高級電工-傳感器概論

傳感器技術(shù)概論了解檢測和傳感器的基本知識掌握各類傳感器的基本特性和工作原理、典型測量電路了解各類傳感器的典型應(yīng)用了解微機(jī)自動檢測技術(shù)了解檢測技術(shù)的抗干擾技術(shù)第一章檢測技術(shù)的基本知識1.1檢測的目的、意義1.2檢測與計量的區(qū)別1.3自動檢測技術(shù)概述1.4傳感器與變送器的基本知識1.5測量誤差及其處理方法1.6檢測系統(tǒng)或儀表的性能評價內(nèi)容提要本章介紹自動檢測技術(shù)、傳感器和變送器的基本知識、測量誤差及其處理方法和檢測系統(tǒng)的性能評價。通過本章學(xué)習(xí)，了解檢測的目的、意義和檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢；掌握自動檢測系統(tǒng)的基本組成、測量方法及其選擇；掌握傳感器的定義、分類和命名方法，了解變送器的作用；學(xué)會誤差的表示方法和基本處理手段；對檢測系統(tǒng)的性能評價指標(biāo)有一定的理解。1.1檢測的目的和意義檢測是指在各類生產(chǎn)、科研、試驗及服務(wù)等各個領(lǐng)域為及時獲得被測、被控對象的有關(guān)信息而實時或非實時地對一些參量進(jìn)行定性檢查和定量測量的技術(shù)措施。例1人與機(jī)器的機(jī)能對應(yīng)關(guān)系1.1檢測的目的和意義外界對象感官傳感器人腦微機(jī)肢體執(zhí)行器例2：開發(fā)區(qū)海灣公司生產(chǎn)的感溫、感煙火災(zāi)報警器集控器1中央監(jiān)控圖監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖探頭11探頭12探頭1N其監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖2:例3：熱軋帶鋼表面溫度的測量9檢測技術(shù)是：國民經(jīng)濟(jì)的“倍增器”

科學(xué)研究的“先行官”

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“戰(zhàn)斗力”

法庭審判的“物化法官”

檢測技術(shù)的工程應(yīng)用

測試技術(shù)是人類認(rèn)識和改造客觀世界的基礎(chǔ)；測試技術(shù)的水平，在相當(dāng)程度上影響科學(xué)技術(shù)發(fā)展的速度和深度；先進(jìn)的測試技術(shù)已成為生產(chǎn)系統(tǒng)不可缺少的組成部分。

101、機(jī)電工程中的應(yīng)用

a)機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器

轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。

在各種自動控制系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，是其重要組成部分。密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗11b)AGV自動送貨車

超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器控制運動軌跡和AGV小車位置識別；條形碼傳感器，貨品識別。香港理工AGV模型12切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅外接近開關(guān)傳感器等。密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠13c)生產(chǎn)加工過程監(jiān)測2、流程工業(yè)設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控

在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運行狀態(tài)關(guān)系到整個生產(chǎn)線流程。通常建立24小時在線監(jiān)測系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲油罐等壓力容器的破損和泄露檢測。143、產(chǎn)品質(zhì)量測量

在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動機(jī)等零部件出廠時，必須對其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗。

圖示為汽車出廠檢驗原理框圖，測量參數(shù)包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試，工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。汽車扭距測量機(jī)床加工精度測量154、樓宇控制與安全防護(hù)

為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫度監(jiān)測、電梯運行狀況。

圖示為某公司樓宇自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào)控制、停車管理、水/廢水管理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測器165、家庭與辦公自動化

在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設(shè)計中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。全自動洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器(洗凈度)液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。指紋傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器176、其他應(yīng)用航天農(nóng)業(yè)交通醫(yī)學(xué)18鼠標(biāo):光電位移傳感器攝象頭:CCD傳感器麥克風(fēng):電容傳聲器聲卡:A/D卡+D/A卡軟驅(qū):速度,位置伺服7、PC機(jī)中的測試技術(shù)應(yīng)用191.2檢測與計量的區(qū)別

