测技术基础my讲课文档

测技术基础my第一页，共74页。2.1.测量定义测量是指人们用实验的方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。2检测系统误差分析第二页，共74页。2.2误差的概念

在检测过程中，由于检测系统的精确度有限、测量方法不完善、环境中存在各种干扰因素，以及检测技术水平的限制等原因，必然使测量值和真实值之间存在着一定的差值，这个差值称为测量误差。测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人员误差等；测量误差的表示方法有多种，含义各异。

第三页，共74页。2.3测量误差的表示方法

测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。1.绝对误差（1）定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。绝对误差：

有大小，又有符号和量纲第四页，共74页。2.相对误差一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。例：测量足球场的长度和广州到珠海的距离，若绝对误差都为1米，测量的准确程度是否相同？相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。第五页，共74页。3.满度相对误差（引用相对误差）用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值－下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或引用相对误差）仪表各量程内绝对误差的最大值第六页，共74页。电工仪表就是按引用误差之值进行分级的。是仪表在工作条件下不应超过的最大引用相对误差我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%测量点的最大相对误差在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。

第七页，共74页。2.4误差的分类和结果的表征误差的分类根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统误差、粗大误差三类。1.随机误差定义:在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差。第八页，共74页。2.系统误差定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。例如仪器的刻度误差和零位误差，或值随温度变化的误差。产生的主要原因是仪器的制造、安装或使用方法不正确，环境因素（温度、湿度、电源等）影响，测量原理中使用近似计算公式，测量人员不良的读数习惯等。第九页，共74页。系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系差越小，测量就越准确。系统误差的定量定义是：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。即第十页，共74页。3.粗大误差：粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。产生粗差的原因有：①测量操作疏忽和失误如测错、读错、记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。②测量方法不当或错误如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压③测量环境条件的突然变化如电源电压突然增高或降低，雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等。含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除掉。第十一页，共74页。结果的表征准确度表示系统误差的大小。系统误差越小，则准确度越高，即测量值与实际值符合的程度越高。精密度表示随机误差的影响。精密度越高，表示随机误差越小。随机因素使测量值呈现分散而不确定，但总是分布在平均值附近。精确度用来反映系统误差和随机误差的综合影响。精确度越高，表示正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。射击误差示意图第十二页，共74页。测量值

是粗大误差第十三页，共74页。2.5随机误差的统计特性及减少方法在测量中，随机误差是不可避免的。随机误差是由大量微小的没有确定规律的因素引起的，比如外界条件（温度、湿度、气压、电源电压等）的微小波动，电磁场的干扰，大地轻微振动等。多次测量，测量值和随机误差服从概率统计规律。可用数理统计的方法，处理测量数据，从而减少随机误差对测量结果的影响。第十四页，共74页。正态分布时概率密度曲线

随机误差和测量数据的分布形状相同，因为它们的标准偏差相同，只是横坐标相差随机误差具有：①对称性②单峰性③有界性④抵偿性

第十五页，共74页。算术平均值：（3）有限次测量数据的标准偏差的估计值残差：实验标准偏差（标准偏差的估计值），贝塞尔公式：算术平均值标准偏差的估计值：第十六页，共74页。3.

测量结果的置信问题（1）置信概率与置信区间：置信区间内包含真值的概率称为置信概率。置信限：

k——置信系数（或置信因子）置信概率是图中阴影部分面积第十七页，共74页。（2）正态分布的置信概率当分布和k值确定之后，则置信概率可定

正态分布,当k=3时置信因子k置信概率Pc10.68320.95530.997区间越宽，置信概率越大第十八页，共74页。4.1.系统误差的特征：

在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，误差按一定的规律变化。多次测量求平均不能减少系差。第十九页，共74页。4.3.系统误差的削弱或消除方法

