自动检测技术第一章.ppt

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1、第一章 检测技术的基本概念,本章学习测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基本特性等，他们是检测与转换技术的理论基础。,第一章 检测技术的基本概念,第三节 传感器及其基本特性,第二节 测量误差及数据处理,第一节 测量的基本概念及方法,第一章 检测技术的基本概念,第三节 传感器及其基本特性,第二节 测量误差及数据处理,第一节 测量的基本概念及方法,第一节 测量的基本概念及方法,一、测量的一般概念二、测量方法分类,第一节 测量的基本概念及方法,一、测量的一般概念,测量(measurement)：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作。检测：检测是意义更为广泛的

2、测量。测量信号检出（极为重要）。检测过程：信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理。,第一节 测量的基本概念及方法,二、测量方法分类,对于测量方法，从不同角度，有不同的分类方法。根据获得测量值的方法可分为直接测量和间接测量；根据测量方式可分为偏差式测量、零位式测量；根据测量条件不同可分为等精度测量与不等精度测量；根据被测量变化快慢可分为静态测量与动态测量；根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触式测 量与非接触式测量；,1.直接测量、间接测量 在使用仪表或传感器进行测量时，测得值直接与标准量进行比较，不需要经过任何运算，直接得到被测量的数值，这种测量方法称为直接测量。被测量与测得值

3、之间关系可用下式表示:y=x 式中：y被测量的值 x直接测得值。,间接测量-被测量无法或不易进行直接测量,自变量,目标变量,负载电阻功率=电压 电流,（直接测量）,2.偏差式测量、零位式测量 用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值，这种测量方法称为偏差式测量。,例：弹簧秤,用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值，这种测量方法称为零位式测量。,例：天平称量物体,2.偏差式测量、零位式测量,3.等精度测量与不等精度测量 在测量过程中，若影响和决定误差大小的全部因素（条件）始终保持不变，如由同一个测量者，用同一台仪器，用同样的方法，在同样的环境条

4、件下，对同一被测量进行多次重复测量，称为等精度测量。有时在科学研究或高精度测量中，往往在不同的测量条件下，用不同精度的仪表，不同的测量方法，不同的测量次数以及不同的测量者进行测量和对比，这种测量称为不等精度测量。,4.静态测量与动态测量 被测量在测量过程中认为是固定不变的，对这种被测量进行的测量称为静态测量。静态测量不需要考虑时间因素对测量的影响。若被测量在测量过程中是随时间不断变化的，对这种被测量进行的测量称为动态测量。,静态测量,对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。,最高、最低温度计,动态测量,地震测量振动波形,接触式测量,5.接触测量与非接触测量,非接触式测量 例：雷达测速,车载电子

5、警察,第一章 检测技术的基本概念,第三节 传感器及其基本特性,第二节 测量误差及数据处理,第一节 测量的基本概念及方法,第二节 测量误差及数据处理,一、真值的概念二、测量误差三、测量结果的数据统计处理,第二节 测量误差及数据处理,一、真值的概念二、测量误差三、测量结果的数据统计处理,一、真值的概念 1.真值：真值即真实值，是指在一定条件下被测量客观存在的实际值。(Ao)（1）真值通常是个未知量。（2）真值难以测量到。原因：测量对象、仪表、方法、人受到本身和周围环境各种因素影 响，且这些因素在不断变化。测量过程可能改变对象状态，结果已不是对象本来面貌。（3）测量的目的：求得被测量真值的逼近值。精

6、度越高的仪表，其测量 值越逼近真值，精度反映了对真值的逼近程度。（4）测量不必单纯追求精度，在工程上对给定的测量任务只需达到工程 需要的精度。,2.真值的种类：（1）理论真值（绝对真值）：理论上证明正确的值。（2）规定真值：国际上公认的某些基准量。例：82年国际计量局米定义咨询委员会提出新的米定义：“米是光在真空中在1/299792458秒时间间隔内行进的路程。”（3）约定真值（conventional true value）（相对真值）x0：测量仪表按精度不同分为若干等级。上一等级的仪表示值即为下一等级的真值。实际测量中，以无系统误差情况下足够多次测量所获一列测量结果的算术平均值作为约定真值

7、。,第二节 测量误差及数据处理,一、真值的概念二、测量误差三、测量结果的数据统计处理,测量误差是测得值减去被测量的真值。由于真值往往不知道，因此测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值。但由于种种原因，例如，传感器本身性能不十分优良，测量方法不十分完善，外界干扰的影响等，造成被测量的测得值与真实值不一致，因而测量中总是存在误差。,第二节 测量误差及数据处理,二、测量误差,绝对误差。测量值X和真值X0之差。XXX0相对误差。绝对误差X和被测量真值X0之比。引用误差。绝对误差X与仪表的满量程之比。,1、测量误差的表示方法,（1）绝对误差 绝对误差可用下式定义:=x-x0 式中:绝对误差；x测量值

