第1章--检测与转换技术的理论基础-ppt课件(全).ppt

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1、 检测与转换技术检测与转换技术 检测与转换技术课程是是一门实践性非常检测与转换技术课程是是一门实践性非常检测与转换技术课程是是一门实践性非常检测与转换技术课程是是一门实践性非常强的专业课程。它综合了物理学、微电子学、化强的专业课程。它综合了物理学、微电子学、化强的专业课程。它综合了物理学、微电子学、化强的专业课程。它综合了物理学、微电子学、化学、材料科学、精密机械、微细加工等多方面的学、材料科学、精密机械、微细加工等多方面的学、材料科学、精密机械、微细加工等多方面的学、材料科学、精密机械、微细加工等多方面的知识和技术，因而其课程特点集中体现了知识的知识和技术，因而其课程特点集中体现了知识的知识

2、和技术，因而其课程特点集中体现了知识的知识和技术，因而其课程特点集中体现了知识的密集性、内容的离散性、传感器品种的庞杂性、密集性、内容的离散性、传感器品种的庞杂性、密集性、内容的离散性、传感器品种的庞杂性、密集性、内容的离散性、传感器品种的庞杂性、功能的智能性、工艺的复杂性和应用的广泛性。功能的智能性、工艺的复杂性和应用的广泛性。功能的智能性、工艺的复杂性和应用的广泛性。功能的智能性、工艺的复杂性和应用的广泛性。第第1 1章章 检测与转换技术的理论基础检测与转换技术的理论基础 1.1 1.1 1.1 1.1 检测与转换技术的基本概念检测与转换技术的基本概念检测与转换技术的基本概念检测与转换技术

3、的基本概念 1.2 1.2 1.2 1.2 检测的基本方法检测的基本方法检测的基本方法检测的基本方法1.3 1.3 1.3 1.3 测量误差的概念和分类测量误差的概念和分类测量误差的概念和分类测量误差的概念和分类 1.4 1.4 1.4 1.4 测量误差的估计和处理测量误差的估计和处理测量误差的估计和处理测量误差的估计和处理1.5 1.5 1.5 1.5 传感器及其特性传感器及其特性传感器及其特性传感器及其特性 本章学习检测与转换的基本概念、检测测量方法、本章学习检测与转换的基本概念、检测测量方法、本章学习检测与转换的基本概念、检测测量方法、本章学习检测与转换的基本概念、检测测量方法、误差分类

4、、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基误差分类、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基误差分类、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基误差分类、测量结果的数据统计处理，以及传感器的基本特性等本特性等本特性等本特性等.1.1 1.1 检测与转换技术的基本概念检测与转换技术的基本概念 检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称，它是以研究自动检测系统中的信息获取、信的总称，它是以研究自动检测系统中的信息获取、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学科。在人类进入信息时代的今天，人们的应

5、用技术学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。“没有传感器就没有现代科学技术没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世的观点已为全世界所公认。界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息

6、，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。传感器测量电路电源指示仪指示仪记录仪数据处理器被测量 开开 环环 检检 测测 系系 统统传感器的位置 传感器位于自控系统的最前端 系统整体精度难以超越检测部分的精度 传感器技术是现代科学的前沿技术1.1.1 1.1.1 检测系统的组成检测系统的组成 由于检测与控制对象常常为非电量，这就需要通由于检测与控制对象常常为非电量，这就需要通过传感器转换为电量，然后经过系列的处理，将非过传感器转换为电量，然后经过系列的处理，将非电量参数显示出来，其原理框图如下图所示。电量参数显示出来，其原理框图如下图所示。电量数据处理

7、装置执 行 机 构信号处理电路传 感 器非电量自动检测系统原理框图Uo（Io，f）显 示 器1 1传感器传感器传感器是把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应传感器是把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。2 2信号处理电路信号处理电路信号处理电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和信号处理电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数传输能力的电压、电流或频率信号等，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。据处理装置及执行机构。

8、3 3显示器显示器为了记录检测的过程与结果，常常需要将信号处理电路传送过来为了记录检测的过程与结果，常常需要将信号处理电路传送过来的电信号以比较直观的形式显示出来，以供观测和分析，这就需的电信号以比较直观的形式显示出来，以供观测和分析，这就需要有显示器。目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、要有显示器。目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图像显示及记录仪等。图像显示及记录仪等。4 4数据处理装置数据处理装置数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑数据处理装置用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果作频谱分析（幅值谱分析、功判断、线

