傳感器理論基礎(chǔ)(《傳感器基礎(chǔ)》課件).ppt

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第1章傳感器理論基礎(chǔ) 本章主要介紹本課程的基礎(chǔ)知識 包括傳感器的概念 分類和基本特性 檢測系統(tǒng)的組成與功能 基本測量方法 測量誤差及數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容 從而為后面知識的學習打下基礎(chǔ) 1 1傳感器基礎(chǔ)1 2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ) 1 1傳感器基礎(chǔ) 1 1 1傳感器的概念 傳感器首先是一種測量器件或裝置 它的作用體現(xiàn)在測量上 定義中所謂 可用輸出信號 是指便于傳輸 轉(zhuǎn)換及處理的信號 主要包括氣 光和電等信號 而 規(guī)定的測量量 一般是指非電量信號 傳感器的輸入和輸出信號應(yīng)該具有明確的對應(yīng)關(guān)系 并且應(yīng)保證一定的精度 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 1 傳感器的組成 1 1 2傳感器的組成和分類 傳感器組成框圖 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 敏感元件 sensingelement 直接感受被測量的變化 并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件 是傳感器的核心 轉(zhuǎn)換元件 transductionelement 將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號 測量電路 measuringcircuit 將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進行進一步的轉(zhuǎn)換和處理 如放大 濾波 線性化 補償?shù)?以獲得更好的品質(zhì)特性 便于后續(xù)電路實現(xiàn)顯示 記錄 處理及控制等功能 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 傳感器的分類 按工作原理分類 可分為電參數(shù)式 電阻式 電感式和電容式 傳感器 壓電式傳感器 光電式傳感器 熱電式傳感器等 按被測量分類 可分為力 位移 速度 加速度傳感器等 按結(jié)構(gòu)分類 可分為結(jié)構(gòu)型 物性型和復合型傳感器 按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類 可分為能量控制型和能量轉(zhuǎn)換型傳感器兩大類 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 1 1 3傳感器的基本特性 傳感器系統(tǒng) 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 1 靜態(tài)特性 當傳感器的輸入信號是常量 不隨時間變化 或變化極緩慢 時 其輸出輸入關(guān)系特性稱為靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性主要由下列幾種性能來描述 1 測量范圍 measuringrange 傳感器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱為傳感器的測量范圍 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 量程 span 傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差稱為量程 3 精度 accuracy 傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度 是測量中各類誤差的綜合反映 工程技術(shù)中為簡化傳感器精度的表示方法 引用了精度等級的概念 精度等級以一系列標準百分比數(shù)值分檔表示 代表傳感器測量的最大允許誤差 相對誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 4 線性度 linearity 所謂傳感器的線性度是指其輸出量與輸入量之間的關(guān)系曲線偏離理想直線的程度 又稱為非線性誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 在不考慮零位輸出的情況下 傳感器的線性度可分為以下幾種情況 傳感器的非線性 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 采用直線擬合的方法來線性化時 輸入 輸出的校正曲線與其擬合直線之間的最大偏差 稱為非線性誤差 通常用相對誤差來表示 非線性最大誤差 滿量程輸出值 在非線性誤差不太大的情況下 通常采用直線擬合的方法來線性化 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 常用的擬合方法 理論擬合 過零旋轉(zhuǎn)擬合 端點擬合 端點平移擬合 最小二乘法擬合等 各種直線擬合方法 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 5 靈敏度 sensitivity 靈敏度是指傳感器輸出的變化量與引起該變化量的輸入變化量之比 即 傳感器的靈敏度 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 6 分辨率和閾值 resolutionandthreshold 分辨率當分辨力以滿量程輸出的百分數(shù)表示時則稱為分辨率 