项目一--检测技术的基础知识

项目一检测技术的基础知识知识点了解测量及测量方法，掌握测量误差的基本概念和相关计算，熟悉数据处理方法。了解什么是传感器及其分类和发展趋势，掌握传感器的作用、组成、基本特性和主要性能指标。技能点通过本项目，学会测量数据处理方法，能解决数据处理问题。传感器应用实例任务一测量误差与数据处理目标了解测量及测量方法，掌握测量误差的基本概念和相关计算，熟悉数据处理方法。一、测量的基本概念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。数值大小（数字、曲线、图形）与单位精确获取被测对象某些参数定量信息2、检测检测是意义更为广泛的测量。检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。二、测量方法1、电测法和非电测法电测方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。除电测法以外的测量方法都属于非电测法。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。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，再通过相应的函数关系计算出被测量的数值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。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。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。返回超市中物品的称重光导纤维陀螺仪测量火箭的飞行速度和方向三、测量误差及其分类1、测量误差的基本概念（1）等精度测量在同一条件下进行的一系列重复测量称为等精度测量。（2）非等精度测量在多次测量中，如对测量结果精确度有影响的一切条件不能完全维持不变，则称为不等精度测量。用不同的方法对同一样品的测定，不同人员用相同的方法对同一样品的测定，同一分析人员用相同的方法对同一样品在长时间间隔进行的测定，得到的测量值常常是不等精度的，应按加权方式计算总方差。（3）真值被测量本身所具有的真正值称为真值。真值是一个理想的概念，一般是不知道的，但在某些特定情况下，真值又是可知的。①理论真值②约定真值③相对真值（实际值）在某些特定情况下，真值是可知的，例如三角形的三个内角之和为180°，这种真值称为理论真值。由于真值往往是未知的，所以一般用基准器的测量值代替真值，这种值称为约定真值，它与真值之差可以忽略不计。水的三相点在0.0076℃（273.16K）及611.73Pa出现把精度更高一级的标准器具所测得的值作为真值，但是它又不是真正的真值，故称为实际值。当测量次数无限多时，测量结果的算术平均值接近于真值，可视为被测量的真值。（4）标称值测量器具上所标出来的数值。（5）示值由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值。（6）测量误差用器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量的实际值之间的差值称为测量误差。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辨识能力所限等因素，使得测量值与其真值之间不可避免地存在着差异。返回2、测量误差的表示方法（1）绝对误差绝对误差x是指测量值x与真值L0之间的差值，即x=xL0由于真值L0的不可知性，在实际应用时，常用实际真值L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L，故有x=xL（2）相对误差相对误差常用百分比的形式来表示，一般多取正值。实际相对误差、可分示值(标称)相对误差最大引用(相对)误差①实际相对误差：是用测量值的绝对误差x与其实际真值L的百分比来表示的相对误差，即%100Lx②示值(标称)相对误差:是用测量值的绝对误差x与测量值x的百分比来表示的相对误差，即③引用(相对)误差:是指测量值的绝对误差x与仪器的量程Am的百分比。引用误差的最大值叫做最大引用（相对）误差，即%100xxxm%100||mmx=返回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，它是仪表的主要质量指标。基本误差去掉百分号(%)后的数值定义为仪表的精度等级。精度等级规定取一系列标准值，通常用阿拉伯数字标在仪表的刻度盘上，等级数字外有一圆圈。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。精度等级数值越小，测量的精确度越高，仪表的价格越贵。【例1.1】某温度计的量程范围为O～5OO℃，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:根据题意可知℃，℃，代入式(1-5)中有从表1.1中可知，该温度计的基本误差介于1.0%～1.5%，因此该表的精度等级应定为1.5级。%2.1%1005006%100||mmmAx6||mx500mA【例1.2】现有O.5级的0～300℃和1.0级的0～100℃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:O.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5.10300%5.0||111mmmx%875.1%100805.1%100||11xxmx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显然用1.0级温度计比O.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，而应兼顾精度等级和量程，最好使测量值落在仪表满度值的2/3以上区域内。