9、性变换，对动态测试结果作频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等。率谱分析）、相关分析等。5 5执行机构执行机构所谓执行机构通常是指各种继电器、电磁阀门等在电路中起通断、所谓执行机构通常是指各种继电器、电磁阀门等在电路中起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。许多检测系统能输出与被控制、调节、保护等作用的电器设备。许多检测系统能输出与被测量有关的电流或电压信号，作为自动控制系统的控制信号，去测量有关的电流或电压信号，作为自动控制系统的控制信号，去驱动这些执行机构。驱动这些执行机构。1.1.2 检测技术的发展趋势检测技术的发展趋势 1 1提高检测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠提高检

10、测系统的检测分辨率、精度、稳定性和可靠性。性。2 2开展基础研究，寻找新原理、新材料、新工艺开展基础研究，寻找新原理、新材料、新工艺3 3发展集成化、多功能化的传感器发展集成化、多功能化的传感器4 4发展智能化的传感器发展智能化的传感器1.2 1.2 检测的基本方法检测的基本方法 一个物理量的检测可以通过不同的方法实一个物理量的检测可以通过不同的方法实现。检测方法选择得正确与否，直接关系到检现。检测方法选择得正确与否，直接关系到检测结果的可信赖程度，也关系到检测与控制系测结果的可信赖程度，也关系到检测与控制系统的经济性和可行性。统的经济性和可行性。1.2.1 1.2.1 检测方法的分类检测方法

11、的分类检测方法的分类形式有多种，从不同的角度出发检测方法的分类形式有多种，从不同的角度出发有不同的分类方法。下面介绍几种常见的分类方有不同的分类方法。下面介绍几种常见的分类方法。法。1 1按测量手续分类按测量手续分类按测量手续分有直接测量、间接测量、组合测量。按测量手续分有直接测量、间接测量、组合测量。2 2按被测量的性质分类按被测量的性质分类按被测量的性质分类有时域测量、频域测量、数按被测量的性质分类有时域测量、频域测量、数据域测量和随机侧量。据域测量和随机侧量。时域测试时域测试频域测试频域测试数据域测试数据域测试示波器示波器频谱仪频谱仪逻辑分析仪逻辑分析仪1.2.2 1.2.2 检测方法的

12、选择原则检测方法的选择原则选择测量方法时，要综合考虑下列几个主要方面：选择测量方法时，要综合考虑下列几个主要方面：1 1从被测量本身的特点来考虑。从被测量本身的特点来考虑。2 2从测量所得的精确度和灵敏度来考虑。从测量所得的精确度和灵敏度来考虑。3 3考虑测量环境是否符合测量设备和测量技术状况要考虑测量环境是否符合测量设备和测量技术状况要求，尽量减少仪器、仪表对被测电路状态的影响。求，尽量减少仪器、仪表对被测电路状态的影响。4 4测量方法简单可靠，测量原理科学，尽量减少原理测量方法简单可靠，测量原理科学，尽量减少原理性误差。性误差。1.3 1.3 测量误差的概念和分类测量误差的概念和分类 工程

13、实践和科学实验提出，自动检测系统的任务是工程实践和科学实验提出，自动检测系统的任务是正确及时地掌握各种信息，大多数情况下是要获取被正确及时地掌握各种信息，大多数情况下是要获取被测对象信息的大小，即被测量的大小。这样，信息采测对象信息的大小，即被测量的大小。这样，信息采集的主要含义就是测量及取得测量数据。集的主要含义就是测量及取得测量数据。1.3.1 1.3.1 测量技术中的部分名词测量技术中的部分名词1 1等精度测量等精度测量在同一条件下所进行的一系列重复测量称为等精度测在同一条件下所进行的一系列重复测量称为等精度测量。量。2 2非等精度测量非等精度测量在多次测量中，如对测量结果精确度有影响的

14、一切条在多次测量中，如对测量结果精确度有影响的一切条件不能完全维持不变称为非等精度测量。件不能完全维持不变称为非等精度测量。3 3真值真值被测量本身所具有的真正值称之为真值。被测量的真被测量本身所具有的真正值称之为真值。被测量的真值是一个理想的概念，一般是不知道的。但在某些特值是一个理想的概念，一般是不知道的。但在某些特定情况下，真值又是可知的，如一个整圆周角为定情况下，真值又是可知的，如一个整圆周角为360360等。等。4 4实际值实际值误差理论指出，在排除系统误差的前提下，对于精密测量，当测量次数无限多时，测量结果的算术平均值极接近于真值，因而可将它视为被测量的真值。但是测量次数是有限的，

