传感器与检测技术_误差及数据处理

传感器的定义国家标准（GB7665-87）中传感器（Transducer/Sensor）的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。①传感器是测量装置，能完成检测任务；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。V、I、F、P传感器的组成辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传传感感器（器（Sensor/TransducerSensor/Transducer））传感器的分类1、按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等2、按构成原理，结构型与物性型两大类3、根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器4、按照物理原理分类5、按照传感器的用途分类：位移、压力、振动、温度传感器7、根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号6、根据转换过程可逆与否：单向和双向8、根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器按照物理原理分类：★电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；★磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；★压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；★光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；★气电式传感器：电位器式、应变式；★热电式传感器：热电偶、热电阻；★波式传感器：超声波式、微波式等；★射线式传感器：热辐射式、γ射线式；★半导体式传感器：霍尔器件、热敏电阻；★其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。1.按测量手段分类a.直接测量：使用测量仪表进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算，就能直接表示测量结果。优：测量过程简单而迅速缺：测量精度不易达到很高b.间接测量：使用测量仪表进行测量时，首先对与被测物理量又确定函数关系的几个量进行测量，将测量值代入函数关系式，经过计算得到测量所需结果。多应用于科学实验中的实验室测量，工程亦有应用。优：测量过程手续较多，花费时间较长缺：有时可以得到较高的测量精度c.联立测量：使用测量仪表进行测量时，被测物理量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果。一般需要改变测试条件，才能获得一组联立方程所需要的数据。操作手续很复杂，花费时间长，是一种特殊的测量方法。只使用于科学实验或特殊场合。测量方法的分类2.按测量方式分类a.偏差式测量：测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的方法。如：电流表测支路电流；电压表测某电气元件两端电压。广泛用于工程测量。优：测量过程比较简单、迅速缺：测量结果的精度低b.零位式测量：测量过程中，用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法。如：用天平称物体的质量。不适合测量变化迅速的信号，只适合测量慢变信号。优：可以获得比较高的测量精度缺：测量过程比较复杂、反应速度不高c.微差式测量：微差式测量法是综合了偏差式测量法和零位式测量法的优点而提出的测量方法。将被测的未知量与已知的标准量进行比较，取得差值后，用差值法测差值。特别适用于在线控制参数的检测。优：反应快，测量精度高测量方法的分类在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法和检测人员会受到各种变动因素的影响。而且对被测量的转换，有时也会改变被测对象原有的状态。这就造成了检测结果和被测量的客观真值之间存在一定的差别。这个差值称为测量误差。任何实验结果都是有误差的。但我们可以设法改进检测工具和实验手段，并通过对检测数据的误差分析和处理，使测量误差处在允许的范围之内，或者达到一定的测量精度。这样的测量结果就被认为是合理的，可信的。测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人员误差等。误差理论与数据处理为了便于对误差进行分析和处理，人们通常把测量误差从不同角度进行分类。按照误差的表示方法可以分为绝对误差和相对误差；按照误差出现的规律，可以分为系统误差、随机误差和粗大误差；按照被测量与时间的关系，可以分为静态误差和动态误差等。误差理论与数据处理误差理论与数据处理一、测量误差的表示方法实验结果（实验数据）与其理论期望值不完全相同①约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值③相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值测量所得数据与其相应的真值之差1、绝对误差Δx=x–x0②理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值测量误差=测得值-真值客观真实值（未知）某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？a.绝对误差有符号和单位，单位与被测量相同。b.修正值:具体数值、一条曲线、公式或数表。2、相对误差测量的绝对误差与被测量的真值之比绝对误差很小定义：表示：百分数（%）---分子分母量纲相同相对误差=×100%绝对误差真值γ=×100%Δxx0相对误差=×100%绝对误差测得值γ=×100%Δxx例：质量G1=50g，误差δ1=2g；质量G2=2kg，误差δ2=50gγ1=×100%=×100%=4%δ1G1G1的相对误差为250γ2=×100%=×100%=2.5%G2G2的相对误差为502000δ2---G2的测量效果较好使用相对误差采评定测量精度，也有局限性。