内蒙古大学传感器与检测技术课件第11章检测技术基础

第11章 检测检测 技术术基础础11.1 测测量技术术111.2 测测量数据的估计计和处处理11.3 测测量系统统32概述 在科学技术术高度发发达的现现代社会中，人类类已进进入瞬息万变变的信息时时代。人们们在从事工业业生产产和科学实验实验 等活动动中，主要依靠对对信息资资源的开发发、获获取、传输传输 和处处理。传传感器处处于研究对对象与测测控系统统的接口位置，是感知、获获取与检测检测 信息的窗口，一切科学实实验验和生产过产过 程，特别别是自动检测动检测 和自动动控制系统统要获获取的信息，都要通过传过传 感器将其转换为转换为容易传输传输 与处处理的电电信号。概述在工程实实践和科学实验实验 中提出的检测检测 任务务是正确及时时地掌握各种信息，大多数情况下是要获获取被测对测对 象信息的大小，即被测测量的大小。这样这样 ，信息采集的主要含义义就是测测量，取得测测量数据。11.1 测量技术测量技术 11.1.1 测测量的定义义 测测量是以确定量值为值为 目的的一系列操作。所以测测量也就是将被测测量与同种性质质的标标准量进进行比较较，确定被测测量对标对标 准量的倍数。它可由下式表示：（11-1） （11-2） 11.1 测量技术测量技术 式中：x被测测量值值； u标标准量，即测测量单单位； n比值值（纯纯数），含有测测量误误差。由测测量所获获得的被测测的量值值叫测测量结结果。测测量结结果可用一定的数值值表示，也可以用一条曲线线或某种图图形表示。但无论论其表现现形式如何，测测量结结果应应包括两部分：比值值和测测量单单位。确切地讲讲，测测量结结果还应还应 包括误误差部分。 11.1 测量技术测量技术被测测量值值和比值值等都是测测量过过程的信息，这这些信息依托于物质质才能在空间间和时间时间 上进进行传递传递。参数承载载了信息而成为为信号。选择选择 其中适当的参数作为测为测 量信号，例如热电热电偶温度传传感器的工作参数是热电热电 偶的电势电势 ，差压压流量传传感器中的孔板工作参数是差压压P。测测量过过程就是传传感器从被测对测对 象获获取被测测量的信息，建立起测测量信号，经过变换经过变换 、传输传输 、处处理，从而获获得被测测量的量值值。11.1 测量技术测量技术在工程上，所要测测量的参数大多数为为非电电量，这这促使人们们用电测电测 的方法来研究非电电量，即研究用电测电测 的方法测测量非电电量的仪仪器仪仪表，研究如何能正确和快速地测测得非电电量的技术术。11.1 测量技术测量技术11.1.2 测测量方法实现实现 被测测量与标标准量比较较得出比值值的方法，称为测为测 量方法。对对于测测量方法，从不同角度，有不同的分类类方法。根据获获得测测量值值的方法可分为为直接测测量、间间接测测量和组组合测测量；根据测测量的精度因素情况可分为为等精度测测量与非等精度测测量；11.1 测量技术测量技术根据测测量方式可分为为偏差式测测量、零位法测测量与微差法测测量；根据被测测量变变化快慢可分为为静态测态测 量与动态动态测测量；根据测测量敏感元件是否与被测测介质质接触可分为为接触测测量与非接触测测量；根据测测量系统统是否向被测对测对 象施加能量可分为为主动动式测测量与被动动式测测量等。1. 直接测测量、 间间接测测量与组组合测测量在使用仪仪表或传传感器进进行测测量时时，对仪对仪 表读读数不需要经过经过 任何运算就能直接表示测测量所需要的结结果的测测量方法称为为直接测测量。例如，用磁电电式电电流表测测量电电路的某一支路电电流，用弹弹簧管压压力表测测量压压力等，都属于直接测测量。直接测测量的优优点是测测量过过程简单简单 而又迅速，但是测测量精度不够够高。 11.1 测量技术测量技术在使用仪仪表或传传感器进进行测测量时时，首先对对与测测量有确定函数关系的几个量进进行测测量，将被测测量代入函数关系式，经过计经过计 算得到所需要的结结果，这这种测测量称为间为间 接测测量。