第一章 自動檢測技術(shù)的基本知識

1、第一章第一章 自動檢測技術(shù)的基本知識自動檢測技術(shù)的基本知識通過本章的學(xué)習(xí)，你將能夠：1了解測量的基本概念與方法；2掌握測量誤差的分類及測量結(jié)果的處理方法3了解傳感器的基本特性4了解傳感器常用的彈性元件的形式與應(yīng)用范圍。1.1 測量的基本概念及方法測量的基本概念及方法1.1.1 測量的基本概念測量的基本概念n測量結(jié)果一般表示為n n式中 X一被測量；n X0一標(biāo)準(zhǔn)量；n A一比值。0AAX 0AAX 0AXX 1.1.2 測量方法測量方法n根據(jù)測量結(jié)果的顯示方式，測量分為模擬量測量和數(shù)字量測量。如用示波器測量交流電壓屬模擬量測量。n按被測量是否隨時間變化，測量分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。 n根據(jù)測量

2、時是否與被測量對象接觸，測量分為接觸式測量和非接觸式測量。n從不同角度考察，測量方法有不同的分類，但常用的具體測量方法有零位法、偏差法和微差法等。n零位法是指被測量與已知標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，使這兩種量對儀器的作用抵消為零（指零機構(gòu)達(dá)到平衡），從而可以肯定被測量就等于已知標(biāo)準(zhǔn)量。如天平測量質(zhì)量就是零位法的典型例子天平的硅碼就是已知標(biāo)準(zhǔn)量。零位法的測量誤差顯然主要來自標(biāo)準(zhǔn)量的誤差和比較儀器的誤差。此法的誤差很小，因此零位法的測量精度較高，但平衡復(fù)雜。多用于靜態(tài)信號或緩慢信號的測量。 n偏差法是指測量儀表用指針相對于表盤上分度線的位移來直接表示被測量大小。如用彈簧秤測物體的質(zhì)量是直接從指針偏移的大小來表

3、示被測量。在這種測量方法中，必須事先用標(biāo)準(zhǔn)量具對儀表分度進(jìn)行校正。該方法由于表盤上分度的精確度不易做的很高，測量精度一般不高。但測量過程簡單、迅速、比較通用。n微差法是零位法和偏差法的組合。先將被測量與一個已知標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，使該標(biāo)準(zhǔn)量盡量接近被測量，這相當(dāng)于不徹底的零位法。而不足部分即被測量與該標(biāo)準(zhǔn)量之差，再用偏差法測、量。例如圖1-1的長度測量中標(biāo)準(zhǔn)長度與被測量進(jìn)行比較后的差值用偏差法測出，則所得被測物體長度。n n1-被測物體 2-標(biāo)準(zhǔn)長度 3-測量尺n圖1-1 微差法測量示意圖1.2 測量誤差及其分類測量誤差及其分類1.2.1 誤差的表達(dá)方式誤差的表達(dá)方式n1絕對誤差：某量值的測量值與

4、真值之間的差為絕對誤差，即n n 由式（1-2）可知，絕對誤差可能為正值或負(fù)值。0AAxn2相對誤差：絕對誤差與被測量的真值之比稱為相對誤差，用百分比形式表示。即n %1000An 因測量值與真值相近，故也可近似用絕對誤差與測量值之比作為相對誤差，此誤差也稱示值相對誤差地。即%100 xxA（3）引用誤差：相對誤差可用來比較兩種測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，但不能用來衡量不同測量儀器或儀表的質(zhì)量。 n所謂引用誤差是指被測量的絕對誤差與測量儀表的上限（滿度或稱量程）值的百分比之值，即 %100mmA1.2.2 測量誤差的分類測量誤差的分類n1按誤差的特點與性質(zhì)劃分n誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差（也稱偶然誤

5、差）和粗大誤差。n（1）系統(tǒng)誤差 在同一條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，按一定規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。 n系統(tǒng)誤差是有規(guī)律可循的，因此可通過實驗的方法或引人修正值的方法予以修正，也可通過對測量設(shè)備的重新調(diào)整來消除。 （2）隨機誤差 在同一條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號以不可預(yù)定方式變化著的誤差稱為隨機誤差。隨機誤差不能用實驗的辦法消除。 n（3）粗大誤差 超出在規(guī)定條件下預(yù)期的誤差稱為粗大誤差，也稱過失誤差。此誤差值較大，明顯歪曲測量結(jié)果，如測量時對錯了標(biāo)志、讀錯或記錯了數(shù)、使用有缺陷的儀器及在測量時因操作不細(xì)心而引起的過失性誤差等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤

6、差時，應(yīng)予以剔除。 n2 按測量變化速度劃分n誤差可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。n (1)靜態(tài)誤差 被測量穩(wěn)定不變時所產(chǎn)生的誤差稱為靜態(tài)誤差。前面討論的誤差多屬于靜態(tài)誤差。n (2)動態(tài)誤差 被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合時，產(chǎn)生的誤差稱為動態(tài)誤差。 3測記儀表的精確度與分辨率n衡量儀表測量能力的指標(biāo)，較多的是精確度簡稱精度，與精度有關(guān)指標(biāo)為：精密度、準(zhǔn)確度和精確度等級。 n精密度是指測量儀表指示值不一致程度的量，即對某一穩(wěn)定的被測量，在相同的工作條件下，由同一測量者使用同一個儀表，在相當(dāng)短的時間內(nèi)按同一方向連續(xù)重復(fù)的測量獲得測量結(jié)果不一致的程度。 準(zhǔn)確度是

7、指儀表指示值有規(guī)律地偏離真值的程度，如某電流的真值是10MA，經(jīng)某電流表多次測量結(jié)果是10.01MA、10.02MA,10.03MA,10.02MA,10.04MA,則該電流表的準(zhǔn)確度為0.4MA。 n精確度是精密度和準(zhǔn)確度兩者總和，是反映測量儀表優(yōu)良程度的綜合指標(biāo)。儀表的精密度和準(zhǔn)確度都高，其精確度才高，精確度是以測量誤差的相對值來表示的。n實際測量中，精密度高，準(zhǔn)確度不一定高。因儀表本身可以存在較大的系統(tǒng)誤差。反之，若準(zhǔn)確度高，精密度也不一定高。精密度和準(zhǔn)確度的區(qū)別. n a) b) c)n 圖1-2 射擊舉例n圖1-2a上。表示彈著點很分散，相當(dāng)于精密度差；圖1-2b表示精密度雖好，但準(zhǔn)

8、確度差；圖1-2c才表示精密度和準(zhǔn)確度都很好。在工程檢測中，為了簡單地表示儀表測量結(jié)果的可靠程度，引人一個儀表精確度等級，其定義為：儀表在規(guī)定工作條件下，其最大絕對允許誤差值對儀表測量范圍的百分?jǐn)?shù)絕對值式中 最大絕對允許誤差值；maxmaxmax%100%minmaxmax=xxAASn 例1-2 現(xiàn)有兩個電壓表一只是0.5級0300，另一只是1.0級0100，若要測量n80的電壓，試問選用哪一只電壓表好？n解 用0.5級電壓表測量時，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差為n n若用1.0級電壓表測量時，可能出現(xiàn)的最大示值誤差為n %25. 1%10080%0 . 1100%10022xmxA%875.

9、 1%10080%5 . 0300%100%1001min1max11xxmxASAAA1.3 測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分析及其處理測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分析及其處理1.3.1 測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分析測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分析1隨機誤差的統(tǒng)計特征隨機誤差的統(tǒng)計特征n （1）集中性 測量值大部分集中于算術(shù)平均值 13211njnjnxxxxxnx=+=殘差 xxVjj-=jx- n（3）有界性 在一定的測量條件下，隨機誤差的絕對值不會超過一定界限。n 由于多數(shù)的隨機誤差都服從正態(tài)分布，因而正態(tài)分布在誤差分析理論中占十分重要地位。在工程測量中。一般用下式表示存在隨機誤差時的測量結(jié)果，即xxx=13312nVxnjj=算術(shù)平均值

