測試與傳感課件

測試與傳感課件第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1測量概論1.1.1測量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。所以,測量也就是將被測量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。它可由下式表示：(1-1)式中：x——被測量值；

u——標(biāo)準(zhǔn)量，即測量單位；

n——比值（純數(shù)），含有測量誤差第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月測量結(jié)果完整表述包括估計值，測量單位及測量不確定度．第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.2測量方法實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較得出比值的方法，稱為測量方法。針對不同測量任務(wù)，進行具體分析，找出切實可行的測量方法.第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月測量方法分類根據(jù)獲得測量值的方法可分為直接測量、間接測量和組合測量；根據(jù)測量方式可分為偏差式測量、零位式測量與微差式測量；根據(jù)測量條件不同可分為等精度測量與不等精度測量；根據(jù)被測量變化快慢可分為靜態(tài)測量與動態(tài)測量；根據(jù)測量敏感元件是否與被測介質(zhì)接觸可分為接觸式測量與非接觸式測量；根據(jù)測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量可分為主動式測量與被動式測量等第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)測量與動態(tài)測量

被測量在測量過程中認(rèn)為是固定不變的，對這種被測量進行的測量稱為靜態(tài)測量。靜態(tài)測量不需要考慮時間因素對測量的影響。若被測量在測量過程中是隨時間不斷變化的，對這種被測量進行的測量稱為動態(tài)測量。第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3測量系統(tǒng)

1.測量系統(tǒng)構(gòu)成

測量系統(tǒng)應(yīng)具有對被測對象的特征量進行檢測、傳輸、處理及顯示等功能，一個測量系統(tǒng)是傳感器、變送器（變換器）和其它變換裝置等的有機組合。下圖表示測量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖。測量系統(tǒng)組成框圖第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器組成方框圖輸出第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月變介質(zhì)型電容式位移傳感器第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)組成框圖變送器將傳感器輸出的信號變換成便于傳輸和處理的信號，大多數(shù)變送器的輸出信號是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號。（如電壓正負(fù)5V）等

第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)組成框圖信號處理環(huán)節(jié)將傳感器輸出信號進行處理和變換。如對信號進行放大、運算、線性化、數(shù)—?；蚰！獢?shù)轉(zhuǎn)換，使其輸出信號便于顯示、記錄。這種信號處理環(huán)節(jié)可用于自動控制系統(tǒng)，也可與計算機系統(tǒng)連接，以便對測量信號進行信息處理。

第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.3測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)組成框圖顯示裝置是將被測量信息變成人的感官能接受的形式，以完成監(jiān)視、控制或分析的目的。測量結(jié)果可以采用模擬顯示，也可采用數(shù)字顯示或圖形顯示，也可以由記錄裝置進行自動記錄或由打印機將數(shù)據(jù)打印出來。第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)（1）開環(huán)測量系統(tǒng)：全部信息變換只沿著一個方向進行，如圖所示。其中x為輸入量，y為輸出量，

開環(huán)測量系統(tǒng)框圖特點：簡單、直觀、明了；測量精度不高

第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）閉環(huán)測量系統(tǒng)：有兩個通道，一為正向通道，一為反饋通道圖1-3閉環(huán)測量系統(tǒng)框圖特點：精度高；復(fù)雜、成本高、要求高

第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1.4測量誤差

測量誤差是測得值減去被測量的真值。

第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，應(yīng)與測量的目的與要求相聯(lián)系，相適應(yīng)，那種不惜工本，不顧場合，一味追求越準(zhǔn)越好的作法是不可取的，要有技術(shù)與經(jīng)濟兼顧的意識。第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月測量誤差的性質(zhì)根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律及產(chǎn)生的原因可將其分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。

第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

（1）隨機誤差在同一測量條件下，多次測量被測量時，其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。

第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）系統(tǒng)誤差在同一測量條件下，多次測量被測量時，絕對值和符號保持不變，或在條件改變時，按一定規(guī)律（如線性、多項式、周期性等函數(shù)規(guī)律）變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。前者為恒值系統(tǒng)誤差，后者為變值系統(tǒng)誤差。

第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（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，粗大誤差又稱疏忽誤差。這類誤差的發(fā)生是由于測量者疏忽大意，測錯、讀錯或環(huán)境條件的突然變化等引起的。含有粗大誤差的測量值明顯地歪曲了客觀現(xiàn)象，故含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值。在數(shù)據(jù)處理時，要采用的測量值不應(yīng)該包含有粗大誤差，即所有的壞值都應(yīng)當(dāng)剔除。所以進行誤差分析時，要估計的誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩類。第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理1.2.1隨機誤差的統(tǒng)計處理

1.正態(tài)分布

正態(tài)分布的概率分布密度f(δ)為（概率密度函數(shù)）第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-4正態(tài)分布曲線L、σ（σ>0）是正態(tài)分布的兩個參數(shù)第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.隨機誤差的數(shù)字特征

(1)算術(shù)平均值x

對被測量進行等精度的n次測量，得n個測量值x1,x2,…,xn，它們的算術(shù)平均值為算術(shù)平均值為被測量真值的最佳估計值第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）標(biāo)準(zhǔn)偏差σ(又稱均方根誤差):刻劃總體的分散程度，σ值愈大，曲線愈平坦，即隨機變量的分散性愈大；反之，愈小，曲線愈尖銳（集中），隨機變量的分散性愈小。

不同σ的正態(tài)分布曲線第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月標(biāo)準(zhǔn)差σ由下式算得:第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月被測量是在重復(fù)性條件下進行有限次測量，被測量分散性用標(biāo)準(zhǔn)差的估計值σs表示(1-24)第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2系統(tǒng)誤差的通用處理方法

