24.27 7cmcm或或4.24.28 8cmcm (II)(II)右端恰好与右端恰好与15cm15cm刻度线对齐刻度线对齐,准确数字为准确数字为“15.0”15.0”，再加上估读数，再加上估

44、读数“0”0”，则物体长度，则物体长度L L的有效数字应记为的有效数字应记为15.015.00 0cm cm 估计值，一般为最小分度值的估计值，一般为最小分度值的1/101/10的整数倍的整数倍3.2有效数字如1/3，等 位数有限，如0.333，3.14152.2.有效数字有效数字位数的特点位数的特点a.a.位数与仪器最小分度值有关，与被测量的大小也有关；位数与仪器最小分度值有关，与被测量的大小也有关；如用最小分度值如用最小分度值0.01mm0.01mm的千分尺测量的长度读数为的千分尺测量的长度读数为 8.348.344 4mmmm，用最小分度值为，用最小分度值为0.1mm0.1mm的游标卡尺

45、来测量，的游标卡尺来测量，其读数为其读数为 8.38.34 4mmmm。b.b.位数与小数点的位置（单位）无关；位数与小数点的位置（单位）无关；如重力加速度如重力加速度9.80m9.80ms s2 2，0.00980km0.00980kms s2 2 或或 980cm980cms s2 2都是三位有效数字都是三位有效数字c.c.位数粗略反映测量的误差位数粗略反映测量的误差位数越多，测量的相对误差就越小位数越多，测量的相对误差就越小,如如8.348.344 4mmmm，8.38.34 4mmmm的相对误差的相对误差2.有效数字位数的特点a.位数与仪器最小分度值有关，与被测3.3.有效数字的修约有

46、效数字的修约原则：五下舍，五上入，整五凑偶。拟舍的第一位数字为拟舍的第一位数字为5，其后无数字或皆为其后无数字或皆为0 保留末位为奇数保留末位为奇数,加加1，保留末位为偶数保留末位为偶数,不变不变 如保留四位有效数字如保留四位有效数字:3.1413.1415 59 9 2.7172.7172 29 9 4.5104.5105 50 0 3.2153.2155 50 0 6.3786.3785 50l0l 7.6917.6914 49999 3.1423.1422.7172.7174.5104.5103.2163.2166.3796.3797.6917.6913.有效数字的修约原则：五下舍，五上

47、入，整五凑偶。拟舍的第误差理论基础误差理论基础一、误差的基本概念真值（True valueTrue value）：任何一个量的绝对准确值。约定真值：与真值的差可以忽略而可以代替真值的值。误差（errorerror）：用测量仪表对被测量进行测量时，测量的结果与被测量的约定真值之间的差。3.3误差理论基础一、误差的基本概念3.3二、误差分类 按表示方法可分为三类绝对误差相对误差引用误差 按性质可分为三类随机误差(偶然误差)系统误差粗大误差二、误差分类u绝绝对对误误差差：测测量量结结果果减减去去被被测测量量的的约约定定真真值值所所得得的的差差值值。绝绝对误差有符号和单位，它的单位与被测量相同。对误差

48、有符号和单位，它的单位与被测量相同。测量仪器的测量仪器的修正值修正值：就是与绝对误差大小相等、符号相：就是与绝对误差大小相等、符号相反的量，用反的量，用C C表示。则表示。则C C=x x=x x0 0-x x。于是被测量的。于是被测量的约定真值约定真值x x0 0=x x+C C。注意：修正值必须在仪器检定的有效期内使用，否则要注意：修正值必须在仪器检定的有效期内使用，否则要重新检定，以获得准确的修正值。重新检定，以获得准确的修正值。1.1.绝对误差绝对误差绝对误差：测量结果减去被测量的约定真值所得的差值。绝对误差有 绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值，测量精度愈高。绝对误差愈小，说明指示值

49、愈接近真值，测量精度愈高。但这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不能说明不同值但这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不能说明不同值的测量精度。例如，某测量长度的仪器，测量的测量精度。例如，某测量长度的仪器，测量10 mm10 mm的长度，的长度，绝对误差为绝对误差为0.001 mm0.001 mm；另一仪器测量；另一仪器测量200 mm200 mm长度，长度，绝对误差为误差为0.01 mm0.01 mm。这就很难按绝对误差的大小来判断测量精度高低了，。这就很难按绝对误差的大小来判断测量精度高低了，这是因为后者的绝对误差虽然比前者大，但它相对于被测量的这是因为后者的绝对误差虽然比前者大，但它

