1、自动检测技术,清华大学出版社出版,主编：刘小波,第1章 检测技术的基本知识,传感器的组成及作用 测量方法 误差的基本概念 传感器及检测技术的基本特性,本章要点,任务一 传感器的认知,传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，它们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非电量转换成电量。,1. 传感器的定义,能感受规定的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 。,2. 传感器的组成,传感器的组成框图,敏感元件是指直接感受被测对象（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为电量）的元件。 转换元件又称变换器，一般情况下，它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换
2、为电量输出的元件。 信号调节与转换电路是指能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。,轴承缺陷检测,3. 传感器的分类,按被测量分类：以被测物理量命名。可分为位移、速度、加速度、压力、温度、湿度、流量、振动、气体传感器等。 按工作原理分类：以传感器对信号转换的作用原理命名。可分为应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、光电式传感器等。,(3) 按能量形式分类：可分为能量变换型（自源型）和 能量控制型（外源型）两种。 (4) 按传感器工作机理分类：可分为结构型传感器和物性型传感器。,3. 传感器的分类,任务二 测量误差的分析及处理,测量是为确定被测对象的量值而进
3、行的实验过程，其目的是要知道被测量值的真实大小。,任何测量过程都存在误差，而且始终贯穿于整个测量过程。,测量误差的研究是为了确切地了解测量误差的大小范围，把测量误差控制在能够满足需要的程度，并能以误差理论为依据对测量结果做出科学的、合理的评定。,1.1 测量方法,1.1.1 测量的概念,定义：测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与作为单位的标准量进行比较，以确定出被测量是标准量的多少倍数的过程，所得倍数就是测量值。,1.1.2 测量的分类方法,1. 按获得测量值的方法分类,(1) 直接测量,直接测量就是用预先分度或标定好的测量仪表直接读取被测量的测量结果。,(2) 间接测量
4、,间接测量就是利用被测量与某中间量的函数关系，先测出中间量，然后通过相应的函数关系计算出被测量的数值。,(3) 组合测量,组合测量是被测量与多个元素有关，必须经过求解联立方程组才能得到最后的结果。,2. 按测量方式分类,偏差法测量是指在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的测量方法。,(2) 零位法,零位法是在测量过程中，用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零仪表的零位指示测量系统的平衡状态，在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测量的测量方法。,(3) 微差法,微差法是零位法和偏差法的组合。将被测的未知量与已知的标准量进行比较，取得差值后，再用偏差法测此差值。,(1
5、) 偏差法,(1)接触测量和非接触测量,3. 其他测量方法,接触式测量是指传感器与被测对象直接接触，感受其变化，从而获得信号大小的测量方法。,(2) 静态测量和动态测量,静态测量是测量不随时间变化或变化很缓慢的物理量。,动态测量是测量那些随时间不断变化的物理量。,1.2 误差的概念,被测对象某参数的量值的真值是客观存在的，由于各种原因，使测量结果总有误差。误差处理是测量技术的理论基础。 误差理论又是解决这些实际问题的理论基础，本节主要介绍测控系统的误差处理，包括研究测量误差的性质，分析产生误差的原因，以及随机误差处理方法和疏忽误差处理方法等。,1. 误差的基本知识,1.2.1 测量误差的定义及
