《第1章检测技术理论基础电子教案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第1章检测技术理论基础电子教案（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、检测技术与传感器,考勤：未出勤3次（含）以上免“试” 课堂纪律： 手机、pad等数码设备：不鼓励用，紧急情况请离开教室 睡觉：允许小憩，不鼓励大憩 不鼓励“学习”与本课程无关的知识 实验：每次必到，考勤+成绩 作业：鼓励原创，鄙视抄袭 成绩：平时30%，期末卷面成绩70% 答疑：周三下午3：15-4：00,点名的作用 靠点名留住学生的老师如同靠怀孕留住男人的小三？ 师生关系 合作？互利？男一号、女一号？ 学习目的 为了父母？为了工作？为了大学？为了。,参考书目及课程安排,参考书目 传感器，强锡富主编，机械工业出版社，1999 刘迎春 叶湘滨编著 传感器原理、设计与应用 国防科技大学出版社 19
2、97年 课程安排 讲 课 30 学时 实验课 6 学时 总 计 36 学时,1.1 绪言 1.2 测量与误差 1.3 测量误差的处理 1.4 检测系统的构成与发展,第章检测技术理论基础,1.1.1检测的基本知识,测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。,测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。,或,式中：x被测量值 u标准量，即测量单位 n比值（纯数），含有测量误差,1.1.2被测参数的分类,电工量：电流、电压、电功率、电感、电阻、电容频率、磁通密度、磁场强度 热工量：温度、热量、比热容、热流、热分布，压力、压差、真空度，流量、流速、风速，物位、
3、液位、界面 机械量：位移、形状，力、应力、力矩，重量、质量，转速、线速度，振动、加速度、噪声 物性和成分量：气体成分、液体成分、固体成分，酸碱度、盐度、浓度、粘度、密度 状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面粗糙度,1.1.2被测参数的分类,常用方法: 非电量电测法,1.1.3检测设备的基本性能,精确度：精密度和准确度的综合，常以测量误差的相对值表示 稳定性：时间的影响，外部环境和工作条件的影响 输入输出特性：静态，动态 电磁兼容性,1.2.1测量、量值、约定真值,根据获得测量值的方法分为 直接测量：电流表测电流、弹簧秤称称重量 间接测量：测水塔的水量、曹冲称象 联立（组合）测量
4、：若干个被测量及测量量的情况,根据测量方式分为 偏差式测量：用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值。模拟电流/压表、体重秤等。 零位式测量：指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等。天平、电位差计等。 微差式测量：将被测量与已知的标准量相比较, 取得差值后, 再用偏差法测得此差值。游标卡尺等。,根据测量条件分为 等精度测量：用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量 不等精度测量：用不同精度的仪表或不同的测量方法, 或在环境条件相差很大时对同一被测量进行多次重复测量,根据被测量变化的快慢分为 静态测量 动态测量,1.2.1测量、量值、约定真值,量值的概念 量和量值 真值、约定真值和实际
5、值 标称值和指示值,1.2.1测量、量值、约定真值,误差的概念 一切测量都具有误差，误差自始至终存在于所有科学实验的过程之中 测量误差是测得值减去被测量的真值 误差的表示方法 绝对误差 相对误差 引用误差 基本误差 附加误差,1.2.2测量误差的性质与分类,误差的表示方法（1）,（1）绝对误差 绝对误差可用下式定义: =x-L 式中: 绝对误差; x测量值; L真值。 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, 而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。,误差的表示方法（2）,（2）相对误差 相对误差可用下式