8、；x0真值。绝对误差是有正、负并有量纲的。采用绝对误差表示测量误差，不能很好说明测量质量的好坏。例如，在温度测量时，绝对误差=1，对体温测量来说是不允许的，而对钢水温度测量来说是极好的测量结果，所以用相对误差可以比较客观地反映测量的准确性。,（2）实际相对误差 实际相对误差的定义由下式给出：,式中：实际相对误差，一般用百分数给出；绝对误差；x0约定真值。实际测量时用测量值x代替约定真值x0进行计算，这个相对误差称为标称（示值）相对误差，即,（3）引用误差 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。它是相对于仪表满量程的一种误差，又称满量程相对误差，一般也用百分数表示。即,式中：引用误差；绝对误差

9、。,最大引用误差 如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差 最大值max代替，则可得到最大引用误差,式中：最大引用误差；max最大允许绝对误差。,最大引用误差,仪表精度等级是根据最大引用误差来确定的。例如，0.5级表的引用误差的最大值不超过0.5%；1.0级表的引用误差的最大值不超过1%。,解：根据精度定义表达式可以得出 此温度传感器最大允许绝对误差为3.检验某点的最大绝对误差为4，大于3，故此传感器不合格。,例1-1：一台精度等级为0.5级，量程范围6001200的温度传感器，它最大允许绝对误差是多少？检验时某点最大绝对误差是4，问此表是否合格？,例：12 有一温度计，它的测量范围为02

10、00，精度为0.5级，试求：1）该表可能出现的最大绝对误差为（）。A.1 B.0.5 C.10 D.200 2）当示值为20时的示值相对误差为（），100时的示值相对误差为（）。A.1 B.5 C.1 D.10,A B C,显然，精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。因此，使用测量仪表时，应当根据被测量的大小和测量精度要求，合理地选择仪表量程和精度等级，只有这样才能提高测量精度。,系统误差 在相同条件下，多次测量同一量时，误差的大小和符号均保持不变，或当条件改变时，误差按某一确定的规律变化。随机误差 在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和方向均发生

11、变化，没有确定的变化规律。粗大误差 明显歪曲测量结果的误差。由于测量人员粗心，不正确的使用仪器，测量时读错数据，计算中发生错误等原因造成的误差。,2、测量误差的分类,1）系统误差的产生,检测装置本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。例如，某仪表刻度盘分度不准确，就会造成读数偏大或偏小，从而产生恒值系统误差。温度、气压等环境条件的变化和仪表电池电压随使用时间的增长而逐渐下降，则可能产生变值系统误差。,（1）系统误差（Systematic Error）,2）系统误差的消除,b）引入修正值进行校正,c）检测方法上消除或减小,a）分析系统误差产生

12、的原因,确定修正值（温度、湿度、频率修正等）,测量前 对可能产生的误差因素进行分析，采取相应措施。,修正表格、修正曲线、修正公式-按规律校正,-实际测量中，采取有效的测量方法,1)随机误差的产生,（2）随机误差（Random Error）,随机误差是测量过程中，许多独立的、微小的，偶然的因素引起的综合结果。在任何一次测量中，只要灵敏度足够高，随机误差总是不可避免的。而且在同一条件下，重复进行的多次测量中，它或大或小，或正或负，既不能用实验方法消除，也不能修正。但是，利用概率论的一些理论和统计学的一些方法，可以掌握看似毫无规律的随机误差的分布特性，确定随机误差对测量结果的影响。,随机误差的分布规

13、律，可以在大量测量数据的基础上总结出来，就误差的总体来说是服从统计规律的。由于大多数随机误差服从正态分布，因而正态分布理论就成为研究随机误差的基础。,（2）随机误差,（2）随机误差,公式为：,其中=x-x0:测量值的随机误差。:测量值的标准偏差，曲线拐点。,P()是出现的概率密度，它与概率的关系是：,随机误差的正态分布规律,次数统计,1)粗大误差的消除,a）判别方法,物理判别法,-人为因素（读错、记录错、操作错）,显然与事实不符-歪曲测量结果-主观避免-剔除（发现）,-测量过程中,-不符合实验条件/环境突变（突然振动、电磁干扰等）,-随时发现，随时剔除-重新测量,（3）粗大误差(Gross E

14、rror),1)粗大误差的消除,统计判别法,-整个测量完毕之后,统计方法处理数据-超过误差限-判为坏值-剔除,b）剔除准则,拉依达准则（3 准则）,格拉布斯准则(t检验准则),（3）粗大误差,产生粗大误差的一个例子,3.误差的综合,（1）函数误差的基本关系式：,间接测量值：Y=f(x1，x2，xm)其中x1，x2，xm为各直接测量值。,全微分：（1）,（函数误差的基本关系式）,dxi 表示各直接测量值误差。表示各个误差的传递系数。dY 为Y的误差。,条件：只有当各局部误差为已知时（已定系统误差），才能以此误差公式来综合。,（2）系统误差的综合公式：（此时不考虑随机误差）1）已定系统误差的综合,

