wy-检测技术的基本概念PPT课件

-,1,第1章检测技术的基本概念,1.1检测技术的基本概念及作用1.1.1检测技术的基本概念1.1.2检测技术的发展与展望1.2测量的基本概念1.2.1测量的定义(数学描述)1.2.2测量方法的分类1.3测量误差的分析1.3.1误差的分类（表示方法、性质）1.3.2随机误差的处理1.3.3系统误差的处理1.4有效数字的处理,-,2,1.1.1检测技术的基本概念,检测领域中几个术语的区别（了解）：(1)测量：以确定客观事物的量值为目的，借助于一定的工具和设备，用比较的方法取得被测量数据的过程，包括数据处理、显示或记录等步骤。(2)计量：以获得标准为目的的测量，包括基准器的研制、量值的传递、量值单位的定义和管理以及精密测量等，其规程具有一定的法律性和权威性。(3)检测：利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或仪器所能接收的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成执行器所能接收的信号，实现对被测物理量的控制。(4)测试：带有试验性质的检测，在特定情况下，检测信号可由模拟被测物理量的信号发生装置产生。,1.1检测技术的基本概念及作用,-,3,1.1.2检测技术的发展与展望,检测技术的发展趋势，从以下四个方面来看：1.不断扩大测量范围可检测-200的超低温传感器技术，最高可到3000热电偶测温，最高可测105辐射温度传感器等2.提高测量精度及可靠性一般实用温度计的测温精度（0.44）；标准铂电阻的精度可达0.01。当人体病变时，温度变化量很小，需用精度（0.0010.01）检测出来，在测量微生物的传感器，需要能分辨小于0.001温差的热敏元件。对检测可靠性的要求也越来越高，如探测卫星中的检测装置，不仅要求体积小、功耗低，还要求具有极高的可靠性和工作寿命，需在极低温和强辐射下正常工作。,-,4,3.开发检测的新领域与新技术传感器的发展出现了“多样、新型、集成、智能”的趋势：（1）“新型”的含意1）采用新型敏感材料、新原理、新效应或新工艺；2）利用原有的物理和化学效应，运用于传感技术。如谐振传感器应用于温度、湿度、气体和力等参数的测量；3）利用集成技术和计算机技术开发的新型传感器。,-,5,（2）“集成化”的含义1）将众多单体敏感元件集成在同一衬底上构成二维图像的敏感元件，主要用于光和图像传感器领域，如电荷耦合器件CCED、MOS摄像元件。2）把传感器与放大、运算及温度补偿等环节集成在一个基片上，如集成压力传感器就是将硅膜片、压阻电桥、放大器和温度补偿电阻集成为一个器件。3）将两种或两种以上敏感元件集成在起，构成多功能传感器，如湿-气敏元器件。,-,6,（3）智能化传感技术与电子测量技术的结合，形成了非电量测量技术。仿生学、微电子技术的发展及微处理器的应用，使得非电量的测量进入了智能化时代，传感器本身就是一个智能检测系统。,-,7,1.2.1测量的定义,测量就是借助于专用的技术工具或手段，通过实验的方法,把被测量与同性质的标准量进行比较，求取二者比值，从而得到被测量数值大小的过程。其数学表达式为x=AeAx（1-1）即Ax=x/Ae=被测量/标准量式中，x-被测量；Ae-测量单位；Ax-被测量的数值。式（1-1）称为测量的基本方程式。从式（1-1）可知：被测量数值Ax的大小与所选的测量单位Ae有关，测量单位Ae越小，被测量的数值Ax越大。,1.2测量的基本概念,-,8,1.2.2测量方法的分类,测量过程有三个要素：测量单位、测量方法和测量仪器和设备。测量方法：被测量与其单位进行比较的实验方法。1.按测量过程的特点，可分为直接测量法和间接测量法。（1）直接测量法：选用专用仪表，直接获取被测量的值的过程。如温度计测温度、电位差计测电动势。按所用仪表和比较过程的特点，直接测量法又可分为：偏差法：用事先标定好的仪表测量，根据被测量引起的偏差值，直接读取被测量的值。零位法（平衡式或补偿式）：将被测量与某一标准量（已知）相比较，两者抵消，指零仪表指在零位，说明被测量=标准量，然后用标准量的值决定被测量的值，如天平、电位差计。涉及到平衡操作，反应较慢。,-,9,微差法：将零位法和偏差法相结合。被测量的大部分被标准量抵消，选用灵敏度较高的仪表测量剩余部分的数值被测量=标准量+仪表偏差值。如天平上的游标。与偏差法相比，微差法精度较高；与零位法相比，微差法反应更快（省去微进程的标准量）。,-,10,（2）间接测量法：用直接测量方法测量几个与被测量有确切函数关系的物理量，然后通过函数关系式求出被测量之值。