1检测技术的基本知识

1传感器与检测技术杭州万向职业技术学院应用工程系赵佑初13738075557（677555）[e-mail]上一页返回下一页2第1章检测技术的基本知识1.1测量方法及检测系统的组成1.2误差的基本概念上一页返回下一页3第1章检测技术的基本知识测量和检测问题广泛地存在于各行各业，存在于生产、生活等领域一方面要求检测系统具有更高的速度、精度、可靠性和自动化水平。另一方面要求检测系统具有更大的灵活性和适应性，并向多功能化、智能化方向发展。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是自动检测和自动控制要获取的信息，都要通过传感器将其转换成容易获取与处理的电信号。上一页返回下一页4上一页下一页返回自动检测技术的重要性测试手段就是仪器仪表。在工程上所要测量的参数大多数为非电量，促使人们用电测的方法来研究非电量，即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速地测得非电量的技术。非电量电测量技术优点：测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。5机械制造业化工行业烟草行业环境保护等部门现代物流行业科学研究和产品开发中文物保护领域综上所述，自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分，尤其在自动控制中，如果对控制参数不能有效准确的检测，控制就成为无源之水，无本之木。上一页返回下一页61.1测量方法及检测系统的组成1.1.1测量的基本概念1.1.2测量方法1.1.3检测系统的组成上一页下一页返回71.1测量方法及检测系统的组成1.1.1测量的基本概念上一页下一页返回定义1：测量是人们借助于专门的设备，通过一定的方法，对被测对象收集信息、取得数据概念的过程。定义2：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倍数的过程。81.1测量方法及检测系统的组成1.1.1测量的基本概念上一页下一页返回如：用x表示被测量，{x}表示被测量的数值即比值（含测量误差），[x]表示标准量,即测量单位{}[]xxx91.1测量方法及检测系统的组成1.1.1测量的基本概念上一页下一页返回测量的定义有狭义测量与广义测量之分广义测量:能完成对被测量进行检出、变换、分析、处理、存储、控制和显示等功能的综合过程。101.1测量方法及检测系统的组成1.1.2测量方法上一页下一页返回直接测量、间接测量和组合测量等精度测量和非等精度测量偏差式测量、零位式测量和微差式测量静态测量和动态测量接触测量和非接触测量主动式测量和被动式测量111.1测量方法及检测系统的组成直接测量、间接测量和组合测量上一页下一页返回直接测量:用事先分度或标定好的测量仪表，直接读取被测量值的方法。间接测量:首先对与被测量有确定函数关系的几个量进行测量，然后再将测量值代入函数关系式，经过计算得到所需结果。组合测量:通过求解联立方程组才能得到最后的结果。121.1测量方法及检测系统的组成等精度测量与不等精度测量上一页下一页返回等精度测量: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，或在不同的环境条件下对同一被测量进行多次重复测量。131.1测量方法及检测系统的组成偏差式测量、零位式测量和微差式测量上一页下一页返回偏差式测量:在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量值。零位式测量:用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表来检测测量系统的平衡状态，从而判定被测量值等于已知标准量的方法。微差式测量:综合了偏差式测量和零位式测量的优点。141.1.3自动检测系统的组成图1.2自动检测系统的组成上一页返回下一页传感器信号处理电路数据处理装置被测量执行机构显示装置15传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。信号处理电路：把传感器输出的变量变换成具有一定功率的电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。输出单元：显示装置、数据处理装置及执行机构等。上一页返回下一页16自动检测技术的发展趋势（1）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。（2）开发新型传感器。（3）开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。（4）微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。上一页返回下一页171.2误差的基本概念1.2.1测量误差的概念和分类1.2.2误差的处理及消除方法上一页下一页返回181.2.1测量误差有关测量技术中的部分名词绝对误差、相对误差系统误差、随机误差和粗大误差动态误差、静态误差上一页下一页返回19(1)绝对误差绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0，器具的标称值或示值为AX，则绝对误差为（1-2）由于一般无法求得真值A0，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X0代替真值A0。