传感器和测试系统精度评估报告

传感器和测试系统精度评估

一、精度、误差与标准

a) 精度与误差

精度就是指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度表示重复某个读数的能力，误差愈小，则测量精度越高。

误差主要来自以下几个方面：

1. 设备误差。它包括标准器误差，仪表误差与附件误差等。设备装置误差又可区分为机构误差，调整误差等。

2. 环境误差。它包括因各种环境因素（温度、湿度、气压、振动、电磁干扰、动加速度等）与要求的标准值不一致时所引起的附加误差。

3. 测量方法误差。包括所依据的测量原理的误差。

4. 操作误差。包括操作人员因素质等影响所产生的疏忽或过失误差。

实际测量过程中，往往存在着多种因素的联合作用。因此，精度与误差是一个涉及面十分广泛的工程和统计学问题。

b) 标准规范

为了判断精度大小，需要一定的标准规范。

设备精度需经校准确定。校准中标准误差可分为大已知，小已知，大未知与小未知四类。已知误差可通过校准消除，未知误差无法通过校准消除，关键是要努力消除所有大的未知系统误差。除人为误差外，大的未知误差多半来自不正确的仪器使用和安装以及未预料到的各种环境条件的扰动等。为了确保校准的有效性，有必要制定出各种有关的试验规程及规范。对于传感器而言，国家建立了各类传感器的检定标准，并设有标准测试装置和仪器作为量值传递基准，以便对新生产的传感器或使用过一段时间的传感器的灵敏度、频率响应、线性度等进行校准，以保证测量数据的可靠性。

二、传感器精度评估

a) 传感器标定

评估传感器精度需要对传感器进行标定。对传感器的标定是根据标准仪器与被标定传感器的测试数据进行的，即利用标准仪器产生已知的非电量并输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入的标准量进行比较，从而得到一系列标准数据或曲线。实际应用中，输入的标准量可用标准传感器检测得到，即将待标定的传感器与标准传感器进行比较，因此，只有当标准仪器的测量精度高于被标定传感器的测量精度至少一个等级时，被标定的传感器的测量结果才会是可信的。

在国内，标定的过程一般分为三级精度：国家计量院进行的标定是一级精度的标准传递。在此处标定的传感器叫标准传感器，具有二级精度。用标准传感器对出厂的传感器和其他需要校准的传感器进行标定，得到的传感器具有三级精度。

b) 传感器特性参数与精度评估

在标定过程中，能得到传感器输入输出关系的曲线，称之为标定曲线。可以利用标定曲线去分析、评估传感器的各类特性，包括其精度。

评估传感器的精度需要一系列的参数指标，这些指标分为的静态特性和动态特性两类。传感器静态特性指标，包括线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、漂移等。传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。

下面阐述线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、漂移、重复性：

1、线性度 ：线性度是指传感器的输出与输入成线性关系的成度。对标定曲线进行线性拟合，然后比较拟合曲线和标定曲线偏差。拟合方法主要采用端基直线法和最小二乘法。

2、灵敏度：灵敏度是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值，对于线性传感器，他的灵敏度就是它的静态特性的斜率；非线性传感器的灵敏度为一变量。通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度。一般希望传感器灵敏度高，但是灵敏度越高越容易受到外界干扰的影响，系统稳定性就越差。

3、 分辨率：传感器的输入/输出关系在整个测量范围内不可能处处连续。输入量变化太小时，输出量不会发生变化；而当输入量变化到一定程度时，输出量才发生变化。因此，从微观来看，实际传感器的输入/输出特性有许多微小起伏。

4、迟滞：迟滞也叫回程误差，是指在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象。

5、漂移：漂移是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象；漂移将影响传感器的稳定性。产生漂移的原因主要有两个：一个是传感器自身结构参数发生老化，如零点漂移，它是在规定条件下，一个恒定的输入在规定的时间内的输出在标称范围最低值处的变化。二是在测试过程中周围环境发生变化。最常见的是温度漂移，它是周围环境温度变化引起的输出变化。

6、重复性：重复性表示传感器在输入量按照同一方向做全量程多次测试时所得的输入-输出特性曲线的一致程度。

上述各种特性的综合反映了传感器的精度。例如有数据表明，利用线性、滞后以及重复性三个分指标总方和根值的折合精度与综合精度基本相符。

三、测试系统精度评估

a) 系统的精度和误差

系统，即为若干个元件或部件的集合或组合。就测试系统而言，系统的误差综合的大小反映了其精度的高低。即，综合误差越大，其系统精度越低，反之则越高。

通过组成测试系统的各环节（检测元件或仪表）的误差求得系统的最终的误差，即为检测系统误差的综合。

一个测试系统的精度是由该系统的系统误差和随机误差决定的。我们知道系统误差是不变的或者有规律的误差，系统误差是由该系统诸分项系统误差决定的，而单项系统误差主要取决于本身的非线性、迟滞性、时间漂移等特性，系统误差是可以设法避免或者减少到很小的程度的。

而随机误差，一般来说，它是没有规律的。但多次测量时，它还是按正态曲线分布的。随机误差主要取决于重复性，它的特点是：

1、 有界性。误差的绝对值都在极限误差范围内。

2、 单峰性。绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的误差出现的次数多。

3、 对称性。绝对值相等的正负误差出现的次数大致相等。

4、 抵偿性。在测量时，随着测量次数的无限增加，其平均误差的极限值趋近于零。

这一点在我们分析随机误差时是十分重要的。

特别的，单台设备、单套仪表过程精密度指标仅仅是传感器精密度的函数。

b) 系统的不确定度

不管是系统误差还是随机误差，在有限次测量中都不可能准确地测量或计算出来。通常只能以一定方式估算出误差的极限值。这种误差的极限就是不确定度。系统的总不确定度由系统不确定度和随机不确定度构成，可理解为期望中的最大误差。综合计算时最为保险与简单的方法就是将系统不确定度和随机不确定度直接相加。此种方法为大量工业实践所证实。