檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)課件

1、 檢測技術(shù)與傳感器考勤：未出勤3次（含）以上免“試”課堂紀(jì)律：手機(jī)、pad等數(shù)碼設(shè)備：不鼓勵(lì)用，緊急情況請離開教室睡覺：允許小憩，不鼓勵(lì)大憩不鼓勵(lì)“學(xué)習(xí)”與本課程無關(guān)的知識實(shí)驗(yàn)：每次必到，考勤+成績作業(yè)：鼓勵(lì)原創(chuàng)，鄙視抄襲成績：平時(shí)30%，期末卷面成績70%答疑：周三下午3：15-4：00點(diǎn)名的作用靠點(diǎn)名留住學(xué)生的老師如同靠懷孕留住男人的小三？師生關(guān)系合作？互利？男一號、女一號？學(xué)習(xí)目的為了父母？為了工作？為了大學(xué)？為了。傳感器的地位和作用IT技術(shù)信息采集、信息傳輸、信息處理信息產(chǎn)業(yè)三大支柱傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)什么是傳感器？形形色色的傳感器參考書目及課程安排參考書目傳感器，強(qiáng)錫富主

2、編，機(jī)械工業(yè)出版社，1999劉迎春 葉湘濱編著 傳感器原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用 國防科技大學(xué)出版社 1997年 課程安排講 課 30 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課 6 學(xué)時(shí)總 計(jì) 36 學(xué)時(shí)1.1 緒言1.2 測量與誤差1.3 測量誤差的處理1.4 檢測系統(tǒng)的構(gòu)成與發(fā)展第章檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)1.1.1檢測的基本知識測量是以確定被測量的值或獲取測量結(jié)果為目的的一系列操作。測量也就是將被測量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)?；蚴街校簒被測量值u標(biāo)準(zhǔn)量，即測量單位n比值（純數(shù)），含有測量誤差1.1.2被測參數(shù)的分類電工量：電流、電壓、電功率、電感、電阻、電容頻率、磁通密度、磁場強(qiáng)度熱工量：溫度、熱量、比熱容

3、、熱流、熱分布，壓力、壓差、真空度，流量、流速、風(fēng)速，物位、液位、界面機(jī)械量：位移、形狀，力、應(yīng)力、力矩，重量、質(zhì)量，轉(zhuǎn)速、線速度，振動(dòng)、加速度、噪聲物性和成分量：氣體成分、液體成分、固體成分，酸堿度、鹽度、濃度、粘度、密度狀態(tài)量：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、表面粗糙度1.1.2被測參數(shù)的分類常用方法:非電量電測法1.1.3檢測設(shè)備的基本性能精確度：精密度和準(zhǔn)確度的綜合，常以測量誤差的相對值表示穩(wěn)定性：時(shí)間的影響，外部環(huán)境和工作條件的影響輸入輸出特性：靜態(tài)，動(dòng)態(tài)電磁兼容性1.2.1測量、量值、約定真值根據(jù)獲得測量值的方法分為直接測量：電流表測電流、彈簧秤稱稱重量間接測量：測水塔的水

4、量、曹沖稱象聯(lián)立（組合）測量：若干個(gè)被測量及測量量的情況根據(jù)測量方式分為偏差式測量：用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的量值。模擬電流/壓表、體重秤等。零位式測量：指零儀表指零時(shí)，被測量與已知標(biāo)準(zhǔn)量相等。天平、電位差計(jì)等。微差式測量：將被測量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較, 取得差值后, 再用偏差法測得此差值。游標(biāo)卡尺等。根據(jù)測量條件分為等精度測量：用相同儀表與測量方法對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量不等精度測量：用不同精度的儀表或不同的測量方法, 或在環(huán)境條件相差很大時(shí)對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量根據(jù)被測量變化的快慢分為靜態(tài)測量動(dòng)態(tài)測量1.2.1測量、量值、約定真值量值的概念量和量值真值、約定真值和實(shí)際