15、故按有限测量次数得到的算术平均值只是统计平均值的近似值。而且由于系统误差不可能完全被排除，故通常只能把精度更高一级的标准器具所测得的值作为“真值”。为了强调它并非是真正的“真值”，故把它称为实际值。5 5标称值标称值测量器具上所标出来的数值。测量器具上所标出来的数值。6 6示值示值由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值。由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值。7 7测量误差测量误差用器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量的实用器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量的实际值之间的差值。际值之间的差值。1.3.2 1.3.2 误差的分类误差的分类1 1按表示方法分类按表示方法分类 1

16、1）绝对误差）绝对误差绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。则绝对误绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。则绝对误差为差为 x x=A=Ax x -A -A0 0 由于一般无法求得真值，在实际应用时常用精度高一由于一般无法求得真值，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值级的标准器具的示值A A（作为实际值）代替真值（作为实际值）代替真值A A0 0 。必须指出并必须指出并A A不等于不等于A A0 0 ，一般来说，一般来说A A总比总比A Ax x更接近于更接近于A A0 0 。A Ax x与与A A之差常称为器具的示值误差。记为之差常称为器具的示值误差。记为 xx=A=Ax x-A-A2

17、 2）相对误差）相对误差相对误差是绝对误差相对误差是绝对误差xx与被测量的约定值之比，它较绝对误差更与被测量的约定值之比，它较绝对误差更能确切地说明测量精度。在实际中，相对误差有下列表示形式能确切地说明测量精度。在实际中，相对误差有下列表示形式（1 1）实际相对误差）实际相对误差实际相对误差是用绝对误差实际相对误差是用绝对误差xx与被测量的实际值与被测量的实际值A A的百分比值来的百分比值来表示的相对误差，记为表示的相对误差，记为 （2 2）示值相对误差）示值相对误差示值相对误差是用绝对值误差示值相对误差是用绝对值误差xx与器具的示值与器具的示值A AX X的百分比值来的百分比值来表示的相对误

18、差，记为表示的相对误差，记为 （3 3）满度（引用）相对误差满度（引用）相对误差测量下限为零的仪表的满度相对误差是用绝对误差测量下限为零的仪表的满度相对误差是用绝对误差xx与仪表满度值与仪表满度值AmAm的百分比来表示的，记为的百分比来表示的，记为对对测测量量下下限限不不为为零零的的仪仪表表而而言言，在在上上式式中中，可可用用量量程程来来代代替替分分母母中中AmAm的的。上上式式中中，当当xx取取最最大大值值mm时时，满度相对误差常被用来确定仪表的满度相对误差常被用来确定仪表的准确度等级准确度等级S S，即，即 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 例：测量例：测量25V25V

19、电压，选用准确度电压，选用准确度0.50.5级、量程级、量程150V150V的电压表的电压表和选用准确度和选用准确度1.51.5级、量程级、量程30V30V的电压表，请问选择哪只表更的电压表，请问选择哪只表更适宜一些？适宜一些？解：测量解：测量25V25V电压，选用准确度电压，选用准确度0.50.5级、量程级、量程150V150V的电压表，的电压表，测量结果中可能出现的最大绝对误差由公式可得测量结果中可能出现的最大绝对误差由公式可得x m1 0.5%1500.5%1500.75V0.75V测量测量25V25V时的最大相对误差为时的最大相对误差为如果选用准确度如果选用准确度1.51.5级、量程级

20、、量程30V30V的电压表，测量结果中可能的电压表，测量结果中可能出现的最大绝对误差为出现的最大绝对误差为x m2 1.5%301.5%300.45V0.45V测量测量25V25V时的最大相对误差为时的最大相对误差为计算结果表明计算结果表明0.50.5级、量程级、量程150V150V的电压表比的电压表比1.51.5级、量程级、量程30V30V的电的电压表的示值相对误差反而小，所以更合适。压表的示值相对误差反而小，所以更合适。由上例可知，测量结果的精确度，不仅与仪表的准确度等级由上例可知，测量结果的精确度，不仅与仪表的准确度等级有关，而且与它的量程也有关有关，而且与它的量程也有关。因此，选择仪表