50、相对于被测量的值却显得较小。为此引入相对误差的概念。值却显得较小。为此引入相对误差的概念。绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值，测u相相对对误误差差：绝绝对对误误差差与与被被测测量量真真值值的的比比值值，常常用用百百分分数数表表示，即示，即 相相对对误误差差比比绝绝对对误误差差能能更更好好地地说说明明测测量量的的精精确确程程度。在上面的例子中度。在上面的例子中 显然，后一种长度测量仪表更精确。显然，后一种长度测量仪表更精确。2.2.相对误差相对误差相对误差：绝对误差与被测量真值的比值，常用百分数表示，即2.使使用用相相对对误误差差评评定定测测量量精精度度，也也有有局局限限性性。它它只只能能说说明

51、明不不同同测测量量结结果果的的准准确确程程度度，但但不不适适用用于于衡衡量量测测量量仪仪表表本本身身的的精精度度。因因为为同同一一台台仪仪表表在在整整个个测测量量范范围围内内的的相相对对误误差差不不是是定定值值。随随着着被被测测量量的的减减小小相相对对误误差差变变大大。为为了了更更合合理理地地评评价价仪仪表质量；采用了引用误差的概念。表质量；采用了引用误差的概念。使用相对误差评定测量精度，也有局限性u引用误差引用误差：以仪表的绝对误差与仪表量程之比的百分数表示。以仪表的绝对误差与仪表量程之比的百分数表示。通常以最大引用误差来定义测量仪表的精度等级，即通常以最大引用误差来定义测量仪表的精度等级，

52、即 测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精度等测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精度等级的尺度。工业仪表常见的精度等级有级的尺度。工业仪表常见的精度等级有0.10.1级，级，0.20.2级，级，0.50.5级，级，1.01.0级，级，1.51.5级，级，2.02.0级，级，2.52.5级，级，5.05.0级。精度密度和精确度等级为级。精度密度和精确度等级为1.01.0的仪表，的仪表，在使用时它的最大引用误差不超过在使用时它的最大引用误差不超过1.01.0，也就是说，在整个量程内，也就是说，在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的它的绝对误差最大值不会超过

53、其量程的11。在具体测量某个量值时，相对误差可以根据精度等级所确定的最大在具体测量某个量值时，相对误差可以根据精度等级所确定的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。绝对误差和仪表指示值进行计算。3.3.引用误差引用误差引用误差：以仪表的绝对误差与仪表量程之比的百分数表示。3.例例 1 1 一一 台台 测测 量量 仪仪 表表，其其 标标 尺尺 范范 围围 为为 0 0 400400。已已 知知 其其 绝绝 对对 误误 差差 最最 大大 值值 。求其引用误差。求其引用误差。例例 2 2 另另 一一 台台 测测 量量 仪仪 表表，标标 尺尺 范范 围围 为为 0 0 200200。已已 知知 其其 绝绝

54、 对对 误误 差差 最最 大大 值值 。求其引用误差。求其引用误差。例如一台仪表的最大引用误差为例如一台仪表的最大引用误差为0.450.45，则我们就说该仪表的精度为，则我们就说该仪表的精度为0.50.5级。级。由此可以看到，最大引用误差只能用来作为判断仪表精度的尺度，而不能由此可以看到，最大引用误差只能用来作为判断仪表精度的尺度，而不能直接用引用误差的大小来表示仪表的精度，因为仪表的精度等级国家是有统一规直接用引用误差的大小来表示仪表的精度，因为仪表的精度等级国家是有统一规定的。定的。以上两例可以看出，相同的绝对误差，其量程大的仪表引用误差小，而量程以上两例可以看出，相同的绝对误差，其量程大