分辨力傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力 閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值 即零點附近的分辨力 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 7 重復性 repeatability 重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線間不一致的程度 傳感器的重復性 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 8 遲滯 hysteresis 遲滯特性表明傳感器在正 輸入量增大 反 輸入量減小 行程中輸出與輸入曲線不重合的程度 傳感器的遲滯特性 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 9 穩(wěn)定性 stability 穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力 穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一規(guī)定時間間隔后 傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示 稱為穩(wěn)定性誤差 穩(wěn)定性誤差可用相對誤差表示 也可用絕對誤差來表示 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 10 漂移 drift 傳感器的漂移是指在外界的干擾下 在一定時間間隔內(nèi) 傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的 不需要的變化 漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等 傳感器的漂移 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 動態(tài)特性 動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變化的輸入信號的響應(yīng)特性 是傳感器的重要特性之一 傳感器的動態(tài)特性與其輸入信號的變化形式密切相關(guān) 最常見 最典型的輸入信號是階躍信號和正弦信號 對于階躍輸入信號 傳感器的響應(yīng)稱為階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng) 對于正弦輸入信號 則稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 可從時域和頻域兩個方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析動態(tài)特性 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 動態(tài)特性的數(shù)學描述 微分方程實際傳感器較復雜 動態(tài)響應(yīng)特性一般并不能直接給出其微分方程 可通過實驗給出傳感器與階躍響應(yīng)曲線和幅頻特性曲線上的某些特征值來表示儀器的動態(tài)響應(yīng)特性 大部分傳感器的動態(tài)特性可近似用一階或二階系統(tǒng)來描述 其動態(tài)分析方法詳見 自控原理 相關(guān)內(nèi)容 動態(tài)特性好的傳感器應(yīng)具有較短的暫態(tài)響應(yīng)時間和較寬的頻率響應(yīng)特性 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 1 1 4傳感器的命名 代號和圖形符號 1 傳感器的命名 傳感器的全稱應(yīng)由 主題詞 四級修飾語 組成 即 主題詞 傳感器 一級修飾語 被測量 包括修飾被測量的定語 二級修飾語 轉(zhuǎn)換原理 一般可后綴以 式 字 三級修飾語 特征描述 指必須強調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu) 性能 材料特征 敏感元件及其他必要的性能特征 一般可后綴以 型 字 四級修飾語 主要技術(shù)指標 如量程 精度 靈敏度等 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 傳感器的代號 一種傳感器的代號應(yīng)包括以下四部分 a 主稱 傳感器 b 被測量 c 轉(zhuǎn)換原理 d 序號 傳感器產(chǎn)品代號的編制格式 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 3 傳感器的圖形符號 傳感器的圖形符號是電氣圖用圖形符號的一個組成部分 按GB T14479 93 傳感器圖用圖形符號 規(guī)定 傳感器的圖形符號由符號要素正方形和等邊三角形組成正方形 轉(zhuǎn)換元件三角形 敏感元件 傳感器的圖形符號 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 表示轉(zhuǎn)換原理的限定符號應(yīng)寫進正方形內(nèi) 表示被測量的限定符號應(yīng)寫進三角形內(nèi) 傳感器圖形符號的說明 1 被測量符號 轉(zhuǎn)換原理 當無須強調(diào)具體的轉(zhuǎn)換原理時 傳感器的圖形符號可以簡化 傳感器圖形符號的說明 2 對角線 內(nèi)在的能量轉(zhuǎn)換功能 A B 輸入 輸出信號 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 對于傳感器的電氣引線 