20■自动检测技术及应用第3版 变化。从输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越 高。可以通过作该曲线的切线的方法（作图 法)求得曲线上任一点的灵敏度，用作图法 求取传感器的灵敏度如图1-10所示。由切 线的斜率可以看出，点的灵敏度比 点高。 2.分辨力 分擗力(Resolution)是指传感器能检 出被测信号的最小变化量，是具有量纲的 数。分辨力用符号△表示。当被测量的变化 小于分辨力时，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 图110传感器灵敏度与输出特性曲线的斜率关系 加说明，一般可以认为该表的最后一位所表 示的数值就是它的分辨力。一般情况下，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对误差。例 如，习题中图1-17所示数字式温度十的分辨力为0.1℃。若该仪表的准确度为1.0级，则最 大绝对误差将达到±2.0℃，比分辨力大得多。 仪表或传感器中。怀经常用到“分辨率”的概念。将分辨力除以仪表的满量程就是仪 表的分辨率，分辨率常以千分比或几分之一表示，是量纲为1的数 3.线性度 人们总是希望传感器的输人与输出的关系成正比，即线性关系。这样可使显示仪表的刻 度均匀，在整个测量范围内具有相同的灵敏度。但大多数传感器的输入输出特性总是具有不 同程度的非线性，可以用下列多项式代数方程表示 y=do+ax+ax+a+.+a 上式中，y为输出量，x为输入量，a。为零点输出，a1为理论灵敏度，42、a、…、a, 为非线性项系数。各项系数决定了传感器的线性度(Linearity)的大小。如果a,=a=…= a.=0,则该系统为线性系统，理想的传感器输人与输出的关系特性为y=a+a,x。特性曲 线上任何点的斜率都相等，此时，传感器的灵敏度K=a 线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直 线)之间的最大偏差与传感器满量程范围内的输出之百分比，如图111所示。y可用下式 表示，且多取其正值 △Ls 九yy×100% (1-16) 式中△ 最大非线性偏差： Y-Y 一输出范用。 拟合直线的方法有很多种，对不同的拟合直线，得到的非线性误差也不同。 图1-11中，将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线 也称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度。设计者和使用者总是希望 非线性误差越小越好，也即希望仪表的静态特性接近于直线。这是因为线性仪表的刻度是均 匀的，容易标定，不容易引起读数误差
第1章检测技术的基本概念■L21 大多数传感器的输出多为非线性。直接用一 次函数拟合的结果将产生较大的误差。目前多采用 计算机进行曲线拟合I。例如，可用MATLAB] 求得近似函数关系式y=(x),使其通过或近似通 过传感器所给出的有限序列的资料点(x,y:),用 多项式函数通过最小二乘法4求得传感器的拟合 目标函数和近似数学模型。 4.识滞误差 迟滞误差(Hysteresis Error)又称为回差或变 差，是指传感器正向特性和反向特性的不一致程 图1-11喘基线性度示意图 度，可用下式表示： 1一拟合直线y=K+62一实际特性曲线 △H×100% Yu =yo-yan (1-17) 式中△H.一最大迟滞偏差 Ya -Y 一量程范用。 某传感器的迟滞特性示意图如图112 所示。甘中的正向特性曲线是指在输入量x 从最小值x开始，逐渐增大到满量程x 情况下所得的曲线：而逆向特性则与之相 反。正向特性曲线与逆向特性曲线不重合 日反向特性曲线的终点与正向特性曲线的 起点也不重合。迟滞会引起重复性、分辨 力变差，或造成测量育区，故一般希望迟 滞截小越好。 产生迟滞现象的主要原因是由于传感 器敏感元件材料的物理性质和机械零部件 的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件的弹 图1-12迟滞特性示意图 性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、 1一正向特性2一反向特 紧固件松动等。 5.