AX与A0之差称为测量器具的示值误差，记为（1-3）通常以此值来代表绝对误差。0XAA0XAX上一页下一页返回1.绝对误差、相对误差20(1)绝对误差绝对误差不能作为衡量测量精确度的标准例：用一个电压表测量200V的电压，绝对误差为＋1V，而用另一个电压表测量10V的电压，绝对误差为＋0.5V上一页下一页返回1.绝对误差、相对误差21(2)相对误差相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误差有以下表现形式：①实际相对误差。②示值相对误差。③满度（引用）相对误差上一页下一页返回1.绝对误差、相对误差22①实际相对误差。（1-4）②示值相对误差。③满度（引用）相对误差0100%X100%XA100%L上一页下一页返回（1-5）注：最大引用误差23(1)系统误差在相同条件下，多次重复测量同一量时，保持恒定或遵循规律变化的误差恒值系统误差、变值系统误差上一页下一页返回2.系统误差、随机误差和粗大误差系统误差产生的原因：检测装置本身性能不完善、测量方法不当、对仪器的使用不当、环境条件的变化24(2)随机误差在相同条件下，多次重复测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化。上一页下一页返回2.系统误差、随机误差和粗大误差(3)粗大误差明显歪曲测量结果的误差称为粗大误差，又称为过失误差。含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。3.动态误差和静态误差(1)静态误差是指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本上不变化的测量误差(2)动态误差在被测量随时间变化时进行测量所产生的附加误差称为动态误差。261.2.2误差的处理及消除方法上一页下一页返回1.随机误差的处理在相同条件下，对某个量重复进行多次测量，排队系统误差和粗大误差后，如果测量数据仍出现不稳定现象，则存在随机误差。随机误差特征：(1)绝对值小的随机误差出现的概率大于绝对值在的随机误差出现的概率；(2)随机误差的绝对值不会超出一定界限；(3)测量次数n很大时，绝对值相等、符号相反的随机误差出现的概率相等，当n趋向于无穷大时，随机误差的代数和趋近于027正态分布随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在一定条件下服从统计规律22221efy上一页下一页返回1.随机误差的处理0xx其中是随机误差x为测量值，x0为测量值的真值为方均根误差，或称标准误差28正态分布算术平均值上一页下一页返回22221efy2201111lim()lim(18)nniinniixxnnniinnxnxxxx121当测量次数为无限次时，所有测量值的算术平均值即等于真值，事实上是不可能无限次测量，即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加，算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。29正态分布当测量次数n为有限值时，标准误差的估计值σs可表示为上一页下一页返回22221efy2201111lim()lim(18)nniinniixxnn0iiiixxxxi那么就可以用表示，称为剩余误差。221111()(111)11nnsiiiiXXnn30正态分布一般情况下，σ和σs都统称为标准误差上一页下一页返回22221efy221111()(111)11nnsiiiiXXnn贝塞尔（Bessel）公式31正态分布标准误差的大小可以表示测量结果的分散程度。上一页下一页返回22221efy图1.4三种不同值的正态分布曲线32正态分布通常在有限次测量时，算术平均值不可能等于被测量的真值，它也是随机变动的。算术平均值的精度可由算术平均值的均方根偏差来评定。上一页下一页返回22221efy故测量结果可表示为xsxn00(P=0.62827)3(P=0.9973)xxxxxx概率或概率332.粗大误差的差别与坏值的舍弃上一页下一页返回判别粗大误差最常用的统计判别法：如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为x1，x2，…，xd,…，xn其标准差为，如果其中某一项残差vd大于三倍标准差，即则认为vd为粗大误差，与其对应的测量数据xd是坏值，应从测量列测量数据中删除。3dV343系统误差的消除（1）系统误差的发现（2）系统误差的削弱和消除上一页下一页返回35（1）系统误差的发现①所用传感器、测量仪表或组成元件是否准确可靠②测量方法是否完善③传感器或仪表安装、调整或放置是否合理④环境条件是否符合规定条件⑤操作是否正确上一页下一页返回36（2）系统误差的削弱和消除①引入修正值法②从产生误差源上消除系统误差③补偿法④实时反馈修正上一页下一页返回