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1、第1章 传感器与检测技术的理论基础,1.1 测量概论 1.2 测量数据的估计和处理,第1章 传感与检测技术的理论基础,1.1 测量概论在科学技术高度发达的现代社会中, 人类已进入瞬息万变的信息时代。人们在从事工业生产和科学实验等活动中, 主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置, 是感知、获取与检测信息的窗口, 一切科学实验和生产过程, 特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息, 都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。 ,在工程实践和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌握各种信息, 大多数情况下是要获取被测对象信息的大小, 即被测量的大小。
2、这样，信息采集的主要含义就是测量#, 取得测量数据。 “测量系统”这一概念是传感技术发展到一定阶段的产物。 在工程中, 需要有传感器与多台仪表组合在一起, 才能完成信号的检测, 这样便形成了测量系统。 尤其是随着计算机技术及信息处理技术的发展, 测量系统所涉及的内容也不断得以充实。 为了更好地掌握传感器, 需要对测量的基本概念#, 测量系统的特性#, 测量误差及数据处理等方面的理论及工程方法进行学习和研究, 只有了解和掌握了这些基本理论, 才能更有效地完成检测任务。 ,一、 测量测量是以确定量值为目的的一系列操作。 所以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。
3、 它可由下式表示:,或,（1-1）（1-2）,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。,由测量所获得的被测的量值叫测量结果。测量结果可用一定的数值表示, 也可以用一条曲线或某种图形表示。但无论其表现形式如何, 测量结果应包括两部分：比值和测量单位。 确切地讲, 测量结果还应包括误差部分。 被测量值和比值等都是测量过程的信息, 这些信息依托于物质才能在空间和时间上进行传递。参数承载了信息而成为信号。 选择其中适当的参数作为测量信号, 例如热电偶温度传感器的工作参数是热电偶的电势, 差压流量传感器中的孔板工作参数是差压P。测量过程就是传感器从被测对象获取被
4、测量的信息, 建立起测量信号, 经过变换、传输、处理, 从而获得被测量的量值。,二、 测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法, 称为测量方法。 针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法, 对测量工作是十分重要的。 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、间接测量和组合测量; 根据测量的精度因素情况可分为等精度测量与非等精度测量; 根据测量方式可分为偏差式测量、零位法测量与微差法测量; 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测量与非接触测量; 根据测量系统是否向被测对象施加能量可分
5、为主动式测量与被动式测量等。 ,1 直接测量、 间接测量与组合测量在使用仪表或传感器进行测量时, 对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果的测量方法称为直接测量。例如,用磁电式电流表测量电路的某一支路电流, 用弹簧管压力表测量压力等, 都属于直接测量。直接测量的优点是测量过程简单而又迅速, 缺点是测量精度不高。 在使用仪表或传感器进行测量时, 首先对与测量有确定函数关系的几个量进行测量, 将被测量代入函数关系式, 经过计算得到所需要的结果, 这种测量称为间接测量。 间接测量测量手续较多, 花费时间较长, 一般用在直接测量不方便或者缺乏直接测量手段的场合。 ,若被测量必须经过求解
6、联立方程组, 才能得到最后结果, 则称这样的测量为组合测量。组合测量是一种特殊的精密测量方法, 操作手续复杂, 花费时间长, 多用于科学实验或特殊场合。,例如，电阻值与温度间的公式为：,当R20,都为未知量时： 改变测量温度，在3种温度t1,t2及t3下，分别测得对应的电阻值Rt1,Rt2及Rt3； 然后代入上述公式，得到一组联立方程； 解此方程组后，便可以求得,和R20。,2 等精度测量与不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, 称为等精度测量。 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称为非等精度测量。,3 静态测量与动态