（1）从产生系统误差根源上采取措施减小系统误差①

要从测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。②

测量仪器定期检定和校准，正确使用仪器。③注意周围环境对测量的影响，特别是温度对电子测量的影响较大。④

尽量减少或消除测量人员主观原因造成的系统误差。应提高测量人员业务技术水平和工作责任心，改进设备。（2）用修正方法减少系统误差

修正值＝－误差=－（测量值－真值） 实际值＝测量值＋修正值第二十页，共74页。（3）采用一些专门的测量方法①替代法②交换法③对称测量法④减小周期性系统误差的半周期法系统误差可忽略不计的准则是： 系统误差或残余系统误差代数和的绝对值不超过测量结果扩展不确定度的最后一位有效数字的一半。第二十一页，共74页。5.粗大误差及其判断准则大误差出现的概率很小，列出可疑数据，分析是否是粗大误差，若是，则应将对应的测量值剔除。1.粗大误差产生原因以及防止与消除的方法粗大误差的产生原因

①测量人员的主观原因：操作失误或错误记录；②客观外界条件的原因：测量条件意外改变、受较大的电磁干扰，或测量仪器偶然失效等。防止和消除粗大误差的方法重要的是采取各种措施，防止产生粗大误差。第二十二页，共74页。2.

粗大误差的判别准则统计学的方法的基本思想是：给定一置信概率，确定相应的置信区间，凡超过置信区间的误差就认为是粗大误差，并予以剔除。莱特检验法格拉布斯检验法式中，G值按重复测量次数n及置信概率Pc确定第二十三页，共74页。3.结果的处理步骤

①对测量值进行系统误差修正，将数据依次列成表格；②求出算术平均值③列出残差，并验证④按贝塞尔公式计算标准偏差的估计值⑤按莱特准则，或格拉布斯准则检查和剔除粗大误差；⑥判断有无系统误差。如有系统误差，应查明原因，修正或消除系统误差后重新测量；⑦计算算术平均值的标准偏差；⑧写出最后结果的表达式，即（单位）。第二十四页，共74页。6.误差的合成分析问题：用间接法测量电阻消耗的功率时，需测量电阻R、端电压V和电流I三个量中的两个量，如何根据电阻、电压或电流的误差来推算功率的误差呢？第二十五页，共74页。在实际应用中，由于分项误差符号不定而可同时取正负，有时就采用保守的办法来估算误差，即将式中各分项取绝对值后再相加该公式常用于在设计阶段中对传感器、仪器及系统等的误差进行分析和估算，以采取减少误差的相应措施。第二十六页，共74页。1.3传感器基础知识1.定义传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示:物理量电量第二十七页，共74页。数据采集1.数据采集的定义(DAQ)

指采集温度、压力、流量等模拟量，转换成数字量，由计算机进行存储、处理、打印的过程。相应系统称为数据采集系统。数据采集——

第二十八页，共74页。2.数据采集的意义

①在生产过程中，对工艺参数进行采集、监测，为提高质量，降低成本，提供信息。②在科学研究中，用来获取微观、动静态信息。解决靠人不能解决的问题。作用意义：第二十九页，共74页。3.数据采集系统的任务有①采集传感器输出的模拟信号，并转换成数字信号，然后送入计算机。②计算机对数字信号进行处理。

例如，物体的运动数据记录、处理。提高工作效率，取得较好的经济效益。结果：第三十页，共74页。5.构成数据采集系统的依据

保证系统具备采样精度的条件下，有尽可能高的采样速度，以满足实时处理、控制的要求。4.评价数据采集系统性能优劣的标准

标准有系统的采样精度。系统的采样速度。第三十一页，共74页。模拟，抽样，数字化

数字信号：时间和幅值均为离散的信号。

模拟信号：时间和幅值均为连续的信号。

抽样信号：时间离散的，幅值连续的信号。量化抽样第三十二页，共74页。模拟信号的数字化处理数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号采样点太多，会占用大量内存单元；采样点太少，会使模拟信号的某些信息被丢失，出现失真现象第三十三页，共74页。足够的采样率下的采样结果

过低采样率下的采样结果

第三十四页，共74页。混叠干扰采样频率为500Hz，5个正弦波的频率分别为100Hz，200Hz，300Hz，375Hz和400Hz。因为100Hz，200Hz的信号频率小于fs/2，可以由离散信号还原出原始的正弦波连续信号。而300Hz，375Hz和400Hz的信号频率都大于fs/2，故离散信号重构原信号时形成了频率不同于原信号频率的信号，即混叠干扰。第三十五页，共74页。采样定理

