1、传感器原理及工程 应用,康思民,2,4 学时,第1章 传感器与检测技术的理论基础,1.1 检测技术概论 1.2 误差理论与数据处理,3,测量定义：,被测信息：,传感器、检测仪器、检测装置、检测系统,全部操作：,检测过程：,确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作,一、检测的基本概念,信号采集、信号处理、信号显示、信号输出,物理量（光、电、力、热、磁、声、）,被测对象：,宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）,检测器具：,化学量（PH、成份）,生物量（酶、葡萄糖、）, ,1.1 检测技术概论,4,例：空调机测量控制室温,一、检测的基本概念,空气,被测对象：,被测信息：,检测器具：,操作过程：,
2、室内空气,温度,温度传感器 - 热电阻、热电偶, 热敏电阻, 电信号, 处理, 显示,空调机,5,二、检测系统的构成,接口总线,存储显示分析监控判断决策,一般构成：,6,检测系统构成,力 位移 速度 加速度 压力 流量 温度,电阻式 电容式 电感式 压电式 热电式 光电式 磁电式,电桥 放大器 滤波器 调制器 解调器 运算器 阻抗变换器,笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡,数据处理器 频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪 电子计算机,被测对象,传感器,中间变换 测量装置,显示及 记录装置,实验结果 处理装置,激发装置,7,三、检测方法分类,1. 直接测量
3、（绝对测量、相对测量）、间接测量与组合测量 2. 开环测量与闭环测量 3. 偏差法、零位法、微差法,8,三、检测方法分类,1、直接测量与间接测量,直接测量：直接将被测量与标准量进行比较,标准量,标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、）绝对测量,定值标准量（如某一固定尺寸）相对测量,9,三、检测方法分类,- 绝对测量：,采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值,测量结果：20.1 mm,- 相对测量：,将被测量直接与基准量比较，得到偏差值,特点：简单、直观、明了； 测量精度不高,基准量：20.00 mm,测量值：+0.08 mm,结 果：20.08 mm,特点：精度高；复杂、成本高、要求高,
4、10,三、检测方法分类,间接测量,如测导线的导电率：,测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得,11,三、检测方法分类,2、开环测量与闭环测量,开环测量：,反馈测量：,特点：简单、直观、明了； 测量精度不高,特点：精度高；复杂、成本高、要求高,12,三、检测方法分类,3、偏差法、零位法和微差法,偏差法：,零位法：,利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值,利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值,微差法：,偏差法和零位法的结合,13,三、检测方法分类,思考：,杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？,14,四、
5、现代检测技术发展趋势,智能化 虚拟化 网络化 微型化 软测量技术,15,16,17,18,19,1.2 误差理论与数据处理,误差定义、来源、分类、测量精度, 1.2.2 数据处理的一般方法,算术平均法、最小二乘法、一元线性回归., 1.2.1 测量误差的基本理论,20,基本理论,一、 测量误差的定义,定义：,x 测量误差 x 测量结果 x0 真值,测量结果与其真值的差异,真值：,被测量的客观真实值,理论真值：,理论上存在、计算推导出来,如：三角形内角和180,约定真值：,国际上公认的最高基准值,如：基准米,(氪-86的能级跃迁在真空中的辐射波长),相对真值：,利用高一等级精度的仪器或装置的测量
6、结果作为近似真值,1m=1 650 763.73 ,标准仪器的测量标准差 1/3 测量系统标准差, 检定,定性概念，定量表示,（1-1）,21,1绝对误差 式（1-1）表示的误差也称为绝对误差。绝对误差可以为正也可以为负值，且是一个有单位的物理量。 2相对误差 相对误差为绝对误差与真值之比，因测得值与真值接近，所以也可近似用绝对误差与测得值之比值作为相对误差，一般用百分比来表示，即,3引用误差 为了计算和划分准确度等级的方便，通常采用引用误差，它是从相对误差演变过来的，定义为绝对误差与测量仪表量程之比，用百分数表示，即,（3-3）,测量仪表的量程。,（3-2）,22,基本理论,二、测量误差的来
7、源,(1) 原理误差：,测量原理和方法本身存在缺陷和偏差,近似：,如：非线性 比较小时 可以近似为线性,假设：,理论上成立、实际中不成立,如：误差因素互不相关,(2) 装置误差：,测量仪器、设备、装置导致的测量误差,机械：零件材料性能变化、配合间隙变化、传动比变化、蠕变、空程,电路：电源波动、元件老化、漂移、电气噪声,(3) 环境误差：,测量环境、条件引起的测量误差,空气温度、湿度，大气压力，振动，电磁场干扰，气流扰动，,(4) 使用误差：,理论分析与实际情况差异,方法：,测量方法存在错误或不足,如：采样频率低、测量基准错误,读数误差、违规操作、,23,基本理论,三、测量误差的性质与分类,(1
8、) 随机误差( random error ),正态分布,性质：,原因：装置误差、环境误差、使用误差 处理：统计分析、计算处理 减小,对称性,有界性,抵偿性,单峰性,24,基本理论,(2) 系统误差( system error ) ：,性质：有规律，可再现，可以预测 原因：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差 处理：理论分析、实验验证 修正,(3) 粗大误差( abnormal error ) ：,性质：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起 原因：装置误差、使用误差 处理：判断、剔除,25,基本理论,四、测量精度,精度：,测量结果与真值吻合程度,定性概念,测 量 精 度 举 例,不
