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1、传感器与检测技术第一讲1 Four short words sum up what has lifted most successful Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. individuals above the crowd: a little bit more. -author -author -date-date概述概述测量方法测量方法误差的基本概念误差的基本概念一、概述一、概述n检测技术的含义、作用和地位n检测系统
2、的组成n检测技术的发展方向（一）检测技术的含义、作用和地位（一）检测技术的含义、作用和地位q检测技术的概念：检测技术的概念： 检测技术又称为测试技术；检测技术又称为测试技术； 是人们为了对被测对象所包含的信息进行是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的分析定性的分析和和定量的掌握定量的掌握所采取的一系列技所采取的一系列技术措施。术措施。 检测和控制是密不可分，检测是控制的前提条件，检测和控制是密不可分，检测是控制的前提条件，而控制又是检测的目的。而控制又是检测的目的。q检测系统的作用：检测系统的作用：A）检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。 B）检
3、测技术在大型设备安全经济运行监测中得检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用。到广泛应用。 C）检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。组成部分。D）检测技术的完善和发展推动着现代科学技术检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。的进步。（二）检测系统的组成（二）检测系统的组成n一个完整的检一个完整的检测系统或检测测系统或检测装置通常由装置通常由传传感器感器、测量电测量电路路和和显示记录显示记录装置装置等部分组等部分组成，分别成，分别完成完成信息获取、转信息获取、转换、显示和处换、显示和处理等到功能。理等到功能。n传感器：把被测量变换成
4、为另一种与之有传感器：把被测量变换成为另一种与之有确定对应关系，并且便于测量的电量的装确定对应关系，并且便于测量的电量的装置。置。n测量电路：将传感器的输出信号转换成易测量电路：将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。于测量的电压或电流信号。n显示记录装置：是检测人员和检测系统联显示记录装置：是检测人员和检测系统联系的主要环节，其作用是使人们了解检测系的主要环节，其作用是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。常用的有数值的大小或变化的过程。常用的有模拟模拟显示、数字显示和图象显示显示、数字显示和图象显示三种。三种。n数据处理装置与执行机构：数据处理装置与执行机构：是利用微机技是利用微
5、机技术，对被测结果进行处理、运算、分析，术，对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱分析等。把它显示出来或驱动某些执行机分析等。把它显示出来或驱动某些执行机构动作，实现自动控制目的。构动作，实现自动控制目的。 （三）检测技术的发展方向n新原理、新材料和新工艺所取得的成果产生了更多品质优良的新型传感器。n检测系统或检测装置由模拟式、数字式转换为智能化、远程监控方向发展。二、测量方法二、测量方法n测量的基本概念测量的基本概念n测量方法测量方法（一）测量的基本概念（一）测量的基本概念n用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，用实验的方法，
6、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，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，从而获得关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。于被测量的定量信息。n测量结果包括测量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两部分（二）测量方法（二）测量方法n实现测量过程所采用的具体方法实现测量过程所采用的具体方法，可分，可分为：为：按实测几何量与被测几何量的关系分：按实测几何量与被测几何量的关系分： 直接测量、间接测量、组合测量直接测量、间接测量、组合测量 根据测量的精度情况分类：根据测量的精度情况分类： 等精度测量、不等精度测量等精度