55、的仪表引用误差小，而量程小的仪表引用误差大。小的仪表引用误差大。一般我们用仪表最大引用误差的大小来作为判断仪表精度的尺度。一般我们用仪表最大引用误差的大小来作为判断仪表精度的尺度。例2 另一台测量仪表，标尺范围为0200。已知其绝对误差精精度度等等级级的的表表示示方方法法：1 1级级表表示示为为1.01.0，1.51.5级级表表示示为为1.51.5。一一般般都都标标注注在在仪仪表表的表盘上的表盘上。1.51.5 精度的表达通常是以仪表最大引用误差去掉百分号的数字，向上归整的精度的表达通常是以仪表最大引用误差去掉百分号的数字，向上归整的相应精度等级来表达相应精度等级来表达 所谓所谓1 1级表，即

56、指该表的最大引用误差级表，即指该表的最大引用误差强调指出：前例中的强调指出：前例中的 ，其仪表精度等级即为，其仪表精度等级即为1.51.5级。级。，其仪表精度等级即为，其仪表精度等级即为2.52.5级。级。精度等级的表示方法：1级表示为1.0，1.5级表示为1.5。例：已知某一被测电压约为10V，现有如下两块电压表（1）150V，0.5级；（2）15V，2.5级。问选择哪一块表测量误差较小？提示：例：已知某一被测电压约为10V，现有如下两块电压表（1）154.随机误差(Random Error):在实际相同条件下，在实际相同条件下，对同一被测量进行多次等精度对同一被测量进行多次等精度测量测量时

57、，由于各种随机因素（时，由于各种随机因素（如温度、湿度、电源电压波动、如温度、湿度、电源电压波动、磁场等）磁场等）的影响，的影响，各次测量值之间存在一定差异，各次测量值之间存在一定差异，这种差异这种差异就是随机误差。就是随机误差。特点：随机误差表示了测量结果偏离其真实值的分散特点：随机误差表示了测量结果偏离其真实值的分散情况。一般分布形式接近于情况。一般分布形式接近于正态分布正态分布。消除方法：可采用在同一条件下，对被测量进行足够消除方法：可采用在同一条件下，对被测量进行足够多次重复测量，取其多次重复测量，取其算术平均值算术平均值作为测量结果的方法。作为测量结果的方法。测量条件测量条件引起误引

58、起误差的原差的原因因误差特点误差特点4.随机误差(Random Error):测量条件引随机误差的处理方法随机误差的处理方法1)1)概率、概率密度与正态分布概率、概率密度与正态分布 自然界中，某一事件或现象出现的客观可能性自然界中，某一事件或现象出现的客观可能性大小，通常用概率来表示。大小，通常用概率来表示。客观的必然现象称为必然事件。例如，平面三客观的必然现象称为必然事件。例如，平面三角形内角和为角形内角和为180180，就是一个必然事件。必然事件的，就是一个必然事件。必然事件的概率为概率为1 1。违反客观实际的不可能出现的现象称为不可能违反客观实际的不可能出现的现象称为不可能事件，不可能事

59、件的概率为零。事件，不可能事件的概率为零。客观上可能出现，也可能不出现，而且不能预客观上可能出现，也可能不出现，而且不能预测的现象称为随机事件或随机现象。它具有一定的概测的现象称为随机事件或随机现象。它具有一定的概率，且概率在率，且概率在0 0和和1 1之间。例如抛掷硬币，出现正面朝之间。例如抛掷硬币，出现正面朝上或反面朝上的现象，即为一随机事件。当抛掷次数上或反面朝上的现象，即为一随机事件。当抛掷次数无限加多时，它们的概率接近无限加多时，它们的概率接近0.50.5。随机误差的处理方法在数学中，一个连续型随机变量的概率密度函数概率密度函数是一个描述这个随机变量的输出值在某一个确定的取值点附近的

60、可能性的函数。性质1：性质2：设正态分布的随机变量设正态分布的随机变量X X 的误差为：的误差为：为被测量的真值，则随机误差为被测量的真值，则随机误差的概率密度函数的概率密度函数f f()如右上图所示：如右上图所示：符合正态分布的随机误差，其概率密度函数的数学表达式为：符合正态分布的随机误差，其概率密度函数的数学表达式为：在数学中，一个连续型随机变量的概率密度函数是一个描述这个随机 2)2)正态分布随机误差的特点正态分布随机误差的特点 （1 1）对称性对称性 随机误差可正可负，但绝对值相随机误差可正可负，但绝对值相等的正、负误差出现的机会相等。也就是说等的正、负误差出现的机会相等。也就是说f(