5、值標(biāo)稱值和指示值1.2.1測量、量值、約定真值誤差的概念一切測量都具有誤差，誤差自始至終存在于所有科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程之中測量誤差是測得值減去被測量的真值誤差的表示方法絕對誤差相對誤差引用誤差基本誤差附加誤差 1.2.2測量誤差的性質(zhì)與分類誤差的表示方法（1）（1）絕對誤差 絕對誤差可用下式定義: =x-L 式中: 絕對誤差; x測量值; L真值。采用絕對誤差表示測量誤差, 不能很好說明測量質(zhì)量的好壞。 例如, 在溫度測量時(shí), 絕對誤差=1 , 對體溫測量來說是不允許的, 而對測量鋼水溫度來說卻是一個(gè)極好的測量結(jié)果。誤差的表示方法（2）（2）相對誤差 相對誤差可用下式定義: 式中: 相對誤差, 一般

6、用百分?jǐn)?shù)給出; 絕對誤差; L真值。 標(biāo)稱相對誤差：誤差的表示方法（3）（3）引用誤差 引用誤差可用下式定義:引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法。（4）基本誤差儀表在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差。（5）附加誤差儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。 誤差的分類系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差粗大1.2.2測量誤差的性質(zhì)與分類測量誤差的性質(zhì)（1）（1）隨機(jī)誤差對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí), 絕對值和符號不可預(yù)知地隨機(jī)變化, 但就誤差的總體而言, 具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性的誤差稱為隨機(jī)誤差。引起的原因？（2）系統(tǒng)誤差對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí), 如果誤差按照一定的規(guī)律出現(xiàn), 則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。例如

7、, 標(biāo)準(zhǔn)量值的不準(zhǔn)確及儀表刻度的不準(zhǔn)確而引起的誤差。引起的原因？（3）粗大誤差明顯偏離測量結(jié)果的誤差。引起的原因？測量誤差的性質(zhì)（2）60kg50kg0kg系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差粗大誤差系統(tǒng)誤差的處理系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)構(gòu)造誤差、方法誤差、環(huán)境誤差、人員誤差系統(tǒng)誤差的一般處理方法替代法零位式測量法差值法（微差法）補(bǔ)償法引入修正值法其他方法1.3.1系統(tǒng)誤差的處理系統(tǒng)誤差的通用處理方法系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因傳感器、儀表不準(zhǔn)確（刻度不準(zhǔn)、放大關(guān)系不準(zhǔn)確）測量方法不完善（如儀表內(nèi)阻未考慮）安裝不當(dāng)環(huán)境不合操作不當(dāng)系統(tǒng)誤差的判別實(shí)驗(yàn)對比法，例如一臺測量儀表本身存在固定的系統(tǒng)誤差，即使進(jìn)行多次測量也不能發(fā)現(xiàn)，只有用更高

8、一級精度的測量儀表測量時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)這臺測量儀表的系統(tǒng)誤差。殘余誤差觀察法（繪出先后次序排列的殘差）準(zhǔn)則檢驗(yàn) 系統(tǒng)誤差的通用處理方法系統(tǒng)誤差的通用處理方法準(zhǔn)則檢驗(yàn)法馬利科夫判據(jù)是將殘余誤差前后各半分兩組, 若“vi前”與“vi后”之差明顯不為零, 則可能含有線性系統(tǒng)誤差。阿貝檢驗(yàn)法則檢查殘余誤差是否偏離正態(tài)分布, 若偏離, 則可能存在變化的系統(tǒng)誤差。將測量值的殘余誤差按測量順序排列，且設(shè)A=v12+v22+vn2, B=(v1-v2)2+(v2-v3)2+(vn-1-vn)2+(vn-v1)2。 若 則可能含有變化的系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的通用處理方法系統(tǒng)誤差的消除在測量結(jié)果中進(jìn)行修正 已知系統(tǒng)誤差