應(yīng)根據(jù)接線圖設(shè)計需要 從正方形的三條邊線垂直引出 傳感器圖形符號的說明 3 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 對于某些轉(zhuǎn)換原理難以用圖形符號簡單 形象地表達時 也可用文字符號替代 傳感器圖形符號的說明 4 幾種典型傳感器的圖形符號 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 1 1 5傳感器的發(fā)展趨勢 發(fā)現(xiàn)利用新現(xiàn)象 新效應(yīng)開發(fā)新材料采用高新技術(shù)拓展應(yīng)用領(lǐng)域提高傳感器的性能傳感器的微型化與低功耗傳感器的集成化與多功能化傳感器的智能化與數(shù)字化傳感器的網(wǎng)絡(luò)化 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 1 2檢測技術(shù)理論基礎(chǔ) 1 2 1檢測技術(shù) 檢測技術(shù)是以研究檢測系統(tǒng)中的信息提取 信息轉(zhuǎn)換以及信息處理的理論與技術(shù)為主要內(nèi)容的一門應(yīng)用技術(shù)學科 檢測技術(shù)主要研究被測量的測量原理 測量方法 檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等方面的內(nèi)容 不同性質(zhì)的被測量要采用不同的原理去測量 測量同一性質(zhì)的被測量也可采用不同測量原理 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 1 2 2測量方法 1 測量 測量是檢測技術(shù)的重要組成部分 是以確定被測對象量值為目的的一系列操作 測量是將被測量與同種性質(zhì)的標準量進行比較 從而確定被測量對標準量的倍數(shù) 它可由下式表示 被測量值 標準量 即測量單位 數(shù)值 比值 含有測量誤差 式中 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 測量方法 1 直接測量 間接測量和組合測量 1 直接測量在使用儀表進行測量時 對儀表讀數(shù)不需要經(jīng)過任何運算 就能直接表示測量所需要的結(jié)果 稱為直接測量 2 間接測量有的被測量無法或不便于直接測量 這就要求在使用儀表進行測量時 首先對與被測物理量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個量進行測量 然后將測量值代入函數(shù)關(guān)系式 經(jīng)過計算得到所需的結(jié)果 這種方法稱為間接測量 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 經(jīng)過求解聯(lián)立方程組 才能得到被測物理量的最后結(jié)果 則稱這樣的測量為組合測量 3 組合測量 又稱聯(lián)立測量 2 偏差式測量 零位式測量與微差式測量 用儀表指針的位移 即偏差 決定被測量的量值 用指零儀表的零位指示檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài) 在測量系統(tǒng)平衡時 用已知的標準量決定被測量的量值的測量方法 微差式測量是綜合了偏差式測量與零位式測量的優(yōu)點而提出的一種測量方法 它將被測量與已知的標準量相比較 取得差值后 再用偏差法測得此差值 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 3 等精度測量與非等精度測量 在整個測量過程中 若影響和決定測量精度的全部因素 條件 始終保持不變 即在同樣的環(huán)境條件下 對同一被測量進行多次重復測量 稱為等精度測量 用不同精度的儀表或不同的測量方法 或在環(huán)境條件相差很大的情況下對同一被測量進行多次重復測量稱為非等精度測量 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 被測量在測量過程中認為是固定不變的 這種測量稱為靜態(tài)測量 若被測量在測量過程中是隨時間不斷變化的 這種測量稱為動態(tài)測量 4 靜態(tài)測量與動態(tài)測量 在實際測量過程中 一定要從測量任務(wù)的具體情況出發(fā) 經(jīng)過認真的分析后 再決定選用哪種測量方法 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 1 2 3檢測系統(tǒng) 1 檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 檢測系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 開環(huán)檢測系統(tǒng)與閉環(huán)檢測系統(tǒng) 1 開環(huán)檢測系統(tǒng) 開環(huán)檢測系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)較簡單 但各環(huán)節(jié)特性的變化都會造成測量誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 閉環(huán)檢測系統(tǒng) 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 當 1時 則 系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為 經(jīng)整理得 此系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系由反饋環(huán)節(jié)的特性決定 放大器等環(huán)節(jié)特性的變化不會造成測量誤差 