检测与转换技术的基本概念.ppt

传感器与检测技术 电气信息工程系张柱华 课程概述 必修课38理论 10实验主要内容 概述传感技术基础 误差理论与数据处理 传感器基本特性应变式电感式电容式压电式磁电式热电式光电式 光电检测技术 红外辐射微波超声波数字式化学传感器 气敏 湿敏 智能式 智能传感器 过程检测技术与仪表 教材与参考书 教材 检测与转换技术第三版 常健生主编 机械工业出版社 2008参考书 非电量电测技术 第2版 吴道悌主编 西安交通大学出版社 研 2004传感器与信号调节 第2版 张伦译 清华大学出版社 2003测量系统应用与设计 英文版 美 欧内斯特O 德贝林著 机械工业出版社 教学基本要求 了解测量与传感技术的基本知识掌握各类传感器的基本特性和工作原理 典型测量电路了解各类传感器的典型应用考核 综合出勤 学习态度 课堂表现 作业等平时占30 期末考试占70 缺作业达到三分之一及其以上 或随机抽点名缺勤三次以上无考试资格 答疑及联系方式 采取课后答疑和网上答疑的方式办公室 教六楼自动化教研室526 528Email duzzh0103 QQ 171120690 第一节相关知识1 1 传感技术的地位和作用人类社会在发展过程中 需要不断地认识自然与改造自然 这种认识与改造必然伴随着对各种信号的感知和测量 科技越发达 自动化程度越高 对传感器的依赖也就越强烈 现在 测量科学已成为现代化生产的五大支柱之一 也是整个科学技术和国民经济的一项重要技术基础 它对促进生产力发展与社会进步起到重要作用 第一章检测与转换技术的理论基础 传感技术是产品检验和质量控制的重要手段传感技术在系统安全经济运行监测中得到广泛应用传感技术及装置是自动化系统不可缺少的组成部分传感技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步 1 2传感技术基本概念 传感技术 信息学科的范畴 是自动检测和自动转换技术的总称 信息获取是指用检测系统从被测量 如物理量 化学量 生物量 社会量等 中提取出有用的信息的过程 一般将信息获取的结果转化为电信号 信息转换是将所获取的电信号 根据下一环节的需要 在幅值 功率及精度等方面进行处理和转换 信息处理就是根据输出环节的需要 将变换后的电信号进行数字运算 A D变换等处理 信息传输的任务是在排除干扰的情况下准确 经济地进行信息传递 现代信息技术的三大基础 信息采集信息传输信息处理传感器技术通信技术计算机技术感官神经大脑 传感器技术是信息技术中的源头技术 变量分类 传感器的概念 传感器 能感受被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器的共性 利用物理定律或物质的物理 化学 生物等特性 将非电量转换成电量传感器功能 检测和转换 敏感元件是传感器中能直接感受 或响应 被测信息 非电量 的元件转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受 或响应 信息转换为电信号的部分 传感器的组成 传感器输出信号的分类 1 3传感器的分类 按传感器的构成进行分类 物性型和结构型按传感器的输入量 即被测参数 进行分类 位移 速度 温度 压力传感器等按传感器的输出量进行分类 模拟式和数字式按传感器的基本效应分类 物理型 化学型 生物型按传感器的工作原理进行分类 应变式 电容式 电感式 压电式 热电式传感器等按传感器的能量变换关系进行分类 有源 无源 1 4传感技术的发展趋势 提高与改善传感器的技术性能开展基础研究 寻找新原理 新材料 新工艺或新功能等传感器的集成化传感器的智能化 1 5检测系统 检测系统的组成 开环测量系统 闭环检测系统 第二节 测量误差的概念和分类对任意测试系统 必有精度要求 因此必须使误差在允许范围内 1 名词解释等精度测量 非等精度测量 静态测量 动态测量 真值实际值 标称值 测量误差 2 误差的分类 按表示方法分 绝对误差 X X A0 X X A式中 X为被测量 A0为真值 A为标准值 精度高一级的标准器具的示值 相对误差 绝对误差 