在进行信号采样时，需要遵循采样定理：设连续模拟信号X(t)的频谱为X(f)，以采样间隔Ts采样得到的离散模拟信号为X(nTs)，如果X(f)和Ts满足以下条件，离散信号X(nTs)可以完全确定频谱X(f)

X(f)有截止频率(即最高频率)fh，即当|f|≥fh时，X(f)＝0Ts≤1/2fh

或fs

≥2fh

第三十六页，共74页。混叠的消除由采样定理可知，如果要求不产生混叠干扰，首先应使被采样信号X(t)成为有限带宽的信号。为此，对不满足此要求的信号，在采样之前，使其先通过模拟低通滤波器滤除高频成分，使其成为带限信号。这种处理称为抗混叠滤波预处理。其次，应使采样频率fs大于带限信号最高频率fh的2倍，即fs>2fh。在实际工作中，考虑到实际的模拟低通滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率fh之后总有一定的过渡带，故采样频率常常选为（3～4）fh，甚至更高。

第三十七页，共74页。量化为了能用计算机处理信号，须将采样信号转换成数字信号，也就是将采样信号的幅值用二进制码来表示，由于二进制码的位数是有限的，只能代表有限个信号的电平，故在编码之前，首先要对采样信号进行“量化”。量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。这一过程称为“量化过程”，简称“量化”。第三十八页，共74页。最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器满量程电压FSR（FullScaleRange）与2n的比值，用q表示，有：式中，n为量化器的位数，也就是采集卡的采样位数。第三十九页，共74页。量化误差由量化引起的误差叫做量化误差（也常叫做量化噪声，因为它常与噪声有相同影响）。量化误差的最大值为q，它是一种原理性误差，只能减小而不能完全消除。由前面q的定义式可以看出，减小量化误差可以通过两个途径：减小FSR，即根据输入信号的大小，设置合理的采集卡通道的输入信号范围；增大n的值，即选择采样分辨率高的采集卡。第四十页，共74页。信号分类在数据采集应用领域，常将被测信号分为数字信号和模拟信号（也称连续时间信号）。第四十一页，共74页。数字信号onofft1-0-t开关信号输入：检测一个开关的打开/闭合输出：打开/关闭一个阀门驱动能力通道数脉冲队列输入：读光编码器的输出信号输出：产生一个方波时钟频率分辨率对采集卡的要求第四十二页，共74页。模拟信号电压信号温度压力流量应力DC精度频域信号振动语音声呐分辨率采样频率精度触发对采集卡的要求时域信号雷达回波血压变化汽车点火波形分辨率采样频率精度触发0.985ttf第四十三页，共74页。Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法MNN延时触发预触发中触发后触发模拟触发数字触发上升沿触发MNN下降沿触发正沿触发负沿触发触发事件第四十四页，共74页。下列情况适用软件触发模式（SoftwareTrigger）用户需要对所有采集事件进行明确控制时间要求不甚严格下列情况适用硬件触发模式采集事件需要与外部装置严格同步高速、瞬态采集事件第四十五页，共74页。模拟信号的连接方式信号根据参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号两种类型。接地信号：就是以系统地（如建筑物的地）为参考点的信号，也称参考信号。因为接地信号用的是系统地，所以与数据采集设备是共地的。如信号发生器和电源。一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号源有电池、热电偶、变压器和隔离放大器等。

第四十六页，共74页。测量系统分类

---参考地单端测量（RSE）所有信号均使用同一个参考电压或接地电压，也称为接地测量系统。在接地测量系统中，被测信号一端接模拟输入通道，另一端直接与系统地AIGND相连。

