第一节检测与转换技术的基本概念精选PPT.ppt

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1、第一节检测与转换技术的基本概念第1页，本讲稿共48页课程概述n必修课n38理论10实验n主要内容概述传感技术基础（误差理论与数据处理）传感器基本特性应变式电感式电容式压电式磁电式热电式光电式（光电检测技术）红外辐射微波超声波数字式化学传感器（气敏、湿敏）智能式（智能传感器）（过程检测技术与仪表）第2页，本讲稿共48页教材与参考书n教材：检测与转换技术 第三版，常健生主编，机械工业出版社，2008n参考书：非电量电测技术（第2版），吴道悌主编，西安交通大学出版社（研）,2004传感器与信号调节（第2版），张伦译，清华大学出版社，2003测量系统应用与设计（英文版），（美）欧内斯特O.德贝林著，机

2、械工业出版社第3页，本讲稿共48页教学基本要求n了解测量与传感技术的基本知识n掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典型测量电路n了解各类传感器的典型应用n考核：综合出勤、学习态度、课堂表现、作业等平时占30%、期末考试占70%缺作业达到三分之一及其以上，或随机抽点名缺勤三次以上无考试资格第4页，本讲稿共48页答疑及联系方式n采取课后答疑和网上答疑的方式n办公室：教六楼自动化教研室526，528Email:QQ：171120690第5页，本讲稿共48页第一节 相关知识1.1、传感技术的地位和作用 n人类社会在发展过程中，需要不断地认识自然与改造自然，这种认识与改造必然伴随着对各种信号的感知和测量

3、。n科技越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖也就越强烈。n现在，测量科学已成为现代化生产的五大支柱之一，也是整个科学技术和国民经济的一项重要技术基础，它对促进生产力发展与社会进步起到重要作用。第6页，本讲稿共48页n传感技术是产品检验和质量控制的重要手段 n传感技术在系统安全经济运行监测中得到广泛应用 n传感技术及装置是自动化系统不可缺少的组成部分 n传感技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步 第7页，本讲稿共48页1.2 传感技术基本概念n传感技术：信息学科的范畴，是自动检测和自动转换技术的总称。n信息获取是指用检测系统从被测量（如物理量、化学量、生物量、社会量等）中提取出有用的信息的过

4、程，一般将信息获取的结果转化为电信号。n信息转换是将所获取的电信号，根据下一环节的需要，在幅值、功率及精度等方面进行处理和转换。n信息处理就是根据输出环节的需要，将变换后的电信号进行数字运算、A/D变换等处理。n信息传输的任务是在排除干扰的情况下准确、经济地进行信息传递。第8页，本讲稿共48页现代信息技术的三大基础：信息采集 信息传输 信息处理传感器技术 通信技术 计算机技术 感官 神经 大脑传感器技术是信息技术中的源头技术传感器技术是信息技术中的源头技术传感器技术是信息技术中的源头技术传感器技术是信息技术中的源头技术第9页，本讲稿共48页变量分类第10页，本讲稿共48页传感器的概念n传感器：

5、能感受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n传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量n传感器功能：检测和转换。n敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件n转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分 第11页，本讲稿共48页传感器的组成第12页，本讲稿共48页传感器输出信号的分类第13页，本讲稿共48页1.3传感器的分类n按传感器的构成进行分类：物性型和结构型按传感器的构成进行分类：物性型和结构型 n按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、

6、压力传感器等 n按传感器的输出量进行分类按传感器的输出量进行分类：模拟式和数字式 n按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型n按传感器的工作原理进行分类按传感器的工作原理进行分类：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等 n按传感器的能量变换关系进行分类：有源、无源按传感器的能量变换关系进行分类：有源、无源第14页，本讲稿共48页1.4 传感技术的发展趋势n提高与改善传感器的技术性能n开展基础研究，寻找新原理、新材料、新工艺或新功能等n传感器的集成化n传感器的智能化第15页，本讲稿共48页1.5 检测系统n检测系统的组成第16页，本讲稿共48页开环测量系统第17页，本讲稿共48页闭

