第1章+检测与转换技术理论基础.ppt

2022/12/201检测与转换技术检测与转换技术教教 师：师：周雪梅周雪梅办公地点：办公地点：31#15931#159电电 话：话：15114515893151145158932022/12/202本课程主要内容本课程主要内容n检测与转换技术基础理论。检测与转换技术基础理论。n电阻式传感器的工作原理、测量电路及应用。电阻式传感器的工作原理、测量电路及应用。(应变电阻应变电阻、热电阻、电位器、热电阻、电位器)n变电抗和磁电式传感器的工作原理、测量电路及应用。变电抗和磁电式传感器的工作原理、测量电路及应用。(电容电容、电感、电感、霍尔霍尔、电涡流、电涡流)n有源传感器有源传感器工作原理及应用。工作原理及应用。(热电偶热电偶,压电压电,光电光电)n新型传感器工作原理及应用。新型传感器工作原理及应用。(超声波、超声波、光纤光纤、CCDCCD图像图像)n信号放大。（干扰与噪声、仪用放大、隔离放大）信号放大。（干扰与噪声、仪用放大、隔离放大）n信号滤波。（无源低通、高通，有源低通、高通，带通）信号滤波。（无源低通、高通，有源低通、高通，带通）n信号转换。（模拟开关、采样保持器、电压比较器、信号转换。（模拟开关、采样保持器、电压比较器、D/AD/A、A/DA/D）2022/12/203 实验主要内容实验主要内容序序号号实验项目名称实验项目名称实验实验学时学时内容提要内容提要实验类实验类型型实验实验要求要求备注备注1信号调理电路实验信号调理电路实验5应变传感器测试单臂桥、半桥和全桥的工作特性应变传感器测试单臂桥、半桥和全桥的工作特性综合综合必做必做实实 验验 地地点：点：31#301室室测试移相器、相敏检波器、交流电桥的工作特性测试移相器、相敏检波器、交流电桥的工作特性2传传感感器器特特性性测测试试及及应用实验应用实验1电容传感器、霍尔传感器、光纤（任选一种传感器）电容传感器、霍尔传感器、光纤（任选一种传感器）综合综合必做必做电电涡涡流流传传感感器器、光光纤纤传传感感器器、光光电电传传感感器器、压压电电传传感感器器、CCD图图像像传传感感器器、光光纤纤传传感感器器、温温度度传传感感器特性测试及应用器特性测试及应用（可多选）（可多选）综合综合选做选做3传传感感器器应应用用电电路路设设计实验计实验4基基于于集集成成霍霍尔尔传传感感器器的的音音乐乐控控制制电电路路设设计计实实验验、基基于光电传感器的报警电路设计实验于光电传感器的报警电路设计实验（任选一个）（任选一个）设计设计必做必做4检检测测与与转转换换技技术术综综合应用实验合应用实验6心心电电检检测测电电路路设设计计：运运用用仪仪用用放放大大器器对对人人体体心心电电信信号号进进行行放放大大；设设计计50Hz陷陷波波器器对对50Hz干干扰扰进进行行滤滤除除；用用DC-DC隔隔离离电电源源和和光光电电耦耦合合器器设设计计和和调调试试光光电电隔隔离离放放大大器器；设设计计与与调调试试A/D、D/A电电路路，编编制上下位机通讯程序，对采集的数据进行显示。制上下位机通讯程序，对采集的数据进行显示。设计设计必做必做2022/12/204教学（含实践）学时教学（含实践）学时主要教学内容主要教学内容12检测与转换技术概述，信号分类及特征、检测仪表、测量误差及处理、传感器知识概述检测与转换技术概述，信号分类及特征、检测仪表、测量误差及处理、传感器知识概述34电电阻阻应变应变片的片的测测量原理、量原理、电电阻阻应变应变式式传传感器命名与感器命名与选择选择、测测量量电电路及路及应应用用 56电容式传感器工作原理、结构形式、测量电路及应用电容式传感器工作原理、结构形式、测量电路及应用78霍尔传感器的工作原理、霍尔元件、霍尔器件及应用霍尔传感器的工作原理、霍尔元件、霍尔器件及应用910光电式传感器的工作原理及应用光电式传感器的工作原理及应用1112光纤传感器的工作原理及应用光纤传感器的工作原理及应用1314干扰一般概念及分类，运算放大器、仪用放大器电路组成及应用干扰一般概念及分类，运算放大器、仪用放大器电路组成及应用1516隔离放大器、多级放大器的级联及在微弱信号检测中的应用隔离放大器、多级放大器的级联及在微弱信号检测中的应用1718滤波器概述、无源滤波器、有源滤波器滤波器概述、无源滤波器、有源滤波器1920滤波技术在信号检测中的应用滤波技术在信号检测中的应用2122模拟开关模拟开关2324采样采样/保持器保持器2526电压比较器电压比较器2728D/AD/A和和A/DA/D转换转换2932自动检测与转换系统接口电路设计自动检测与转换系统接口电路设计15信号调理电路实验信号调理电路实验6传感器特性测试及应用实验传感器特性测试及应用实验710传感器应用电路设计实验传感器应用电路设计实验1116检测与转换技术综合应用实验检测与转换技术综合应用实验2022/12/205教材教材 马忠丽马忠丽.