6、定义: 式中: 相对误差, 一般用百分数给出; 绝对误差; L真值。 标称相对误差：,误差的表示方法（3）,（3）引用误差 引用误差可用下式定义: 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。 （4）基本误差 仪表在规定的标准条件下所具有的误差。 （5）附加误差 仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。,误差的分类 系统误差 随机误差 粗大,1.2.2测量误差的性质与分类,测量误差的性质（1）,（1）随机误差 对同一被测量进行多次重复测量时, 绝对值和符号不可预知地随机变化, 但就误差的总体而言, 具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。引起的原因？ （2）系统误差 对同一被测量进行多次重复测量时
7、, 如果误差按照一定的规律出现, 则把这种误差称为系统误差。例如, 标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。引起的原因？ （3）粗大误差 明显偏离测量结果的误差。引起的原因？,测量误差的性质（2）,系统误差的处理系统误差的发现 构造误差、方法误差、环境误差、人员误差 系统误差的一般处理方法 替代法 零位式测量法 差值法（微差法） 补偿法 引入修正值法 其他方法,1.3.1系统误差的处理,系统误差的通用处理方法,系统误差产生的原因 传感器、仪表不准确（刻度不准、放大关系不准确）测量方法不完善（如仪表内阻未考虑）安装不当环境不合操作不当 系统误差的判别 实验对比法，例如一台测量仪表本身存在
8、固定的系统误差，即使进行多次测量也不能发现，只有用更高一级精度的测量仪表测量时，才能发现这台测量仪表的系统误差。 残余误差观察法（绘出先后次序排列的残差） 准则检验,系统误差的通用处理方法,系统误差的通用处理方法,准则检验法 马利科夫判据是将残余误差前后各半分两组, 若“vi前”与“vi后”之差明显不为零, 则可能含有线性系统误差。 阿贝检验法则检查残余误差是否偏离正态分布, 若偏离, 则可能存在变化的系统误差。将测量值的残余误差按测量顺序排列，且设A=v12+v22+vn2, B=(v1-v2)2+(v2-v3)2+(vn-1-vn)2+(vn-v1)2。 若 则可能含有变化的系统误差。,系
9、统误差的通用处理方法,系统误差的消除 在测量结果中进行修正 已知系统误差, 变值系统误差, 未知系统误差 消除系统误差的根源根源？ 在测量系统中采用补偿措施 实时反馈修正,1.3.2 随机误差的处理,正态分布 随机误差具有以下特征: 绝对值相等的正误差与负误差出现的次数大致相等对称性。 在一定测量条件下的有限测量值中，其随机误差的绝对值不会超过一定的界限有界性。 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单峰性 对同一量值进行多次测量，其误差的算术平均值随着测量次数n的增加趋向于零抵偿性。（凡是具有抵偿性的误差原则上可以按随机误差来处理） 这种误差的特征符合正态分布,1.3.2 随机
10、误差的处理,随机误差的数字特征 算术平均值。对被测量进行等精度的n次测量,，得n个测量值x1,x2,xn,，它们的算术平均值为： 标准偏差 简称标准差，又称均方根误差，刻划总体的分散程度，可以描述测量数据和测量结果的精度。,1.3.2 随机误差的处理,用测量的均值代替真值： 有限次测量中，算术平均值不可能等于真值，即也有偏差，的均方根偏差：,正态分布随机误差的概率计算,几个概念： 置信概率： 置信系数：k 显著度： 测量结果可表示为（计算得到的真值和真值的均方根偏差）：,几个典型的k值及其相应的概率,正态分布随机误差的概率计算,当k=1时, Pa=0.6827, 即测量结果中随机误差出现在-+