6、表示法,测量误差是检测结果与被测量的客观真值之间的差值。,真值是指在观测一个物理量时，该量本身所具有的实际大小。,约定真值指足够接近一个真值的量。,(1)测量误差,(2)真值,(3)约定真值,(5)标称值,相对真值是指计量器具按精度不同分为若干等级，精度高一级或几级的仪表的指示值，为精度低的仪表的真值，此真值为相对真值。,(4)相对真值,标称值是计量或测量器具上标明其特性或指导其使用的量值。,(7)精确度（精度）,(6)示值,示值是由测量仪器给出或提供的量值，也称测量值。,精确度表示测量结果与真值之间的接近程度。,测量误差的定义,由于检测系统(仪表)不可能绝对精确，测量原理的局限、测量方法的不
7、尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。,(1) 测量装置误差 测量装置误差包括仪器仪表误差、标准器具误差和附件误差。 (2) 测量方法误差 仪表安装使用方法不正确，或测量的依据，如原理、理论公式不正确引起的误差。 (3 )环境误差 由于各种环境因素与规定的标准状态不一致，而引起的测量装置和被测量本身的变化所造成的误差。 (4) 人员误差 测量人员因工作疲劳、固有习惯，以及精神上的一时疏忽所引起的误差。,2. 测量误差的来源,3. 测量误差的表示法,(1) 绝对误差,绝对误差是指测
8、量值与真值之间的差值，它反映了测量值偏离真值的多少 。,常用实际真值x0代替L0,(2) 相对误差,相对误差是绝对误差与真值之比，因测量值与真值接近，所以也可近似用绝对误差与测量值之比作为相对误差，一般用百分比来表示。,相对误差通常用于衡量不同被测量的准确度，相对误差越小，测量准确度越高。,(3) 引用误差（或满度相对误差 ）,为了计算和划分准确度等级的方便，通常采用引用误差。,这类仪器仪表可测范围不是一个点，而是一个量程。,引用误差常在多挡和连续刻度的仪器仪表中应用。,(4) 最大引用误差,确定测量仪表的精度等级应用最大引用误差,从仪表面板上可看到仪表精度等级的标志，精度等级数值越小，仪表精
9、度越高，价格也越贵。,取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器（系统）精度等级的标志，也即用最大引用误差去掉号和百分号()后的数字来表示精度等级，精度等级用符号G表示。,精度等级,为统一和方便使用，国家标准GB776-76测量指示仪表通用技术条件规定，测量指示仪表的精度等级G分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七个等级。,解：用0.5级的表测量时，可能出现的最大示值相对误差为若用1.0级的表测量时，可能出现的最大示值相对误差为,计算结果表明，用1.0级的表比用0.5级的表示值相对误差反而小，所以更合适。,【例】 现有0.5级的0300C和1.0级的0100C两个温度计，要
10、测量80C的温度，试问采用哪一个温度计好？,1.2.2 测量误差的分类,1. 按测量误差出现的规律分类,系统误差,在同一条件下，多次重复测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，遵循一定规律变化的误差。,(2)随机误差,在同一条件下，多次重复测量同一量时，误差的绝对值和符号均无规律变化的误差。,(3)粗大误差,粗大误差是测量结果明显偏离其实际值，歪曲了测量结果的误差。,2. 按被测量与时间关系划分,(2)动态误差,静态误差,被测量稳定，不随时间变化时所产生的测量误差称为静态误差。,被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的误差。,1.3 测量误差的处理方法,1.3.1 系统误差
11、的分析与处理,系统误差不具有抵偿性，难以发现，但系统误差往往固定不变或按一定规律变化，可判断并消除。,找出产生系统误差的根源是减小或消除系统误差的关键。,1. 系统误差的判断,理论分析法 实验对比法 残差观察法 准则检测法,残差观察法是根据残余误差的变化规律，判断系统误差的有无、类型以及大小等。,准则检测法实质上是检验误差的分布是否偏离正态分布 。,实验对比法是通过改变产生系统误差的条件，进行不同条件的测量，以发现系统误差 。,理论分析法针对测量方法、测量理论所引入的误差，通过定性、定量分析来确定误差。,系统误差虽然具有规律性，但对于具体的测量，这一规律表现各不相同。,残余误差基本上正负相同，
