检测技术第1章

第1章 检测技术的基础知识,第1章 检测技术的基础知识,1.1 测量的基本概念,1.1.1 测量 测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与作为单位的标准量进行比较，以确定出被测量是标准量的多少倍数的过程，所得的倍数就是测量值。测量的结果包括数值大小和测量单位两部分，数值的大小可以是数字、曲线或图形。 1.1.2 测量方法 1.电测法和非电测法 电测法是指在检测回路中含有测量信息的电信号转换环节，可以将被测的非电量转换为电信号输出。例如电容式传感器中的交流电桥，把被测参数所引起的电容变化量转换为电压信号输出。 2.直接测量和间接测量 直接测量就是用预先标定好的测量仪表直接读取被测量的测量结果。例如用万用表测量电压、电流、电阻等，简单而迅速；间接测量需利用被测量与某中间量的函数关系，先测出中间量，然后通过相应的函数关系计算出被测量的数值，过程较为复杂。,第1章 检测技术的基础知识,例如用伏安法测量电阻值；通过测量导线电阻、直径及长度求电阻率等都属于间接测量。 3.静态测量和动态测量 静态测量是测量那些不随时间变化或变化很缓慢的物理量；动态测量则是测量那些随时间而变化的物理量。而超市中物品的称重则属于静态测量。 4.接触式测量和非接触式测量 根据测量时是否与被测对象相互接触而划分为接触式测量和非接触式测量。例如利用辐射式温度传感器进行温度的测量就属于非接触式测量。 5.模拟式测量和数字式测量 模拟式测量是指测量结果可根据仪表指针在标尺上的定位进行连续读取的方法；数字式测量是指测量结果以数字的形式直接给出的方法。,第1章 检测技术的基础知识,1.2 测量误差及其分类,1.2.1 测量误差及其表示方法 在一定条件下被测物理量客观存在的实际值，称为真值。真值是一个理想的概念。在实际测量时，由于实验方法和实验设备的不完善、周围环境的影响以及人们认识能力所限等因素，使得测量值与其真值之间不可避免地存在着差异。测量值与真值之间的差值称为测量误差。 测量误差可用绝对误差表示，也可用相对误差和引用误差表示。 1.绝对误差 绝对误差是指测量值与真值之间的差值。即 由于真值的不可知性，在实际应用时，常用实际真值代替，即用被测量多次测量的平均值或上一级标准仪器测得的示值作为实际真值，故有：,第1章 检测技术的基础知识,2.相对误差 （1）实际相对误差 （2）示值（标称）相对误差 （3）引用（相对）误差 最大引用误差又称为满度（引用）相对误差，是仪表基本误差的主要形式，故也常称之为仪表的基本误差，精度等级规定取一系列标准值，我国目前规定的精度等级有：0.005、0.01、0.02、0.04、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0等级别。,=,第1章 检测技术的基础知识,【例1】某温度计的量程范围为0500，校验时该表的最大绝对误差为6，试确定该仪表的精度等级。 解： 根据题意知 6， 500，代入式中 从表1.1中可知，该温度计的基本误差介于1.0%与1.5%之间，因此该表的精度等级应定为1.5级。 【例2】现有0.5级的0300和1.0级的0100的两个温度计，欲测量80的温度，试问选用哪一个温度计好？为什么？ 解：0.5级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量80可能出现的最大示值相对误差分别为: 1.0级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量80时可能出现的最大示值相对误差分别为:,第1章 检测技术的基础知识,计算结果，显然用1.0级温度计比0.5级温度计测量时，示值相对误差反而小。因此在选用仪表时，不能单纯追求高精度，而是应兼顾精度等级和量程，一般最好使测量值落在仪表满度值的2/3以上区域内。 1.2.2 测量误差的分类 1.按误差表现的规律划分 （1）系统误差：对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不变或者按照一定规律变化，这种误差称为系统误差。 