1.從誤差根源上消除系統(tǒng)誤差

由于系統(tǒng)誤差的特殊性，在處理方法上與隨機誤差完全不同。主要是如何有效地找出系統(tǒng)誤差的根源，并減小或消除。查找誤差根源的關(guān)鍵，就是要對測量設(shè)備、測量對象和測量系統(tǒng)作全面分析，明確其中有無產(chǎn)生明顯系統(tǒng)誤差的因素，并采取相應(yīng)措施予以修正或消除。通常，我們可以從以下幾個方面進行分析考慮。第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月①所用傳感器，測量儀表或組成元件是否準(zhǔn)確可靠。比如傳感器或儀表靈敏度不足，儀表刻度不準(zhǔn)確，變換器、放大器等性能不太優(yōu)良等都會引起誤差，而且是常見的誤差。②測量方法是否完善，如用電壓表測量電壓，電壓表的內(nèi)阻對測量結(jié)果有影響。③傳感器儀表安裝、調(diào)整或放置是否正確合理。例如，未調(diào)好儀表水平位置，安裝時儀表指針偏心等都會引起誤差。④傳感器或儀表工作場所的環(huán)境條件是否符合規(guī)定條件。例如，環(huán)境、溫度、濕度、氣壓等的變化也會引起誤差。⑤測量者操作是否正確。例如，讀數(shù)時視差、視力疲勞等都會引起系統(tǒng)誤差。第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月2.系統(tǒng)誤差的消除（1）在測量結(jié)果中進行修正對于已知的恒值系統(tǒng)誤差，可以用修正值對測量結(jié)果進行修正；對于變值系統(tǒng)誤差，設(shè)法找出誤差的變化規(guī)律，用修正公式或修正曲線對測量結(jié)果進行修正。（2）消除系統(tǒng)誤差的根源在測量之前，仔細(xì)檢查儀表，正確調(diào)整和安裝；防止外界干擾影響；選好觀測位置消除視差；選擇環(huán)境條件比較穩(wěn)定時進行讀數(shù)等。（3）在測量系統(tǒng)中采用補償措施找出系統(tǒng)誤差規(guī)律在測量過程中自動消除系統(tǒng)誤差。如用熱電偶測量溫度時，熱電偶參考端溫度變化會引起系統(tǒng)誤差，消除此誤差的辦法之一是在熱電偶回路中加一個冷端補償器，從而實現(xiàn)自動補償。第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）實時反饋修正由于自動化測量技術(shù)及微機的應(yīng)用，可用實時反饋修正的辦法來消除復(fù)雜的變化系統(tǒng)誤差。及時按照其函數(shù)關(guān)系，通過計算機算出影響測量結(jié)果的誤差值，并對測量結(jié)果作實時的自動修正。第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3粗大誤差

3σ準(zhǔn)則對于正態(tài)分布的隨機誤差，落在±3σ

以外的概率只有0.27%，它在有限次測量中發(fā)生的可能性很小。3σ準(zhǔn)則就是如果一組測量數(shù)據(jù)中某個測量值的殘余誤差的絕對值|vi|>3σ時，則該測量值為可疑值（壞值），應(yīng)剔除。

3σ準(zhǔn)則是最常用也是最簡單的判別粗大誤差的準(zhǔn)則，它應(yīng)用于測量次數(shù)充分多的情況。第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.2.4測量數(shù)據(jù)處理中的幾個問題

1.最小二乘法的應(yīng)用最小二乘法原理是一數(shù)學(xué)原理，要獲得最可信賴的測量結(jié)果，應(yīng)使各測量值的殘余誤差平方和為最小，這就是最小二乘法原理。第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月用最小二乘法求回歸直線第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1-8殘余誤差變化規(guī)律第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.回歸分析——用經(jīng)驗公式擬合實驗數(shù)據(jù)

回歸分析就是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的方法，對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而得出反映變量間相互關(guān)系的經(jīng)驗公式，也稱回歸方程。

第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月成年兒子的身高與父母的平均身高的關(guān)系

Y=33.73+0.516X第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月在線性回歸分析中，當(dāng)獨立變量只有一個時，即函數(shù)關(guān)系為y=b0+bx

這種回歸稱為一元線性回歸，這就是工程上和科研中常遇到的直線擬合問題。設(shè)有n對測量數(shù)據(jù)(xi,yi)，用一元線性回歸方程擬合，則根據(jù)測量數(shù)據(jù)值，實際上只要求出方程中系數(shù)b0、b的最佳估計值，一元線性回歸方程也就確定了。求取一元線性回歸方程中系數(shù)b0、b的值，最常用的方法是利用最小二乘法原理，即應(yīng)使各測量數(shù)據(jù)點與回歸直線的偏差平方和為最小第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月用最小二乘法求回歸直線第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月變量不止一個----多元多項式回歸回歸設(shè)計：用較少的試驗點，建立一個有效的多項式回歸方程，從而解決生產(chǎn)中的最優(yōu)化的問題。.第40頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月變量不止一個,也不是線性----多元非線性回歸分析方法.專用的軟件如：SPSS軟件，MATLAB軟件。第41頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月重點掌握：

1測量結(jié)果的完整表述包括估計值，測量單位及測量不確定度．２靜態(tài)測量與動態(tài)測量的概念３測量系統(tǒng)構(gòu)成４理解測量誤差的種類５理解系統(tǒng)誤差的消除方法

6正態(tài)分布中均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差的