12、为不变系统误差。,残余误差曲线,残余误差线性递增，存在累进性系统误差, 为线性变化的系统误差。,残余误差曲线,残余误差的大小、符号呈周期性变化，存在周期性系统误差。,残余误差曲线,残余误差周期性递增，同时存在累进性系统误差和周期性系统误差，为复杂规律变化的系统误差。,残余误差曲线,2. 系统误差的处理,(1) 消除系统误差产生的根源, 检查所用传感器、测量仪表或组成元件 是否准确可靠； 测量方法是否完善； 仪表工作环境条件是否符合要求； 测量者是否严格按照操作规程处理，是否存在视疲劳等因素。,(2) 利用修正方法减小系统误差,预先通过检定、校准或计算得出测量器具的系统误差的估计值，作出误差表或
13、误差曲线，然后取与误差数值大小相同而符号相反的值作为修正值，将实际测量结果加上相应的修正值，即可得到已修正的测量结果。,在测量装置上对被测量测量后，不改变测量条件，立即用一个标准量替换被测量，放到测量装置上再次测量，从而求出被测量与标准量的差值。,对被测量进行两次适当的测量，改变测量中的某些条件，使两次测量结果的系统误差大小相等、方向相反，取两次测量结果的平均值作为最终测量结果。, 替代法,(3) 测量过程中采用的方法, 抵消法, 对称法, 交换法, 补偿法,将某些条件交换，保持其他条件不变，使引起系统误差的因素对测量结果产生相反的影响，从而减小系统误差。,被测量随时间变化线性增加，若选定整个
14、测量时间范围内的某时刻为中点，则对称于此点的各对系统误差算术平均值都相等,在测量过程中找出系统误差的规律，在系统中采取补偿措施，自动消除系统误差。,1.3.2 随机误差的分析与处理,随机误差的概率分布服从一定的统计规律。,1. 随机误差的分布规律,随机误差的频率直方图,2. 随机误差的特点,随机误差的分布规律，大多数服从正态分布或接近正态分布。,随机误差的正态分布曲线,对称性有界性 单峰性 抵偿性,(1) 对称性 绝对值相等、符号相反的误差在测量中出现的机会大致相等，即正负误差出现的概率相同。 (2) 有界性 误差有限度，不会超过一定的界限。 (3) 单峰性 绝对值小的误差比绝对值大的误差出现
15、的概率大。 (4) 抵偿性 在相同的测量条件下，当测量次数增加时，随机误差的算术平均值趋向于零。,3. 算术平均值和标准差,(1) 算术平均值,(2) 标准误差,由贝赛尔公式计算得,(3) 算术平均值的标准误差,算术平均值的标准误差为单次测量值的标准误差的倍。算术平均值的标准偏差比单次测量的标准偏差小，增加重复测量次数可以提高测量结果的精度。,4. 测量值的置信区间与置信概率,K为置信系数,当K=1时，置信概率P=0.6827，处理结果中随机误差出现的+范围内的概率为68.27；当K=2时，出现的2+2范围内的概率为95.45；当K=3时，出现的3+3范围内的概率为99.73。,可以看出，对一
16、组既无系统误差又无粗大误差的等精度测量，当置信区间取3时，误差值落在该区间外的可能性仅有0.27，说明误差绝对值大于3几乎不可能。因此，人们常把3值称为极限误差。,不同置信区间的概率分布示意图,1.3.3 粗大误差的分析与处理,1. 定性分析,对测量设备、测量条件、测量步骤进行分析，看是否存在问题而引起出现异常数据。,2. 定量判断,用概率统计和误差理论知识建立的粗大误差判断准则为依据，进行定量判断，以确定该异常值是否应剔除。工程上常用莱以特准则（3准则）来判断粗大误差。,取3为正常数据 值的最大可能值，当 时，则认为该数据是异常值，应予剔除。3准则是最常用也是最简单的判别粗大误差的准则，但只
17、适用于测量次数较多的情况。,一般测量次数不少于10次，如果不满10次应重新测量 。,小结,测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程，其目的是要知道被测量值的真实大小，在实际测量时，由于实验方法和实验设备的不完善，周围环境的影响以及人们认识能力所限等因素，使得测量值与真值之间不可避免地存在着差异。在数值上即表现为误差。误差研究的目的，是确切地了解测量误差的大小范围，把测量误差控制在能够满足需要的程度，并能以误差理论为依据对测量结果做出科学的、合理的评定。,1.4 检测系统的基本特性,检测系统的特性，一般分为静态特性和动态特性两大类 。,传感器的输入输出作用图,1.4.1 静态特性,静态特性是被