信号检测与转换技术信号检测与转换技术 哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学出版社出版社.20.201212.3 3马忠丽马忠丽.信号检测与转换实验技术信号检测与转换实验技术 黑龙江人民出版社黑龙江人民出版社.2008.6.2008.6马忠丽马忠丽.信号检测与转换技术实验教程信号检测与转换技术实验教程 哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学.2008.4.2008.4 高延滨高延滨.检测与转换技术检测与转换技术.哈尔滨工程大学出版社哈尔滨工程大学出版社.2007.8.2007.8http:/ （精品课程）（精品课程）2022/12/206主要参考资料主要参考资料 n1 1 颜本慈颜本慈.自动检测技术自动检测技术M.M.北京北京:国防工业出版国防工业出版 社社,1994.1.,1994.1.n2 2 王仲生王仲生.智能检测与控制技术智能检测与控制技术M.M.西安西安:西北工西北工 业大学出版社业大学出版社,2002.9.,2002.9.n3 3 常健生常健生.检测与转换技术检测与转换技术M.M.北京北京:机械工业出机械工业出 版社版社,1999.5.,1999.5.n4 4 王家桢等王家桢等.传感器与变送器传感器与变送器M.M.北京北京:清华大学清华大学 出版出版 n5 5 刘迎春，叶湘滨等编著刘迎春，叶湘滨等编著.传感器原理设计与应传感器原理设计与应 用用M.M.北京：国防工业出版社，北京：国防工业出版社，2004.2004.2022/12/207考核办法考核办法n1.理论课（理论课（80%）：）：闭卷闭卷n2.实验课（实验课（15%）：）：以以创创新新实实验验为为主主（50%），结结合合基基本本实实验验的的 预预习习（10%）、实实验验提提问问（5%）、实实验验操操作作（25%）、测量结果（）、测量结果（10%）给出最终成绩。）给出最终成绩。n3.平时成绩（平时成绩（5%）2022/12/208第一章 检测与转换技术理论基础 本章目的：本章目的：1、了解检测与转换技术实际研究意义；2、了解信号一般分类与特征；3、掌握测量误差和数据处理方法；4、掌握检测仪表常用性能指标的表示方法;5、掌握传感器的基本组成和分类；了解传感器的发展趋势。本章难点：本章难点：信号特征及传感器误差合成与标定。本章重点：本章重点：信号特征及误差分析与数据处理方法。2022/12/2091.11.1检测与转换技术基本概念检测与转换技术基本概念1.1.1检测与转换技术定义检测与转换技术定义 检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称，是以研究自动检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称，是以研究自动检测系统中的检测系统中的信息提取信息提取、信息转换信息转换、信息处理信息处理以及以及信息传输信息传输的理论和技术的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。为主要内容的一门应用技术学科。科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的 门捷列夫门捷列夫 利用各种利用各种物理、化学效应物理、化学效应，选择合适的，选择合适的方法与装置方法与装置，将生产、科研、，将生产、科研、生活等各方面的有关生活等各方面的有关信息信息通过通过检查与测量检查与测量的方法，赋予的方法，赋予定性或定量结果定性或定量结果的过程。的过程。典型检测与转换系统基本组成2022/12/20102022/12/2011 检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，在国民经济中占有重要地位和作用。2022/12/2012 在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开检测技术。检测技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。