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1、第1章检测技术概述本讲稿第一页，共四十页4 学时学时第第1章章 传感器与检测技术的理论基础传感器与检测技术的理论基础1.1 检测技术概论检测技术概论1.2 误差理论与数据处理误差理论与数据处理2本讲稿第二页，共四十页测量定义测量定义：被测信息被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作全部操作：检测过程：检测过程：确定被测对象的确定被测对象的属性属性和和量值量值为目的的全部操作为目的的全部操作一、检测的基本概念一、检测的基本概念信号采集、信号处理、信号显示、信号输出信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电
2、、力、热、磁、声、）被测对象被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）检测器具：检测器具：化学量（化学量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、）1.1 检测技术概论检测技术概论3本讲稿第三页，共四十页例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温一、检测的基本概念一、检测的基本概念空气空气被测对象被测对象：被测信息被测信息：检测器具检测器具：操作过程操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温度传感器-热电阻、热电偶热电阻、热电偶 热敏电阻热敏电阻 电信号电信号 处理处理 显示显示空调机空调机4本讲稿第四页，共四十页二、检测系统的
3、构成二、检测系统的构成接接口口总总线线存储存储显示显示分析分析监控监控判断判断决策决策一般构成：一般构成：信号检出信号检出 信号检出信号检出信号检出信号检出信号转换信号转换信号转换信号转换信号转换信号转换处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示信号检出：信号检出：功能功能-将被测信号的转换为电信号的变化（将被测信号的转换为电信号的变化（detection）器件器件-传感器（传感器（sensor,transducer）信号转换：信号转换：功能功能-将传感器的输出信号转换为便于处理的形式将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（conversion）器件器件-信号调理电路（信号调理电路（si
4、gnal conditioning circuit）处理显示：处理显示：功能功能-分析（分析（analysis）、处理（）、处理（processing）、显示）、显示（display）通讯接口通讯接口/总线接口总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、)其它环节：其它环节：存储、监控、决策存储、监控、决策 5本讲稿第五页，共四十页检测系统构成力力位移位移 速度速度 加速度加速度 压力压力流量流量温度温度电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式 压电式压电式热电式热电式 光电式光电式磁电式磁电式电桥电桥 放大器放大器滤波器滤波器调制器调制器解调器解调器运算器运算器 阻抗变换器阻抗变换器 笔
5、式记录仪笔式记录仪光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 电子示波器电子示波器 半导体存储器半导体存储器 显示器显示器 磁卡磁卡 数据处理器数据处理器 频谱分析仪频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪实时信号分析仪 电子计算机电子计算机 被测对象被测对象 传感器传感器 中间变换中间变换测量装置测量装置 显示及显示及 记录装置记录装置 实验结果实验结果处理装置处理装置 激发装置激发装置 6本讲稿第六页，共四十页三、检测方法分类1.直接测量直接测量（绝对测量、相对测量）（绝对测量、相对测量）、间接测量与组合测量、间接测量与组合测量2.开环测量与闭环测量开环测量与闭环测量3.偏差法、零位法、微差法偏