%25.1%100801%1001)0100(%0.122222xxAxmxmmm返回3、测量误差的分类（1）按误差表现的规律划分①。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。系统误差主要是由于测量系统本身不完备或者环境条件的变迁造成的。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。是有规律性的。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。随机误差是由很多复杂因素的微小变化引起的。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。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。产生粗大误差的原因有操作者的失误、使用有缺陷的仪器、实验条件的突变等。正确的测量结果中不应包含粗大误差。返回（2）按被测量与时间的关系划分被测量稳定不变时所产生的测量误差称为静态误差。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。1、随机误差的统计特性（1）随机误差的特征随机误差就单次测量而言是无规律的，其大小、方向均不可预知，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但当测量次数无限增加时，该测量列中的各个测量误差出现的概率密度分布服从正态分布。四、测量误差的分析与处理图1-1随机误差的正态分布曲线绝对值相等的正、负误差出现的机率大致相等。绝对值越小的误差在测量中出现的概率越大。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。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。正态分布随机误差有以下4个特征若σ变小，曲线尖锐，小误差出现的概率增大，大误差出现的概率减小，测量值离散程度小；反之，若σ增大，曲线平坦，测量值不是集中在真值附近，而是离散程度变大。σ值直接反映了测量结果密集程度，因此常用σ值来表征测量的精密度。（2）随机误差的估计当对某个量x进行无限次测量时，各次测量误差平方和的平均值的平方根称为，也叫，即nLxnxniini12012)()(σ标准差为了说明样本的离散程度由于真值未知，且实际测量中的测量次数为有限值，所以通常用测量值的算术平均值替代真值，按下式计算这时均方根误差可按下式计算残余误差：niinxnnxxxx121111)(1212npnxxniiniis返回xxpii2、系统误差的发现与处理系统误差是被测量受到若干因素显著影响而造成的。涉及对不同的测量对象、测量原理及测量方法的具体分析。系统误差对测量结果的影响也远比随机误差严重。系统误差是能够通过适当的技术措施确定并加以修正的。首先设法判别系统误差是否存在；然后分析系统误差产生的原因，并在测量之前尽力消除；同时测量中采取一些技术措施，尽力消除或减弱系统误差的影响；测量之后再设法估计残存的系统误差范围。2、系统误差的发现与处理（1）系统误差的类型按照所表现出来的规律，通常把系统误差划分为以下几种。在重复测量中，数值大小和符号均不变。这类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。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。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，其冷端温度随着昼夜温度的变化作周期性变化。须进行冷端温度补偿，减少周期性变化的系统误差。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。如电工仪表整个分度线上存在的系统误差。（2）系统误差的发现由于系统误差对测量精度影响较大，必须设法消除系统误差的影响，才能有效地提高测量精度。发现系统误差的常用方法。（2）发现系统误差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，用天平和台称称量同一物体，即可发现台秤存在的系统误差。将一个测量列的残余误差在Pi-n坐标中依次连接后，通过观察误差曲线即可以判断有无系统误差的存在。图(a)不存在系统误差图(b)存在线性变化的系统误差图（c）存在周期性变化的系统误差图(d)同时存在线性变化和周期性变化的系统误差（2）系统误差的发现有许多准则可以方便地判断出系统误差的存在，如马利科夫准则、阿贝-赫梅特准则、计算标准误差比较法等。例如马利科夫准则：设对某一被测量x进行n次等精度测量，测量结果依次为x1、x2、…、xn，求出相应的残余误差p1、p2、…、pn，将残差分成前后两部分，并求差值：式中n为奇数时，；n为偶数时若D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D与Pi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。（1-13）（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：。在测量条件不变的基础上，用标准量替代被测量，实现相同的测量效果，从而用标准量确定被测量。替代法能有效地消除检测装置的系统误差。。测量时将被测量x与其己知的标准量A进行比较，调节标准量使两者的效应相抵消，系统达到平衡时，被测量等于标准量。。在传感器的结构设计中，常选用在同一干扰变量作用下所产生的误差数值相等而符号相反的零部件或元器件作为补偿元件。1-热电偶；2-补偿导线；3-铜导线；4-补偿电桥图2-24热电偶冷端补偿电桥。若仪表的修正值已知时，将测量结果的指示值加上，就得到了被测量的实际值。用此法可大大削弱测量中的系统误差。(交叉读数法)。这是消除线性系统误差的有效方法。许多复杂变化的系统误差，在短时间内可近似看作线性系统误差。在测量过程中