2022/12/2013鼠标鼠标:光电位移传感器光电位移传感器摄象头摄象头:CCD传感器传感器声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器声卡声卡:A/D卡卡+D/A卡卡软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服计算机中的检测技术：计算机中的检测技术：2022/12/2014军事中的检测技术：美国国家导弹防御计划军事中的检测技术：美国国家导弹防御计划-NMD1.1.地基拦截器地基拦截器2.2.早期预警系统早期预警系统3.3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.4.管理与控制系统管理与控制系统5.5.卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统监测系统监测系统:探测和发现敌探测和发现敌人导弹的发射并追踪导人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹拦截器：能识别真假弹头，敌友方头，敌友方.人体心电信号检测电路构成的方框图 2022/12/20161.2.1 工业检测技术涉及的内容热工量：n温度、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位；机械量：n直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）；几何量：n长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、硬度、材料缺陷等；物体的性质和成分量：n空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色；状态量：n工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）；电工量：n电压、电流、电功率、电阻、电感、电容、频率、磁场强度、磁通密度等（在电工、电子等课程中讲授）。1.2 信号分类及特征2022/12/20171.2.2 传感器信号分类传感器信号分类1动态信号分为确定性信号和非确定性信号动态信号分为确定性信号和非确定性信号(随机信号随机信号)动态信号动态信号确定性信号确定性信号随机信号随机信号周期信号周期信号非周期信号非周期信号平稳信号平稳信号非平稳信号非平稳信号简简谐谐信信号号复复杂杂周周期期信信号号准准周周期期信信号号瞬瞬变变信信号号按性质，信号可分为按性质，信号可分为静态信号静态信号和和动态信号动态信号。按随时间的变化规律按随时间的变化规律 可用明确的数学关系可用明确的数学关系式描述的信号式描述的信号不能用明确的数学关系式不能用明确的数学关系式描述的信号，只能用概率描述的信号，只能用概率统计方法描述。统计方法描述。2022/12/2018A.A.周期信号：当信号按一定时间间隔周而复始重复出现时周期信号：当信号按一定时间间隔周而复始重复出现时,分为简谐信分为简谐信号和复杂周期信号。号和复杂周期信号。简谐信号（正弦或余弦）简谐信号（正弦或余弦）:复杂周期信号：复杂周期信号：是由两个或两个以上的简谐信号叠加而成。是由两个或两个以上的简谐信号叠加而成。2022/12/2019B.B.非复杂周期信号：分为准周期信号和瞬变信号。非复杂周期信号：分为准周期信号和瞬变信号。准周期信号（近似周期信号）：准周期信号（近似周期信号）：由一些不同频率的简谐信号合成，可由一些不同频率的简谐信号合成，可用下式描述用下式描述：瞬变信号：瞬变信号：指冲击信号或持续时间很短的衰减信号。指冲击信号或持续时间很短的衰减信号。2022/12/20202 2连续信号和离散信号（连续信号和离散信号（按波形的不同区分按波形的不同区分）连续信号：连续信号：在讨论的时间间隔内，对于任意时刻都可以给出确定在讨论的时间间隔内，对于任意时刻都可以给出确定的函数值。幅值可以是连续的，也可以是离散的，幅值和时间都是连续的函数值。幅值可以是连续的，也可以是离散的，幅值和时间都是连续的信号称为模拟信号。的信号称为模拟信号。离散信号：离散信号：是在是在连续信号连续信号上上采样采样得到的得到的信号信号。时间上是离散的时间上是离散的，只是在某些不连续的规定瞬时给出函数值，其他时间则没有定义。只是在某些不连续的规定瞬时给出函数值，其他时间则没有定义。模拟信号模拟信号 一般连续信号一般连续信号 离散信号离散信号2022/12/20211.2.3 测量与测量误差测量与测量误差1 1常用测量方法常用测量方法 一个测量过程要经过比较、平衡、读数三步来完成。在一个测量过程要经过比较、平衡、读数三步来完成。