7、环检测系统第18页，本讲稿共48页 第二节、第二节、测量误差的概念和分类测量误差的概念和分类对任意测试系统，必有精度要求，因此必须使误差在允许范围内。对任意测试系统，必有精度要求，因此必须使误差在允许范围内。1、名词解释、名词解释等精度测量，非等精度测量；静态测量，动态测量等精度测量，非等精度测量；静态测量，动态测量真值，实际值，标称值；测量误差；真值，实际值，标称值；测量误差；2、误差的分类、误差的分类）按表示方法分）按表示方法分 绝对误差：绝对误差：X=X-A0 X=X-A 式中：式中：X为被测量，为被测量，A0为真值为真值,A为标准值（精度高一级的标准器具的示值）为标准值（精度高一级的标

8、准器具的示值）相对误差：相对误差：绝对误差绝对误差X与被测量的约定值之比与被测量的约定值之比.实际相对误差实际相对误差:A=X/A100%.示值相对误差示值相对误差:X=X/X100%（示值（示值X）满度相对误差满度相对误差:第19页，本讲稿共48页 2）按误差出现规律分按误差出现规律分 (1)(1)系统误差系统误差:按某种函数规律变化而产生的误差按某种函数规律变化而产生的误差.用用准确度评定准确度评定表明测量结果与真值的接近程度表明测量结果与真值的接近程度,系统误差小系统误差小,则准确度高则准确度高;(2)(2)随机误差：由未知变化规律产生的误差，用随机误差：由未知变化规律产生的误差，用精密

9、度评定精密度评定表现了测量结果的分散性表现了测量结果的分散性.随机误随机误差越小差越小,精密度愈高精密度愈高.精确度精确度反映系统误差和随机误差综合影响的程度反映系统误差和随机误差综合影响的程度,简称精度简称精度.(3)(3)粗大误差：粗大误差简称粗差，指在一定条件下粗大误差：粗大误差简称粗差，指在一定条件下测量结果显著偏离其实际值所对应的误差。测量结果显著偏离其实际值所对应的误差。须判明，须判明，舍去。舍去。第20页，本讲稿共48页测量误差仪器影响方法随机系统疏失精密度人身准确度可取性精确度测量结果评定误差来源、分类及测量结果评定第21页，本讲稿共48页 3)3)按被测量随时间变化的速度分按

10、被测量随时间变化的速度分 静态误差静态误差:静态误差是指在测量过程中静态误差是指在测量过程中,被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差测量误差.动态误差动态误差:动态误差是指在被测量随时动态误差是指在被测量随时间变化很快的过程中间变化很快的过程中,测量所产生的附加测量所产生的附加误差误差.第22页，本讲稿共48页 从工程实践可知，测量数据中含有系统误差和随机误差，有时还含有粗大误差。它们的性质不同，对测量结果的影响及处理方法也不同。在测量中，对测量数据进行处理时，首先判断测量数据中是否含有粗大误差，如有，则必须加以剔除。再看数据中是否存在系统误差，对系统

11、误差可设法消除或加以修正。对排除了系统误差和粗大误差的测量数据，则利用随机误差性质进行处理。总之，对于不同情况的测量数据，首先要加以分析研究，判断情况，再经综合整理，得出合乎科学的结果。第23页，本讲稿共48页u1随机误差的处理在相同条件下，对某个量重复进行多次测量，排除系统误差和粗大误差后，如果测量数据仍出现不稳定现象，则存在随机误差。在等精度测量情况下，得到n个测量值x1、x2、xn，设只含有随机误差1、2、n，这组测量值或随机误差都是随机事件，可以用概率数理统计的方法来处理。随机误差的处理目的就是从这些随机数据中求出最接近真值的值，对数据精密度的高低（或可信度）进行评定并给出测量结果。第

12、24页，本讲稿共48页测量实践表明，多数测量的随机误差具有以下特征：n（1）绝对值小的随机误差出现的概率大于绝对值大的随机误差出现的概率。（单峰性）n（2）随机误差的绝对值不会超出一定界限（有界性）n（3）测量次数n很大时，绝对值相等、符号相反的随机误差出现的概率相等，当n 时，随机误差的代数和趋近于零。（对称性与补偿性）第25页，本讲稿共48页随机误差的上述特征，说明其分布是单一峰值的和有界的，且当测量次数无穷大时，这类误差还具有对称性（即抵偿性），所以测量过程中产生的随机误差服从正态分布规律。分布密度函数为：（1-7）式（1-7）称为高斯误差方程。式中，是随机误差 ，（x为测量值，x0为测