如测量电压U和电流I，计算得到功率P=UI。2.按测量仪表是否与被测物体相接触，可分为接触测量法和非接触测量法。接触测量法：检测仪表的传感器与被测对象直接接触，例如水银体温计测量体温。非接触测量法：检测仪表的传感器不与被测对象直接接触，例如辐射式温度计测温、用光电转速表测速。,-,11,3.按测量对象的特点，可分为静态测量法和动态测量法。静态测量法：被测对象处于稳定情况下（被测参数不随时间而变化）的测量。动态测量法：被测对象处于不稳定的情况下（被测参数随时间变化，如高速公路上的测速?）进行的测量。,-,12,测量的目的是为了准确获取某些被测量的定量信息，但是在实际测量中往往无法绝对精确地测得被测量的真实值（真值），总会存在各种误差（测量值与真值的差异程度称为误差），只能根据实际的需要取得真值的逼近值。实际计算中，用约定真值代替真值：用精度高一级的仪表测得的测量值可视为低一级仪表的约定真值；在测量次数足够多时，仪表示值的算术平均值可作为被测量的约定值。本小节要求掌握测量误差的分类，明确误差产生的原因及消除方法等。,1.3测量误差的分析,-,13,1.3.1误差的分类,1.按误差的表示方法，可分为绝对误差和相对误差。（1）绝对误差：被测量的仪表指示值Ax与其约定真值A0的差值，称为绝对误差x。即x=Ax-A0当x0时，则有正误差；当x0时，则有负误差。修正值C表示，C=-x实际使用时，常将修正值以表格、曲线、公式或数字等形式给出，可算出：被测量的真值=修正值+仪表的示值。,-,14,例测量两个电压，实际值，仪表的示值分别为，。其绝对误差分别为：二者的绝对误差相同，但是二者测量的精确度是不同，为此，引入相对误差的概念。,-,15,（2）相对误差：百分比误差，分为实际相对误差、示值（标称）相对误差和满度（引用）相对误差。1）实际相对误差：绝对误差x与约定真值A0的百分比，用A表示，即2）示值相对误差：绝对误差x与示值Ax的百分比，用x表示，即,-,16,3）满度相对误差：绝对误差x与仪表满量程值AFS的百分比，用n表示，即其中，AFS=仪表刻度上限值Amax-仪表刻度下限值Amin当x=xmax时，n称为最大满度误差，用来定义和划分仪器仪表的精度等级S，即仪表的精度等级分为：0.05，0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等。注意：当计算所得的最大满度误差n与仪表精度等级的分档不等时，应取比稍大的精度等级值，例如计算得n=0.07%，则确定其精度等级为0.1。,-,17,例：某压力变送器测量范围为0400kPa，在校验该变送器时测得的最大绝对误差为-5kPa，请确定该仪表的精度等级。,解：仪表的精度等级,因此，该变送器得精度等级应定为1.5级,例：根据工艺要求选择一测量范围为040m3/h的流量计，要求测量误差不超过0.5m3/h，请确定该仪表的精度等级。,解：同样，仪表精度等级,因此，必须选择精度等级比1.25小，可取1.0级的流量计。,-,18,例：某被测温度信号在7080范围内变化，工艺要求测量误差不超过1，现有两台温度测量仪表，精度等级均为0.5级，其中一台仪表的测量范围是0100，另一台仪表的测量范围是0200，试问这两台仪表能否满足上述测量要求。,-,19,解：由题意可知:测量范围为0100的仪表的最大允许绝对误差为：|max|11000.50.5示值相对误差1=(0.5/80)100%=(0.5/70)100%=0.62%0.71%1%0100的仪表满足测量要求。,-,20,例：测量一个约80V的电压。现有二块电压表，一块量程为300V，0.5级，另一块量程100V，1.0级，问选择哪一块为好？解：求其最大相对误差。1）使用300V，0.5级电压表时2）使用100V，1.0级电压表时可见，用100V，1.0级电压表测量该电压时，精度比较高，故选用100V，1.0级电压表较好。并不是仪表的精度等级越高，测量精度就越高，还需考虑量程。,-,21,2.按误差的性质可分为系统误差、随机误差和粗大误差。（1）系统误差：在相同条件下多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或者改变测量条件时，按一定规律变化的误差称为系统误差。仪器仪表误差、方法误差和理论误差均属于系统误差。系统误差是有规律性的误差。通过仔细分析和研究，产生系统误差的规律是可以掌握的。因此，可设法减小或消除系统误差。,-,22,（2）随机误差在相同条件下多次重复测量同一被测量，其误差的大小和符号均是无规律变化的误差称为随机误差。随机误差的产生是由于许多复杂的因素微小变化的总和引起的。