9、, 變值系統(tǒng)誤差, 未知系統(tǒng)誤差消除系統(tǒng)誤差的根源根源？在測量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償措施實(shí)時(shí)反饋修正1.3.2 隨機(jī)誤差的處理正態(tài)分布隨機(jī)誤差具有以下特征: 絕對值相等的正誤差與負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相等對稱性。 在一定測量條件下的有限測量值中，其隨機(jī)誤差的絕對值不會超過一定的界限有界性。 絕對值小的誤差出現(xiàn)的次數(shù)比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多單峰性 對同一量值進(jìn)行多次測量，其誤差的算術(shù)平均值隨著測量次數(shù)n的增加趨向于零抵償性。（凡是具有抵償性的誤差原則上可以按隨機(jī)誤差來處理） 這種誤差的特征符合正態(tài)分布 1.3.2 隨機(jī)誤差的處理隨機(jī)誤差的數(shù)字特征算術(shù)平均值。對被測量進(jìn)行等精度的n次測量,，得n個(gè)測量值

10、x1,x2,xn,，它們的算術(shù)平均值為： 標(biāo)準(zhǔn)偏差 簡稱標(biāo)準(zhǔn)差，又稱均方根誤差，刻劃總體的分散程度，可以描述測量數(shù)據(jù)和測量結(jié)果的精度。 1.3.2 隨機(jī)誤差的處理用測量的均值代替真值：有限次測量中，算術(shù)平均值不可能等于真值，即也有偏差，的均方根偏差：正態(tài)分布隨機(jī)誤差的概率計(jì)算幾個(gè)概念：置信概率：置信系數(shù)：k顯著度：測量結(jié)果可表示為（計(jì)算得到的真值和真值的均方根偏差）： k0.674511.9622.5834Pa0.50.68270.950.95450.990.99730.99994幾個(gè)典型的k值及其相應(yīng)的概率正態(tài)分布隨機(jī)誤差的概率計(jì)算當(dāng)k=1時(shí), Pa=0.6827, 即測量結(jié)果中隨機(jī)誤差出現(xiàn)

11、在-+范圍內(nèi)的概率為68.27%, 而|v|的概率為31.73%。出現(xiàn)在-3+3范圍內(nèi)的概率是99.73%, 因此可以認(rèn)為絕對值大于3的誤差是不可能出現(xiàn)的, 通常把這個(gè)誤差稱為極限誤差例題 例1-1對某一溫度進(jìn)行10次精密測量，測量數(shù)據(jù)如表所示，設(shè)這些測得值已消除系統(tǒng)誤差和粗大誤差, 求測量結(jié)果。序號測量值xi殘余誤差vivi2185.710.030.0009285.63-0.050.0025385.65-0.030.0009485.710.030.0009585.690.010.0001685.690.010.0001785.700.020.0004885.6800985.66-0.020.

12、00041085.6800不等精度直接測量的權(quán)與誤差在不等精度測量時(shí), 對同一被測量進(jìn)行m組測量, 得到m組測量列（進(jìn)行多次測量的一組數(shù)據(jù)稱為一測量列）的測量結(jié)果及其誤差, 它們不能同等看待。精度高的測量列具有較高的可靠性, 將這種可靠性的大小稱為“權(quán)”?！皺?quán)”可理解為各組測量結(jié)果相對的可信賴程度。 測量次數(shù)多, 測量方法完善, 測量儀表精度高, 測量的環(huán)境條件好, 測量人員的水平高, 則測量結(jié)果可靠, 其權(quán)也大。權(quán)是相比較而存在的。 權(quán)用符號p表示, 有兩種計(jì)算方法: 用各組測量列的測量次數(shù)n的比值表示, 并取測量次數(shù)較小的測量列的權(quán)為1,則有 p1p2pm=n1n2nm 用各組測量列的誤差

13、平方的倒數(shù)的比值表示, 并取誤差較大的測量列的權(quán)為1, 則有 p1p2pm= 不等精度直接測量的權(quán)與誤差加權(quán)算術(shù)平均值加權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)誤差 1.3.3 粗大誤差的處理剔除壞值的幾條原則：3準(zhǔn)則（萊以達(dá)準(zhǔn)則）：如果一組測量數(shù)據(jù)中某個(gè)測量值的殘余誤差的絕對值|vi|3時(shí), 則該測量值為可疑值（壞值）, 應(yīng)剔除。應(yīng)用于？肖維勒準(zhǔn)則：假設(shè)多次重復(fù)測量所得n個(gè)測量值中, 某個(gè)測量值的殘余誤差|vi|Zc,則剔除此數(shù)據(jù)。實(shí)用中Zc3, 所以在一定程度上彌補(bǔ)了3準(zhǔn)則的不足。應(yīng)用于？1.3.3 粗大誤差的處理格拉布斯準(zhǔn)則：某個(gè)測量值的殘余誤差的絕對值|vi|G, 則判斷此值中含有粗大誤差, 應(yīng)予剔除。 G值與重復(fù)測