7、测量、不等精度测量按获得测量值的方式可以分为：按获得测量值的方式可以分为： 偏差式测量、零位式测量和微差式测量偏差式测量、零位式测量和微差式测量零位式测量零位式测量n用已知的标准量去平衡或抵用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零消被测量的作用，并用指零仪表来检测测量系统的平衡仪表来检测测量系统的平衡状态，从而判定被测量值等状态，从而判定被测量值等于已知标准量的方法称做零于已知标准量的方法称做零位式测量。位式测量。用电位差计测量未知电压。用电位差计测量未知电压。n调节调节RP1，校准工作电流使校准工作电流使其达到标准值，接入被测电其达到标准值，接入被测电压压UX后，调整后，调整RP的活
8、动的活动触点，使检流计触点，使检流计P回零，回零，A，D等势。等势。三、误差的基本概念三、误差的基本概念n测量误差的概念测量误差的概念n测量误差的分类测量误差的分类n误差的处理及消除方法误差的处理及消除方法 测量误差概念测量误差概念n在测量过程中，由于测量仪器、测量方法、测量条件及环境、人为的因素的影响，总是不可避免的存在测量误差。n测量结果与被测量的真值间的差值，称为测量误差。测量误差的分类测量误差的分类n按误差表示方法分：按误差表示方法分： 绝对误差、相对误差绝对误差、相对误差、引用误差、引用误差n按误差出现的规律分按误差出现的规律分: 系统误差、随机误差和粗大误差系统误差、随机误差和粗大
9、误差n按误差与时间关系分：按误差与时间关系分： 动态误差和静态误差动态误差和静态误差n绝对误差：是指测量值绝对误差：是指测量值Ax与被测量与被测量真值真值A0之间的差值，用之间的差值，用 表示，即：表示，即： 绝对误差不能作为衡量测量精确度绝对误差不能作为衡量测量精确度的标准的标准。0 xAA (一）按误差表示方法分：一）按误差表示方法分：n例如用一个电压表测量例如用一个电压表测量200V电压，绝对电压，绝对误差为误差为+1V，而用另一个电压表测量而用另一个电压表测量10V电压，绝对误差为电压，绝对误差为+0.5V，前者的绝对误前者的绝对误差虽然大于后者，但误差值相对于被测量差虽然大于后者，但
10、误差值相对于被测量值却是后者大于前者，即两者的测量精确值却是后者大于前者，即两者的测量精确度相差较大，为此人们引入了相对误差。度相差较大，为此人们引入了相对误差。按误差表示方法分按误差表示方法分n相对误差：是指绝对误差相对误差：是指绝对误差 与被测量真与被测量真值值X0的百分比的百分比 ，即：，即： 相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程度确程度 %1000X按误差表示方法分按误差表示方法分n在上面的例子中：在上面的例子中：%5 . 0%10020011%5%100105 . 02按误差表示方法分按误差表示方法分例题：用两种方法来测量L1=100mm的
11、尺寸，其测量误差分别为1=10m， 2= 8m；再用第三种方法测量L2=80mm的尺寸，它的测量误差为3=7m。试比较其误差。按误差表示方法分按误差表示方法分结论：n对于相同的被测量相同的被测量，绝对误差可以评定其测量精度的高低；n对于不同的被测量不同的被测量，以及不同的物理量，绝对误差难以评定其测量精度的高低，而采用相对误差来评定。按误差表示方法分按误差表示方法分n引用误差引用误差是以仪器仪表某一刻度点的绝对误差是以仪器仪表某一刻度点的绝对误差 与仪表量程与仪表量程L的比值，通常以百分数表示，即：的比值，通常以百分数表示，即：n如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误如果以测量仪表整个量程
12、中，可能出现的绝对误差最大值差最大值 m m代替代替 ，则可得到，则可得到最大引用误差最大引用误差 0 0m m，即：即：n一般用最大引用误差来确定测量仪表的精度等级一般用最大引用误差来确定测量仪表的精度等级 %1000L%100mm0L按误差表示方法分按误差表示方法分n工业仪表常见的精度等级有工业仪表常见的精度等级有0.1级、级、0.2级、级、0.5级、级、1.0级、级、1.5级、级、2.0级、级、2.5级、级、5.0级等级等 n其相对误差可以根据仪表允许的最大绝对误差其相对误差可以根据仪表允许的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。和仪表指示值进行计算。 n例如，例如，2.0级的仪表，量程为级
13、的仪表，量程为100，在使用时，在使用时它的它的最大引用误差不超过最大引用误差不超过2.0%，也就是说，也就是说，在整个量程内，它的在整个量程内，它的绝对误差最大值为绝对误差最大值为2.0。用它测量真值为用它测量真值为80的测量值时，其的测量值时，其相对误差相对误差最大为最大为2.0/80100%=2.5%。 按误差表示方法分按误差表示方法分n系统误差：在相同条件下，多次重复测量同一系统误差：在相同条件下，多次重复测量同一量时，其绝对值和符号保持不变，或在条件改量时，其绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，遵循某种规律变化的误差称为系统误变时，遵循某种规律变化的误差称为系统误差差 。(二）按误