18、测量各个值处于稳定状态时输入与输出之间呈现的关系。,1. 线性度,线性度又称非线性度或非线性误差，是指检测系统的输入输出关系对于理想线性关系的偏离程度 。,线性度示意图,用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使检测系统输出输入特性线性化。这样的直线称为拟合直线 。,实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为检测系统非线性误差（或线性度），通常用相对误差L表示 。,即使是同类传感器，拟合直线不同，其线性度也不同。选取拟合直线的方法很多，用最小二乘法求取的拟合直线拟合精度最高。,端点连线拟合,端点平移拟合,理论拟合,过零旋转拟合,常用的直线拟合方法,2. 迟滞性,迟滞性又称回差或滞后，表示传
19、感器与检测系统在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输入输出特性曲线的不重合程度。,迟滞性示意图,重复性示意图,3. 重复性,重复性是指输入量按同一方向连续多次测试时，所得特性曲线的不一致程度。,Rmax为输出最大不重复误差,4. 灵敏度,灵敏度是指传感器与检测系统对被测量变化的反应能力。当输入量x有一个变化量x时，引起输出量y有相应的变化量y，则输入变化量与输出变化量之比称为灵敏度。,5. 稳定性,稳定性是指在规定工作条件下和规定时间内，传感器与检测系统性能保持不变的能力。,6. 分辨力与阈值,分辨力是指传感器与检测系统能够检测到的最小输入变化量，是有量纲的数。当被测量的变化小于分辨力时
20、，传感器对输入量的变化无任何反应，使传感器产生输出变化的最小输入值称为传感器的阈值。灵敏度越高，分辨力越好。,7. 精度,表征检测系统的测量结果与被测量真值的符合程度，反映了系统误差和随机误差对检测系统的综合影响。,8. 温漂、零漂,温漂是指传感器与检测系统周围温度变化引起参数的变化；零漂是指周围环境因素变化引起的零点或灵敏度的变化 。,9. 量程,量程又称满度值，是指系统能够承受的最大输出值与最小输出值之差 。,1.4.2 动态特性,动态特性是指传感器与检测系统的被测量随时间变化时，输出对输入变化的动态跟随能力。,对检测系统动态特性的理论研究，通常是先建立系统的数学模型，通过拉普拉斯变换找出
21、传递函数表达式，再根据输入条件得到相应的频率特性，并以此来描述系统的动态特性。,1.5 传感器的选用原则,1.5.1 传感器应用中的基本要求,在实际应用中，对传感器的基本要求是：反应灵敏、准确；工作可靠、稳定；能量转换效率高；抗干扰能力强。实际使用时，还要考虑到它的体积、重量、成本、耗电、拆装是否方便等因素。,1.5.2 传感器的选用原则,灵敏度和检测极限 精度和准确度 动态范围和线性 响应速度和滞后性 使用环境及抗干扰 老化,本章小结,传感技术里所指的测量主要是电子测量。它将被测量通过传感器转换为电信号后，利用电子技术和电子仪器测量有关的量值，并按一定规律对应于被测非电量的量值。 误差研究的
22、目的，是确切地了解测量误差的大小范围，把测量误差控制在能够满足需要的程度，并能以误差理论为依据对测量结果做出科学的、合理的评定。,本章小结,检测系统的特性是指输出与输入之间的关系，有静态、动态之分。静态特性指被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。动态特性是指输入量随时间变化的响应特性。 检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术科学。,本章小结,传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置，由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的转换电路组成。,思考与练习,1. 什么是传感器？传
23、感器由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 2.测量的定义是什么？如何表示测量结果？ 3.一线性位移测量仪，当被测位移由5 mm变为8 mm时，输出电压由3 V变为4.5 V，求仪器的灵敏度。 4.有一温度计，它的测温范围为0200，精度为0.5级，求：(1) 该表可能出现的最大绝对误差。(2) 当示值分别为20、100时的示值相对误差。,思考与练习,5.有三台测温仪表，量程均为0600，精度等级分别为1.0级、1.5级和2.5级，要测量500的温度，要求相对误差不超过2.5，选用哪台仪表合适？ 6.欲测240 V左右的电压，要求测量示值相对误差的绝对值不大于0.6。问：若选用量程为250 V的电压表，其精度应选择哪一级？若选用量程为300 V和500 V的电压表，其精度应分别选哪一级？,