X与被测量的约定值之比 实际相对误差 A X A 100 示值相对误差 X X X 100 示值X 满度相对误差 2 按误差出现规律分 1 系统误差 按某种函数规律变化而产生的误差 用准确度评定 表明测量结果与真值的接近程度 系统误差小 则准确度高 2 随机误差 由未知变化规律产生的误差 用精密度评定 表现了测量结果的分散性 随机误差越小 精密度愈高 精确度 反映系统误差和随机误差综合影响的程度 简称精度 3 粗大误差 粗大误差简称粗差 指在一定条件下测量结果显著偏离其实际值所对应的误差 须判明 舍去 测量误差 仪器 影响 方法 随机 系统 疏失 精密度 人身 准确度 可取性 精确度 测量结果评定 误差来源 分类及测量结果评定 3 按被测量随时间变化的速度分 静态误差 静态误差是指在测量过程中 被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差 动态误差 动态误差是指在被测量随时间变化很快的过程中 测量所产生的附加误差 从工程实践可知 测量数据中含有系统误差和随机误差 有时还含有粗大误差 它们的性质不同 对测量结果的影响及处理方法也不同 在测量中 对测量数据进行处理时 首先判断测量数据中是否含有粗大误差 如有 则必须加以剔除 再看数据中是否存在系统误差 对系统误差可设法消除或加以修正 对排除了系统误差和粗大误差的测量数据 则利用随机误差性质进行处理 总之 对于不同情况的测量数据 首先要加以分析研究 判断情况 再经综合整理 得出合乎科学的结果 第三节误差的处理及消除方法 1 随机误差的处理在相同条件下 对某个量重复进行多次测量 排除系统误差和粗大误差后 如果测量数据仍出现不稳定现象 则存在随机误差 在等精度测量情况下 得到n个测量值x1 x2 xn 设只含有随机误差 1 2 n 这组测量值或随机误差都是随机事件 可以用概率数理统计的方法来处理 随机误差的处理目的就是从这些随机数据中求出最接近真值的值 对数据精密度的高低 或可信度 进行评定并给出测量结果 测量实践表明 多数测量的随机误差具有以下特征 1 绝对值小的随机误差出现的概率大于绝对值大的随机误差出现的概率 单峰性 2 随机误差的绝对值不会超出一定界限 有界性 3 测量次数n很大时 绝对值相等 符号相反的随机误差出现的概率相等 当n 时 随机误差的代数和趋近于零 对称性与补偿性 随机误差的上述特征 说明其分布是单一峰值的和有界的 且当测量次数无穷大时 这类误差还具有对称性 即抵偿性 所以测量过程中产生的随机误差服从正态分布规律 分布密度函数为 1 7 式 1 7 称为高斯误差方程 式中 是随机误差 x为测量值 x0为测量值的真值 是均方根误差 或称标准误差 标准误差 可由下式求得 即 1 8 计算 时 必须已知真值x0 并且需要进行无限多次等精度重复测量 这显然是很难做到的 根据长期的实践经验 人们公认 一组等精度的重复测量值的算术平均值最接近被测量的真值 而算术平均值很容易根据测量结果求得 即 1 9 因此 可以利用算术平均值代替真值x0来计算式 1 8 中的 i 此时 式 1 8 中的 就可改换成 vi称为剩余误差 不论n为何值 总有 1 10 由此可以看出 虽然我们可求得n个剩余误差 但实际上它们之中只有 个是独立的 考虑到这一点 测量次数n为有限值时 标准误差的估计值 s可由下式计算 式为贝塞尔公式 在一般情况下 我们对 和 s并不加以严格区分 统称为标准误差 标准误差 的大小可以表示测量结果的分散程度 图1 4为不同 下正态分布曲线 由图可见 愈小 分布曲线愈陡峭 说明随机变量的分散性小 测量精度高 反之 愈大 分布曲线愈平坦 随机变量的分散性也大 则精度也低 通常在有限次测量时 算术平均值不可能等于被测量的真值x0 它也是随机变动的 设对被测量进行m组的 多次测量 后 每组测量n次 各组所得的算术平均值 围绕真值L有一定的分散性 也是随机变量 算术平均值的精度可由算术平均值的均方根偏差来评定 它与 s的关系如下 所以 当对被测量进行m组 多次测量 后 在无系统误差和粗大误差的情况下 根据概率分析它的测量结果x0可表示为 概率P 