15、对各xi，以i表示各已定系统误差。Y表示函数Y的已定系差：,由式（1）得：,或以相对误差形式表示：,2）函数的系统不确定度,系统不确定度系统误差存在的区限（误差限）。,有时不知道测量值xi的系统误差的确切大小和符号，而只知其误差限。分两种情况讨论。,当m较少时采用绝对值综合方法（算术综合法）,Y间接测量值（函数）的系统不确定度。xi直接测量值（自变量xi）的系统不确定度。,上式也可采用相对误差的形式：,当m较多时采用方和根法,（3）随机误差的综合公式：（此时不考虑系统误差）,设：间接测量值Y为直接测量值x1和x2的函数,Y=f（x1，x2）,假设对x1进行了n次测量，对x2进行了k次测量，以j

16、代替函数误差基本关系式（1）中的dxi，得函数的随机误差：,（i=1，2，n l=1，2，k）,式中1i和2l分别为x1和x2的随机误差。,上式两边平方：,两边对i和l求和：,两边同时除以nk，当n，k时，根据随机误差的抵偿特性：,得：,根据标准偏差定义，当n，k时，上式可写为：,对于 Y=f（x1，x2，xm），,可得：,推广到一般情况，函数的随机误差传递（综合）公式可推导：,当测量次数有限时，各标准偏差可用相应的估计值代入：,公式适用条件：各直接观测值xj彼此无关时。,两端同时乘以相同的置信系数c，可得函数Y的随机不确定度。,解：间接测量值V与各直接测量值的关系为：,V=VC1+VC2VC

17、1c1=VC2 c2,V=(c2/c1+1)VC2,利用函数随机误差传递（综合）公式：,应用举例：利用电容分压原理，根据VC2测量值，求电压V。已知：c1、c2的标准偏差为C1、C2，电压表的标差为V2，求V的标准偏差V。,（4）系统不确定度与随机不确定度的综合,1）绝对值综合法：,2）方和根综合法：,第二节 测量误差及数据处理,一、真值的概念二、测量误差三、测量结果的数据统计处理,三、测量结果的数据统计处理1、随机误差的统计特性,三、测量结果的数据统计处理2、测量结果的数据整理步骤,（1）求出算术平均值。（2）对每个测量值算出相应的误差。（3）按贝塞尔公式计算出标准偏差。（4）利用拉依达准则

18、或其它检验准则检查数据中有无坏值，如果发现坏值，应剔除后从第1步重新开始计算。（5）求算术平均值的标准偏差。（6）写出最后结果。,对于异常测量值不应为了追求数据的一致性而轻易舍去。为了科学的判别粗差，正确的舍弃坏值，需要建立异常测量值的判别标准。,拉依达准则,拉依达准则,测量值 Xd 的误差绝对值|Pd|3-坏值-剔除,计算算术平均值 x 误差 标准误差 剔除坏值,拉依达准则,例：对某温度测量15次，得测量数据如下：,3.异常测量值的判别与舍弃,拉依达准则,解：先求出测量列的算术平均值为,根据贝赛尔公式计算出标准偏差：,拉依达准则,解：,测量列中，故认为X820.30是坏值，应从测量列中剔除。

19、余下的14个测量值，重新计算后得到新的算术平均值为20.411，计算出的误差仍列于表中。按新误差算得,由于新的误差都小于，故余下的14个测量值中已无坏值。,第一章 检测技术的基本概念,第三节 传感器及其基本特性,第二节 测量误差及数据处理,第一节 测量的基本概念及方法,一、传感器的定义与组成,第三节 传感器及其基本特性,传感器定义：传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有特定关系的、便于处理的另一种物理量的测量器件。传感器的输出信号多为易于处理的电量，如电压、电流、频率等。,组成：,组成,第三节 传感器及其基本特性,1-弹簧管 2-电位器,图1-4传感器组成框图,第三节 传感

20、器及其基本特性,组成,弹性敏感元件（弹簧管）,敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,弹性敏感元件（弹簧管）,在下图中，弹簧管将压力转换为角位移。,弹性敏感元件（弹簧管）,弹性敏感元件（弹簧管）,在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-电阻的变化（R）,被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量。,在左图中，当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。,测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。,二、传感器的分类,1.按工作机理分类,结构型：依靠机械

21、结构参数变化来实现变换。（电阻式、电容式、电感式传感器等等）,物性型：依靠材料本身的物理性质来实现变换。（热电式、光电式、压电式传感器等等）,2.按输入量（被测量）的不同分类,温度传感器压力传感器位移传感器,三、传感器基本特性,线性度（非线性误差）灵敏度K 迟滞 重复性 精确度,线性度（非线性误差）:在通常的工业生产情况下，总是希望仪表具有线性特性，即其特性曲线为直线，但是在对仪表进行校准时常常发现，由于各种因素的影响，实际得到的曲线偏离了理论上规定的直线。,作图法求线性度演示（1拟合曲线 2实际特性曲线）,灵敏度K:灵敏度是检测仪表静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量y与引起输出量增量

22、y的相应输入量增量x之比。稳态后输出变化与输入变化之比。,灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。,分辨力:指传感器能检出被测信号的最小变化量。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，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。,迟滞:传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞(如图所示)。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值H max与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差（也叫变差），用H表示，即,迟滞特性,重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度（见图）。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值Rmax计算，即,或,重复性,谢谢！,