在实际工作中，可采用多种测量方法：实际工作中，可采用多种测量方法：等精度测量和不等精度测量等精度测量和不等精度测量；直接测量和间接测量直接测量和间接测量；接触和非接触测量接触和非接触测量；离线测量和在线测量离线测量和在线测量；偏差测量、零位测量和微差测量偏差测量、零位测量和微差测量；动态测量和静态测量动态测量和静态测量。2022/12/2022n等精度测量法：等精度测量法：在测量过程中，使影响测量误差的各因素在测量过程中，使影响测量误差的各因素(环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法等环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法等)保持不变，保持不变，对同一被测量值进行次数相同的重复测量，这种测量方法对同一被测量值进行次数相同的重复测量，这种测量方法称为等精度测量法。等精度测量所获得的测量结果，其可称为等精度测量法。等精度测量所获得的测量结果，其可靠程度是相同的。靠程度是相同的。n不等精度测量法：不等精度测量法：在测量过程中，测量环境条件有部分不在测量过程中，测量环境条件有部分不相同或全部不相同，如测量仪器精度、重复测量次数、测相同或全部不相同，如测量仪器精度、重复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度等有了变化，所得测量结果的量环境、测量人员熟练程度等有了变化，所得测量结果的可靠程度显然不同，这种方法称为不等精度测量法。可靠程度显然不同，这种方法称为不等精度测量法。工程技术中，采用等精度测量。工程技术中，采用等精度测量。2022/12/2023静态测量：被测量随时间不变化或缓慢变化 动态测量：被测值本身随时间快速变化 地震测量振动波形便携式仪表可以显示波形2022/12/2024直接测量：直接测量：用事先分度用事先分度(标定标定)好的测量仪表、量具对被测量进行测量好的测量仪表、量具对被测量进行测量 例：例：电子卡尺电子卡尺间接测量：间接测量：用测量仪表、量具测出与被测量有确定函数关系的其他几个用测量仪表、量具测出与被测量有确定函数关系的其他几个物理量，然后将测得的数值代入函数关系式，计算出所求的被测物理量。物理量，然后将测得的数值代入函数关系式，计算出所求的被测物理量。例：例：阿基米德测量皇冠的比重阿基米德测量皇冠的比重2022/12/2025接触式测量：接触式测量：测量仪器直接与被测物体接触测量仪器直接与被测物体接触非接触式测量：非接触式测量：测量仪器不与被测物体接触测量仪器不与被测物体接触 车载电子警察车载电子警察体温计测温体温计测温2022/12/2026偏差测量：偏差测量：用仪表指针相对于刻度尺的位移用仪表指针相对于刻度尺的位移(偏差偏差)的大小来直接表示被的大小来直接表示被测量的数值。测量的数值。例：指针式仪表例：指针式仪表 零位测量：零位测量：用仪表的指零机构来衡量被测量与标准量是否处于平衡状态。用仪表的指零机构来衡量被测量与标准量是否处于平衡状态。例：天平称重例：天平称重 微差测量：微差测量：将偏差法和零位法组合起来的一种测量方法。将偏差法和零位法组合起来的一种测量方法。例：不平衡电桥测量电阻例：不平衡电桥测量电阻(应变电阻的测量应变电阻的测量)2022/12/2027在线测量：一般是指检测装备或工作站在空间上集成在制造系统中,制造过程与检测过程没有时间滞后(在加工过程中)或只有短时间的延时(在加工过程后)。离线测量：离线：产品质量检验 在线：在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。2022/12/2028测量误差测量误差=测得值测得值-真值真值客观真实值（客观真实值（实际值，真值实际值，真值）1m=1650763.73 约定真值：约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值 相对真值：相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值如：米如：米-公制长度基准公制长度基准 -氪氪-86的的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长能级间跃迁在真空中的辐射波长测量误差：是指用器具进行测量时，被测量的测量值与被测量的真实值之测量误差：是指用器具进行测量时，被测量的测量值与被测量的真实值之间的差值测量所得数据与其相应的真值之差间的差值测量所得数据与其相应的真值之差:=x x0 理论真值：理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值光在真空中光在真空中1s时间内传播距离的时间内传播距离的1/2997924852.2.