“檢測”是測量，“計量”也是測量，兩者有什么區(qū)別呢？一般說來，“計量”是指用精度等級更高的標(biāo)準(zhǔn)量具、器具或標(biāo)準(zhǔn)儀器，對被測樣品、樣機(jī)進(jìn)行考核性質(zhì)的測量；這種測量，通常具有非實時及離線和標(biāo)定的性質(zhì)，一般在規(guī)定的具有良好環(huán)境條件的計量室、實驗室采用比對被測樣品、樣機(jī)、更高精度并按有關(guān)計量法規(guī)經(jīng)定期校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)量具、器具或標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行?！皺z測”通常是指在生產(chǎn)、實驗等現(xiàn)場，利用某種合適的檢測儀器或綜合測試系統(tǒng)對被測對象進(jìn)行在線、連續(xù)的測量。電量及非電量在科學(xué)實驗中及生產(chǎn)制造過程中，研究與觀測的對象是多種多樣的，因此，物理量也是多種多樣的，這些物理量可大致分為兩大類，即電量與非電量。電量：電流I、電壓V、電荷Q、電功率W、電路參數(shù)R、L、C和電信號頻率f等等；非電量：除電量以外的一切物理量，如高度、速度、重量、壓力、溫度等。

非電量電測技術(shù)

自從人類發(fā)現(xiàn)了電能并加以利用以后，伴隨著出現(xiàn)了各種電量的測量儀表。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，使對電量的測量技術(shù)相應(yīng)得到提高。電量的測量特點是機(jī)械量測量所不能比擬的，基于電量測量的優(yōu)點，人們根據(jù)一些物理原理及效應(yīng)，把一些非電量轉(zhuǎn)化成電量，然后用電測儀表對其進(jìn)行測量和標(biāo)定，這就形成了非電量電測法—用電量測量方法來測量非電量。

非電量電測法的特點：使測量儀器統(tǒng)一化，規(guī)格化。不同的非電量轉(zhuǎn)換成相同的電量，使后繼儀器標(biāo)準(zhǔn)化。便于信號長距離傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測及控制。對參數(shù)進(jìn)行動態(tài)測量（信號隨時間變化），可測量其瞬時值及變化過程?？蓽y微小信號及瞬變信號（作用時間很短）。易于與計算機(jī)聯(lián)接，分析處理方便。非電量電測系統(tǒng)的組成簡單的測量系統(tǒng)組成被測對象傳感器信號調(diào)節(jié)器記錄.顯示.分析處理伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)被測信號U、IR、L、CU、I1.3自動檢測技術(shù)概述自動檢測技術(shù)是研究自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換及信息處理的理論和技術(shù)，其核心是“測量＋信號檢出”，是檢測方法、檢測結(jié)構(gòu)、檢測信號處理的綜合性技術(shù)。在生產(chǎn)過程中，完成信息提取、信號轉(zhuǎn)換存儲與傳輸、顯示記錄、分析處理處理的儀表，稱為檢測儀表。利用各種檢測儀表對生產(chǎn)過程中的各種工藝變量自動、連續(xù)地進(jìn)行測量、顯示或記錄，以供操作者觀察或直接自動監(jiān)督生產(chǎn)情況的系統(tǒng)，稱為自動檢測系統(tǒng)。1.3.1自動檢測系統(tǒng)的組成和分類1.自動檢測系統(tǒng)的組成一般自動檢測系統(tǒng)的基本組成如圖1-1所示。圖自動檢測系統(tǒng)的組成

傳感器將被測物理量(如噪聲,溫度)檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號分析，顯示記錄裝置則測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。

信息獲取信號轉(zhuǎn)換28數(shù)據(jù)分析與處理各部分的作用如下。（1）傳感器傳感器處于被測對象與測試系統(tǒng)的接口位置，是一個信號變換器。它直接從被測對象中提取被測量的信息，感受其變化并變換成便于測量的其他量。例如將速度變換成電壓，將流量變換成壓力等。（2）信號調(diào)理器或變送器信號調(diào)理器又稱中間轉(zhuǎn)換器，它的作用是將傳感器的輸出信號進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)?，使其適合于顯示、記錄、數(shù)據(jù)處理或控制。例如測量電橋、濾波器、放大器、電壓/頻率變換器（V/F）、電壓/電流變換器（V/I）、交流/直流變換器等。（3）一次儀表或二次儀表一次儀表指現(xiàn)場測量儀表或基地控制儀表；二次儀表指利用一次儀表的信號來完成諸如控制、顯示等功能的儀表。2.自動檢測系統(tǒng)或儀表的分類按被測量值的物理屬性分有：電量、非電量；按檢測原理（物理的、化學(xué)的、生物學(xué)的）分有：電磁法、光學(xué)法、微波法、超聲法、核輻射法、電化學(xué)分析、色譜分析、質(zhì)譜分析等；按檢測方法分有：主動和被動、直接與間接、接觸式與非接觸式、動態(tài)和靜態(tài)等。按儀表的使用性質(zhì)分有：標(biāo)準(zhǔn)表、實驗室表和工業(yè)用表等三種。1.3.3測量方法的分類與選擇1.測量方法的分類常用測量方法分類表1.3.3測量方法的分類與選擇1.測量方法的分類