稳定性 稳定性(Regulation)包含稳定度(Stability)和环境影响量(Influence Quantity)两个 方面。稳定度指的是仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不 变的能力。稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比来表示。例如，某仪表输出电 压值在8h内的最大变化量为1.2mV,则表示该仪表的稳定性为1,2mV/(8h) 环境影响量仅指由外界环境变化而引起的示值变化量。示值的变化由两个因素构成， 是零漂，二是灵敏度漂移。零漂是用于描述仪表（已调零）在受外界环境影响后，输出不 再等干零，而有一定的票移， 某些情况下，在传感器测量前可以发现零漂，可以通过重新调零来克服。但在不间断测 量过程中，零漂附加在仪表输出读数上，因此较难发现。带微处理器的智能化仪表可以定时
22自动检测技术及应用第3版 将输入信号暂时切断，并将输入端短路，测出此时的零漂，并存放在存储器中。在恢复正常 测量后，将测量值减去零漂值，达到重新调零的目的 零漂与灵敏度漂移示意图如图1-13所示。其 中的曲线1是某仪表的标准特性。当输人x=0时， 7- y=4mA,斜率k=16。当该仪表受外界环境影响 后，零点漂移，特性曲线向上平移，如图1-13中 的曲线2所示。在此例中，当输入x=0时，y= 4.2mA.票移了2mA.但出付的斜率们为16 对多数仪表而言，不但存在零点漂移，而且还 存在灵敏度漂移。灵敏度漂移将使仪表的输入/输 出特性曲线的斜率密生变化。不考虑零票时的灵敢 0 度漂移特性如图113中的曲线3所示，此时的斜 图113零漂与灵敏度漂移示意图 率k=21。曲线4是既存在零漂，又存在灵敏度漂 1一标准特性2一零点源移特性 移时的特性，我们所要完成的工作是设法将曲线4 3一灵嫩度票移等性4一接合漂移特性 修正并恢复为曲线1。 对于带微处理器的智能化仪表而言，第一步，可采用上述自动调零措施，使特性曲线向 下平移。第二步，在断开被测信号后，将标准信号，例如由“能隙稳压二极管”产生的 2.500V电压经确定的衰减器之后施加到仪表的输入端，测出受环境影响前后输出信号之比 例系数'（在此例中，'=7.62%），将其作为乘法修正系数，就可以将特性曲线4恢复为 受影响之前的标准特性曲线1。 造成环境影响量的因素有温度、湿度、气压、电源电压、电源频率等。在这些因素中 温度变化对仪表的影响最难克服，必须予以特别的重视。 温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。温度稳定性 误差用温度每变化1℃引起的绝对误差或相对误差表示，又称为温度误差系数。 测试温漂时，先将传感器置于额定的温度中（如20℃），将其输出调至零点或某一特定 点（例如4mA),使温度上升或下降一定的度数（如5℃或10℃），再读传感器的输出值 前后两次输出值之差除以所变化的温度数值，即为温度误差系数。 表示环境量时，必须同时写出示值偏差及造成这一偏差的影响因素。例如，0.1μA [U(1±5%)]表示电源电压变化±5%时，将引起示值变化0.1μA;又如，0.2mV/℃表示 环境温度每变化1℃引起示值变化0.2mV 例1.5某数字式液位计的使用说明书上注明该产品为数 字面板表（该数字面板表外形如图114所示，可镶嵌到控制 屏上)，它的量程为0~10m(从面板表上可以看到，事实上只 能显示9.99m,属于“3位表”)，非线性误差y1为1.5%，使 用环境温度为0~30℃，温漂为0.001m/℃。请确定该产品是 否能满足满度相对误差不大于2.0%的要求。 000m 解对数字式仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认 为其最后一位数字“1”所代表的数值就是它的分辨力。从 图1-14可以看出，分辨力为0.01m。由于最后一位读数经常 图114数字面板表外形