间间接测测量测测量手续较续较 多，花费时间较长费时间较长 ，一般用在直接测测量不方便或者缺乏直接测测量手段的场场合。11.1 测量技术测量技术若被测测量必须经过须经过 求解联联立方程组组，才能得到最后结结果，则则称这样这样 的测测量为组为组 合测测量。组组合测测量是一种特殊的精密测测量方法，操作手续续复杂杂，花费时间长费时间长 ，多用于科学实验实验 或特殊场场合。 11.1 测量技术测量技术2. 等精度测测量与不等精度测测量用相同仪仪表与测测量方法对对同一被测测量进进行多次重复测测量，称为为等精度测测量。用不同精度的仪仪表或不同的测测量方法，或在环环境条件相差很大时对时对 同一被测测量进进行多次重复测测量称为为非等精度测测量。11.1 测量技术测量技术3. 偏差式测测量、 零位式测测量与微差式测测量用仪仪表指针针的位移（即偏差）决定被测测量的量值值，这这种测测量方法称为为偏差式测测量。应应用这这种方法测测量时时，仪仪表刻度事先用标标准器具标标定。在测测量时时，输输入被测测量，按照仪仪表指针针在标标尺上的示值值，决定被测测量的数值值。这这种方法测测量过过程比较简单较简单 、 迅速，但测测量结结果精度较较低。 11.1 测量技术测量技术用指零仪仪表的零位指示检测测检测测 量系统统的平衡状态态，在测测量系统统平衡时时，用已知的标标准量决定被测测量的量值值，这这种测测量方法称为为零位式测测量。在测测量时时，已知标标准量直接与被测测量相比较较，已知量应连续应连续 可调调，指零仪仪表指零时时，被测测量与已知标标准量相等。例如天平、电电位差计计等。零位式测测量的优优点是可以获获得比较较高的测测量精度，但测测量过过程比较较复杂杂，费时较长费时较长 ，不适用于测测量迅速变变化的信号。11.1 测量技术测量技术微差式测测量是综综合了偏差式测测量与零位式测测量的优优点而提出的一种测测量方法。它将被测测量与已知的标标准量相比较较，取得差值值后，再用偏差法测测得此差值值。应应用这这种方法测测量时时，不需要调调整标标准量，而只需测测量两者的差值值。微差式测测量的优优点是反应应快，而且测测量精度高，特别别适用于在线线控制参数的测测量。11.1 测量技术测量技术11.1.3 测测量误误差测测量的目的是希望通过测过测 量获获取被测测量的真实值实值 。但由于种种与检测检测 系统统的组组成和各组组成环节环节 相关原因，例如，传传感器本身性能不十分优优良，测测量方法不十分完善，外界干扰扰的影响等，都会造成被测测参数的测测量值值与真实值实值不一致，两者不一致程度用测测量误误差表示。测测量误误差就是测测量值值与真实值实值 之间间的差值值，它反映了测测量质质量的好坏。 11.1 测量技术测量技术测测量的可靠性至关重要，不同场场合对测对测 量结结果可靠性的要求也不同。例如，在量值传递值传递 、经经济济核算、产产品检验检验 等场场合应应保证测证测 量结结果有足够够的准确度。当测测量值值用作控制信号时时，则则要注意测测量的稳稳定性和可靠性。测测量结结果的准确程度应应与测测量的目的与要求相联联系、相适应应，那种不惜工本、不顾场顾场 合，一味追求越准越好的作法是不可取的，要有技术术与经济经济 兼顾顾的意识识。11.1 测量技术测量技术1. 测测量误误差的表示方法测测量误误差的表示方法有多种，含义义各异。下面介绍绍几种常用的方法。 绝对误绝对误 差绝对误绝对误 差可用下式定义义： 式中：绝对误绝对误 差； X测测量值值； L真实值实值 。11.1 测量技术测量技术对测对测 量值进值进 行修正时时，要用到绝对误绝对误 差。修正值值是与绝对误绝对误 差大小相等、符号相反的值值，实际值实际值 等于测测量值值加上修正值值。 采用绝对误绝对误 差表示测测量误误差，不能很好说说明测测量质质量的好坏。例如，在温度测测量时时，绝对误绝对误 差=1，对对体温测测量来说说是不允许许的，而对测对测 量钢钢水温度来说说却是一个极好的测测量结结果。 