常用測量方法分類表（續(xù)）1.3.3測量方法的分類與選擇1.測量方法的分類

常用測量方法分類表（續(xù)）2.測量方法的選擇在選擇測量方法時，要綜合考慮下列主要因素：（1）從被測量本身的特點來考慮。被測量的性質(zhì)不同，采用的測量儀器和測量方法當(dāng)然不同。（2）從測量的精確度和靈敏度來考慮。工程測量和精密測量對這兩者的要求有所不同，要注意選擇儀器、儀表的準(zhǔn)確度等級，還要選擇滿足測量誤差要求的測量技術(shù)。如果屬于精密測量，還要按照誤差理論的要求進(jìn)行比較嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理。（3）考慮測量環(huán)境是否符合測量設(shè)備和測量技術(shù)的要求，盡量減少儀器、儀表對被測電路狀態(tài)的影響。（4）測量方法簡單可靠，測量原理科學(xué)，盡量減少原理性誤差。1.3.4自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢1.傳感器水平的提高人們研究新原理、新材料和新工藝所取得的成果將產(chǎn)生更多品質(zhì)優(yōu)良的新型傳感器。另外，代替視覺、嗅覺、味覺和聽覺的各種仿生傳感器和檢測超高溫、超高壓、超低溫和超高真空等極端參數(shù)的新型傳感器也是今后傳感器技術(shù)研究和發(fā)展的重要方向。傳感器集成化的另一個方向是不同功能的傳感器集成化，從而使一個傳感器可以同時測量不同種類的多個參數(shù)。例如，測量血液中各種成分的多功能傳感器。除了傳感器自身的集成化之外，還可以把傳感器和后續(xù)電路集成化。傳感器和測量電路的集成化可以減少干擾，提高靈敏度，方便使用。如果將傳感器和數(shù)據(jù)處理電路集成在一起。則可以方便地實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理。2.非接觸檢測技術(shù)在有些情況下，接觸式檢測會使被測對象工作狀態(tài)受到干擾。如溫度傳感器貼在被測物體上，會使被測物體散熱、導(dǎo)熱狀態(tài)發(fā)生變化，影響測溫精度。此外，有些被測體上不可能安裝傳感器，如測量高速旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速、振動等。因此，非接觸測量技術(shù)越來越受重視，已開發(fā)出光電式、電渦流式、超聲波及微波等傳感器，同時人們也正在研究利用其他的原理及方法進(jìn)行非接觸檢測。3.檢測系統(tǒng)由模擬式、數(shù)字式向智能化方向發(fā)展這類儀表選用微處理器做控制單元，利用計算機(jī)可編程的特點，使儀表內(nèi)的各個環(huán)節(jié)自動地協(xié)調(diào)工作，可對復(fù)雜對象或系統(tǒng)的多路、多參數(shù)實施檢測，完成數(shù)據(jù)存貯、傳輸、處理或復(fù)雜分析加工，并且具有故障診斷功能，成為一代嶄新儀表，把檢測技術(shù)自動化推進(jìn)到一個新水平。1.4傳感器與變送器的基本知識1.4.1傳感器的定義與特點1.傳感器的定義傳感器的嚴(yán)格定義在國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87中是這樣表述的：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器處于檢測系統(tǒng)的最前端，起著獲取檢測信息與轉(zhuǎn)換信息的作用。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器習(xí)慣上又被稱為：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭等。