它只能说明不同测量结果的准确程度，但不适用于衡量测量仪表本身的质量。因为同一台仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值。随着被测量的减小其相对误差变大。为了更合理地评价仪表质量；采用了引用误差的概念。引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值；通常以百分数表示。引用误差%100Axm×Δ=γ3、引用误差a.工业仪表常见的精度等级有0.1级，0.2级，0.5级，1.0级，1.5级，2.0级，2.5级，5.0级。精度等级为1.0的仪表，在使用时它的最大引用误差不超过1.0％，也就是说，在整个量程内它的绝对误差最大值不会超过其量程的1％。b.在具体测量某个量值时，相对误差可以根据精度等级所确定的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。c.精度等级已知的测量仪表只有在被测量值接近满量程时，才能发挥它的测量精度。因此，使用测量仪表时，应当根据被测量的大小和测量精度要求，·合理地选择仪表量程和精度等级，只有这样才能提高测量精度。二、系统误差、随机误差与粗大误差1、系统误差（Systemerror）在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化，这种误差称为系统误差。系统误差又可分为恒值系统误差和变值系统误差。检测装置本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。例如，某仪表刻度盘分度不准确，就会造成读数偏大或偏小，从前产生恒值系统误差。温度、气压等环境条件的变化和仪表电池电压随使用时间的增长而逐渐下降，则可能产生变值系统误差。系统误差的特点是可以通过实验或分析的方法，查明其变化规律和产生原因，通过对测量值的修正，或者采取一定的预防措施，就能够消除或减少它对测量结果的影响。2、随机误差（Randomerror）在相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。随机误差是测量过程中，许多独立的、微小的，偶然的因素引起的综合结果。在任何一次测量中，随机误差总是不可避免的。既不能用实验方法消除，也不能修正。可利用概率论理论和统计学方法，掌握随机误差的分布特性，确定其对测量结果的影响。在任何一次测量中，系统误差和随机误差一般都同时存在。所以按其对测量结果的影响程度分三种情况处理：系统误差远大于随机误差的，基本按纯系统误差处理；系统误差很小或已经修正时，可按纯随机误差处理：系统误差和随机误差影响差不多时，二者均不可忽略，应分别按不同方法处理。3、粗大误差（Abnormalerror）明显歪曲测量结果的误差称做粗大误差，又称过失误差。粗大误差主要是人为因素造成的。例如，测量人员工作时疏忽大意，出现了读数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。另外，测量方法不恰当，测量条件意外的突然变化，也可能造成粗大误差。含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。坏值应从测量结果中剔除。在实际测量工作中，由于粗大误差的误差数值特别大，。容易从测量结果中发现，一经发现有粗大误差，可以认为该次测量无效，测量数据应剔除，从而消除它对测量结果的影响。坏值剔除后，正确的测量结果中不包含粗大误差。因此要分析处理的误差只有系统误差和随机误差两种。三、数据处理的一般方法1、系统误差的消除②测量方法---避免出现系统误差---防止系统误差出现的最基本办法①找出规律---修正值2）引入修正值进行校正3）检测方法上消除或减小---现有仪器设备取得更好的效果（提高测量准确度）1）分析系统误差产生的原因---已出现的系统误差理论分析/专门的实验研究---系统误差的具体数值和变化规律---确定修正值（温度、湿度、频率修正等）测量前---对可能产生的误差因素进行分析，采取相应措施---修正表格、修正曲线、修正公式---按规律校正---实际测量中，采取有效的测量方法例：等臂天平称重---左右两臂长的微小差别---恒值系统误差引起系统误差的条件（如被测量的位置）相互交换---其他条件不变①换位法/替代法---产生系统误差的因素对测量结果起相反的作用---抵消a）X与P左右交换---两次测量的平均值---消除系统误差被测物---X；平衡物---T；砝码---Pb）T与X平衡P与T平衡已知量替换被测量TLLX12=TLLP12=测量结果换位/替代法改变测量条件（如方向）--两次测量结果的误差符号相反--平均值消除带有间隙特性的定值系统误差②抵消法--异号相消法例：千分尺---空行程（刻度变化，量杆不动）---系统误差正反两个方向对准标志线ε+=ad顺时针--ε−=ad'逆时针--2/)('dda+=正确值--不含系统误差－a，空程引起误差－ε④补偿法在测量过程中，由于某个条件的变化或仪器某个环节的非线性特性都可能引入变值系统误差。此时，可在测量系统中采取补偿措施，自动消除系统误差。例如，热电偶测温时，冷端温度的变化会引起变值系统误差。在测量系统中采用补偿电桥，就可以起到自动补偿作用。③差动法被测量对传感器起差动作用干扰因素起相同作用--被测量的作用相加--干扰的作用相减抑制干扰提高灵敏度和线性度作用：2、粗大误差的减少办法和剔除准则显然与事实不符--歪曲测量结果--主观避免--剔除（发现）2）剔除准则②肖维勒准则测量值Xd的剩余误差的绝对值|Pd|ωnσ--坏值--剔除ωn--肖维勒系数（查表确定）③格拉布斯准则测量值Xd的剩余误差的绝对值|Pd|λ(α,n)σ--坏值--剔除λ(α,n)--查表确定①拉依达准则（3σ准则）测量值Xd的剩余误差的绝对值|Pd|3σ--坏值--剔除计算算术平均值x剩余误差均方误差σ剔除坏值1）判别方法①物理判别法--人为因素（读错、记录错、操作错）②统计判别法--整个测量完毕之后--测量过程中--不符合实验条件/环境突变（突然振动、电磁干扰等）统计方法处理数据--超过误差限--判为坏值--剔除随机误差在一定的置信概率下的确定置信限--随时发现，随时剔除--重新测量3、随机误差的分析处理---统计方法③算术平均值标准偏差nsx=^σ②样本中各测量数据相对样本平均的分散程度---样本标准偏差s1)(21−−=∑=nxxsnii①算术平均（Meanvalue）nxxnii∑==1补充：测