例如，仪表内部某些元件的热噪声和散粒噪声、机械部件的间隙和摩擦、电源电压、频率和环境因素的频繁而无规律的变化等引起的误差均属随机误差。,-,23,（3）粗大误差（简称粗差）在相同条件下多次测量同一被测量时，可能有某些测量值明显偏离了被测量的真正值所形成的误差称为粗大误差。人身误差是产生粗差的原因之一。此外，由于测量条件的突然变化，例如电源电压突变、雷电、机械冲击等也是造成粗差的客观原因。凡是被确认含有粗差的测量结果称为坏值。在测量数据处理时，所有坏值都必须剔除。,-,24,1.3.2随机误差的处理,1.随机误差的特性当测量次数足够多时，大多数随机误差是服从正态分布的。有以下特性：,(1)对称性：大小相等符号相反的正、负误差出现的概率大致相同。(2)单峰性：绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的概率大，在误差=0处，出现的概率最大。(3)互抵性：正负误差相互抵消，n次测量，当n+时，各次测量的随机误差的代数和趋于零。(4)有界性：绝对值大于某一数值的误差出现的概率趋近于零，即误差实际上不会超过某个限值。常把2或3称为极限误差。,-,25,2.随机误差的计算方法,国内外广泛采用标准差(方均根误差)来评定测量随机误差的大小。的计算方法有以下几种：（1）标准法-贝塞尔公式设n次等精度测量的测得值为：x1，x2，xn。1）测量值的算术平均值2）剩余误差（残差）3）标准差,-,26,（2）绝对差法-佩特斯公式,（3）极差法极差：测量值中的最大值与最小值之差，用Rn表示，即,根据测量次数n查阅极差系数表，如表1-2所示（P7），得极差系数dn,。由此，标准差为,-,27,应用贝塞尔公式精度高，但计算麻烦；佩特斯公式计算速度快，但精度低；极差法计算方便、迅速，当测量次数不太多（n10）时，其计算精度与贝塞尔公式所计算的精度相当。,-,28,1.3.3系统误差的处理,系统误差不具有抵偿性，不能用求算术平均值的方法加以消除。但是，系统误差是有规律性的误差，经过仔细的分析和研究，其产生的规律是可以掌握的，因此可以采取一些技术措施削弱或消除其对测量结果的精确度的影响。1、按照系差变化的征性，可将系差分为：（1）已定系差：在测量过程中误差的大小和符号是不变的。例如，仪器仪表的基本误差、仪表的零点偏移、标尺刻度不准确等。见下图中曲线a所示。（2）未定系差：误差的绝对值和符号按照一定规律变化。又可分为以下几种：,-,29,系统误差特征,线性变化的系差：如图中曲线b所示，误差值随时间线性增加或者减小。例如，由于晶体管老化引起放大倍数下降引起；标准电池的电动势随时间而减小。周期性变化的系差：如图中曲线c所示，误差值作周期性变化。复杂变化的系差：如图中曲线d所示，误差的变化规律很复杂，由多个影响因素同时变化引起的。,-,30,2.系统误差的发现,（1）恒定系差的检验恒定系差一般采用实验对比法，即改变测量条件、测量仪器仪表或测量方法进行重复测量，然后将测量结果进行对比，从而发现系差。（2）未定系差的发现1)剩余误差观察法2)马利科夫判据,-,31,剩余误差观察法1、用仪器仪表对某一被测量进行一系列等精密度测量，得示值；2、求算术平均值；3、求出各示值的剩余误差，并将剩余误差按测量先后制成表格或画成曲线进行观察，从而判断是否存在系差：（1）若数值有规律地递增或递减，并在开头和结尾的符号相反，则判断有线性系差；（2）若数值有规律地正负交替变化多次，则判断有周期性系差。,-,32,马利科夫判据-判断是否存在线性系差,1、将测量数据按测量先后排列起来，分别求剩余误差2、把剩余误差数列分为前后两组，分别求前后两组的代数和，然后求前后两组代数和之差M：当n为偶数时，当n为奇数时，如果满足：则认为不存在线性系差。如果满足：则认为存在线性系差。式中，是最大剩余误差。上述两式中的剩余误差必须是无坏值时所计算得到的剩余误差。,-,33,3、消除或减弱系统误差的测量方法,（1）已定系差的消除方法1)替代法在测量过程中，被测量以等值的标准量来替换（先测量未知量后，记下示值；测量可调标准量，使其示值与未知量的示值相等）。替换时，要使仪器的工作状态前后不变，这样就能消除由仪器产生的恒值系差。2)相消法及交校法对同一量做两次测量，使系差在两次测量中方向相反，取两次读数的算术平均值。,-,34,（2）未定系差的消除方法1)等距观测法用对称观测法消除线性系差。2)补偿法采用补偿法消除因某个条件变化或仪器的某个环节的非线性引起的系差。3)对周期性变化的系差，只要读取相隔半周期的两次测量值，取其算术平均值便可消除。,例：对某一电压进行16