例糧倉溫度、濕度檢測通風(fēng)口探頭通風(fēng)口通風(fēng)口裝有溫濕度探頭的糧倉示意圖2.傳感器的特征①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；③輸出量是某種物理量，便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，可以是氣、光、電物理量，主要是電物理量，如：電壓（V）、電流（I）、頻率（F）、功率（P）等；④輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。3.傳感器功能傳感器功能可以用“一感二傳”來描述，即感受被測信息，并傳送出去。1.4.2傳感器的組成與分類1．傳感器的組成即傳感器將非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出。通常，傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。①敏感元件：能夠靈敏地感受被測量并作出響應(yīng)的元件，并以確定關(guān)系輸出某一物理量。如金屬或半導(dǎo)體應(yīng)變片，能感受壓力的大小而引起形變，形變程度就是對壓力大小的響應(yīng)。鉑電阻能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是對溫度升降的響應(yīng)。所以鉑電阻就是一種溫度敏感元件，而金屬或半導(dǎo)體應(yīng)變片，就是一種壓力敏感元件。②轉(zhuǎn)換元件。轉(zhuǎn)換元件實際上就是將敏感元件感受的被測量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)的元件。③基本轉(zhuǎn)換電路。將電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成便于測量的電量（如：電壓、電流、頻率等）。mVTT0BA熱電偶IhfG光電池f+++++–––––Q壓電傳感器RRTR0RU0Ui熱敏電阻傳感器2．傳感器的分類（1）按被測物理量分類表明了傳感器的用途，便于使用者選擇，如位移傳感器用于位移測量（2）按傳感器工作原理分類表明了傳感器工作原理，有利于傳感器設(shè)計和應(yīng)用，如電感式傳感器、電容式傳感器等。（3）按傳感器轉(zhuǎn)換能量的情況分類①能量轉(zhuǎn)換型。又稱發(fā)電型，不需外加電源而將被測能量轉(zhuǎn)換成電能輸出，這類傳感器有壓電式、熱電偶、光電池等。②能量控制型。又稱參量型，需外加電源才能輸出電能量。這類傳感器有電阻、電感、霍爾式等傳感器以及熱敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等。

傳感器實例溫度傳感器壓力傳感器

液位傳感器1.4.3傳感器的命名與代號1.傳感器的命名傳感器的命名由主題詞加四級修飾語構(gòu)成。如附錄1所示。①主題詞——傳感器；②第一級修飾語——被測量，包括修飾被測量的定語；③第二級修飾語——轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字；④第三級修飾語——特征描述，指必須強(qiáng)調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字。⑤第四級修飾語——主要技術(shù)指標(biāo)（量程、精確度、靈敏度等）。2.傳感器的代號傳感器的代號：依次為主稱（傳感器）被測量—轉(zhuǎn)換原理—序號。①主稱——傳感器代號C；②被測量——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標(biāo)記。常用被測量代碼如附錄2所示；③轉(zhuǎn)換原理——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標(biāo)記。轉(zhuǎn)換原理代碼如附錄3所示；④序號——用一個阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)記，廠家自定，用來表征產(chǎn)品設(shè)計特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。若產(chǎn)品性能參數(shù)不變，僅在局部有改動或變動時，其序號可在原序號后面順序地加注大寫字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。例如：應(yīng)變式位移傳感器：CWY-YB-20；光纖壓力傳感器：CY-GQ-2。1.4.4變送器簡介傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號時，則稱為變送器。那么，變送器可定義為將物理測量信號或普通電信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設(shè)備，它是從傳感器發(fā)展而來的。一般分為：溫度/濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器等。變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號是物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號。例如直流電流0～10mA、4～20mA是當(dāng)前通用的標(biāo)準(zhǔn)信號。無論被測變量是哪種物理或化學(xué)參數(shù)，也不論測量范圍如何，經(jīng)過變送器之后的信息都必須包含在標(biāo)準(zhǔn)信號之中。有了統(tǒng)一的信號形式和數(shù)值范圍，就便于把各種變送器和其它儀表組成檢測系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這些儀表有一次儀表、二次儀表。無論什么儀表或裝置，只要有同樣標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路或接口，就可以從各種變送器獲得被測變量的信息。1.5測量誤差及處理方法測量誤差的表示方法、估算、分析和處理1.5.1測量誤差基本概念和分類(1)一次測量和多次測量

一次測量是對一個被測量的量只進(jìn)行一次測量的過程。多次測量是對一個被測量進(jìn)行不止一次的測量。1.測量誤差基本概念(2)等精度測量和非等精度測量等精度測量是指保持測量條件不變而進(jìn)行的多次測量。非等精度測量是指在測量條件不能維持不變的情況下的多次測量。(3)真值與最佳值真值是指被測量本身具有的真實數(shù)值。A0最佳值是指滿足一定測量精度的、有限次測量的算術(shù)平均值。A(4)示值示值（測量值）是指測量器具讀數(shù)裝置所指示出來的被測量的數(shù)值。X(5)標(biāo)稱值