系统误差反映了测量值偏离真值的程度，可用“正确度”一词表征。 系统误差是有规律性的。按其表现的特点可分为固定不变的恒值系差和遵循一定规律变化的变值系差。系统误差一般可通过实验或分析的方法，查明其变化的规律及产生的原因，因此它是可以预测的，也是可以消除的。 （2）随机误差：对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化、不可预知，这种误差称为随机误差。,第1章 检测技术的基础知识,随机误差反映了测量结果的“精密度”，即各个测量值之间相互接近的程度。 对随机误差的某个单值来说，是没有规律、不可预料的，但从多次测量的总体上看，随机误差又服从一定的统计规律，大多数服从正态分布规律。因此可以用概率论和数理统计的方法，从理论上估计其对测量结果的影响。 （3）粗大误差：测量结果明显地偏离其实际值所对应的误差，称为粗大误差或疏忽误差，又叫过失误差。含有粗大误差的测量值称为坏值。 （4）缓变误差：数值随时间而缓慢变化的误差称为缓变误差。 通常可以采用定期校验的方法及时修正缓变误差。 2.按被测量与时间关系划分 （1）静态误差：被测量稳定不变时所产生的测量误差称为静态误差。 （2）动态误差：被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上却跟不上输入的变化，这时所产生的误差称为动态误差。 此外，按测量仪表的使用条件分类，可将误差分为基本误差和附加误差；按测量技能和手段分类，误差又可分为工具误差和方法误差。,第1章 检测技术的基础知识,1.3 测量误差的分析与处理,1.3.1 随机误差的统计特性 1.随机误差的特征,图1.1 随机误差的正态分布曲线,第1章 检测技术的基础知识,具有正态分布的随机误差具有以下四个特征： （1）对称性：绝对值相等的正、负误差出现的机会大致相等。 （2）单峰性：绝对值越小的误差在测量中出现的概率越大。 （3）有界性：在一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的界限。 （4）抵偿性：在相同的测量条件下，当测量次数增加时，随机误差的算术平均值趋向于零。 2.随机误差的估计 标准误差 贝塞尔公式,第1章 检测技术的基础知识,置信区间或置信限：- ， 。 置信系数： 误差落在确定区间 - ， 的置信概率 。 对于一个等精度的、独立的、有限的测量列来说，在没有系统误差和粗差的的情况下，它的测量结果通常表示为： 1.3.2 系统误差的发现与处理 1.系统误差的类型 （1）固定不变的系统误差：是指在重复测量中，数值大小和符号均不变的系统误差。固定不变的系统误差大多数是由于测量设备的缺陷或者采用了不适当的测量方法造成的。例如天平砝码的质量误差、观测者习惯性的错误角度等。,第1章 检测技术的基础知识,（2）线性变化的系统误差：是指按照一定比例随着测量次数或时间增加而不断增加（或减少）的系统误差。例如齿轮流量计测量含有微小固体颗粒的液体时，由于磨损会使泄漏量越来越大，这样就产生了线性变化的系统误差。 （3）周期性变化的系统误差：是指数值和符号循环交替、重复变化的系统误差。例如热电偶露天环境下测温时，其冷端温度随着昼晚温度的变化作周期性变化。若不进行冷端温度补偿，测量结果必然包含有周期性变化的系统误差。 （4）复杂规律变化的系统误差：是指既不随时间做线性变化、也不作周期性变化，而是按照复杂规律变化的系统误差。 固定不变的系统误差又叫恒值系统误差；线性、周期性或复杂规律变化的系统误差统称为变值系统误差。 2.系统误差的发现 （1）实验比对法：用多台同类或相近的仪表对同一被测量进行测量，通过分析测量结果的差异来判断系统误差是否存在。例如用天平和台秤称量同一物体，即可发现台秤存在的系统误差。,第1章 检测技术的基础知识,（2）残余误差观察法：将一个测量列的残余误差在坐标中依次连接后，通过观察误差曲线可以判断有无系统误差的存在。这种方法很直观，如图1.2所示，（a）不存在系统误差；（b）存在线性变化的系统误差；(c)存在周期性变化的系统误差；（d）同时存在线性变化和周期性变化的系统误差。 （3）准则判别法： 马利科夫准则：,图1.2 示意图,第1章 检测技术的基础知识,式中为奇数时， ； 为偶数时， 。若 近似为零， 则说明上述测量列中不包含线性变化系统误差；如果 与 值相当或更大，则说明测量列中存在线性变化系统误差；如果 ，则说明不能肯定是否存在线性变化系统误差。 阿贝赫梅特准则： 计算标准误差比较法： 按贝塞尔公式 按佩特斯公式 令 ，若 ，则怀疑存在变值系统误差。式中 为置信系数。当置信概率为95.44%和99.73%时， 分别取2和3。,第1章 检测技术的基础知识,3.系统误差的减小和消除方法 在测量过程中，减少和消除系统误差常用的一些方法有： （1）替代法 （2）零位式测量法 （3）补偿法 （4）修正法 （5）对称观测法（交叉读数法） （6）半周期偶数观测法 1.3.3 粗大误差的判别和测量结果的数据处理 1.粗大误差的判别 误差理论剔除坏值的基本方法是：给定一个置信概率并确定一个置信区间，凡超出此区间的误差即认为它不属于随机误差而是粗大误差，则应将该粗差所对应的坏值予以剔除。凡是随机误差大于 3 的测量值都认为是坏值，应予以剔除。,第1章 检测技术的基础知识,2.测量结果的数据处理 【例3】用温度传感器对某温度进行12次等精度测量，测量数据（）如下： 20.46， 20.52， 20.50， 20.52， 20.48， 20.47， 20.50， 20.49， 20.47， 20.49， 20.51， 20.51 要求对该组数据进行分析整理，并写出最后结果。 数据处理步骤如下： （1）记录填表 将测量数据 xi ( i = 1、2、3、n )按测量序号依次列在表格的第一、二列中，如表1.2所示。 （2）计算 求出测量数据列的算术平均值 ，填入表1.2第二列的下面。 计算各测量值的残余误差 ，并相应列入表1.2中的第三列。,第1章 检测技术的基础知识,当计算无误时，理论上有 ，但实际上，由于计算过程中四 舍五入所引入的误差，此关系式往往不能满足。本例中 。 计算 值并列在表1.2第四列，按贝塞尔公式计算出标准误差后，填入本列下面。 本例中，由于 ，于是 （3）判别坏值 根据拉依达准则检查测量数据中有无坏值。如果发现坏值，应将坏值剔除，然后从步骤（2）重新计算，直至数据列中不存在坏值。如果无坏值，则继续步骤（4）。 本例采用拉依达准则检查坏值，因为 ，而所有测量值的剩余误差 均满足 ，显然数据中无坏值。,第1章 检测技术的基础知识,（4）列出最后测量结果 在确定不存在坏值后，计算算术平均值的标准误差 。 写出最后的测量结果： ，并注明置信概率。 本例中 ，因此最后的测量结果写成,(),第1章 检测技术的基础知识,表1.2 测量结果的数据处理举例,第1章 检测技术的基础知识,1.4 传感器及其基本特性,1.4.1 传感器的定义及组成 1.传感器 从广义上讲，传感器就是能够感觉外界信息，并能按一定规律将这些信息转换成可用的输出信号的器件或装置。这一概念包含了下面三方面的含义： （1）传感器是一种能够完成提取外界信息任务的装置。 （2）传感器的输入量通常指非电量，如物理量、化学量、生物量等；而输出量是便于传输、转换、处理、显示等的物理量，主要是电量信号。例如电容传感器的输入量可以是力、压力、位移、速度等非电量信号，输出则是电压信号。 （3）传感器的输出量与输入量之间精确地保持一定规律。 2.传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，如图1.3所示：,第1章 检测技术的基础知识,（1）敏感元件：是传感器中能直接感受被测量的部分，即直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量。 （2）转换元件：是传感器中将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。 （3）转换电路：将电路参数转换成便于测量的电压、电流、频率等电量信号。 1.4.2传感器的分类 1.按被测物理量分类 分为温度、压力、流量、物位、位移、加速度、磁场、光通量等传感器。这种方法明确表明了传感器的用途，便于使用者选用，如压力传感器用于测量压力信号。,