10、的標(biāo)準(zhǔn)差，可表示為112nVnjj2系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計特征3粗大誤差的判別準(zhǔn)則 112nVnjj測量值當(dāng) n n時，應(yīng)予以剔除。 3jV算術(shù)平均值的均方根誤差與均方根誤差的關(guān)系為n測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理 步驟及實例見課本1.3.3 測量系統(tǒng)靜態(tài)誤差的合成 n1.絕對值合成法 ninim13212.均方根合成法 2232221nm 傳感器的特性一般指輸入、輸出特性，包括：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定度、漂移、可靠性等。 線性線性度度：maxLmax100%Ly 線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。將傳感器

11、輸出起始點與滿量程點連接起來的直線作為擬合直線，這條直線稱為端基理論直線，按上述方法得出的線性度稱為端基線性度，非線性誤差越小越好 。線性度的計算公式如下：作圖法求線性度演示作圖法求線性度演示 （ 1擬合曲線擬合曲線 2實際特性曲線實際特性曲線 ）a端基擬合法 b平均選點法c割線法 d最小二乘法遲滯特性遲滯特性 遲滯反映了傳感器機械部分不可避免的缺陷，加軸承摩擦、間隙、螺釘松動、元件腐蝕或碎裂、材料的內(nèi)摩擦、積塞灰塵等。遲滯大小一般由實驗確定。 傳感器的特性一般指輸入、輸出特性，包括：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨力、穩(wěn)定度、漂移、可靠性等。 線性線性度度：maxLmax100%Ly 線性

12、度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。將傳感器輸出起始點與滿量程點連接起來的直線作為擬合直線，這條直線稱為端基理論直線，按上述方法得出的線性度稱為端基線性度，非線性誤差越小越好 。線性度的計算公式如下： 顯然靈敏度表示靜態(tài)特性曲線上相應(yīng)點的斜率。對線性傳顯然靈敏度表示靜態(tài)特性曲線上相應(yīng)點的斜率。對線性傳感器，靈敏度為一個常數(shù)；對于非線性傳感器，靈敏度則為一感器，靈敏度為一個常數(shù)；對于非線性傳感器，靈敏度則為一個變量，隨著輸入量的變化而變化，個變量，隨著輸入量的變化而變化，2 2遲滯遲滯0yxHmaxyFS遲滯特性(

13、 ) ()%100/2/1max=FSHHy式中 Hmax正反行程間輸出的最大差值。 遲滯誤差的另一名稱叫回程誤差?；爻陶`差常用絕對誤差表示。檢測回程誤差時，可選擇幾個測試點。對應(yīng)于每一輸入信號，傳感器正行程及反行程中輸出信號差值的最大者即為回程誤差。 傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行程中輸出輸入曲線不重合稱為遲滯。遲滯特性如圖所示，它一般是由實驗方法測得。遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示,即3重復(fù)性yx0Rmax2Rmax1%100/maxFSRRy重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指傳感器在輸入按重復(fù)性是指傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動時所同一方向連續(xù)多次變

14、動時所得特性曲線不一致的程度得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性誤差也常用絕對誤差表示。檢測時也可選取幾個測試點，對應(yīng)每一點多次從同一方向趨近，獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，yin ，算出最大值與最小值之差或3作為重復(fù)性偏差Ri，在幾個Ri中取出最大值Rmax 作為重復(fù)性誤差。Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差， Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。%100/)32(FSRy4靈敏度與靈敏度誤差s=(k/k)100%由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。靈敏度誤差用相對誤差表示，即可見，傳感器輸出曲線的斜率斜率就是其靈敏度。對線性特性的傳感器，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度k是一常數(shù)

15、，與輸入量大小無關(guān)。K=y/x傳感器輸出的變化量傳感器輸出的變化量 y與引起該變化量的輸入變化量與引起該變化量的輸入變化量 x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式為之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式為分辨力用絕對值表示,用與滿量程的百分?jǐn)?shù)表示時稱為分辨率分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值閾值。 5分辨力與閾值分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。有些傳感器,當(dāng)輸入量連續(xù)變化時,輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。 6穩(wěn)定性測試時先將傳感器輸出調(diào)至零點或某一特定點，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相

16、對誤差表示,也可用絕對誤差表示。 穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。測試時先將傳感器置于一定溫度(如20),將其輸出調(diào)至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(如5或10),再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。 8 8抗干擾穩(wěn)定性抗干擾穩(wěn)定性7溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干的絕對誤差或相對誤差表示,每引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