或造成的誤差很小 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 1 2 4測量誤差及數(shù)據(jù)處理 1 測量誤差 測量誤差就是測量值與真實值之間的差值 它反映了測量的精度 1 測量誤差的表示方法 1 絕對誤差和相對誤差 絕對誤差表示測量值與被測量真實值 真值 之間的差值 即 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 對測量值進行修正時 被測量真實值應(yīng)等于測量值加上修正值 即A x c 其中修正值c是與絕對誤差大小相等 符號相反的值 在實際應(yīng)用中更多地是用相對誤差來代替絕對誤差表示測量結(jié)果 這樣可以更客觀地反映測量的準確性 示值 標稱 相對誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 引用 滿度 相對誤差 它是指測量儀表中相對儀表滿量程的一種相對誤差 儀表的精度等級是根據(jù)引用誤差來確定的 我國電工儀表的精度等級按的大小分為七級 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5和5 0 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 基本誤差和附加誤差 基本誤差是指儀表在規(guī)定的標準條件下所具有的誤差 標準條件一般指檢測系統(tǒng)在標定刻度時所保持的電源電壓 220 5 V 電網(wǎng)頻率 50 2 Hz 環(huán)境溫度 20 5 濕度 65 5 RH 附加誤差是指當儀表的使用條件偏離標準條件時出現(xiàn)的誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 3 工具誤差和方法誤差 工具誤差是指由于測量工具本身不完善引起的誤差 方法誤差也稱理論誤差 是指測量方法不精確 理論依據(jù)不嚴密及對被測量定義不明確等因素所產(chǎn)生的誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 誤差的性質(zhì) 1 系統(tǒng)誤差 簡稱系差 在一定的條件下 對同一被測量進行多次重復測量 如果誤差按照一定的規(guī)律變化 則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差 系統(tǒng)誤差決定了測量的準確度 系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的 因此可以通過實驗或引入修正值的方法一次修正給以消除 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 隨機誤差 簡稱隨差 又稱偶然誤差 由大量偶然因素的影響而引起的測量誤差稱為隨機誤差 對同一被測量進行多次重復測量時 隨機誤差的絕對值和符號將不可預知地隨機變化 但總體上服從一定的統(tǒng)計規(guī)律 隨機誤差決定了測量的精密度 隨機誤差不能用簡單的修正值法來修正 只能通過概率和數(shù)理統(tǒng)計的方法去估計它出現(xiàn)的可能性 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 精密度 準確度和精確度三者的關(guān)系 系統(tǒng)誤差越小 測量結(jié)果準確度越高 隨機誤差越小 測量結(jié)果精密度越高 如果一個測量數(shù)據(jù)的準確度和精密度都很高 就稱此測量的精確度很高 打靶彈著點分布圖 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 3 粗大誤差 簡稱粗差 又稱疏忽誤差 在一定測量條件下 測量值明顯偏離實際真實值所形成的誤差稱為粗大誤差 含有粗大誤差的測量值稱為壞值 壞值不能反映被測量的真實結(jié)果 對于粗大誤差 首先應(yīng)設(shè)法判斷是否存在 如存在 則需將壞值剔除 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 測量數(shù)據(jù)的估計和處理 1 隨機誤差的統(tǒng)計處理 隨機誤差的分布可以在大量重復測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來 當測量次數(shù)足夠多時 測量過程中產(chǎn)生的誤差服從正態(tài)分布規(guī)律 概率密度 標準誤差 均方根準誤差 隨機誤差 正態(tài)分布規(guī)律曲線為一條鐘形的曲線 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 隨機誤差分布規(guī)律的特點 集中性 有限性 對稱性 抵償性 正態(tài)分布曲線 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 由于隨機誤差的出現(xiàn)是符合正態(tài)分布曲線的 因此它的出現(xiàn)概率就是該曲線下所包圍的面積 該面積是全部隨機誤差出現(xiàn)的概率之和 也就是應(yīng)該等于1 2 隨機誤差的評價指標 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 算術(shù)平均值 在實際測量時 真值一般無法得到 可以證明 隨著測量次數(shù)的增多 算術(shù)平均值越來越接近真值 當無限大時 測量值的算術(shù)平均值就是真值 標準誤差 又稱均方根誤差 算術(shù)平均值是反映隨機誤差的分布中心 而標準誤差則反映隨機誤差的分布范圍 標準誤差越大 測量數(shù)據(jù)的分散范圍也越大 標準誤差可以描述測量數(shù)據(jù)和測量結(jié)果的精度 是評價隨機誤差的重要指標 