14、量次數(shù)n和置信概率Pa有關(guān)。此外？步驟：求算術(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差有無粗大誤差計(jì)算算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差測量結(jié)果表示剔除粗大誤差有無1.3.4 測量數(shù)據(jù)處理中的幾個(gè)問題間接測量中的測量數(shù)據(jù)處理（誤差的合成、誤差的分配）最小二乘法的應(yīng)用（最小二乘法原理）用經(jīng)驗(yàn)公式擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析誤差的合成絕對誤差和相對誤差的合成絕對誤差相對誤差標(biāo)準(zhǔn)差的合成絕對誤差的合成（例題）例1-2用手動(dòng)平衡電橋測量電阻RX。已知R1=100, R2=1000, RN=100,各橋臂電阻的恒值系統(tǒng)誤差分別為R1=0.1, R2=0.5, RN=0.1。求消除恒值系統(tǒng)誤差后的RX.ARNR2RxR1E解：平衡電橋測電阻原理：即：不考

15、慮R1、R2、RN的系統(tǒng)誤差時(shí)，有由于R1、R2、RN存在誤差，測量電阻RX也將產(chǎn)生系統(tǒng)誤差?？傻茫合齊1、R2、RN的影響，即修正后的電阻應(yīng)為最小二乘法的應(yīng)用問題的提出已知鉑電阻與溫度之間具有如下關(guān)系：可用實(shí)驗(yàn)方法得到的對應(yīng)數(shù)據(jù)，如何求方程中的三個(gè)參數(shù)？設(shè) 對應(yīng)： 最小二乘法的應(yīng)用如果測量了次（），理論值為：的第一個(gè)下標(biāo)意思為第次測量（） 理論值與實(shí)際測量值的誤差為：最小二乘法則是“殘余誤差的平方和為最小”， 即最小 最小二乘法的應(yīng)用為此可得到m個(gè)方程的組：求解該方程組可得到最小二乘估計(jì)的正規(guī)方程，從而解得最小二乘解、矩陣法則最小二乘法的應(yīng)用最小二乘條件 變?yōu)榉匠探M即將代入：最小二乘法的應(yīng)

16、用（例題）例3銅的電阻值R與溫度t之間關(guān)系為Rt=R0(1+t),在不同溫度下, 測定銅電阻的電阻值如下表所示。試估計(jì)0時(shí)的銅電阻電阻值R0和銅電阻的電阻溫度系數(shù)。 ti() 19.125.030.136.040.045.150.0Ri() 76.377.879.7580.8082.3583.985.10解：列出誤差方程(i=1,2,3, ,7)式中: 是在溫度ti下測得銅電阻電阻值。令x=r0, y=r0, 則誤差方程可寫為 76.3-(x+19.1y) =v1 77.8-(x+25.0y) =v2 79.75-(x+30.1y) =v3 80.80-(x+36.0y) =v4 82.35-

17、(x+40.0y) =v5 83.9-(x+45.1y) =v6 85.10-(x+50.0y) =v7 其正規(guī)方程為 a1a1x+a1a2y=a1l a2a1x+a2a2y=a2l于是有將各值代入上式, 得到 7x+245.3y=566 245.3x+9325.38y=20 044.5 解得 x=70.8 y=0.288/即 r0=70.8 用矩陣求解, 則有 AA= 1 19.1 1 25.0 1 30.1 1 36.0 1 40.0 1 45.1 1 50.0 1 1 1 1 1 119.1 25.0 30.1 36.0 40.0 45.1 50.0= 7 245.3 245.3 9325.38 245.3245.3 9325.38=5108.70 （有解）(AA)-1= A11 A12A21 A22