21、量程时应尽可能使示值在满刻度的三分之二以上。例：例：用指针式万用表的用指针式万用表的10V10V量量程测量一只程测量一只1.5V1.5V干电池的电压，干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量示值如图所示，问：选择该量程合理吗？程合理吗？用用2.5V2.5V量程测量同一只量程测量同一只1.5V1.5V干电池的电压，与上干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差图比较，问示值相对误差哪一个大？哪一个大？2 2按误差出现的规律分类按误差出现的规律分类1 1）随机误差随机误差在同一测量条件下（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

22、下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每器都相同的条件下），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，简称随差。机误差或偶然误差，简称随差。2 2）系统误差系统误差在同一测量条件下，多次重复测量同一量时，测量误差的绝对值和在同一测量条件下，多次重复测量同一量时，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，简称系差。系统误差，简称系差。3 3）粗大误差粗

23、大误差粗大误差是一种明显与实际值不符的误差，简称粗差，又称疏失误粗大误差是一种明显与实际值不符的误差，简称粗差，又称疏失误差。差。产生粗大误差的一个例子 随机事例的几个例子 彩票摇奖3 3按误差来源分类按误差来源分类1 1）仪器误差仪器误差仪器误差是由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等环仪器误差是由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等环节不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而节不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。使仪器带有的误差。2 2）影响误差影响误差影响误差是指由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源影响误差是指由于各种环境因素（温度、湿度

24、、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。3 3）理论误差和方法误差理论误差和方法误差由于测量原理带来的（如数字化测量的量化误差），或者由由于测量原理带来的（如数字化测量的量化误差），或者由于测量计算公式的近似，致使测量结果出现的误差称为理论于测量计算公式的近似，致使测量结果出现的误差称为理论误差。误差。4 4）人身误差人身误差人身误差是由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉人身误差是由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任所造成的。疲劳、固有习惯、缺乏责任所造成的。4 4按照被测量随时间变

25、化的速度分类按照被测量随时间变化的速度分类1 1）静态误差静态误差静态误差是指在测量过程中，被测量随时间变化很缓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测量误差。慢或基本不变时的测量误差。2 2）动态误差动态误差动态误差是指在被测量随时间变化很快的过程中，测动态误差是指在被测量随时间变化很快的过程中，测量所产生的附加误差。量所产生的附加误差。1.3.3 1.3.3 测量结果的表征测量结果的表征准准确确度度表表示示系系统统误误差差的的大大小小。系系统统误误差差越越小小，则则准准确确度度越越高高，即即测测量量值与实际值符合的程度越高。值与实际值符合的程度越高。精精密密度度表表

26、示示随随机机误误差差的的影影响响。精精密密度度越越高高，表表示示随随机机误误差差越越小小。随随机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。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。精精确确度度用用来来反反映映系系统统误误差差和和随随机机误误差差的的综综合合影影响响。精精确确度度越越高高，表表示示正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。射击误差射击误差示意图示意图 1.4 1.4 测量误差的估计和处理测量误差的估计和处理 1.4.1 1.4.1 随机误差的特性和处理方法随机误差的特性和处理方法 随机误差和测量数

27、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：对称性 单峰性 有界性 抵偿性 标准偏差是代表测量数据和测量误差分布离散程度的特征数。标准偏差是代表测量数据和测量误差分布离散程度的特征数。标标准准偏偏差差越越小小，则则曲曲线线形形状状越越尖尖锐锐，说说明明数数据据越越集集中中；标标准准偏偏差差越越大大，则曲线形状越平坦，说明数据越分散。则曲线形状越平坦，说明数据越分散。规规定定使使用用算算术术平平均均值值为为数数学学期期望望的的估估计计值值，并并作作为为最最后后的的测测量量结结果。即：果。即：算算术术平平均均值值是是数数学学期期望望的的无无偏偏估估计计值值、一一致致估估计

28、计值值和和最最大大似似然然估估计值。计值。有限次测量值的算术平均值比测量有限次测量值的算术平均值比测量值更接近真值？值更接近真值？故：故：算术平均值的标准偏差比总体或单次测量值算术平均值的标准偏差比总体或单次测量值的标准偏差小的标准偏差小 倍。原因是随机误差的抵倍。原因是随机误差的抵偿性偿性 。*算术平均值算术平均值：有限次测量数据的标准偏差的估计值有限次测量数据的标准偏差的估计值残差：残差：实验标准偏差实验标准偏差（标准偏差的估计值），贝塞尔公式：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算术平均值标准偏差的估计值 ：例 用温度计重复测量某个不变的温度，得11个测量值的序列（