测量误差基本概念测量误差基本概念 测量值，示值，标称值测量值，示值，标称值2022/12/2029 测量误差来源：测量误差来源：工工具具误误差差(仪仪表表误误差差)：测测量量仪仪表表组组成成元元件件本本身身不不完完善善。例例：标标准准量量具具的的误差，仪表灵敏度不足，仪表刻度不准，变换器、放大器的误差等。误差，仪表灵敏度不足，仪表刻度不准，变换器、放大器的误差等。方方法法误误差差：选选用用测测量量方方法法不不当当，引引用用经经验验公公式式以以及及系系数数的的近近似似性性，测测量量中观测次数的不足。中观测次数的不足。环环境境误误差差(工工作作条条件件误误差差)：测测量量工工作作环环境境与与仪仪表表校校验验时时的的规规定定标标准准状状态态不不同同，以以及及随随时时间间而而变变化化所所引引起起的的仪仪表表性性能能与与被被测测对对象象本本身身改改变变所所造造成成的的误差。误差。个个人人误误差差：测测试试操操作作者者个个人人的的感感官官生生理理不不同同与与变变化化、最最小小分分辨辨力力、反反应应速度和固有习惯以及操作不熟练、疏忽与过失等所造成的误差。速度和固有习惯以及操作不熟练、疏忽与过失等所造成的误差。测量误差的分类：测量误差的分类：按误差出现的规律进行分类：按误差出现的规律进行分类：系统误差、随机误差、粗大误差系统误差、随机误差、粗大误差系统误差：系统误差：系系统统误误差差(简简称称系系差差)，在在同同一一条条件件(指指人人员员、仪仪器器及及工工作作环环境境等等条条件件)下下对对同同一一物物理理量量进进行行多多次次测测量量时时，误误差差的的绝绝对对值值和和符符号号保保持持不不变变，或或者者在在该测量条件改变时，误差按某一该测量条件改变时，误差按某一确定的规律变化确定的规律变化。2022/12/2030系统误差：系统误差：1)1)恒定系差恒定系差:该系差是指在一定的条件下，误差的数值及符号都保持不变该系差是指在一定的条件下，误差的数值及符号都保持不变的系统误差。的系统误差。2)2)变值系差变值系差:该系差是指在一定的条件下，误差按某一确切规律变化的系该系差是指在一定的条件下，误差按某一确切规律变化的系统误差。根据其变化规律又可分为以下几种情况：统误差。根据其变化规律又可分为以下几种情况：*累进性系差。累进性系差。在整个测量过程中误差数值逐渐增加或逐渐减少。（在在整个测量过程中误差数值逐渐增加或逐渐减少。（在整个检测系统量程内误差值与被测量成比例地变化）。整个检测系统量程内误差值与被测量成比例地变化）。*周期性系差周期性系差:在测量过程中误差数值发生周期性变化。在测量过程中误差数值发生周期性变化。*按复杂规律变化的系差按复杂规律变化的系差:变化规律十分复杂，一般用曲线、表格或经变化规律十分复杂，一般用曲线、表格或经验公式来表示。验公式来表示。系统误差产生原因：系统误差产生原因：材料、零部件及工艺的缺陷；环境温度、湿度、压力的变化以及其他外界材料、零部件及工艺的缺陷；环境温度、湿度、压力的变化以及其他外界干扰等。干扰等。系统误差消除方法：系统误差消除方法：系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。2022/12/2031随机误差：随机误差：随随机机误误差差是是测测量量过过程程中中许许多多独独立立的的、微微小小的的、偶偶然然的的因因素素引引起起的的综综合合结结果果。存存在在随随机机误误差差的的测测量量结结果果中中，单单个个测测量量值值误误差差的的出出现现是是随随机机的的，不不能能用用实实验验的的方方法法消消除除，也也不不能能修修正正，但但就就误误差差的的整整体体而而言言，多多数数随随机机误误差差都都服服从从正态分布规律正态分布规律。长度相对测量值长度相对测量值彩票摇奖彩票摇奖粗大误差粗大误差:偏离了实际值的歪曲了测量结果的误差，主要由于测试人员偏离了实际值的歪曲了测量结果的误差，主要由于测试人员粗心大意，过度疲劳，操作不当，疏忽失误等引起，故称过失误差。粗心大意，过度疲劳，操作不当，疏忽失误等引起，故称过失误差。测量误差的分类：测量误差的分类：按使用条件分类分类：按使用条件分类分类：基本误差基本误差、附加误差附加误差基本误差：是指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。所谓标基本误差：是指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。