6、差法、零位法、微差法7本讲稿第七页，共四十页三、检测方法分类n1、直接测量与间接测量 直接测量：直接将直接测量：直接将被测量被测量与与标准量标准量进行比较进行比较标准量标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、）绝对测量绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）定值标准量（如某一固定尺寸）相对测量相对测量8本讲稿第八页，共四十页三、检测方法分类三、检测方法分类-绝对测量：绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：测量结果：20.1 mm-相对测量：相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值将
7、被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：特点：简单、直观、明了；简单、直观、明了；测量精度不高测量精度不高基准量：基准量：20.00 mm测量值：测量值：+0.08 mm结结 果：果：20.08 mm特点：特点：精度高；复杂、成本高、要求高精度高；复杂、成本高、要求高9本讲稿第九页，共四十页三、检测方法分类 间接测量间接测量如测导线的导电率如测导线的导电率：测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得算获得10本讲稿第十页，共四十页三、检测方法分类n2、开环测量与闭环测量、开环测量与闭环测量开环测量：开环测量：反馈测量：反馈测量：特点特点：简单
8、、直观、明了；：简单、直观、明了；测量精度不高测量精度不高特点特点：精度高；复杂、成本高、要求高：精度高；复杂、成本高、要求高传感器传感器输入量输入量x输出量输出量y传感器传感器输入量输入量x输出量输出量y放大放大反馈传感器反馈传感器11本讲稿第十一页，共四十页三、检测方法分类n3、偏差法、零位法和微差法、偏差法、零位法和微差法偏差法：偏差法：零位法：零位法：利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指
9、零机构示值为零来确定被测量等于标准量值机构示值为零来确定被测量等于标准量值微差法：微差法：偏差法和零位法的结合偏差法和零位法的结合被测量被测量+被测量余数被测量余数被测量大值与标准量大体平衡被测量大值与标准量大体平衡12本讲稿第十二页，共四十页三、检测方法分类三、检测方法分类n思考：思考：杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？13本讲稿第十三页，共四十页四、现代检测技术发展趋势四、现代检测技术发展趋势n智能化智能化n虚拟化虚拟化n网络化网络化n微型化微型化n软测量技术软测量技术14本讲稿第十四页，共四十页15本讲稿第十五页，共四十页16本讲稿第十六页，共四
10、十页17本讲稿第十七页，共四十页18本讲稿第十八页，共四十页1.2 误差理论与数据处理误差理论与数据处理误差定义、来源、分类、测量精度误差定义、来源、分类、测量精度 1.2.2 数据处理的一般方法数据处理的一般方法 算术平均法、最小二乘法、一元线性回归算术平均法、最小二乘法、一元线性回归.1.2.1 测量误差的基本理论测量误差的基本理论19本讲稿第十九页，共四十页基本理论基本理论一、一、测量误差的定义测量误差的定义定义：定义：x 测量误差测量误差x 测量结果测量结果x0 真值真值测量结果与其真值的差异测量结果与其真值的差异真值：真值：被测量的客观真实值被测量的客观真实值理论真值：理论真值：理论
11、上存在、计算推导出来理论上存在、计算推导出来如：三角形内角和如：三角形内角和180约定真值：约定真值：国际上公认的最高基准值国际上公认的最高基准值如：基准米如：基准米(氪氪-86的能级跃迁在真空中的辐射波长的能级跃迁在真空中的辐射波长)相对真值：相对真值：利用利用高一等级精度高一等级精度的仪器或装置的测量结果作为近似真值的仪器或装置的测量结果作为近似真值1m=1 650 763.73 标准仪器的测量标准差标准仪器的测量标准差 3 -坏值坏值-剔除剔除 测量值测量值 Xd 的剩余误差的绝对值的剩余误差的绝对值|Pd|n -坏值坏值-剔除剔除 n-肖维勒系数（查表确定）肖维勒系数（查表确定）测量值