標(biāo)稱值是指測量器具上標(biāo)定的數(shù)值。(6)誤差公理一切測量都具有誤差，誤差自始至終存在于所有科學(xué)實驗的過程之中(7)精確度（精度）精確度（精度）：它是測量結(jié)果中各種誤差的綜合，表示測量結(jié)果與被測量的真值之間的一致程度(8)重復(fù)性在相同條件下，對同一被測量進(jìn)行多次連續(xù)測量所得結(jié)果之間的一致性。2.誤差的分類誤差的分類1.5.2誤差的表示方法1.絕對誤差及表示方法絕對誤差定義為示值與被測量真值之差，即△A=Ax－A0式中，△A為絕對誤差；Ax為示值，具體應(yīng)用中可以用測量結(jié)果的測量值、標(biāo)準(zhǔn)量具的標(biāo)稱值代替；A0為被測量的真值。真值A(chǔ)0一般很難得到，所以通常用實際值A(chǔ)代替被測量的真值A(chǔ)0，因而絕對誤差更有實際意義的定義是△x=Ax－A2.相對誤差及表示方法相對誤差用來說明測量精度的高低，又可分為如下幾種：（1）實際相對誤差。實際相對誤差定義為絕對誤差△x與實際值A(chǔ)的百分比值，即（2）示值相對誤差。示值相對誤差定義為絕對誤差△x與示值x的百分比值，即（3）滿度相對誤差。滿度相對誤差定義為儀器量程內(nèi)最大絕對誤差△xm與測量儀器滿度值xm的百分比值，即滿度相對誤差也叫滿度誤差或引用誤差，滿度誤差實際上給出了儀表各量程內(nèi)絕對誤差的最大值，即得出的為減小示值誤差而使示值盡可能接近滿度值的結(jié)論，只適合于正向刻度的一般電壓表、電流表等類型的儀表，而對于測量電阻的普通型歐姆表，上述結(jié)論并不成立，因為歐姆表是反向刻度，且刻度是非線性的?？梢宰C明此種情況下示值與歐姆表的中值接近時，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度最高。在實際測量操作時，一般應(yīng)先在大量程下測得被測量的大致數(shù)值，而后選擇合適的量程再進(jìn)行測量，以盡可能減小相對誤差。1.5.2測量誤差的表示方法1.測量誤差的來源（1）儀器誤差：由于測量儀器及其附件的設(shè)計、制造、檢定等不完善，以及儀器使用過程中老化、磨損、疲勞等因素而造成的測量誤差。（2）理論誤差和方法誤差：由于測量原理、近似公式、測量方法不合理而造成的誤差。（3）環(huán)境影響誤差：由于各種環(huán)境因素（溫度、濕度、振動、電源電壓、電磁場等）與測量要求的條件不一致而引起的誤差。（4）人為誤差：由于測量人員感官的分辨能力、反應(yīng)速度、視覺疲勞、固有習(xí)慣、缺乏責(zé)任心等原因，而在測量中使用操作不當(dāng)、現(xiàn)象判斷出錯或數(shù)據(jù)讀取疏失等而引起的誤差。2.測量誤差的表示方法

測量誤差有絕對誤差和相對誤差兩種表示方法。

1.絕對誤差及表示方法（1）定義：由測量所得到的被測量值與其真值之差，稱為絕對誤差

有大小，又有符號和量綱

實際應(yīng)用中常用實際值A(chǔ)來代替真值。絕對誤差：對于絕對誤差，應(yīng)注意的幾個特點（1）絕對誤差是有單位的量，其單位與測量值相同。（2）絕對誤差是有符號的量，其符號表示出測量值與實際值的大小關(guān)系。（3）測量值與被測量實際值之間的偏離程度和方向通過絕對誤差可以體現(xiàn)。（2）修正值與絕對誤差的絕對值大小相等，但符號相反的量值，稱為修正值測量儀器的修正值可以通過上一級標(biāo)準(zhǔn)的檢定給出，修正值可以是數(shù)值表格、曲線或函數(shù)表達(dá)式等形式。利用修正值可以求出被測量的實際值例如：由某電流表測得的電流示值為0.83mA，查該電流表檢定證書，得知該電流表在0.8mA附近的修正值都為--0.02mA,那么被測電流的實際值是多少？解：A=X+C=0.83+（—0.02）

=0.81mA絕對誤差雖然可以說明測量結(jié)果偏離實際值的情況，但不能確切反映測量的準(zhǔn)確程度，不便于看出對整個測量結(jié)果的影響。例如：人體體溫爐窯的爐溫一個量的準(zhǔn)確程度，不僅與它的絕對誤差的大小，而且與這個量本身的大小有關(guān)。例：測量足球場的長度和成都市到蘭州市的距離，若絕對誤差都為1米，測量的準(zhǔn)確程度是否相同？（1）相對誤差：絕對誤差與被測量的真值之比2.相對誤差及表示方法相對誤差是兩個有相同量綱的量的比值，只有大小和符號，沒有單位。（2）實際相對誤差rA：用實際值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0