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 三種不同的正態(tài)分布曲線 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 標準誤差的求法 貝賽爾 Bessel 公式 通常利用殘余誤差 簡稱殘差又稱剩余誤差 來求得標準誤差 所謂殘差 是指測量值與該被測量的算術(shù)平均值之差 用表示 即 貝賽爾 Bessel 公式 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 殘差有一個重要特性 即 將多次測量的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果時 其精度參數(shù)用算術(shù)平均值的標準誤差來表示 即 一個被測量的測量結(jié)果 一般用下式表示隨機誤差的影響 即 式中Z稱為置信系數(shù) 一般取1 3 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 可以證明 這時概率P如下 置信概率與置信區(qū)間 評定隨機誤差時一般以為極限誤差 如某項測量值的殘差超出則認為此項測量值中含有粗大誤差 數(shù)據(jù)處理時應(yīng)舍去 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 系統(tǒng)誤差的檢查及消除 1 實驗對比法 這種方法是通過改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件 進行不同條件的測量 來發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的 此種方法適用于發(fā)現(xiàn)固定的系統(tǒng)誤差 2 殘余誤差法 這種方法是根據(jù)測量值的殘余誤差的大小和符號的變化規(guī)律 直接由誤差數(shù)據(jù)或誤差曲線來判斷有無系統(tǒng)誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 3 理論計算法 馬利科夫準則 馬利科夫準則適用于判別測量數(shù)據(jù)中是否存在累進性系統(tǒng)誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 阿卑 赫梅特 Abbe Helmert 準則 阿卑 赫梅特準則適用于判別測量數(shù)據(jù)中是否存在周期性系統(tǒng)誤差 當存在 則認為測量數(shù)據(jù)中含有周期性系統(tǒng)誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 3 粗大誤差的判別 1 拉依達準則 準則 將等于的誤差作為極限誤差 如果一組測量數(shù)據(jù)中某個測量值的殘余誤差的絕對值 則該測量值為壞值 應(yīng)剔除 2 肖維勒準則 肖維勒準則是以正態(tài)分布為前提的 假設(shè)多次重復測量所得的個測量值中 某個測量值的殘余誤差 則剔除此數(shù)據(jù) 為判別系數(shù) 實用中 3 所以在一定程度上彌補了準則的不足 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 3 格拉布斯 Grubbs 準則 格拉布斯準則也是以正態(tài)分布為前提的 當某個測量值的殘余誤差的絕對值 則可判斷此測量值中含有粗大誤差 應(yīng)予以剔除 為判別系數(shù) 值與重復測量次數(shù)和置信概率有關(guān) 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 4 測量數(shù)據(jù)的處理 利用修正值等方法 對測量值進行修正 減小恒值系統(tǒng)誤差的影響 將一系列等精度測量讀數(shù) 1 2 按先后順序列成表格 在測量時應(yīng)盡可能消除系統(tǒng)誤差 計算測量讀數(shù)的算術(shù)平均值 在每個測量讀數(shù)旁列出相應(yīng)的殘余誤差 檢查的條件是否滿足 若不滿足 說明計算有誤 需重新計算 在每項殘余誤差旁列出 然后由貝賽爾公式求出標準誤差 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 依照已知條件和實際要求 可根據(jù)拉依達準則檢查是否有 的測量值 或根據(jù)肖維勒準則 檢查是否有 的測量值 或根據(jù)格拉布斯準則 檢查是否有的測量值 如果有 則應(yīng)認為該測量值為壞值 舍去此值 然后重復完成 的步驟 直到?jīng)]有壞值為止 判斷有無變值系統(tǒng)誤差 計算測量值的算術(shù)平均值的標準誤差 根據(jù)實際要求 寫出最后測量結(jié)果 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 5 誤差的合成與分配 在測量中 已知各測量值的誤差 或局部誤差 求總的誤差 稱為誤差合成 也稱誤差綜合 反之 確定了總的誤差后 計算各環(huán)節(jié) 或各部分 具有多大誤差才能保證總的誤差值不超過規(guī)定值 稱為誤差的分配 1 誤差的合成 在實際測量中 當系統(tǒng)誤差遠大于隨機誤差的影響時 基本上可按系統(tǒng)誤差的合成來處理 當系統(tǒng)誤差較小或已修正時 則可按隨機誤差合成來處理 一般情況下系統(tǒng)誤差和隨機誤差的影響差不多 二者均不可忽略 此時 誤差的合成可根據(jù)具體情況 分別按不同的方法處理 第1章傳感器理論基礎(chǔ) 2 誤差的分配 如果說由各測量值的誤差合成總誤差是誤差傳播的正向過程 那么給定總誤差后 如何將這個總誤差分配給各環(huán)節(jié) 就可以說是誤差傳播的反向過程 常見的誤差分配原則 等精度分配 等作用分配 按主要誤差進行分配 第1章傳感器理論基礎(chǔ)