14、差出现的规律分二）按误差出现的规律分:按对误差掌握程度分：已定系统误差未定系统误差按误差出现规律分：不变系统误差变化系统误差n在相同条件下，多次测量同一量时，其在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。化，这种误差称为随机误差。n随机误差是服从随机误差是服从统计规律统计规律n随机误差体现了测量结果的分散性，通随机误差体现了测量结果的分散性，通常用精密度表征随机误差的大小。常用精密度表征随机误差的大小。n明显歪曲测量结果的误差称为粗大误差，明显歪曲测量结果的误差称为粗大误差，又称过失误差。又称过失误差。 n静态
15、误差是指在测量过程中，被测量不随静态误差是指在测量过程中，被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢的测量误差。时间变化或随时间变化很缓慢的测量误差。 以上所介绍的测量误差均属于静态误差。以上所介绍的测量误差均属于静态误差。n在被测量随时间变化过程中进行测量时所在被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差称为动态误差。产生的附加误差称为动态误差。 （三）按被测量与时间关系分： n随机误差的处理随机误差的处理n粗大误差的判别与坏值的舍弃粗大误差的判别与坏值的舍弃n系统误差的消除系统误差的消除 n在等精度测量情况下，得到在等精度测量情况下，得到n个测量值个测量值x1、x2、xn，设只含有随机误差设
16、只含有随机误差 1、 2、 n，这组测量值或随机误差都是随机事件，可这组测量值或随机误差都是随机事件，可以用概率数理统计的方法来处理。以用概率数理统计的方法来处理。n随机误差具有以下特征：随机误差具有以下特征： 对称性对称性单峰性单峰性有界性有界性抵偿性抵偿性n例题1：等精度测量某电阻10次，得到的测量值为：167.95、 167.60、 167.87、 168.00、 167.82、 167.45、 167.60、 167.88、 167.85、 167.60，求测量结果。序号测量值xi残余误差vivi21167.950.1880.0353442167.6-0.1620.0262443167
17、.870.1080.01166441680.2380.0566445167.820.0580.0033646167.45-0.3120.0973447167.6-0.1620.0262448167.880.1180.0139249167.850.0880.00774410167.6-0.1620.026244 =167.762vi=0vi2=0.304760n莱以特准则（莱以特准则（3 准则）。准则）。 n在等精度测量情况下，得到在等精度测量情况下，得到n个测量值个测量值x1、x2、xn，先算出其算术平均值及剩余误差先算出其算术平均值及剩余误差（i=1，2，n），），并按贝塞尔公式算出标准并按
18、贝塞尔公式算出标准误差误差 ，若某个测量值，若某个测量值xa的剩余误差的剩余误差va满足下式：满足下式：n则认为则认为xi是含有粗大误差的坏值，应予剔除。是含有粗大误差的坏值，应予剔除。 3iixxvn例题例题2：对某量进行：对某量进行15次等精度测次等精度测量，测得值如表所列，设这些测得量，测得值如表所列，设这些测得值已消除系统误差，试判别该测量值已消除系统误差，试判别该测量列中是否含有粗大误差的测得值。列中是否含有粗大误差的测得值。序号测量值xi残余误差vivi2vv2120.420.0160.0002560.0090.000081220.430.0260.0006760.0190.000
19、361320.4-0.0040.000016-0.0110.000121420.430.0260.0006760.0190.000361520.420.0160.0002560.0090.000081620.430.0260.0006760.0190.000361720.39-0.0140.000196-0.0210.000441820.3-0.1040.010816920.4-0.0040.000016-0.0110.0001211020.430.0260.0006760.0190.0003611120.420.0160.0002560.0090.0000811220.410.0060.000036-0.0010.0000011320.39-0.0140.000196-0.0210.0004411420.39-0.0140.000196-0.0210.0004411520.4-0.0040.000016-0.0110.000121 =20.404vi=0vi2=0.01496v2=0.003374系统误差的消除：系统误差的消除：n在测量结果中进行修正；n消除产生系统误差的根源；n在测量系统中采用补偿措施；n实时反馈修正。