11.1 测量技术测量技术相对误对误 差相对误对误 差的定义义由下式给给出： 式中：相对误对误 差，一般用百分数给给出； 绝对误绝对误 差；L真实值实值 。由于被测测量的真实值实值 L无法知道，实际测实际测 量时时用测测量值值x代替真实值实值 L进进行计计算，这这个相对对误误差称为标为标 称相对误对误 差，即: 11.1 测量技术测量技术 引用误误差引用误误差是仪仪表中通用的一种误误差表示方法。它是相对仪对仪表满满量程的一种误误差，一般也用百分数表示，即:式中：引用误误差；绝对误绝对误 差。仪仪表精度等级级是根据引用误误差来确定的。例如，0.5级级表的引用误误差的最大值值不超过过0.5%，1.0级级表的引用误误差的最大值值不超过过1%。11.1 测量技术测量技术 基本误误差基本误误差是指仪仪表在规规定的标标准条件下所具有的误误差。例如，仪仪表是在电电源电压电压 （2205）V、电电网频频率（502）Hz、环环境温度（205）、 湿度65%5%的条件下标标定的。如果这这台仪仪表在这这个条件下工作，则仪则仪 表所具有的误误差为为基本误误差。测测量仪仪表的精度等级级就是由基本误误差决定的。 附加误误差 附加误误差是指当仪仪表的使用条件偏离额额定条件下出现现的误误差。11.1 测量技术测量技术2. 误误差的分类类根据测测量数据中的误误差所呈现现的规规律，将误误差分为为三种，即系统误统误 差、随机误误差和粗大误误差。这这种分类类方法便于测测量数据的处处理。 系统误统误 差 对对同一被测测量进进行多次重复测测量时时，如果误误差按照一定的规规律出现现，则则把这这种误误差称为为系统误统误 差。例如，标标准量值值的不准确及仪仪表刻度的不准确而引起的误误差。 对对于系统误统误 差应应通过过理论论分析和实验验证实验验证 找到误误差产产生的原因和规规律以减少和消除误误差。11.1 测量技术测量技术 随机误误差对对同一被测测量进进行多次重复测测量时时，绝对值绝对值 和符号不可预预知地随机变变化，但就误误差的总总体而言，具有一定的统计规统计规 律性的误误差称为为随机误误差。引起随机误误差的原因是很多难难以掌握或暂时暂时 未能掌握的微小因素，一般无法控制。对对于随机误误差不能用简单简单 的修正值值来修正，只能用概率和数理统计统计 的方法去计计算它出现现的可能性的大小。11.1 测量技术测量技术 粗大误误差明显显偏离测测量结结果的误误差称为为粗大误误差，又称疏忽误误差。这类误这类误 差是由于测测量者疏忽大意或环环境条件的突然变变化而引起的。对对于粗大误误差，首先应设应设 法判断是否存在，然后将其剔除。11.1 测量技术测量技术3. 确定测测量误误差的方法 逐项项分析法：对测对测 量中可能产产生的误误差进进行分析、逐项计项计 算出其值值，并对对其中主要项项目按照误误差性质质的不同，用不同的方法综综合成总总的测测量误误差极限。这这种方法反映出了各种误误差成分在总误总误 差中所占的比重，我们们可以得知产产生误误差的主要原因，从而分析减小误误差应应主要采取的措施。逐项项分析法适用于拟拟定测测量方案；研究新的测测量方法、设计设计 新的测测量装置和系统统。11.1 测量技术测量技术 实验统计实验统计 法应应用数理统计统计 的方法对对在实际实际 条件下所获获得的测测量数据进进行分析处处理，确定其最可靠的测测量结结果和估算其测测量误误差的极限。本方法利用实际测实际测 量数据对测对测 量误误差进进行估计计，反映出各种因素的实际综实际综 合作用。实验统计实验统计 法适用于一般测测量和对测对测 量方法和测测量仪仪器的实际实际 精度进进行估算和校验验。综综合使用以上两种方法，可以互相补补充、相互验证验证 。11.1 测量技术测量技术 测测量数据中含有系统误统误 差和随机误误差，有时还时还会含有粗大误误差。它们们的性质质不同，对测对测 量结结果的影响及处处理方法也不同。在测测量中，对测对测 量数据进进行处处理时时，首先判断测测量数据中是否含有粗大误误差，如有则则必须须加以剔除。再看数据中是否