第一章 检测技术与检测系统理论基础.pdf

第一章第一章 检测技术与检测系统理论检测技术与检测系统理论 基础基础 1 1 检测技术概论检测技术概论 1 2 检测系统概论检测系统概论 1 3 测量方法及其基本概念测量方法及其基本概念 1 4 测量系统及其技术指标 1 5 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 1 1 检测技术概论检测技术概论 一 检测和检测技术的基本概念一 检测和检测技术的基本概念 测量是指以确定被测对象属性和量值为目 的的全部操作 一个完整的检测过程一般包括信息的提取 信号的转换存储与传输 信号的显示记录 和信号的分析处理 检测技术是涉及检测方法 检测结构及检 测信号处理的一门综合性技术 二 检测的应用二 检测的应用 检测在工农业生产 科学研究 医疗卫生 交通运输和经济贸易等方面起着重要作用 三 检测技术发展概况三 检测技术发展概况 检测技术的发展 离不开检测的主要环节 传感器的发展 所谓传感器 是指能够感 受被测量 物理量 化学量 生物量等 等的大小 并输出相对应的可用输出信号 一般为多为电量 的器件或装置 结构型传感器 物性传感器 智能传感器 新型传感器 1 2 检测系统概论检测系统概论 一 检测系统一般构成一 检测系统一般构成 一 检出部分 传感器的作用是感受被测参量的变化 直接从对象传感器负责把被测 量作为信号提取出来 并传输到信号变换部分 许多情况下 检出和 变换并没有明确的界限 因为传感器实质上完成的也是一种变换 即 将被测量或被测对象的特征参数转化为有用信号的变换 传感器输出一般有以下特点 1 输出量为电压 电流或频率的变化 或者是通过电阻 电容 电 感的改变转换为电压 电流 频率的变化 有模拟量和数字量两种形 式 2 输出的电信号一般较微弱 如电压信号为毫伏级甚至微伏级 电 流信号为毫安级甚至纳安级 3 由于传感器内部噪声的存在 输出信号与噪声混在一起 若传感 器的信噪比较小而输出的信号又弱时 则信号淹没在噪声中 4 传感器的输出特性呈线性或非线性 5 外界环境如温度 湿度 电磁场等的变化会影响传感器的输出特 性 二 信号变换部分 信号变换 Signal conversion 是使检出的信号变换成适合于分 析处理的信号的方法 完成信号变换的电路有时又称为信号调理电路 Signal conditioning circuits 信号变换部分的任务是多种多样的 如 传感器的输出阻抗很高时 信号变换部分进行阻抗变换 传感 器的输出信号微弱时 信号变换部分进行信号的放大 信号淹 没在噪声中时 信号变换部分进行抑制噪声的处理 需要进行 电流传输时 信号换部分进行电压 电流变换 需要进行数字信 号的传输时 变换部分进行模拟 数字转换 简称模数转换 等 等 不一而足 就后续处理部分的需要来说 信号变换部分的目的主要是 1 对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量 2 消除或抑制传感器输出量中的无用信号 3 提高测量分析的准确度 4 简化后续系统的组成 三 分析处理部分 分析处理 Data analysis and processing 是现代检测系 统中不断被注入新内容的一部分 并越来越成为检 测系统的研究中心 随着计算机技术和信号处理技术的发展 现代检测 系统在科学研究和工业生产中的地位更趋重要 通 过信息论 系统论 控制论 预测论 智能与模糊 推理 相关分析 谱分析 随机过程 卡尔曼滤波 自适应滤波 模式识别 故障诊断 神经网络和小 波变换 时域 频域联合分析 等现代理论的运用 分析处理功能使得现代检测系统能解决过去常规检 测无法解决的问题 真正实现检测的自动化和智能 化 四 通信接口与总线部分四 通信接口与总线部分 通信接口与总线 Communication interface and bus 的基本功能是管理两个不同系统 之间的数据 状态和控制信息的传输和交 换 一个大型检测系统中有许多测量分系 统或测量节点 分系统向上位机传送数据 信息和测量状态 上位机向下发布命令或 各分系统之间交换信息都通过接口进行 为使不同的系统尤其是不同生产厂家的产 品能够互联 国际上规定了一引起能用标 准接口 1 3 测量方法及其基本概念测量方法及其基本概念 一 直接测量 间接测量和组合测量一 直接测量 间接测量和组合测量 1 直接测量直接测量 在使用仪表进行测量时 对仪表读数不需要经过任何 运算 就能直接表示测量所需要的结果 称为直接测量 2 间接测量间接测量 有的被测量无法或不便于直接测量 这就要求在使用 仪表进行测量时 首先对与被测物理量有确定函数关系 的几个量进行测量 然后将测量值代入函数关系式 经 过计算得到所需的结果 这种方法称为间接测量 3 组合测量组合测量 又称联立测量又称联立测量 经过求解联立方程组 才能得到被测物理量的最后结果 则称这样的测量为组合测量 二 偏差式测量 