（3）示值相對誤差rx：用測量值X代替實際值A(chǔ)（4）滿度相對誤差rm（引用相對誤差）

：用測量儀器在一個量程范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大絕對誤差與儀器滿刻度值的比值儀表各量程內(nèi)絕對誤差的最大值

為儀器在工作條件下不應(yīng)超過的最大相對誤差，它反映了該儀表綜合誤差的大小電工儀表就是按引用誤差之值進(jìn)行準(zhǔn)確度等級分級的。

我國電工儀表共分七級：

0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。儀表作為標(biāo)準(zhǔn)和精密測量用實驗室一般工程測量用在使用這類儀表測量時，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牧砍?，使示值盡可能接近于滿度值，指針最好能偏轉(zhuǎn)在不小于滿度值2/3以上的區(qū)域。如果儀表為S級，則說明該儀表的最大引用誤差不超過S%

測量點的最大相對誤差注意：這個結(jié)論只適用于正向線性刻度的電壓表、電流表。[例]某待測電流約為100mA，現(xiàn)有0.5級量程為0～400mA和1.5級量程為0～100mA的兩個電流表，問用哪一個電流表測量較好？解：用0.5級量程為0～400mA電流表測100mA時，最大相對誤差為用1.5級量程為0～100mA電流表測量100mA時的最大相對誤差為1.系統(tǒng)誤差及其處理（恒差）定義：在同一測量條件下，多次測量重復(fù)同一量時，測量誤差的絕對值和符號都保持不變，或在測量條件改變時按一定規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差。例如儀器的刻度誤差和零位誤差。

產(chǎn)生的主要原因是儀器的制造、安裝或使用方法不正確，環(huán)境因素（溫度、濕度、電源等）影響，測量原理中使用近似計算公式，測量人員不良的讀數(shù)習(xí)慣等。系統(tǒng)誤差表明了一個測量結(jié)果偏離真值或?qū)嶋H值的程度。系差越小，測量就越準(zhǔn)確。1.5.3誤差的處理根據(jù)測量誤差的性質(zhì)，測量誤差可分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差三類。系統(tǒng)誤差根據(jù)其變化規(guī)律又可分為恒定系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差，而變值系統(tǒng)誤差又可分為線性系統(tǒng)誤差、周期性系統(tǒng)誤差和復(fù)雜規(guī)律系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差（這里用ε表示）隨測量時間變化的幾種常見關(guān)系曲線如圖1-3所示。a）恒定系統(tǒng)誤差b）線性系統(tǒng)誤差c）周期性系統(tǒng)誤差d）復(fù)雜規(guī)律系統(tǒng)誤差圖1-3不同類型的系統(tǒng)誤差指在測量環(huán)境、測量人員、測量技術(shù)和測量儀器都相同的條件下2.隨機(jī)誤差（偶然誤差）定義:在同一測量條件下，多次重復(fù)測量同一量值時（等精度測量），每次測量誤差的絕對值和符號都以不可預(yù)知的方式變化的誤差，稱為隨機(jī)誤差或偶然誤差，簡稱隨差。隨機(jī)誤差主要由對測量值影響微小但卻互不相關(guān)的大量因素共同造成。這些因素主要是噪聲干擾、電磁場微變、零件的摩擦和配合間隙、熱起伏、空氣擾動、大地微震、測量人員感官的無規(guī)律變化等。例：對一不變的電壓在相同情況下，多次測量得到1.235V，1.237V，1.234V，1.236V，1.235V，1.237V。單次測量的隨差沒有規(guī)律，但多次測量的總體卻服從統(tǒng)計規(guī)律?？赏ㄟ^數(shù)理統(tǒng)計的方法來處理,即求算術(shù)平均值隨機(jī)誤差定義：測量結(jié)果與在重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差3.粗大誤差（疏失誤差）粗大誤差是一種顯然與實際值不符的誤差。產(chǎn)生粗差的原因有：①測量操作疏忽和失誤

如測錯、讀錯、記錯以及實驗條件未達(dá)到預(yù)定的要求而匆忙實驗等。②測量方法不當(dāng)或錯誤

如用普通萬用表電壓檔直接測高內(nèi)阻電源的開路電壓③測量環(huán)境條件的突然變化

如電源電壓突然增高或降低，雷電干擾、機(jī)械沖擊等引起測量儀器示值的劇烈變化等。含有粗差的測量值稱為壞值或異常值，在數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)剔除掉。