12、测量值 Xd 的剩余误差的绝对值的剩余误差的绝对值|Pd|(,n)-坏值坏值-剔除剔除 (,n)-查表确定查表确定计算算术平均值计算算术平均值 x 剩余误差剩余误差 均方误差均方误差 剔除坏值剔除坏值-随时发现，随时剔除随时发现，随时剔除-重新测量重新测量 29本讲稿第二十九页，共四十页3、随机误差的分析处理、随机误差的分析处理-统计方法统计方法正态分布（高斯分布）正态分布（高斯分布）-大多数；大多数；其它其它-正弦分布、二次分布、卡方分布、指数分布、正弦分布、二次分布、卡方分布、指数分布、分布、分布、分布等分布等 分布：分布：均匀分布均匀分布-量化误差、舍入误差；量化误差、舍入误差；N次测量
13、结果次测量结果-xi(i=1,2,N)30本讲稿第三十页，共四十页1）随机误差的分布规律）随机误差的分布规律 理论和实践都证明了大多数的随机误差服从正态分布或接近正态分布，其概率密度函数为随机误差的表述随机误差的表述误差误差 =x-x0均方根误差均方根误差/标准误差标准误差 h-精密度指数精密度指数31本讲稿第三十一页，共四十页 对称性对称性特点特点:有界性有界性 抵偿性抵偿性 单峰性单峰性-可正可负可正可负-绝对值相等的正负误差出现的机会相等绝对值相等的正负误差出现的机会相等 P()-曲线对称于纵轴曲线对称于纵轴-绝对值不会超过一定的范围（一定的测量条件下）绝对值不会超过一定的范围（一定的测
14、量条件下）绝对值很大的误差几乎不出现绝对值很大的误差几乎不出现-测量次数测量次数n 时（相同条件下）时（相同条件下）全体随机函数的代数和全体随机函数的代数和-绝对值小的误差出现的机会多（概率密度大）绝对值小的误差出现的机会多（概率密度大）=0 处随机误差概率密度有最大值处随机误差概率密度有最大值32本讲稿第三十二页，共四十页2）算术平均值和标准差）算术平均值和标准差在等权测量条件下，对某被测量进行多次重复测量，在等权测量条件下，对某被测量进行多次重复测量，得到一系列测量值得到一系列测量值 常取算术平均值常取算术平均值 作为测量结果的最佳估计作为测量结果的最佳估计33本讲稿第三十三页，共四十页无
15、限多次测量算术平均值作为真值的理论依据无限多次测量算术平均值作为真值的理论依据 n若测量次数无限增多，且无系统误差下，由概率论的若测量次数无限增多，且无系统误差下，由概率论的大数定律知，算数平均值以概率为大数定律知，算数平均值以概率为1趋近于真值。趋近于真值。根据随机误差根据随机误差 的抵偿性，当的抵偿性，当n充分大时，有充分大时，有34本讲稿第三十四页，共四十页算术平均值的标准差算术平均值的标准差 常用贝塞尔（常用贝塞尔（Bessel）公式计算）公式计算35本讲稿第三十五页，共四十页三类测量误差处理的方法总结 随机误差随机误差具有抵偿性，这是它最本质的特性，算术均值和标准差是表示测量结果的两
16、个主要统计量；系统误差系统误差则违背抵偿性，因而会影响算术均值，变化的系统误差还影响标准差；粗大误差粗大误差则存在于个别的可疑数据中，也会影响算术均值和标准差。随机误差随机误差服从统计规律，是无法消除的，但通过适当增加测量次数可提高测量精度；系统误差系统误差则是有确定性规律，在掌握这个规律后，可以采取适当的措施消除或减小它；粗大误差粗大误差既违背统计规律，又违背确定性规律，可用物理或统计的方法判断后剔除。为处理一组测量数据，往往先找出个别可疑数据，经统计判断确认无粗大误差粗大误差后，再用适当的方法检验数据中是否含有明显的系系统误差统误差，如确认已无系统误差，最后处理随机误差随机误差，统计算术平
17、均值、标准差及极限误差，以正确的表达方式给出测量结果。36本讲稿第三十六页，共四十页测量结果的数据处理实例 分两种情况：等精度直接测量列测量结果的数据处理实例和不等精度直接测量列测量结果的数据处理实例。37本讲稿第三十七页，共四十页例：对恒温箱的保温性进行研究，等精度测量某一温度点的值20 次，测得值如下：（单位：）25.53 25.52 25.50 25.52 25.53 25.53 25.50 25.49 25.49 25.51 25.53 25.52 25.49 25.38 25.50 25.52 25.54 25.47 25.48 25.51已知温度计的系统误差为-0.05,除此以外不再含有其它的系统误差，试判断该测量列是否含有粗大误差，并求当置信概率为99.73%时该温度点的测量结果。等精度直接测量列测量结果的数据处理实例38本讲稿第三十八页，共四十页测量不确定度测量不确定度的含义定义定义：是测量结果含有的一个参数，用以表征合理的赋予被是测量结果含有的一个参数，用以表征合理的赋予被测量量值的分散性测量量值的分散性。被测量的估计测量不确定度测量结果并非一个确定值，而是包含分散的无数个可能值所处的一个区间。测量不确定度正是这个区间的度量。39本讲稿第三十九页，共四十页课后作业40本讲稿第四十页，共四十页