29、见下表）。求测量值的平均值及其标准偏差。解：解：平均值平均值 用公式用公式 计算各测量值残差列于上表中计算各测量值残差列于上表中实验偏差实验偏差标准偏差标准偏差4.4.测量结果的置信问题测量结果的置信问题置信概率与置信区间：置信概率与置信区间：置信区间置信区间 内包含真值的概率称为置信概率。内包含真值的概率称为置信概率。置信限：置信限：k k置信系数（或置信因子）置信系数（或置信因子）置信概率是图中置信概率是图中阴影部分面积阴影部分面积5.5.正态分布的置信概率正态分布的置信概率当分布和当分布和k k值确定之后，则置信概率可定值确定之后，则置信概率可定 正态分布正态分布,当当k=3k=3时时置

30、信因子置信因子k k置信概率置信概率PcPc1 10.6830.6832 20.9550.9553 30.9970.997区间越宽，区间越宽，置信概率越大置信概率越大1.4.2 1.4.2 系统误差的特性和处理方法系统误差的特性和处理方法1 1系统误差的特性系统误差的特性系统误差的特征是在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的系统误差的特征是在同一条件下，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。变化。2 2系统误差的处理方法系统误差的处理方法1 1）从产生系统误差的根源上，采取措施减小系统误

31、差。）从产生系统误差的根源上，采取措施减小系统误差。（1 1）在测量中，测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。）在测量中，测量原理和测量方法尽力做到正确、严格。（2 2）必须对测量仪器定期检定和校准，注意仪器的正确使用条）必须对测量仪器定期检定和校准，注意仪器的正确使用条件和方法。件和方法。（3 3）注意周围环境对测量的影响，精密测量要注意恒温或采取）注意周围环境对测量的影响，精密测量要注意恒温或采取散热、空气调节等措施。为避免周围电磁场及有害振动的影响，散热、空气调节等措施。为避免周围电磁场及有害振动的影响，必要时可采用屏蔽或减振措施。必要时可采用屏蔽或减振措施。2 2）用修正方法减少系统误

32、差。）用修正方法减少系统误差。3 3）采用一些专门的测量方法）采用一些专门的测量方法（1 1）替代法。）替代法。（2 2）交换法。）交换法。（3 3）对称测量法。）对称测量法。（4 4）减小周期性系统误差的半周期法。）减小周期性系统误差的半周期法。1.4.3 1.4.3 粗大误差的特性和处理方法粗大误差的特性和处理方法1 1粗大误差的判别准则粗大误差的判别准则假设在一系列等精度测量结果假设在一系列等精度测量结果 中，中，为各测量值对应为各测量值对应的残差，的残差，S S为标准偏差的估计值，若为标准偏差的估计值，若 则误差为粗则误差为粗大误差，所对应的测量值为异常数据，应剔除不用。大误差，所对应

33、的测量值为异常数据，应剔除不用。2 2防止和消除粗大误差的方法防止和消除粗大误差的方法对粗大误差，除了设法从测量数据中发现和鉴别而加对粗大误差，除了设法从测量数据中发现和鉴别而加以剔除外，更重要的是要加强测量者的工作责任心和以剔除外，更重要的是要加强测量者的工作责任心和以严格的科学态度对待测量工作；此外，还要保证测以严格的科学态度对待测量工作；此外，还要保证测量条件的稳定，或者应避免在外界条件激烈变化时进量条件的稳定，或者应避免在外界条件激烈变化时进行测量。其次，可以在等精度条件下增加测量次数，行测量。其次，可以在等精度条件下增加测量次数，或采用不等精度测量和互相之间进行校核的方法。或采用不等

34、精度测量和互相之间进行校核的方法。1.4.4 1.4.4 测量数据的处理测量数据的处理1.1.数字修约规则数字修约规则由由于于测测量量数数据据和和测测量量结结果果均均是是近近似似数数，其其位位数数各各不不相相同同。为为了了使使测测量量结结果果的的表表示示准准确确唯唯一一，计计算算简简便便，在在数数据据处处理理时时，需需对对测测量量数数据据和和所所用常数进行修约处理。用常数进行修约处理。数据修约规则：数据修约规则：（1 1）小于小于5 5舍去舍去末位不变。末位不变。（2 2）大于大于5 5进进1 1在末位增在末位增1 1。（3 3）等等于于5 5时时，取取偶偶数数当当末末位位是是偶偶数数，末末位