7、测量被测量在测量过程中是固定不变的，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。 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。,4 偏差式测量、 零位式测量与微差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。应用这种方法测量时, 仪表刻度事先用标准器具标定。 在测量时, 输入被测量, 按照仪表指针在标尺上的示值, 决定被测量的数值。这种方法测量过程比较简单、 迅速, 但测量结果精度较低。 用指零仪表的零位指示检测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
8、称为零位式测量。在测量时, 已知标准量直接与被测量相比较, 已知量应连续可调, 指零仪表指零时, 被测量与已知标准量相等。 例如天平等。零位式测量的优点是可以获得比较高的测量精度, 但测量过程比较复杂, 费时较长, 不适用于测量迅速变化的信号。 ,微差式测量是综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的一种测量方法。它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。应用这种方法测量时, 不需要调整标准量, 而只需测量两者的差值。设: N为标准量, x为被测量, 为二者之差, 则x=N+。由于N是标准量, 其误差很小, 且N, 因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量, 即使测量的精
9、度较低, 但因1时，则,系统的输入输出关系为：,显然, 这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定, 放大器等环节特性的变化不会造成测量误差, 或者说造成的误差很小。 根据以上分析可知, 在构成测量系统时, 应将开环系统与闭环系统巧妙地组合在一起加以应用, 才能达到所期望的目的。 四、测量误差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, 都会造成被测参数的测量值与真实值不一致, 两者不一致程度用测量误差表示。 ,测量误差就是测量值与真实值之间的差值。 它反映了测量质量的好坏。 测量的可靠性至关重要
10、, 不同场合对测量结果可靠性的要求也不同。 例如, 在量值传递、经济核算、产品检验等场合应保证测量结果有足够的准确度。当测量值用作控制信号时, 则要注意测量的稳定性和可靠性。因此, 测量结果的准确程度应与测量的目的与要求相联系、相适应, 那种不惜工本、不顾场合, 一味追求越准越好的作法是不可取的, 要有技术与经济兼顾的意识。 ,1 测量误差的表示方法测量误差的表示方法有多种, 含义各异。 （1） 绝对误差 绝对误差可用下式定义: =x-L (1 - 6） 式中: 绝对误差; x测量值; L真实值。 对测量值进行修正时, 要用到绝对误差。 修正值是与绝对误差大小相等、符号相反的值, 实际值等于测
11、量值加上修正值。,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。 （2） 相对误差 相对误差的定义由下式给出: = 100% (1 - 7） 式中: 相对误差, 一般用百分数给出; 绝对误差; L真实值。 由于被测量的真实值L无法知道, 实际测量时用测量值x代替真实值L进行计算, 这个相对误差称为标称相对误差, 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。 它是相对仪表满量程的一种误差, 一般也用百分数表示，即 (1 - 9） 式中: 引用误差; 绝对误
12、差。 仪表精度等级是根据引用误差来确定的。 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%。 在使用仪表和传感器时, 经常也会遇到基本误差和附加误差两个概念。,（4） 基本误差 基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。 例如, 仪表是在电源电压(2205)V、电网频率(502)Hz、环境温度(205)、 湿度65%5%的条件下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作, 则仪表所具有的误差为基本误差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的。 （5）附加误差 附加误差是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。例如, 温度附加误差、频率附加误差、电
13、源电压波动附加误差等。 ,2、误差的性质,误差,绝对 误差,相对 误差,粗大 误差,系统 误差,随机 误差,表示形式,性质特点,在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。,定义,1、系统误差（Systematic Error）,特征,在相同条件下，多次测量同一量值时，该误差的绝对值和符号保持不变;,在条件改变时，按某一确定规律变化的误差。,测量条件一经确定，误差就为一个确切的数值。用多次测量取平均值的方法，并不能改变误差的大小;,以标准电池为例，它的电动势随环境温度变化时，其误差遵循下列规律：,这个规律是确定的，所以这种误差也是系统误差。,系统误差产生的原因,系统误差是由固定不变的或按确定规律变化的因素造成，在条件充分的情况下这些因素是可以掌握的。主要来源于：,