所谓标准条件一般指检测系统在实验室准条件一般指检测系统在实验室(或制造厂、计量部门或制造厂、计量部门)标定刻度时所保持的工作标定刻度时所保持的工作条件，电源电压条件，电源电压220 V土土5；温度；温度20土土5；湿度小于；湿度小于85；电源频率；电源频率50 Hz等。等。基本误差是检测系统在额定条件下工作所具有的误差，检测系统的精确度就是由基本误差是检测系统在额定条件下工作所具有的误差，检测系统的精确度就是由基本误差决定的。基本误差决定的。附加误差：当使用条件偏离规定的标准条件时，除基本误差外还会产生附加附加误差：当使用条件偏离规定的标准条件时，除基本误差外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加差在使用时应叠加到基本误差上去。误差等。这些附加差在使用时应叠加到基本误差上去。测量误差的分类：测量误差的分类：按误差与被测量的关系分类：按误差与被测量的关系分类：定值误差、累积误差定值误差、累积误差定值误差：指误差对被测量来说是一个定值，不随被测量变化。这类误差可定值误差：指误差对被测量来说是一个定值，不随被测量变化。这类误差可以是系统误差，也可以是随机误差。以是系统误差，也可以是随机误差。累积误差：在整个检测系统量程内误差值与被测量成比例变化。累积误差：在整个检测系统量程内误差值与被测量成比例变化。2022/12/2033随机误差的正态分布：随机误差的正态分布：设在一定条件下，对一个量（真值为设在一定条件下，对一个量（真值为X X0 0）进行）进行N N次的等精度重复测量，次的等精度重复测量，得到一组测量结果得到一组测量结果 ，则各值出现的概率密度分布为：，则各值出现的概率密度分布为：在正态分布的概率密度函数中包含着随机变量的一些重要信息。一个随在正态分布的概率密度函数中包含着随机变量的一些重要信息。一个随机变量具有两个重要的参数：机变量具有两个重要的参数：数学期望（被测量真值）数学期望（被测量真值）x x0 0和和方差方差2 2。被。被测量真值测量真值x x0 0体现了测量值取值平均的大小，它反映了测量值取值的集中位体现了测量值取值平均的大小，它反映了测量值取值的集中位置，而用方差置，而用方差2 2来衡量测量值取值在被测量真值来衡量测量值取值在被测量真值x x0 0附近的散布程度。附近的散布程度。3.测量误差处理测量误差处理（1 1）随机误差的处理）随机误差的处理2022/12/2034*被测量真值被测量真值X X0 0的最佳估计的最佳估计 在一定条件下对同一待测量进行多次重复测量，获得个测量值，这个测量值的集合称为样本或测量列。可以证明样本的算术平均值 是 被测量真值的最佳估计:设残余误差*被测量值的均方根被测量值的均方根估计估计在有限次测量中取:测量误差 2022/12/2035*平均值平均值 的标准偏差的最佳估计的标准偏差的最佳估计 前面已经介绍样本平均值 是被测量真值的最佳估计，一般情况下重复若干次测量后，可以由样本平均值来表示测量结果。虽然平均值是样本统计量，但是它本身也是一个随机变量。*测量结果的表示测量结果的表示 对于一组数据进行N次等精度测量，在不考虑系统误差和粗大误差的情况下，所得的数据表示为：用测量值表示用平均值表示2022/12/2036例：对某量进行多次重复的等精度测量，测量次数为10次，在不考虑系统误差和粗大误差的情况下，测量结果如下，试求标准误差和极限误差，并写出测量结果表达式。123.95,123.45,123.60,123.60,123.87,123.88,123.00,123.85,123.82,123.602022/12/20372022/12/2038n置信区间置信区间 随机变量取值的范围，用符号随机变量取值的范围，用符号 表示。表示。置信区间以置信区间以 的倍数来表示，即的倍数来表示，即置信区间与置信概率置信区间与置信概率n置信概率置信概率n 随机变量随机变量 在置信区间在置信区间 内内取值的概率，表示为取值的概率，表示为n置信水平置信水平n 随机变量在置信区间随机变量在置信区间外外外外取值的概率，又称显著水平。取值的概率，又称显著水平。2022/12/2039 置信区间越宽，置信概率越大，置信区间越宽，置信概率越大，随机误差的范围也越大，对测量精度随机误差的范围也越大，对测量精度的要求越低。反之，置信区间越窄，的要求越低。反之，置信区间越窄，置信概率越小，误差范围也越小，对置信概率越小，误差范围也越小，对测量精度要求越高。测量精度要求越高。