第四十七页，共74页。---差分测量（DI）信号的正负极分别与一个模拟输入通道相连接。具有仪器放大器（InstrumentationAmplifier）的数据采集设备可配置成差分测量系统。一个理想的差分测量系统能够精确测量（+）和（-）输入端口之间的电位差，并将共模电压完全抑制掉。第四十八页，共74页。---无参考地单端测量（NRSE）所有测量都有一个共同的参考源，但此类参考电压可根据测量系统的地面实际情况而有所不同。在无参考地单端测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公共参考端（AISENSE），但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。第四十九页，共74页。接地信号的测量最好采用差分或NRSE方式若采用RSE方式，会引入较大误差接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE输入方式第五十页，共74页。浮空信号的测量可以用DI、RSE、NRSE方式测量浮空信号在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围之内需在测量端与测量地之间连接偏置电阻10Kohm<R1=R2<100Kohm信号为直流时，仅需要R2；若为交流信号，则R1、R2均为必需第五十一页，共74页。几种信号输入方式的特点差分输入可避免接地回路干扰可避免因环境引起的共模干扰NRSE可避免接地回路干扰RSE最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入输入信号幅值较大，一般需>1V连线比较短，一般<5m环境干扰很小或信号屏蔽比较好所有输入信号都与信号源共地否则建议选用差分输入方式总体而言，差分输入方式是比较好的选择第五十二页，共74页。测量系统的选择连接方式接地信号浮动信号差分√√参考地单端X√无参考地单端√√

单端输入以一个共同点为参考点，这种方式适用于输入信号为高电平（大于1V）且信号源与采集端之间的距离较短（通常小于5m）的应用场合。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。在差分输入方式下，每个输入可以有不同的参考点，并且有效地消除了共模噪声的影响，所以差分输入方式的采集精度较高。第五十三页，共74页。数据采集系统的组成第五十四页，共74页。数据采集卡的功能功能描述模拟输入数据采集卡最基本、最常用的功能，将模拟电压信号通过A/D转换成数字信号。常用于检测温度、压力、流量等传感器的输出电压信号。模拟输出通过D/A转换将自定义的数字信号转化成模拟信号输出。常用作信号发生器为其他系统提供激励。数字I/O处理二值信号，多数采用TTL电平标准。通常用于获取/设置数据采集系统外围设备的状态，可以利用其与外围设备进行通信，还能驱动步进电机等。计数器实现定时功能，或生成数字脉冲信号，以驱动步进电机一类的执行元器件。也能对脉冲信号计数，如测量数字脉冲信号的频率等。第五十五页，共74页。采集卡基本参数以NI公司的PCI-6071E多功能采集卡为例，介绍采集卡的一般参数：模拟输入：64路单端/32路双端，输入范围：±10V分辨率：12位

采样频率：最高1.25MS/s

模拟输出：2路，12位，1MS/s，输出范围：±10V

数字I/O：8路计数器：2路，24位，基准时钟20MHz或100KHz第五十六页，共74页。检测系统的组成和性能系统组成①硬件②软件结构形式①微型计算机数据采集系统②集散型数据采集系统第五十七页，共74页。传感器图1.1微型计算机数据采集系统放大器采样/保持器传感器传感器传感器…A/D转换器计算机显示器打印机绘图机定时与逻辑控制传感器传感器接口被测物理量数字信号开关信号…多路开关1.微型计算机数据采集系统第五十八页，共74页。系统组成①传感器—

将非电量转换为电信号。②多路开关—

分时切换各路模拟量与采样／保持器的通路。③程控放大器—

对模拟信号进行放大。④采样/保持器—

保持模拟信号电压。⑤A/D转换器—

将模拟信号转换为数字信号。⑥接口电路—

将数字信号进行整形电平调整。第五十九页，共74页。时序图如图1.2所示。(1)(2)(3)(4)(5)一个工作周期多路开关放大器采样／保持A／D转换数据总线图1.2数据采集系统工作时序1.2

s6

stAD启动脉冲第六十页，共74页。系统特点①结构简单，易实现②对环境要求不高③系统成本低④集散型的基本单元⑤模板齐全，易组成系统2.集散型数据采集系统

系统结构如图1.3所示第六十一页，共74页。图1.3集散型数据采集系统模拟量输入模拟量输入模拟量输入数字量输入数字量输入数字量输入RS-485RS-485生产现场生产现场生产现场数据采集站数据采集站数据采集站通信接口上位机第六十二页，共74页。数据采集站一般是由单片机数据采集装置组成，位于生产设备附近，可独立完成数据采集和预处理任务，还可将数据以数字信号的形式传送给上位机。数据采集站与上位机之间通常采用异步串行传送数据。数据通信通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集站进行数据传送。它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。第六十三页，共74页。系统特点①适应能力强②可靠性高③实时性好④对硬件要求不高第六十四页，共74页。检测系统的功能

检测系统一般具有以下功能：