11、范围内的概率为68.27%, 而|v|的概率为31.73%。出现在-3+3范围内的概率是99.73%, 因此可以认为绝对值大于3的误差是不可能出现的, 通常把这个误差称为极限误差,例题,例1-1对某一温度进行10次精密测量，测量数据如表所示，设这些测得值已消除系统误差和粗大误差, 求测量结果。,不等精度直接测量的权与误差,在不等精度测量时, 对同一被测量进行m组测量, 得到m组测量列（进行多次测量的一组数据称为一测量列）的测量结果及其误差, 它们不能同等看待。精度高的测量列具有较高的可靠性, 将这种可靠性的大小称为“权”。 “权”可理解为各组测量结果相对的可信赖程度。 测量次数多, 测量方法完
12、善, 测量仪表精度高, 测量的环境条件好, 测量人员的水平高, 则测量结果可靠, 其权也大。权是相比较而存在的。 权用符号p表示, 有两种计算方法: 用各组测量列的测量次数n的比值表示, 并取测量次数较小的测量列的权为1,则有 p1p2pm=n1n2nm 用各组测量列的误差平方的倒数的比值表示, 并取误差较大的测量列的权为1, 则有 p1p2pm= ,不等精度直接测量的权与误差,加权算术平均值 加权的标准误差,1.3.3 粗大误差的处理,剔除坏值的几条原则： 3准则（莱以达准则）：如果一组测量数据中某个测量值的残余误差的绝对值|vi|3时, 则该测量值为可疑值（坏值）, 应剔除。应用于？ 肖维
13、勒准则：假设多次重复测量所得n个测量值中, 某个测量值的残余误差|vi|Zc,则剔除此数据。实用中Zc3, 所以在一定程度上弥补了3准则的不足。应用于？,1.3.3 粗大误差的处理,格拉布斯准则：某个测量值的残余误差的绝对值|vi|G, 则判断此值中含有粗大误差, 应予剔除。 G值与重复测量次数n和置信概率Pa有关。 此外？,步骤：,1.3.4 测量数据处理中的几个问题,间接测量中的测量数据处理（误差的合成、误差的分配） 最小二乘法的应用（最小二乘法原理） 用经验公式拟合实验数据回归分析,误差的合成,绝对误差和相对误差的合成 绝对误差 相对误差 标准差的合成,绝对误差的合成（例题）,例1-2用
14、手动平衡电桥测量电阻RX。已知R1=100, R2=1000, RN=100,各桥臂电阻的恒值系统误差分别为R1=0.1, R2=0.5, RN=0.1。求消除恒值系统误差后的RX.,解：平衡电桥测电阻原理： 即：,不考虑R1、R2、RN的系统误差时，有,由于R1、R2、RN存在误差，测量电阻RX也将产生系统误差。,可得：,消除R1、R2、RN的影响，即修正后的电阻应为,最小二乘法的应用,问题的提出 已知铂电阻与温度之间具有如下关系： 可用实验方法得到的对应数据，如何求方程中的三个参数？ 设 对应：,最小二乘法的应用,如果测量了次（），理论值为：,理论值与实际测量值的误差为：,最小二乘法则是“
15、残余误差的平方和为最小”， 即最小,最小二乘法的应用,为此可得到m个方程的组：,求解该方程组可得到最小二乘估计的正规方程，从而解得最小二乘解、,矩阵法,则,最小二乘法的应用,最小二乘条件 变为方程组,即,将代入：,最小二乘法的应用（例题）,例3铜的电阻值R与温度t之间关系为Rt=R0(1+t),在不同温度下, 测定铜电阻的电阻值如下表所示。试估计0时的铜电阻电阻值R0和铜电阻的电阻温度系数。 ,解：列出误差方程,(i=1,2,3, ,7), 式中: 是在温度ti下测得铜电阻电阻值。,令x=r0, y=r0, 则误差方程可写为 76.3-(x+19.1y) =v1 77.8-(x+25.0y) =v2 79.75-(x+30.1y) =v3 80.80-(x+36.0y) =v4 82.35-(x+40.0y) =v5 83.9-(x+45.1y) =v6 85.10-(x+50.0y) =v7,其正规方程为 a1a1x+a1a2y=a1l a2a1x+a2a2y=a2l 于是有,将各值代入上式, 得到 7x+245.3y=566 245.3x+9325.38y=20 044.5,解得 x=70.8 y=0.288/ 即 r0=70.8 ,用矩阵求解, 则有,AA=,= 7 245.3 245.3 9325.38,245.3 245.3