零位式测量与微差式测量二 偏差式测量 零位式测量与微差式测量 偏差式测量 偏差式测量 用仪表指针的位移 即偏差 决定 被测量的量值 或完全从被测量中获得信号转 换所需测量方法 零位式测量 零位式测量 用指零仪表的零位指示检测测量 系统的平衡状态 在测量系统平衡时 用已知 的标准量决定被测量的量值的测量方法 微差式测量 微差式测量 是综合了偏差式测量与零位式测 量的优点而提出的一种测量方法 它将被测量 与已知的标准量相比较 取得差值后 再用偏 差法测得此差值 三 等精度测量与非等精度测量三 等精度测量与非等精度测量 在整个测量过程中 若影响和决定测量精 度的全部因素 条件 始终保持不变 即在同 样的环境条件下 对同一被测量进行多次 重复测量 称为等精度测量 用不同精度的仪表或不同的测量方法 或 在环境条件相差很大的情况下对同一被测 量进行多次重复测量称为非等精度测量 四 静态测量与动态测量四 静态测量与动态测量 被测量在测量过程中认为是固定不变的 这种测量称为静态测量 若被测量在测量过程中是随时间不断变化 的 这种测量称为动态测量 1 4 测量系统及其技术指标 一 静态测量系统及其技术指标一 静态测量系统及其技术指标 静态测量 静态测量 是指在测量过程中被测量保持 恒定不变时的测量 静态特性静态特性 当检测系统的输入信号是常量 不随时间 变化 或变化极缓慢 时 其输出输入关系特 性称为静态特性 静态特性指标 1 测量范围 测量范围 measuring range 检测系统所能测量到的最小输入量xmin与最 大输入量xmax之间的范围称为传感器的测量范 围 2 量程量程 span 检测系统测量范围的上限值 xmax与下限值的代 数差xmax xmin 称为量程 3 精度精度 accuracy 检测系统的精度是指测量结果的可靠程度 是 测量中各类误差的综合反映 FS 100 S y 4 线性度线性度 linearity 所谓线性度是指检测系统的输出量与输入 量之间的关系曲线偏离理想直线的程度 又称为非线性误差 常用的拟合方法 理论拟合 过零旋转拟 合 端点拟合 端点平移拟合 最小二乘 法拟合等 max L FS 100 L y 5 灵敏度灵敏度 sensitivity 灵敏度是指检测系统输出的变化量与引起 该变化量的输入变化量之比 即 y k x 6 分辨率和阈值分辨率和阈值 resolution and threshold 分辨力分辨力 检测系统能检测到输入量最小变化量 的能力称为分辨力 一般认为 数字检测系 统的分辨力是最后位数的一个字 模拟检测系 统的分辨力为指示标尺分度值的一半 分辨率分辨率 当分辨力以满量程输出的百分数表示 时则称为分辨率 阈值 阈值 是指能使检测系统的输出端产生可测变 化量的最小被测输入量值 即零点附近的分辨 力 7 重复性重复性 repeatability 重复性是指传感器在输入量按同一方向作 全量程连续多次变动时所得特性曲线间不 一致的程度 各条曲线越靠近 重复性越 好 100 FS Yn k 重复性误差 1 1 2 n yy n i i 8 回程误差 滞后或迟滞 回程误差 滞后或迟滞 hysteresis 迟滞特性表明检测系统在正 输入量增大 反 输入量减小 行程中输出与输入曲线不重合 的程度 max H FS 1 100 2 H y 或 100 max FS Y H 滞后 9 稳定性稳定性 stability 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保 持其性能参数的能力 稳定性一般以室温条件下经过一规定时间 间隔后 传感器的输出与起始标定时的输 出之间的差异来表示 称为稳定性误差 稳定性误差可用相对误差表示 也可用绝 对误差来表示 10 漂移漂移 drift 传感器的漂移是指在外界的干扰下 在一 定时间间隔内 传感器输出量发生与输入 量无关的 不需要的变化 漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等 二 动态测量系统及其技术指标 1 动态测量 假如被测量本身随时间变化 而测量系统 又能准确地跟随被测量的变化而变化 则 是称其为动态测量动态测量 2 动态特性指标 带宽 Band width 是指检测装置的适用频 率范围 在该频率范围内 检测装置能够 保证它的有关性能指标如灵敏度 非线性 误差等 决定和影响检测装置工作频率范围的重要 参数是装置的固有频率和阻尼比 对于二 阶系统 或时间常数 一阶系统 3 检测系统的动态特性分析 检测装置的动态特性与其输入信号的变化形式 密切相关 最常见 最典型的输入信号是阶跃 信号和正弦信号 对于阶跃输入信号 传感器的响应称为阶跃 响应或瞬态响应 对于正弦输入信号 则称为 频率响应或稳态响应 可从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和 频率响应法来分析动态特性 1 5 测量误差及数据处理测量误差及数据处理 