9、精密（随机误差大）准确（系统误差小）,精密（随机误差小） 不准确（系统误差大）,不精密（随机误差大） 不准确（系统误差大）,精密（随机误差小） 准确（系统误差小）,26,基本理论,精密度：,( precision ),表述：,概念：,重复测量时，测量结果的分散性,准确度：,表述：,精确度：,( 正确度),测量结果与真值的接近程度，系统误差的影响程度,性质：,随机误差的标准差 ( standard deviation ),性质：,系统误差和随机误差综合影响程度,平均值与真值的偏差 ( deviation ),表述：,不确定度 ( uncertainty ),工程表示：,引用误差，最大允许误差相对
10、于仪表测量范围地百分数,0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 5.0 七级,27,数据处理的一般方法,数据处理 - 被测量的估计值 - 可信程度（评定）,1、系统误差的消除, 找出规律 - 修正值 测量方法 - 避免出现系统误差,1）分析系统误差产生的原因- 防止系统误差出现的最基本办法测量前 - 对可能产生的误差因素进行分析，采取相应措施 2）引入修正值进行校正- 已出现的系统误差理论分析/专门的实验研究 - 系统误差的具体数值和变化规律- 确定修正值（温度、湿度、频率修正等）- 修正表格、修正曲线、修正公式 - 按规律校正 3）检测方法上消除或减小- 实际测量中，采取
11、有效的测量方法- 现有仪器设备取得更好的效果（提高测量准确度）,28, 换位法/替代法,引起系统误差的条件（如被测量的位置）相互交换 - 其他条件不变,换位/替代法, 抵消法,改变测量条件（如方向）- 两次测量结果的误差符号相反- 平均值消除带有间隙特性的定值系统误差, 差动法, 比值补偿法, 半周期偶数观测法,29,2、粗大误差的减少办法和剔除准则,1）判别方法, 物理判别法,- 人为因素（读错、记录错、操作错）, 统计判别法,- 整个测量完毕之后,2）剔除准则, 拉依达准则（3 准则）, 肖维勒准则, 格拉布斯准则,- 测量过程中,- 不符合实验条件/环境突变（突然振动、电磁干扰等）,统计
12、方法处理数据 - 超过误差限 - 判为坏值 - 剔除,随机误差在一定的置信概率下的确定置信限,测量值 Xd 的剩余误差的绝对值 | Pd| 3 - 坏值 - 剔除,测量值 Xd 的剩余误差的绝对值 | Pd| n - 坏值 - 剔除,n - 肖维勒系数（查表确定）,测量值 Xd 的剩余误差的绝对值| Pd| (,n) - 坏值 - 剔除,(,n) - 查表确定,- 随时发现，随时剔除 - 重新测量,30,3、随机误差的分析处理,- 统计方法,正态分布（高斯分布） - 大多数；,其它 - 正弦分布、二次分布、卡方分布、指数分布、 分布、 分布等, 分布：,均匀分布 - 量化误差、舍入误差；,N次
13、测量结果 - xi ( i =1, 2, , N ),31,1）随机误差的分布规律,理论和实践都证明了大多数的随机误差服从正态分布 或接近正态分布，其概率密度函数为,随机误差的表述,误差 = x - x0,均方根误差/标准误差,h - 精密度指数,32, 对称性,特点:, 有界性, 抵偿性, 单峰性,- 可正可负 - 绝对值相等的正负误差出现的机会相等,P() - 曲线对称于纵轴,- 绝对值不会超过一定的范围（一定的测量条件下）,绝对值很大的误差几乎不出现,全体随机函数的代数和,- 绝对值小的误差出现的机会多（概率密度大）, =0 处随机误差概率密度有最大值,33,2）算术平均值和标准差,在等
14、权测量条件下，对某被测量进行多次重复测量，得到一系列测量值 常取算术平均值,作为测量结果的最佳估计,34,无限多次测量算术平均值作为真值的理论依据,若测量次数无限增多，且无系统误差下，由概率论的大数定律知，算数平均值以概率为1趋近于真值。,根据随机误差 的抵偿性，当n充分大时，有,35,算术平均值的标准差,常用贝塞尔（Bessel）公式计算,36,三类测量误差处理的方法总结, 随机误差具有抵偿性，这是它最本质的特性，算术均值和标准差是表示测量结果的两个主要统计量；系统误差则违背抵偿性，因而会影响算术均值，变化的系统误差还影响标准差；粗大误差则存在于个别的可疑数据中，也会影响算术均值和标准差。
15、随机误差服从统计规律，是无法消除的，但通过适当增加测量次数可提高测量精度；系统误差则是有确定性规律，在掌握这个规律后，可以采取适当的措施消除或减小它；粗大误差既违背统计规律，又违背确定性规律，可用物理或统计的方法判断后剔除。 为处理一组测量数据，往往先找出个别可疑数据，经统计判断确认无粗大误差后，再用适当的方法检验数据中是否含有明显的系统误差，如确认已无系统误差，最后处理随机误差，统计算术平均值、标准差及极限误差，以正确的表达方式给出测量结果。,37,测量结果的数据处理实例,分两种情况：等精度直接测量列测量结果的数据处理实例和不等精度直接测量列测量结果的数据处理实例。,38,例：对恒温箱的保温
16、性进行研究，等精度测量某一温度点的值20 次，测得值如下：（单位：）25.53 25.52 25.50 25.52 25.5325.53 25.50 25.49 25.49 25.5125.53 25.52 25.49 25.38 25.5025.52 25.54 25.47 25.48 25.51 已知温度计的系统误差为-0.05,除此以外不再含有其它的系统误差，试判断该测量列是否含有粗大误差，并求当置信概率为99.73%时该温度点的测量结果。,等精度直接测量列测量结果的数据处理实例,39,测量不确定度,测量不确定度的含义,定义：是测量结果含有的一个参数，用以表征合理的赋予被 测量量值的分散性。,被测量的估计,测量不确定度,测量结果并非一个确定值，而是包含分散的无数个可能值所处的一个区间。测量不确定度正是这个区间的度量。,40,课后作业,