第1章检测技术的基本概念帽23 增加1或减少1（称为“跳变”），这一环节造成的绝对误差称为±1误差，△，=0.01m,其 相对误差 7-之×100%=0,80x10%=01% 由温漂引起的△，以及相对误差 e-是×10%=±00C)x30℃×100=±0-0e×10w%:±0.3% 10m 10m 总的相对误差可以由Y、Y、Y三个环节的误差用绝对值合成法（偏大)合成，根 据式(113)有 ym=ym+ye+y=0.1%+0.3%+1.5%=1.9%<2.0% 所以该仪表可以满足满度相对误差不大于2.0%的要求。其可能出现的最大绝对误差 △m=yAn=±1.9%×10m=±0.19m 由上例可知，当数字式仪表未注明准确度等级时，其最后一位显示值只是说明它能对 0.01m的液位变化做出反应（跳一个字），但最后一位数字是不可信的。在这个例子中，即 使是倒数第二位也是有较大误差的，所以不应将分辨力误解为准确度。由以上计算可知，当 示值为5m时，实际的液位高度范围可能在(5±0.19)m,即4.81~5.19m。对其他数字表 而言，同样也应注意准确度与分辨力的问题 6.电磁兼容性 所谓电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指电子设备在规定的电磁干扰环 境中能按照原设计要求正常工作的能力，而且也不向处于同一环境中的其他设备释放超过允 许范围的电磁干扰。 随着科学技术和生产力的发展，高频、宽带、大功率的电器设备几乎遍布地球的各个角 落，随之而来的电磁干扰也越来越严重地影响检测系统的正常工作。轻则引起测量数据上下 跳动；重则造成检测系统内部逻辑混乱、系统瘫痪、甚至烧毁电子线路。因此抗电磁干扰技 术就显得越来越重要。自20世纪70年代以来，越来越强调电子设备、传感器、测控系统的 电磁兼容性 对传感器和检测系统来说，主要考虑在恶劣的电磁干扰环境中，系统必须能正常工作】 并能取得准确度等级范围内的正确测量结果。具体的抗电磁干扰、提高电磁兼容能力的方法 见第12.2节。 7.可靠性 可靠性(Reliability)是反映传感器和检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否 耐用的一种综合性的质量指标。 常用的可靠性指标有以下几种： 1)故障平均间情时间(MTBF)：指两次故镜间隔的时间 2)平均修复时间(MTTR):指排除故障所花费的时间。 3)故障率A或失效率s(Failure Rate):其变化大体上可分成如下3个阶段： ①初期失效期：仪表或传感器开始使用阶段故障率很高，失效的可能性很大，但随着 使用时间的增加而迅速降低。故障原因主要是设计或制造上有缺陷，所以应尽量在使用前期 予以暴露，并消除之。有时为了加速渡过这一危险期，在检测系统通电的情况下，将之放置
24自动检测技术及应用第3版 于高温环境一→低温环境一→高温环境…反复循环，这称为“老化试验”61。老化之后的系统 在现场使用时，故障率大为降低。小型盐雾试验箱外形如图1-15所示。试验系统能够向箱 内均匀释放带有盐分的水蒸气，相对湿度可达98%，最高温度可达65℃，考验电工电子产 品能否在恶劣的环境中正常工作和抗盐雾腐蚀的程度四 图1-15老化试验设备 )小型盐雾试验箱b)高低温循环老化室 ②偶然失效期：这期间的故障率较低， 是构成检测系统使用寿命的主要部分。 ③衰老失效期：这期间的故障率随时间 的增加而迅速增大，经常损坏和维修。原因是 元器件老化，随时都有可能损坏。因此有的使 用部门规定系统超过使用寿命时，即使还未发 生故障也应及时退役，以免影响整个系统的可 靠性，造成更大的损失。 初期失效期侧然失效期袭老失效期 上述三个阶段可用图1-16所示的故障率 图1-16故障率变化的浴盆曲线 变化曲线来说明。 思考题与习题 11单项选择题 1)电工实验中，采用平衡电桥测量电阻的阻值，属于 测量，而用水银温度计测量水温的微 小变化，属于 测量。 A.偏位式 B.零位式 C微差式 D.偏零式 2)某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg,但该采 购员对卖巧克力的商店意见最大，在这个例子中，产生此心理作用的主要因素是 A绝对误差 B.示值相对误差C.引用误差 D.准确度等级 3)在选购线性仪表时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程。这时必须考虑到应尽量使选购的 仪表量程为被测量的 左右为宜。 A.3倍 B.10倍 C.1.5倍 D.0.75倍 4)用万用表交流电压档（颜率上限为5k)测量100k、10V左右的高频电压，发现示值不到2V 该误差属于 。用该表的直流电压档测量5号干电池电压，发现每次示值均为1.7V,该误差属