13、量值的真值）；n是均方根误差，或称标准误差。标准误差 可由下式求得：即：（1-8）第26页，本讲稿共48页计算 时，必须已知真值x0，并且需要进行无限多次等精度重复测量。这显然是很难做到的。根据长期的实践经验，人们公认，一组等精度的重复测量值的算术平均值最接近被测量的真值，而算术平均值很容易根据测量结果求得，即：（1-9）第27页，本讲稿共48页因此，可以利用算术平均值 代替真值x0来计算式（1-8）中的i。此时，式（1-8）中的 ，就可改换成 ，vi称为剩余误差。不论n为何值，总有：（1-10）由此可以看出，虽然我们可求得n个剩余误差，但实际上它们之中只有（）个是独立的。第28页，本讲稿共4

14、8页考虑到这一点，测量次数n为有限值时，标准误差的估计值 s可由下式计算：（式为贝塞尔公式。在一般情况下，我们对 和s并不加以严格区分，统称为标准误差。标准误差 的大小可以表示测量结果的分散程度。图1.4为不同 下正态分布曲线。由图可见：愈小，分布曲线愈陡峭，说明随机变量的分散性小，测量精度高；反之，愈大，分布曲线愈平坦，随机变量的分散性也大，则精度也低。第29页，本讲稿共48页通常在有限次测量时，算术平均值不可能等于被测量的真值x0，它也是随机变动的。设对被测量进行m组的“多次测量”后（每组测量n次），各组所得的算术平均值 ，围绕真值L有一定的分散性，也是随机变量。算术平均值的精度可由算术平

15、均值的均方根偏差来 评定。它与s的关系如下：所以，当对被测量进行m 组“多次测量”后，在无系统误差和粗大误差的情况下，根据概率分析它的测量结果x0可表示为：(概率P=0.62827)或 （概率P=0.9973）（1-13）第30页，本讲稿共48页例1.1 等精度测量某电阻10次，得到的测量值为：167.95、167.60、167.87、168.00、167.82、167.45、167.60、167.88、167.85、167.60，求测量结果。序 号测量值xi残余误差vi1167.950.1880.0353442167.60-0.1620.0262443167.870.1080.0116644

16、168.000.2380.0566445167.820.0580.0033646167.45-0.3120.0973447167.60-0.1620.0262448167.880.1180.0139249167.850.0880.00774410167.60-0.1620.026244表1.1 测量值列表解：将测量值列于表1.1。第31页，本讲稿共48页测量结果为：（概率P=0.6827）（概率P=0.997）第32页，本讲稿共48页n n置信区间：置信区间：n n 就是随机变量的范围就是随机变量的范围(-LL)表示表示n n又：又：L=Z n nZ为置信系数，为置信系数，Z=L/n n置信限

17、：置信限：L=Z n n置信概率置信概率(Z)：随机变量在置信区间内：随机变量在置信区间内取值的概率取值的概率.n n置信度：结合置信区间与置信概率置信度：结合置信区间与置信概率n n置信水平置信水平(Z)：随机变量在置信区间外：随机变量在置信区间外取值的概率取值的概率第33页，本讲稿共48页n 图15 置信区间与置信概率置信区间与置信概率(0)1/2置信区间置信区间(L)1/2置信概率置信概率P=(z)=1-第34页，本讲稿共48页n Z Z(Z)(Z)Z Z(Z)(Z)Z Z(Z)(Z)Z Z(Z)(Z)0 00.000000.000000.90.90.631880.631881.91.9

18、0.942570.942572.72.70.993070.993070.10.10.079660.079661.01.00.682690.682691.961.960.950000.950002.82.80.994890.994890.20.20.158520.158521.11.10.728670.728672.02.00.954500.954502.92.90.996270.996270.30.30.235850.235851.21.20.769860.769862.12.10.964270.964273.03.00.997300.997300.40.40.310840.310841.31

19、.30.806400.806402.22.20.972190.972193.53.50.995350.995350.50.50.382930.382931.41.40.838490.838492.32.30.978550.978554.04.00.999370.999370.60.60.451490.451491.51.50.866390.866392.42.40.983610.983614.54.50.999930.999930.67450.67450.500000.500001.61.60.890400.890402.52.50.987580.987585.05.00.999990.999