指在一定條件下，測量值明顯偏離實際值時所對應(yīng)的誤差。4.測量結(jié)果的評定

測量結(jié)果是否滿足要求可以對正確度、精密度和準(zhǔn)確度3個方面進(jìn)行評定。

準(zhǔn)確度表示測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的大小。系統(tǒng)誤差越小，則準(zhǔn)確度越高，即測量值與實際值符合的程度越高。（1）準(zhǔn)確度在相同條件下，對某一定值做多次測量所得結(jié)果的均值與被測量的真值之差，稱為測量的準(zhǔn)取度。精密度表示測量結(jié)果中隨機(jī)誤差的大小程度。隨機(jī)誤差越小，測量值越集中，表示精密度越高。

（2）精密度（精度）在相同條件下，對某定值做多次測量，測量值分散的程度被稱為精密度。隨機(jī)誤差的大小可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差來衡量。隨機(jī)因素使測量值呈現(xiàn)分散而不確定，但總是分布在平均值附近。精確度用來反映系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合影響。精確度越高，表示正確度和精密度都高，意味著系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都小。

（3）精確度精確度是測量結(jié)果系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的綜合，表示測量結(jié)果與真值得一致程度。射擊誤差示意圖

1.5.4誤差綜合與分配問題：用間接法測量電阻消耗的功率時，需測量電阻R、端電壓V和電流I三個量中的兩個量，如何根據(jù)電阻、電壓或電流的誤差來推算功率的誤差呢？1.誤差的綜合檢測系統(tǒng)通常由若干個環(huán)節(jié)組成，每個環(huán)節(jié)又由很多元器件構(gòu)成。這樣檢測系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)、各個元器件的誤差又都影響總的測量結(jié)果。由于測量過程中，誤差的來源比較多，既有規(guī)律性的系統(tǒng)誤差，也有偶然性的隨機(jī)誤差（屬于不確定誤差）。它們?nèi)绾尉C合起來，對測量結(jié)果產(chǎn)生一個總的影響，這就是誤差綜合要解決的問題。誤差綜合就是由一系列已知的誤差分量用計算的方法，得到總誤差對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。2.誤差分配根據(jù)總誤差的大小來求局部誤差，這個問題稱為誤差分配。例如，在制定方案時，當(dāng)總誤差被限制在其一允許限度內(nèi)，如何確定局部誤差的允許界限？再如設(shè)計一個檢測系統(tǒng)時，要保證系統(tǒng)的總誤差不超過規(guī)定的準(zhǔn)確度等級，應(yīng)對系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的允許誤差提出什么樣的要求？諸如此類問題，均用于誤差分配問題。常用的方法有：按算術(shù)綜合時的誤差分配、幾何誤差分配和不等量誤差分配。其中，不等量誤差分配是測量系統(tǒng)設(shè)計時常采用的方法。如，由傳感器、接口、計算機(jī)組成檢測系統(tǒng)時，傳感器的誤差應(yīng)分配大—些，這樣可以降低系統(tǒng)的造價。1.6檢測系統(tǒng)或儀表的性能評價①檢測系統(tǒng)或儀表技術(shù)方面的指標(biāo)：主要是指誤差、精度、穩(wěn)定性、輸入/輸出特性等。②檢測系統(tǒng)或儀表使用方面的指標(biāo)：主要是指操作維修是否方便、運行是否可靠安全，抗干擾與防護(hù)能力的強(qiáng)弱，重量體積的大小，自動化程度的高低等。③檢測系統(tǒng)或儀表經(jīng)濟(jì)方面的指標(biāo)：主要是指使用壽命的長短，功耗的大小，價格的高低等。1.量程量程表示檢測系統(tǒng)或儀表實現(xiàn)不失真測量時的最大輸入信號范圍。其中，最大值對應(yīng)測量范圍的上限；最小值對應(yīng)測量范圍的下限。量程B常表示為：B=Xmax-Xmin式中，