一一 测量误差测量误差 1 测量误差的表示方法测量误差的表示方法 1 绝对误差和相对误差绝对误差和相对误差 绝对误差 实际相对误差 示值 标称 相对误差 引用 满度 相对误差 仪表精度行业根据引用误差确定 我国电工仪表的 精度等级按 的大小分为七级 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5和5 0 xA 100 A x 100 x x 100 测量范围下限测量范围上限 m 2 基本误差和附加误差基本误差和附加误差 基本误差基本误差是指仪表在规定的标准条件下所 具有的误差 标准条件一般指检测系统在标定刻度时所 保持的电源电压 220 5 V 电网频率 50 2 Hz 环境温度 20 5 湿度 65 5 RH 附加误差附加误差是指当仪表的使用条件偏离标准 条件时出现的误差 3 工具误差和方法误差工具误差和方法误差 工具误差工具误差是指由于测量工具本身不完善引 起的误差 方法误差方法误差也称理论误差 是指测量方法不 精确 理论依据不严密及对被测量定义不 明确等因素所产生的误差 2 误差的性质 误差的性质 1 系统误差系统误差 简称系差简称系差 System error 在一定的条件下 对同一被测量进行多次重复测 量 如果误差按照一定的规律变化 则把这种误差 称为系统误差系统误差 系统误差由特定原因引起 具有一定的因果关系并 按确定规律产生 无论是由装置引起的 环境变化 引起的 动力源变化引起的还是人为因素造成的 只要有规律可循 这类误差均属系统误差 系统误差具有再现性 它形成测量值的偏差 Deviation 对于系统误差 可以在作一定的理 论分析和实验验证 掌握其产生的原因和规律后 采取妥善的办法使之减少或消除 2 误差的性质 误差的性质 2 随机误差随机误差 简称随差 又称偶然误差简称随差 又称偶然误差 Random error 由大量偶然因素的影响而引起的测量误差称为 随机误差 对同一被测量进行多次重复测量时 随机误差 的绝对值和符号将不可预知地随机变化 但总 体上服从一定的统计规律 随机误差决定了测量的精密度 随机误差不能用简单的修正值法来修正 只 能通过概率和数理统计的方法去估计它出现的 可能性 2 误差的性质 误差的性质 3 粗大误差粗大误差 简称粗差 又称疏忽误差简称粗差 又称疏忽误差 在一定测量条件下 测量值明显偏离实际 真实值所形成的误差称为粗大误差 含有粗大误差的测量值称为坏值 坏值不 能反映被测量的真实结果 对于粗大误差 首先应设法判断是否存在 如存在 则需将坏值剔除 二二 测量数据的估计和处理测量数据的估计和处理 1 随机误差的统计处理随机误差的统计处理 1 随机误差的规律及特点随机误差的规律及特点 当测量次数足够多时 测量过程中产生的 误差服从正态分布规律 2 2 2 1 e 2 yf 2 2 2 1 yded1 2 P 随机误差分布规律的特点 集中性 有限性 对称性 抵偿性 2 随机误差的评价指标随机误差的评价指标 算术平均值算术平均值 12 1 11 n ni i xxxxx nn 2 随机误差的评价指标随机误差的评价指标 标准误差标准误差 又称均方根误差又称均方根误差 22 11 11 nn ii ii xx nn ii vxx n 残差 贝赛尔 Bessel 公式 算术平均值的标准误差 168 26 295 44 399 73 ZP ZP ZP 被测量的测量结果 用下式表示 Zxx 2 系统误差的检查及消除 系统误差的检查及消除 1 实验对比法实验对比法 这种方法是通过改变产生系统误差的条 件 进行不同条件的测量 来发现系统误 差的 此种方法适用于发现固定的系统误 差 2 残余误差法残余误差法 这种方法是根据测量值的残余误差的大 小和符号的变化规律 直接由误差数据或 误差曲线来判断有无系统误差 3 理论计算法理论计算法 马利科夫准则马利科夫准则 马利科夫准则适用于判别测量数据中是 否存在累进性系统误差 11 1 2 1 2 kn ii ik kn ii ik n nk M n nk 为偶数 取 为奇数 取 阿卑阿卑 赫梅特赫梅特 Abbe Helmert 准则准则 1 1 1 n ii i A 当存在A 则认为测量数据中含有周期性 系统误差 2 1n 3 粗大误差的判别 粗大误差的判别 1 拉依达准则 拉依达准则 准则 准则 2 肖维勒准则肖维勒准则 肖维勒准则是以正态分布为前提的 假 设多次重复测量所得的 个测量值中 某个 测量值的残余误差 则剔除此数据 为判别系数 实用中 3 所以在一定程 度上弥补了 准则的不足 i c Z c Z 3 格拉布斯格拉布斯 Grubbs 准则准则 格拉布斯准则也是以正态分布为前提的 当 某个测量值的残余误差的绝对值 则可判断此测量值中含有粗大误差 应予以 剔除 G 为判别系数 值与重复测量次数n和 置信概率p有关 i G 4 测量数据的处理测量数据的处理 利用修正值等方法 对测量值进行修正 减小恒