20、990.70.70.516070.516071.71.70.910870.910872.582.580.990120.99012 1.000001.000000.80.80.576290.576291.81.80.928140.928142.62.60.990680.99068第35页，本讲稿共48页Z=1时，置信区间：置信概率(Z)=0.683=68.3%置信水平(Z)=0.317=31.7%Z=2或Z=3时，置信区间：2 或3 置信水平(Z)=5%或 置信水平(Z)=0.3%故 极限误差=lim=2 或3 第36页，本讲稿共48页 原始数据必须实事求是地记录，并注明有原始数据必须实事求是地

21、记录，并注明有关情况。在整理数据时，再舍弃上述有明显错关情况。在整理数据时，再舍弃上述有明显错误的数据。误的数据。n 基本方法是给出一个置信水平值（常给定基本方法是给出一个置信水平值（常给定=0.05=0.05或或0.010.01），然后确定相应的置信区间，），然后确定相应的置信区间，则超过此区间的误差被认为是粗差，相应的测则超过此区间的误差被认为是粗差，相应的测量值予以舍弃。量值予以舍弃。n 常用这两种方法：常用这两种方法：1 1）拉依达准则）拉依达准则 2 2）格拉布斯准则）格拉布斯准则2 粗差的判别与坏值的舍弃第37页，本讲稿共48页n一、一、系统误差是一种恒定不变的或按一定系统误差是一

22、种恒定不变的或按一定规律变化的误差规律变化的误差.n恒定系差恒定系差n 误差的大小和符号固定不变。误差的大小和符号固定不变。n变化系差变化系差n 是一种按照一定规律变化的系统误差是一种按照一定规律变化的系统误差.可分为累计性系差、周期性系差及复杂变可分为累计性系差、周期性系差及复杂变化系差等化系差等.3 系统误差第38页，本讲稿共48页系统误差的变化特征a恒定系差b累计性系差c累计性系差d周期性系差e复杂变化的系差t0第39页，本讲稿共48页n二、系差的消除方法二、系差的消除方法n1.1.在测量结果中修正在测量结果中修正n2.2.消除产生系统误差的根源消除产生系统误差的根源n3.3.在测量系统

23、中采用补偿措施在测量系统中采用补偿措施n4.4.实时反馈修正实时反馈修正n5.5.交换法交换法n6.6.上、下读数法或换向法上、下读数法或换向法第40页，本讲稿共48页l三、系统误差的估计方法三、系统误差的估计方法l恒定系差的估计恒定系差的估计l恒定系差：恒定系差：l修正值：修正值：测量值误差平均值测量值误差平均值l变化系差的估计变化系差的估计l精确：以函数关系式或实验公式描述精确：以函数关系式或实验公式描述l一般：估计出变化系差的上一般：估计出变化系差的上/下限值下限值b b和和a.a.l设设abab，=（a+ba+b）/2 /2 （恒定部分）（恒定部分）l e=e=（b b a a）/2

24、/2 （变化部分的幅值）（变化部分的幅值）第41页，本讲稿共48页 直接检测量将误差传递给间接检测量。直接检测量将误差传递给间接检测量。一、间接测量中系统误差的传递一、间接测量中系统误差的传递二、间接测量中随机误差的传递二、间接测量中随机误差的传递 如果直接检测的各个量之间彼此相如果直接检测的各个量之间彼此相关，间接检测量的计算将十分复杂，应关，间接检测量的计算将十分复杂，应设法将相关量转化为独立量来计算。设法将相关量转化为独立量来计算。（去耦）（去耦）第42页，本讲稿共48页n一、随机误差的合成一、随机误差的合成n 按方和根法得到它们的标准误差按方和根法得到它们的标准误差:n n二、系统误差

25、的合成二、系统误差的合成n1 1、恒定系差的合成、恒定系差的合成n可按代数和法合成：可按代数和法合成：n当误差项数较多时，一般情况下按方和根当误差项数较多时，一般情况下按方和根法合成较好法合成较好。第43页，本讲稿共48页n2.2.变值系差的合成变值系差的合成n第第j j 个系差的误差区间为个系差的误差区间为aaj j,b,bj j n系统不确定度为：系统不确定度为：e ej j=1/2(b=1/2(bj j-a-aj j)n标准误差为：标准误差为：j j=e=ej j/k/kj j（系统不确定度或极限误差与置信系系统不确定度或极限误差与置信系数之比）数之比）n合成方法：合成方法：n（1 1）

