传感器及检测技术课件讲义

《传感器及检测技术课件讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器及检测技术课件讲义（119页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第2章 检测技术理论基础,2.1 测量概论 2.2 测量数据的估计和处理,第2章 检测技术的理论基础,2.1.1测量,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,测量结果的组成,被测量的量值x称为测量结果，包括比值n和测量单位u，是被测量的最佳估计值，而不是真值。所以测量结果中还应包含测量的可信程度，以评价测量结果的质量，这个可信程度可用测量误差表示。因此，测量结果由三部分组成，即 测量结果测量数据测量单位测量误差 测量结果可以表示为

2、数值、曲线或图形等不同的形式,2.1.2测量方法,1.根据获得测量值的方法,2.根据测量方式,3.根据测量条件,4.根据被测量变化的快慢,2.1.2测量方法,1.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 组合测量：测若干个被测量及测量量的情况,各种卡尺,温度计,血压计,2.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。天平称重、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

3、。,2.1.2测量方法,3.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-科学研究的对比测量,4.根据被测量变化的快慢分为 静态测量 动态测量,5. 接触测量与非接触测量 1) 接触测量 接触测量是指传感器和被测对象直接接触而进行的测量。如水银温度计测温、称重等。 2) 非接触测量 非接触测量是指传感器和被测对象不直接接触而进行的测量。如红外测温、码盘测速等。,6. 主动式测量与被动式测量 1) 主动式测量 主动式测量是指测量系统向被测对象施加能量而进行的测量

4、。 2) 被动式测量 被动式测量是指测量系统无需向被测对象施加能量而进行的测量。,思考题,1检测电动机的转速有多种方法，一种是采用测速发电机，使发电机的转速与电动机的转速同步，发电机输出的电动势便反映电动机的转速；另一种方法是光电检测，即在电动机的转轴上贴上反光片，光电传感器由发射光和接收光两个器件组成，发射光射向电动机的转轴，接收器件接收反射的光，由此检测出电动机的转速。这两种方法哪一种是接触测量？哪一种是非接触测量？ 2.人们在检测火灾时，常采用温度检测方法，可以检测环境温度的静态值，即当环境温度超过某一设定温度时，便发出火灾报警信号；也可以检测环境温度的动态值，即检测到环境温度的上升速度

5、高于某设定值时发出火灾报警信号。这两种检测方法哪一种更好？为什么？,2.1.3测量误差,测量误差是测得值减去被测量的真值。 1.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 2.测量误差的性质 随机误差 系统误差 粗大误差,有关测量技术中的部分名词（补充）,（1）真值：被测量本身所具有的真正值。 （2）实际值：高精度仪器所测被测量的值。 （3）标称值：测量器具上所标出来的值。 （4）示值：由测量器具的读数装置所指示出来的被测量的数值。 （5）测量误差：测量值与实际值（真值）之差,1、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;

6、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。,某采购员分别在A 、B 、C 三家商店购买100kg牛肉干、10kg牛肉干、1kg牛肉干，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对C家卖牛肉干的商店意见最大，是何原因？,【例1】,（补充）,由于一般无法求得真值L0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值L代替真值L0。x与L之差称为测量器具的示值误差，记为 通常以此值来代表绝对误差,绝对误差的特点(补充),绝对误差是有名的数； 绝对误差的大

7、小与单位有关； 绝对误差能反映误差变化的大小、方向； 绝对误差不能反映测量的精细程度。,修正值,为了消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值，常用C表示。将测得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即 A0= x+C 由此得 C =A0-x 在实际工作中，可以用实际值A近似真值A0，则上式变为 C =A-x=- x 修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加修正值可以消除该误差的影响,误差的表示方法（2）,（2）相对误差 相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。 1）实际相对误差可用下式定义: 式中: 相对误差, 一般用百分数给出; 绝对误差; L真值。（实际值） 2）示值(标称)相对误

8、差：,x测量值,3）引用（满度）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。 为引用误差； 为绝对误差；xm为满度值。 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，常用来确定仪表的精度等级。例如: 0.5级仪表的引用误差小于等于0.5%；1.0级仪表的引用误差小于等于1%。 我国电工仪表等级分为七级，即： 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级 4) 分贝误差: 分贝误差是指用对数形式表示的一种误差。,误差的表示方法（3）,（3）基本误差 仪表在规定的标准条件下所具有的误差(电源电压(2205)V 、电网频率(502)Hz 、环境温度(205) /湿度6