61、)f()曲线对称于纵轴。曲线对称于纵轴。（2 2）单峰性单峰性 绝对值小的随机误差比绝对值大的绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差出现的机会多，即前者比后者的概率密度大，随机误差出现的机会多，即前者比后者的概率密度大，在在=0=0处随机误差概率密度有最大值。处随机误差概率密度有最大值。（3 3）有界性有界性 在一定测量条件下，随机误差的绝在一定测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的范围，即绝对值很大的随机误差对值不会超过一定的范围，即绝对值很大的随机误差几乎不出现。几乎不出现。（4 4）抵偿性抵偿性 在相同条件下，当测量次数在相同条件下，当测量次数n n时，全体随机误差的代数和等于零。时

62、，全体随机误差的代数和等于零。2)正态分布随机误差的特点 3)3)正态分布随机变量的数字特征正态分布随机变量的数字特征(1)(1)算术平均值算术平均值当测量次数无穷大时，被当测量次数无穷大时，被测量的真值就等于测量值测量的真值就等于测量值的算术平均值，及算术平的算术平均值，及算术平均值是被测量真值的均值是被测量真值的最佳最佳估计值估计值。3)正态分布随机变量的数字特征(1)算术平均值当测量次数(2)(2)方差和标准偏差：方差和标准偏差：用于反映测量值偏离真值的程度用于反映测量值偏离真值的程度。方差就是当等精度测量次数无穷增加时，测量值与真值之差的平方和的算术平均值，用2表示：方差的正平方根称为

63、标准偏差，即：(2)方差和标准偏差：用于反映测量值偏离真值的程度。5.粗大误差（Gross ErrorGross Error）：）：在相同条件下，对同一被测量进行多次等精度测量时，有个别测量结果的误差远远大于规定条件下的预计值。这类误差一般由于测量者粗心大意或测量仪器突然出现故障等造成。称之为粗大误差（或寄生误差）。消除方法：凡粗大误差应予以剔除。实际中常采用拉依达准则，即当测量次数足够多时，若那么第i次测量值xi就存在粗大误差，应予以剔除。测量条件测量条件误差特点误差特点引起误差引起误差的原因的原因5.粗大误差（Gross Error）：测量条件误差特点引起6系统误差(Systematic

64、Error)：定义：分析过程中某些确定的、经常性的因素引起的误差。（可测误差）计算：在重复测量条件下对同一被测量进行无限多次测量结果的平均值减去真值 特点：特点：（1）重现性即重复测定重复出现（2）单向性即误差或大、或小、或正、或负（3）可测性即误差恒定，可以校正6系统误差(Systematic Error)：产生系统误差的主要原因：产生系统误差的主要原因：测量数据的误差分析测量数据的误差分析对直接测量数据的误差分析步骤：对直接测量数据的误差分析步骤：1 1、剔除所有测量数据中的所有粗大误差。、剔除所有测量数据中的所有粗大误差。2 2、判断有无系统误差，若有则采用相应的校正或、判断有无系统误差

65、，若有则采用相应的校正或补偿措施，以消除其对测量结果的影响。补偿措施，以消除其对测量结果的影响。3 3、经上述处理后的测量数据中只有随机误差，可、经上述处理后的测量数据中只有随机误差，可计算它们的算术平均值作为被测量的约定真值。计算它们的算术平均值作为被测量的约定真值。测量数据的误差分析作业：1.请问测量误差分别按表示方法和性质分类时可各分为哪几类？每一类是如何定义的？2.使用一只0.2级、量程为10V的电压表，测得某一电压为5.0V，试求次测量值可能出现的绝对误差和相对误差的最大值。3.有三台测温仪表，量程均为0800，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5，选那台仪表合理?作业：3.有三台测温仪表，量程均为0800，精度等级分别预习内容：1.利用二极管IN4148设计一个0100C温度测量仪2.利用热敏电阻设计温度上下限报警电路3.利用热电阻PT100设计温度测量电路4.利用热敏电阻设计电脑机箱温度控制系统 预习内容：1.利用二极管IN4148设计一个0100C温