26、线性相加法：）线性相加法：n e=ee=e1 1+e+e2 2+e+e3 3+e+en nn（2 2）方和根法：）方和根法：n e=ee=e1 12 2+e+e2 22 2+e+e3 32 2+e+en n2 2n（3 3）广义方和根法：将各变值系差的系统不确定度转换成相）广义方和根法：将各变值系差的系统不确定度转换成相应的标准误差，用方和根法合成后，得到总的标准误差，再转应的标准误差，用方和根法合成后，得到总的标准误差，再转化为总的系统不确定度。化为总的系统不确定度。第44页，本讲稿共48页n l三三 、随机误差与系统误差的合成、随机误差与系统误差的合成l1.1.线性相加法线性相加法:g=e

27、+:g=e+l 线性相加的结果，综合不确定度线性相加的结果，综合不确定度g g偏大。偏大。l2.2.方和根法：方和根法：g=eg=e2 2+2 2l3.3.广义方和根法广义方和根法第45页，本讲稿共48页n四、最后结果的表示四、最后结果的表示n（1 1）随机不确定度（又称）随机不确定度（又称A A类不确定度）类不确定度）与系统不确定度（又称与系统不确定度（又称B B类不确定度）在结类不确定度）在结果中分别标明。最后结果可表示为：果中分别标明。最后结果可表示为：nM=M=（,e,e）n式中，M为被测量的测量值或计算结果；e及分别是相应的系统、随机不确定度。n（2 2）用随机不确定度与系统不确定度

28、合成）用随机不确定度与系统不确定度合成后的综合不确定度表示之。最后结果可写后的综合不确定度表示之。最后结果可写为：为：M gM g。第46页，本讲稿共48页n例：标准活塞式压力计实验测得各种误差因数引起的压力的极限误例：标准活塞式压力计实验测得各种误差因数引起的压力的极限误差值如下。求总的不确定度（压力差值如下。求总的不确定度（压力P=ma/SP=ma/S，单位均略）。，单位均略）。n（1 1）恒定系差：）恒定系差：=+0.2=+0.2，由系统安装误差引起。，由系统安装误差引起。n（2 2）系统不确定度：）系统不确定度：e e1 1=10.3=10.3，是由活塞有效面积，是由活塞有效面积S S

29、引起的：引起的：e e2 2=3.2=3.2，来自砝码及活塞质量（，来自砝码及活塞质量（m m）；）；e e3 3=0.5=0.5，是由重力加速，是由重力加速度度a a的误差引起的。的误差引起的。n（3 3）随机不确定度：）随机不确定度：1 1=11.6=11.6，是由活塞有效面积引起的；，是由活塞有效面积引起的；2 2=4.8=4.8，是由砝码及活塞质量（，是由砝码及活塞质量（m m）引起的。）引起的。n解：设引起误差的各个因数是相互独立的，按照方和根法合成。总解：设引起误差的各个因数是相互独立的，按照方和根法合成。总的系统不确定度为：的系统不确定度为：n e=ee=e1 12 2+e+e2

30、 22 2+e+e3 32 2=10.310.32 2+3.2+3.22 2+0.5+0.52 2=10.8=10.8n总的随机不确定度为：总的随机不确定度为：n =1 12 2+2 22 2=11.6=11.62 2+4.8+4.82 2=12.6=12.6n故活塞压力计总的不确定度故活塞压力计总的不确定度g g及修正量及修正量c c为：为：ng=eg=e2 2+2 2=10.8=10.82 2+12.6+12.62 216.61716.617nC=-=-0.2C=-=-0.2第47页，本讲稿共48页n最小二乘原理：欲得真值的最佳估计值，应使最小二乘原理：欲得真值的最佳估计值，应使n 各测量值各测量值x xi i的残差的残差vivi的平方之的平方之n 和为最小。和为最小。n真值真值x x0 0的最佳估计值即算术平均值的最佳估计值即算术平均值x x，具有残差平，具有残差平方和最小值的特性。方和最小值的特性。n由于残差均是实数，各个残差的平方必为正数，故由于残差均是实数，各个残差的平方必为正数，故残差的平方和为最小值就保证了相应的标准偏差及残差的平方和为最小值就保证了相应的标准偏差及方差为最小值，同时也说明了测量数据的离散度也方差为最小值，同时也说明了测量数据的离散度也是最小的，精度较高。是最小的，精度较高。第48页，本讲稿共48页