9、5%5%)。 （4）附加误差 仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。 （5) 容许误差 容许误差是指测量仪器在规定的使用条件下可能产生的最大误差范围。,相对误差的特点（补充),相对误差是无名的数； 相对误差能反映误差变化的大小、方向； 相对误差能反映测量的精细程度,2、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。 特性：服从正态分布。 产生的原因：多种微小因素综合影响引起的。 处理方法：统计分析、计算处理 减小,(2)系统误差 对同一被测量进行多次重复测量时, 如果误差

10、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。 系统误差分恒定系统误差和变值系统误差。 性质：有规律，可再现，可以预测 产生的原因：仪器安装不当、操作者的失误、外界环 境、测量方法、仪器本身。 处理方法：理论分析、实验验证 修正,(3)粗大误差 明显偏离测量结果的误差。 性质：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起。 产生的原因：由于测量者疏忽大意、环境条件的突然变化而引起的。 处理方法：对于粗大误差, 首先应设法判断是否存在, 然 后将其剔除。,精度（补充）,反映测量结果与真值接近程度的量 (1)准确度 ：反映系统误差对测量

11、结果的影响 (2)精密度：反映随机误差对测量结果的影响 (3)精确度 ：反映系统、随机误差对测量结果的影响，用不确定度表示。 对于具体的测量，精密度高的而准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，但精确度高，则精密度和准确度都高。,精确度分为准确度和精密度,（a）准确度高而精密度低,（b）准确度低而精密度高,（c）精确度高,解：电压表的量程为 xm=100V-0V=100V 因为精度等级S=1.5,即引用误差为 1.5 故可求得最大绝对误差为 m=xm=100V(1.5)=1.5 V 即该电压表在0100V量程的最大绝对误差是1.5V。,例 2-1 某电压表的精度等级S为1.5级,试算出它在0

12、100 V量程的最大绝对误差。,解：因为精度等级S=1.0,即引用误差为 1.0 所以可求得最大绝对误差为 m=xm=100 A(1.0)=1.0 A 依据误差的整量化原则,仪器在同一量程的各示值处的绝对误差均等于m。 故三个测量值处的绝对误差分别为 x1=x2=x3=m=1.0 A,例 2-2 某1.0级电流表,满度值xm=100 A,求测量值分别为x1=100A,x2=80A,x3=20A时的绝对误差和示值相对误差。,三个测量值处的示值(标称)相对误差分别为,例 2-2,分析：* 测量仪器在同一量程，不同示值处的绝对误差不一定处处相等，但对使用者来讲，在没有修正值可以利用的情况下，只能按最

13、坏的情况处理，于是就有了误差的整量化处理原则。 因此，为减小测量中的示值误差，在进行量程选择时应尽可能使示值接近满度值，一般示值不小于满度值的2/3。,解：(1) 对于0.5级温度计,可能产生的最大绝对值误差为 按照误差整量化原则,认为该量程内的绝对误差为 所以示值相对误差为,例 2-3,要测量100的温度,现有0.5级、测量范围为0300和1.0级、测量范围为0100的两种温度计,试分析它们各自产生的示值误差,问选用哪一个温度计更合适？,(2) 对于1.0级温度计,可能产生的最大绝对值误差为 按照误差整量化原则,认为该量程内的绝对误差为 所以示值相对误差为,例 2-3,(3) 结论：用1.0

14、级小量程的温度计测量所产生的示值相对误差比选用0.5级的较大量程的温度计测量所产生的示值相对误差小，因此选用1.0级小量程的温度计更合适。,例 2-3,2.2测量数据的估计和处理,2.2.1随机误差分析 2.2.2系统误差分析 2.2.3粗大误差剔除 2.2.4测量数据处理中的几个问题,随机误差处理的目的：1）求接近真值的值； 2）对数据可信赖的程度（精密度）进行评定并给出测量结果。,在等精度测量情况下, 得n个测量值x1，x2，xn， 设只含有随机误差1, 2，n。,1. 正态分布,2.2.1随机误差分析,当测量次数n足够大时，测量误差服从正态分布规律。概率分布密度函数为 式中：y为概率密度

15、； x为测量值(随机变量)；为均方根偏差(标准误差)；L为真值(随机变量x的数学期望)；为随机误差(随机变量)，=x-L。,正态分布曲线如图所示,是一条钟形曲线。 随机变量在x=L或=0附近区域内具有最大概率。,随机误差的正态分布曲线,图 2-2 正态分布曲线,正态分布的随机误差具有以下特征: =x-L。 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,2.2.1随机误差分析,2、随机误差的数字特征（评价指标） 1）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： 由于真值不可知，代以算术平均值而求得的误差称为残余误差，简称残差，即,2.2.1随机误差分析,2）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。,标准