当当Z=1时，置信概率为时，置信概率为 ，置信水平为，置信水平为 ，说明随机误差落在，说明随机误差落在 区间内的机会为区间内的机会为66.7%当当Z=3时，置信水平为时，置信水平为 ，即发生概率很小，即发生概率很小，通常评定随机误差时以通常评定随机误差时以 为为极限误差极限误差。2022/12/2040随机误差的特点：随机误差的特点：(1)集中性(2)对称性(3)有限性(4)抵偿性大量重复测量时所得到的数值，均集中分布在其平均值附近。当测量的次数足够多时，符号相反、绝对值相等的误差，出现的机会(或称概率)大致相等。绝对值很大的误差，出现的机会极少。因此在有限次的测量中，误差绝对值不超过一定的范围。从对称性中可以推论出，当测量次数趋于无穷多时，随机误差的平均值的极限将趋于零。随机误差的处理方法：随机误差的处理方法：服从正态分布的随机变量有两个重要参数：数学期望x0和方差2，即被测量真值x0和标准误差。一般情况下,x0和是未知的并无法知道。2022/12/2041（2 2）系统误差的处理）系统误差的处理 引入修正值法引入修正值法 零位式测量法零位式测量法(平衡式测量法平衡式测量法)零位式测量法是标准量与被检测量相比较的测量方法，零位式测量必须使检测系零位式测量法是标准量与被检测量相比较的测量方法，零位式测量必须使检测系统有足够的灵敏度。自动平衡显示仪表就属于零位式测量。统有足够的灵敏度。自动平衡显示仪表就属于零位式测量。替换法替换法(替代法、代替法、异号法替代法、代替法、异号法)替换法是用可调的标准器具代替被测量接入检测系统，然后调整标准器具，使检替换法是用可调的标准器具代替被测量接入检测系统，然后调整标准器具，使检测系统的指示与被测量接入时相同，则此标准器具的数值等于被测量。测量的精测系统的指示与被测量接入时相同，则此标准器具的数值等于被测量。测量的精确度主要取决于标准已知量，对指示器只要求有足够高的灵敏度即可。确度主要取决于标准已知量，对指示器只要求有足够高的灵敏度即可。对照法对照法在一个检测系统中，改变一下测量安排，测出两个结果。将这两个测量结果互相在一个检测系统中，改变一下测量安排，测出两个结果。将这两个测量结果互相对照，并通过适当的数据处理，可对测量结果进行改正。对照，并通过适当的数据处理，可对测量结果进行改正。2022/12/2042（3 3）粗大误差的处理）粗大误差的处理粗大误差产生原因：粗大误差产生原因：主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。特点：特点：就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。大误差时，应予以剔除。判别方法：判别方法：目前常用的判别准则有：目前常用的判别准则有：拉依达准则和肖维奈准则拉依达准则和肖维奈准则。偏差特别大偏差特别大弹着点接近正态分布弹着点接近正态分布弹着点均偏向右上侧弹着点均偏向右上侧2022/12/20431.3.1检测仪表的基本组成检测仪表的基本组成 1.1.检测仪表通常由：传感器、变换器、显示器以及连接各环节的传输通道。检测仪表通常由：传感器、变换器、显示器以及连接各环节的传输通道。1.3 检测仪表概述检测仪表概述被测对象被测对象传感器传感器变换器变换器显示器显示器检测仪表的组成框图检测仪表的组成框图2022/12/20441.3.2 检测仪表性能指标检测仪表性能指标 检测仪表的性能指标检测仪表的性能指标 仪表的性能指标：技术、经济及使用等三方面的指标。衡量仪表检测仪表的性能指标：技术、经济及使用等三方面的指标。衡量仪表检测能力的是能力的是技术技术指标。指标。1 1 量程：量程：用仪表测出被测参数的最高值和最低值，分别称为仪表测量范用仪表测出被测参数的最高值和最低值，分别称为仪表测量范围的上限和下限。测量范围的上限值和下限值的代数差即为仪表的量程围的上限和下限。测量范围的上限值和下限值的代数差即为仪表的量程B B。2 2 误差：误差：基本误差基本误差是指仪表在规定的工作条件是指仪表在规定的工作条件(参比工作条件参比工作条件)下的误差。下的误差。附加误差附加误差是指仪表未能在规定的工作条件下，使用而产生的另外增加的是指仪表未能在规定的工作条件下，使用而产生的另外增加的误差。误差。(1 1)绝对误差：绝对误差：仪表的指示值与被测量的真值之间的代数差值。仪表的指示值与被测量的真值之间的代数差值。2022/12/2045(2 2)相对误差相对误差:仪表指示值的绝对误差与被测量的仪表指示值的绝对误差与被测量的约定约定值值的比值的比值.