35、位不不变变；末末位位是是奇奇数数，在末位增在末位增1 1（将末位凑为偶数）。（将末位凑为偶数）。例：将下列数据舍入到小数第二位。例：将下列数据舍入到小数第二位。n12.4312.43444412.4312.43 63.73 63.7350150163.7463.74n0.690.694994990.69 25.30.69 25.32 2505025.3225.32n17.6917.69555517.7017.70 123.1 123.11 15050123.12123.12需要注意的是，舍入应一次到位，不能逐位舍入。需要注意的是，舍入应一次到位，不能逐位舍入。上例中上例中0.694990.69

36、499，正确结果为，正确结果为0.69 0.69，错误做法是：，错误做法是：0.694990.69500.6950.70 0.694990.69500.6950.70。在在“等等于于5”5”的的舍舍入入处处理理上上，采采用用取取偶偶数数规规则则，是是为为了了在在比比较较多多的数据舍入处理中，使产生正负误差的概率近似相等。的数据舍入处理中，使产生正负误差的概率近似相等。2.2.有效数字有效数字若若截截取取得得到到的的近近似似数数其其截截取取或或舍舍入入误误差差的的绝绝对对值值不不超超过过近近似似数数末末位位的的半半个个单单位位，则则该该近近似似数数从从左左边边第第一一个个非非零零数数字字到到最最

37、末末一一位位数数为为止止的的全全部数字，称之为有效数字。部数字，称之为有效数字。例如：例如：3.1423.142四位有效数字，极限误差四位有效数字，极限误差0.00050.00058.7008.700四位有效数字，极限误差四位有效数字，极限误差0.00050.0005 8.710 8.7103 3二位有效数字，极限误差二位有效数字，极限误差0.05100.05103 3 0.0807 0.0807三位有效数字，极限误差三位有效数字，极限误差0.0050.005 1.51.5传感器及其特性传感器及其特性根据我国的国家标准（根据我国的国家标准（GB7765-87GB7765-87），传感），传感（

38、Transducer/SensorTransducer/Sensor）的定义是）的定义是：“能够感受规定的能够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装置”。定义包含的意思：定义包含的意思：1 1传感器是测量装置，能完成检测任务；传感器是测量装置，能完成检测任务；2 2它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。能是化学量、生物量等。3 3它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量

39、，还可以换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量；是气压、光强等物理量，但主要是电物理量；4 4输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。的精度。1.5.1 1.5.1 传感器的组成传感器的组成通常情况下，输出量为电量的传感器，一般由通常情况下，输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、传感元件和信号调节转换电路组成，敏感元件、传感元件和信号调节转换电路组成，如图所示。如图所示。信号调节转换电路传感元件敏感元件被测量输入量测量电路电 源电量输出量1 1敏感元件敏感元件直接感受被测非电量，并按一定规律转

40、换成与被测量有直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量（一般仍为非电量）的元件。确定关系的其它量（一般仍为非电量）的元件。2 2传感元件传感元件传感元件又称变换器，能将敏感元件感受到的非电量直传感元件又称变换器，能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量。接转换成电量。3 3信号调节与转换电路信号调节与转换电路能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处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。理和控制的有用电信号的电路。弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转

41、换的非电量。弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管）在下图中，弹簧管将压力转换为角位移在下图中，弹簧管将压力转换为角位移弹簧管放大图弹簧管放大图 当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。1.5.2 1.5.2 传感器分类传感器分类 传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：）按按被被测测量量分分类类：可可分分为为位位移移、力力、力力矩矩、转转速速、振振动动、加加速速度度、温度、压力、流量、流速等传感器。温度、压力、流量、流速等传感器。2 2）按按测测量量原原理理分分类类：可可分分

42、为为电电阻阻、电电容容、电电感感、光光栅栅、热热电电耦耦、超超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。声波、激光、红外、光导纤维等传感器。1.5.3 1.5.3 传感器性能评价传感器性能评价 传感器的各种特性一般是根据输入和输出的对应关系传感器的各种特性一般是根据输入和输出的对应关系来描述的。传感器在稳态（静态或准静态）信号作用下，来描述的。传感器在稳态（静态或准静态）信号作用下，输入和输出的对应关系称为静态特性；在动态（周期或输入和输出的对应关系称为静态特性；在动态（周期或暂态）信号作用下，输入和输出的对应关系称为动态特暂态）信号作用下，输入和输出的对应关系称为动态特性。传感器动态特性的研究方法