Xmax、Xmin為分別為測量范圍的上限和下限。當(dāng)檢測系統(tǒng)的或儀表下限值Xmin＝0時，量程為B=Xmax。2.精度精度是反映檢測系統(tǒng)或儀表的系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差綜合影響程度的評價指標(biāo)，表示測量結(jié)果與其理論值（真值）的靠近程度。檢測系統(tǒng)或儀表的精度是用基本誤差來表示的，即在規(guī)定工作條件下，某檢測系統(tǒng)或儀表的基本誤差小于或等于該檢測系統(tǒng)或儀表的允許誤差時，為合格；否則，為不合格。3.輸入與輸出電阻輸入電阻與輸出電阻值對于組成檢測系統(tǒng)的環(huán)節(jié)甚為重要。前一環(huán)節(jié)的輸出電阻相當(dāng)于后一環(huán)節(jié)的信號源內(nèi)阻，后一環(huán)節(jié)的輸入電阻相當(dāng)于前面環(huán)節(jié)的負(fù)載。若希望前級輸出信號無損失地向后級傳送，根據(jù)全電路歐姆定律可知信號源的內(nèi)阻應(yīng)為零，即前級環(huán)節(jié)對后級環(huán)節(jié)而言相當(dāng)于理想電壓源，其內(nèi)阻即輸出電阻應(yīng)為0；后續(xù)輸入電阻承接了全部電壓信號，故輸入電阻理想值為∞。這樣前后環(huán)節(jié)則為獨立環(huán)節(jié)，為此組成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)之間都設(shè)有阻抗變換器。4.檢測系統(tǒng)或儀表的穩(wěn)定性與可靠性（1）穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)或儀表的穩(wěn)定性是指在規(guī)定條件下保持其檢測特性恒定不變的能力。通常在不明確影響量時，穩(wěn)定性是指檢測系統(tǒng)或儀表不受時間變化影響的能力，一般用漂移來反映。漂移是指在保持檢測系統(tǒng)或儀表輸入量不變時，輸出示值隨時間或溫度的改變而緩慢變化的現(xiàn)象。隨時間變化的漂移稱為時漂，隨環(huán)境溫度變化的漂移稱為溫漂。由于漂移導(dǎo)致儀表輸出特性不穩(wěn)定，出現(xiàn)漂移誤差，表明零點不穩(wěn)定的漂移為零點漂移，表明靈敏度有變化的漂移稱為靈敏度漂移。如圖1-4所示。漂移誤差反映檢測系統(tǒng)或儀表工作的穩(wěn)定性，對于需要長時間運行的檢測系統(tǒng)或儀表，這個指標(biāo)更為重要。

圖1-4漂移誤差（2）可靠性可靠性是指檢測系統(tǒng)或儀表在規(guī)定工作條件下和規(guī)定時間內(nèi)保持原檢測特性的能力?？煽啃钥捎冒l(fā)生故障的速率或平均故障率來表示。發(fā)生故障的速率用平均無故障時間MTBF（MeanTimeBetweenFailures）來估計。例如，某檢測系統(tǒng)或儀表在90000h的運行中發(fā)生了12次故障，則MTBF＝90000/12＝7500h。MTBF說明發(fā)生一次故障的平均時間間隔。單位時間內(nèi)（一般以小時計）發(fā)生故障的平均次數(shù)稱為平均故障率。用λ表示根據(jù)檢測系統(tǒng)或儀表所用元件的各自故障率和元件所處不同工作條件（工作強(qiáng)度）和加權(quán)系數(shù)，可以計算出儀表的故障率λ，從而得到儀表的MTBF。此外，儀表的MTBF也可直接通過可靠性實驗或現(xiàn)場運行等實驗方法來估計。5.檢測系統(tǒng)或儀表的輸入/輸出特性由于檢測系統(tǒng)或儀表的基本特性是指檢測系統(tǒng)或儀表的輸出與輸入的關(guān)系，有靜態(tài)與動態(tài)之分。（1）靜態(tài)特性檢測系統(tǒng)或儀表的靜態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，檢測系統(tǒng)或儀表輸入與輸出之間呈現(xiàn)的關(guān)系。靜態(tài)特性主要包含：線性度（非線性誤差）、變差（遲滯、滯環(huán)）、靈敏度、分辨力、重復(fù)性、死區(qū)等指標(biāo)。1）靈敏度檢測系統(tǒng)或儀表靈敏度是表示檢測系統(tǒng)或儀表的輸入增量與由它引起的輸出增量之間的函數(shù)關(guān)系，如圖1-5所示。更確切地說，靈敏度S等于檢測系統(tǒng)或儀表輸出增量與被測量增量之比，是檢測系統(tǒng)或儀表在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各點的斜率，可用下式表示：圖1-5靈敏度定義檢測系統(tǒng)或儀表靈敏度表示檢測系統(tǒng)或儀表對被測量變化的反應(yīng)能力。靈敏度是一個有單位的量。當(dāng)討論某一靈敏度時，必須確切地說明它的單位。例如，壓力傳感器的靈敏度用KP表示，單位是mV/Pa。若輸入與輸出量的量綱相同，則靈敏度無量綱，此時常用“放大倍數(shù)”一詞代替靈敏度。若檢測系統(tǒng)是由靈敏度分別為S1，S2，S3等多個相互獨立的環(huán)節(jié)組成時，系統(tǒng)的總靈敏度S為靈敏度數(shù)值大，表明相同的輸入改變量引