0 62827 或 概率P 0 9973 1 13 例1 1等精度测量某电阻10次 得到的测量值为 167 95 167 60 167 87 168 00 167 82 167 45 167 60 167 88 167 85 167 60 求测量结果 表1 1测量值列表 解 将测量值列于表1 1 测量结果为 概率P 0 6827 概率P 0 997 置信区间 就是随机变量的范围 L L 表示又 L Z Z为置信系数 Z L 置信限 L Z 置信概率 Z 随机变量在置信区间内取值的概率 置信度 结合置信区间与置信概率置信水平 Z 随机变量在置信区间外取值的概率 置信区间与置信概率 图1 5置信区间与置信概率 0 1 2 置信区间 L 1 2 置信概率P z 1 Z 1时 置信区间 置信概率 Z 0 683 68 3 置信水平 Z 0 317 31 7 Z 2或Z 3时 置信区间 2 或 3 置信水平 Z 5 或置信水平 Z 0 3 故极限误差 lim 2 或 3 原始数据必须实事求是地记录 并注明有关情况 在整理数据时 再舍弃上述有明显错误的数据 基本方法是给出一个置信水平值 常给定 0 05或0 01 然后确定相应的置信区间 则超过此区间的误差被认为是粗差 相应的测量值予以舍弃 常用这两种方法 1 拉依达准则2 格拉布斯准则 2粗差的判别与坏值的舍弃 一 系统误差是一种恒定不变的或按一定规律变化的误差 恒定系差误差的大小和符号固定不变 变化系差是一种按照一定规律变化的系统误差 可分为累计性系差 周期性系差及复杂变化系差等 3系统误差 系统误差的变化特征 a恒定系差 b累计性系差 c累计性系差 d周期性系差 e复杂变化的系差 t 0 二 系差的消除方法1 在测量结果中修正2 消除产生系统误差的根源3 在测量系统中采用补偿措施4 实时反馈修正5 交换法6 上 下读数法或换向法 三 系统误差的估计方法 恒定系差的估计恒定系差 修正值 测量值误差平均值 变化系差的估计精确 以函数关系式或实验公式描述一般 估计出变化系差的上 下限值b和a 设a b a b 2 恒定部分 e b a 2 变化部分的幅值 直接检测量将误差传递给间接检测量 一 间接测量中系统误差的传递二 间接测量中随机误差的传递如果直接检测的各个量之间彼此相关 间接检测量的计算将十分复杂 应设法将相关量转化为独立量来计算 去耦 第八节误差的传递 一 随机误差的合成按方和根法得到它们的标准误差 二 系统误差的合成1 恒定系差的合成可按代数和法合成 当误差项数较多时 一般情况下按方和根法合成较好 第九节误差的合成 2 变值系差的合成第j个系差的误差区间为 aj bj 系统不确定度为 ej 1 2 bj aj 标准误差为 j ej kj 系统不确定度或极限误差与置信系数之比 合成方法 1 线性相加法 e e1 e2 e3 en 2 方和根法 e e12 e22 e32 en2 3 广义方和根法 将各变值系差的系统不确定度转换成相应的标准误差 用方和根法合成后 得到总的标准误差 再转化为总的系统不确定度 三 随机误差与系统误差的合成1 线性相加法 g e 线性相加的结果 综合不确定度g偏大 2 方和根法 g e2 23 广义方和根法 四 最后结果的表示 1 随机不确定度 又称A类不确定度 与系统不确定度 又称B类不确定度 在结果中分别标明 最后结果可表示为 M e 式中 M为被测量的测量值或计算结果 e及 分别是相应的系统 随机不确定度 2 用随机不确定度与系统不确定度合成后的综合不确定度表示之 最后结果可写为 M g 例 标准活塞式压力计实验测得各种误差因数引起的压力的极限误差值如下 求总的不确定度 压力P ma S 单位均略 1 恒定系差 0 2 由系统安装误差引起 2 系统不确定度 e1 10 3 是由活塞有效面积S引起的 e2 3 2 来自砝码及活塞质量 m e3 0 5 是由重力加速度a的误差引起的 3 随机不确定度 1 11 6 是由活塞有效面积引起的 2 4 8 是由砝码及活塞质量 m 引起的 解 设引起误差的各个因数是相互独立的 按照方和根法合成 总的系统不确定度为 e e12