43、与控制理论中介绍的相性。传感器动态特性的研究方法与控制理论中介绍的相似，故不再重复。下面仅介绍静态性能的一些指标。衡似，故不再重复。下面仅介绍静态性能的一些指标。衡量传感器的输入量传感器的输入-输出静态特性的重要指标是：灵敏度、输出静态特性的重要指标是：灵敏度、线性度、滞后、稳定性、重复性。线性度、滞后、稳定性、重复性。1 1灵敏度灵敏度(Sensitivity)(Sensitivity)灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用变化值之比，用K K 来表示：来表示：作图法求灵敏度过程作图法求灵敏度过程xyx1xy0切点切点传感器 特性曲线x

44、max2 2线性度线性度(Linearity)(Linearity)线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小越好。线性度的计算公式如下：作图法求线性度演示作图法求线性度演示 （11拟合曲线拟合曲线 2 2实际特实际特性曲线性曲线）3滞后滞后(Hysteresis)滞后是传感器在正、反行程期间输入滞后是传感器在正、反行程期间输入输出曲线不输出曲线不重合的程度，或对应于同一大小的输入量

45、在正反行程重合的程度，或对应于同一大小的输入量在正反行程时的输出量的差值。其数值用最大偏差与满量程输出时的输出量的差值。其数值用最大偏差与满量程输出值的百分比来表示。即值的百分比来表示。即 式中，式中，max 为输出值在正反行程时的最大差值，为输出值在正反行程时的最大差值，如下图所示，如下图所示，max=Y2-Yl；YFS为满量程的输出。为满量程的输出。各种材料的物理性质是产生迟滞现象的原因。各种材料的物理性质是产生迟滞现象的原因。滞后特性示意图4 4稳定性稳定性(Regulation)(Regulation)稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持

46、其性能参数的能力。理想情况是，不管何时传感器的灵敏度等数的能力。理想情况是，不管何时传感器的灵敏度等特性参数不随时间变化。但实际上，随着时间的推移，特性参数不随时间变化。但实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会改变。这是因为传感元件或构大多数传感器的特性会改变。这是因为传感元件或构成传感器的部件的特性会随时间发生变化，产生一种成传感器的部件的特性会随时间发生变化，产生一种经时变化的现象。即使长期放置不用的传感器也会产经时变化的现象。即使长期放置不用的传感器也会产生经时变化的现象。变化与使用次数有关的传感器，生经时变化的现象。变化与使用次数有关的传感器，受到这种经时变化的影响则更大。因此，

47、传感器必须受到这种经时变化的影响则更大。因此，传感器必须定期进行校准，特别是作标准用的传感器更是需要。定期进行校准，特别是作标准用的传感器更是需要。5 5重复性重复性(Repeatability)(Repeatability)重复性表示在同一工作条件下，对同一输入值按同一方向重复性表示在同一工作条件下，对同一输入值按同一方向连续多次测量，得到的输出值相互一致的程度。特性曲线连续多次测量，得到的输出值相互一致的程度。特性曲线一致，重复性就好，误差也小。不重复性主要由传感器机一致，重复性就好，误差也小。不重复性主要由传感器机械部分的磨损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘及电路械部分的磨损、间隙、松动

48、、部件的内摩擦、积尘及电路老化、漂移等原因产生。不重复性一般采用极限误差表示老化、漂移等原因产生。不重复性一般采用极限误差表示式中，式中，max max 为输出值在正反行程的最大差值，为输出值在正反行程的最大差值，Y YFSFS为满量程的输出为满量程的输出6 6电磁兼容性（电磁兼容性（Electromagnetic CompatibilityElectromagnetic Compatibility）电磁兼容（电磁兼容（EMCEMC）是指电子设备在规定的电磁干扰环）是指电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照原设计要求而正常工作的能力，而且也不境中能按照原设计要求而正常工作的能力，而且也不向处于同一环境中的其他设备释放超过允许范围的电向处于同一环境中的其他设备释放超过允许范围的电磁干扰。磁干扰。7.7.可靠性可靠性 ：可靠性是反映检测系统在规定的条件下，可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。浴盆浴盆曲线曲线 “老化”试验：在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境 低温环境 高温环境反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低。老化试验台