思考：思考：用高压表测量用高压表测量1000v1000v电压，测得值为电压，测得值为1005v1005v；用电压表测量；用电压表测量100V100V电压，电压，测得值为测得值为105V105V；用温度计测量；用温度计测量200200炉温，测得值为炉温，测得值为205,205,试比较三种仪表试比较三种仪表的测量精度。的测量精度。最大引用最大引用相对相对误差：误差：最大引用误差是仪表基本误差的主要形式，常称为仪表的基本误差，是仪最大引用误差是仪表基本误差的主要形式，常称为仪表的基本误差，是仪表的主要质量指标。表的主要质量指标。实际相对误差实际相对误差示数相对误差示数相对误差满度（引用）相对误差满度（引用）相对误差2022/12/20463 3 精度等级：精度等级：仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不能超过规定的仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不能超过规定的允许值，此值称为允许引用误差，记为允许值，此值称为允许引用误差，记为Q Q。工业仪表即以允许引用误差值的大小来划分精度等级，并规定用允工业仪表即以允许引用误差值的大小来划分精度等级，并规定用允许引用误差去掉百分号许引用误差去掉百分号()后的数字来表示精度等级。后的数字来表示精度等级。国家规定国家规定电工仪表电工仪表电工仪表电工仪表精度等级分精度等级分0.10.1，0.20.2，0.50.5，1.01.0，1.51.5，2.52.5，5.05.0七级。七级。表表 仪表的准确度等级和基本误差仪表的准确度等级和基本误差2022/12/2047 作业题作业题11试检定一台2.5级、上限为100v的电压表。由检验记录中发现50v分度点的示值误差最大为2v,并较其他点为最大。作业题作业题22某待测的电压约为100V，现有0.5级量限0-300v和1.0级量限0-100v两个电压表，问用哪一个电压表测量较好?2022/12/2048仪表灵敏度高，精度可以提高，但过高的灵敏度会带来读数不稳定的影响。仪表灵敏度高，精度可以提高，但过高的灵敏度会带来读数不稳定的影响。a)a)静态特性曲线是直线静态特性曲线是直线 b)b)静态特性曲线不是直线静态特性曲线不是直线 图图 仪表的灵敏度静态特性曲线仪表的灵敏度静态特性曲线分辨分辨力力：是指测量仪表能够检测出被测信号最小变是指测量仪表能够检测出被测信号最小变化量的能力。化量的能力。模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半；模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半；数字式仪表的分辨率则指末位数字所代表的值。数字式仪表的分辨率则指末位数字所代表的值。为了保证检测精度，测量仪表的分辨率应小于系统为了保证检测精度，测量仪表的分辨率应小于系统允许误差的允许误差的l/3l/3或或1/51/5或或1/101/10。例如，例如，右图所示的右图所示的数字式温度计分辨数字式温度计分辨力为力为0.10.1。4 4 灵敏度与分辨灵敏度与分辨力力：灵敏度：灵敏度：指稳态时仪表的单位输入量变化所引起的输出量的变化。灵敏度指稳态时仪表的单位输入量变化所引起的输出量的变化。灵敏度K K可表示为：可表示为：2022/12/20495 5 迟滞性（变差、回差）：迟滞性（变差、回差）：指当输入量上升和下降时，对于同一输入值指当输入量上升和下降时，对于同一输入值的仪表两相应输出示值之间的代数差。的仪表两相应输出示值之间的代数差。迟滞性，表明仪表检验时所得输入量迟滞性，表明仪表检验时所得输入量增大增大的上升曲线的上升曲线和和返回的下降曲线返回的下降曲线出现的出现的不重不重合现象合现象。反映传感器机械部分不可避免的。反映传感器机械部分不可避免的缺陷。大小一般由实验确定，其值以满量缺陷。大小一般由实验确定，其值以满量程输出的百分数表示：程输出的百分数表示：*如果变差的最大值除以量程的结果是在允许误差范围之内，则认为如果变差的最大值除以量程的结果是在允许误差范围之内，则认为此仪表是合格的。此仪表是合格的。这种现象可能是由于仪表内某些元件吸收能量所引起，例如这种现象可能是由于仪表内某些元件吸收能量所引起，例如弹性变弹性变形的滞后现象形的滞后现象，磁性元件的磁滞现象磁性元件的磁滞现象；或者是由于；或者是由于仪表内传动机构仪表内传动机构的摩擦、间隙的摩擦、间隙等造成的。等造成的。输出值在正反行程间的最大差值输出值在正反行程间的最大差值 满量程输出满量程输出2022/12/2050 仪表的静态特性：仪表的静态特性：表示仪表在被测各个值处于稳定状态时的输出表示仪表在被测各个值处于稳定状态时的输出-输入关输入关系。