检测系统基础.pptx

第三部分第三部分 检测系统基础检测系统基础第二节第二节 误差的表示方法误差的表示方法第三节第三节 测量误差的分类测量误差的分类第四节第四节 误差分析与处理方法误差分析与处理方法第五节第五节 测量误差的综合处理测量误差的综合处理第六节第六节 测量系统的误差分配原则测量系统的误差分配原则第一节第一节 测测量方法及分类量方法及分类采用各种手段将被测量与同类采用各种手段将被测量与同类标准量进行比较标准量进行比较，从而确定，从而确定出被测量大小的方法。出被测量大小的方法。测量结果与被测量真值的差别测量结果与被测量真值的差别。测量测量：误差误差：第一节第一节 测量方法及分类测量方法及分类被测量被测量被测量被测量同类标准量同类标准量同类标准量同类标准量1 1 1 1、测重量、测重量、测重量、测重量砝码砝码砝码砝码2 2 2 2、测气体、测气体、测气体、测气体标准气体标准气体标准气体标准气体测量技术由测量所获得的被测的量值叫测量结果，可用由测量所获得的被测的量值叫测量结果，可用一定的数值，曲线或某种图形表示。测量结一定的数值，曲线或某种图形表示。测量结果应包括两部分：比值和测量单位，且应包果应包括两部分：比值和测量单位，且应包括误差部分。括误差部分。测量过程就是传感器从被测对象获取被测量的测量过程就是传感器从被测对象获取被测量的信息，建立起测量信号，经过变化、传输、信息，建立起测量信号，经过变化、传输、处理，从而获得被测量的量值。处理，从而获得被测量的量值。非电量测量工程上大部分所要测量的参数都是非电量，用工程上大部分所要测量的参数都是非电量，用电测的方法研究非电量即研究用电测的方法电测的方法研究非电量即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速的测得非电量的技术快速的测得非电量的技术优点：测量精度高，反应速度快，能自动连续优点：测量精度高，反应速度快，能自动连续的进行测量，可遥测，自动记录，与计算机的进行测量，可遥测，自动记录，与计算机连接进行数据处理，采用微处理器做成智能连接进行数据处理，采用微处理器做成智能仪表实现自动检测与转换等。仪表实现自动检测与转换等。测量方法的分类测量方法的分类 根据获得测量结果的方法不同，可以分为根据获得测量结果的方法不同，可以分为直接测量、间接测量和组合测量。直接测量、间接测量和组合测量。在仪表上直接读出被测量的在仪表上直接读出被测量的大小而无须经过任何运算。大小而无须经过任何运算。直接测量：直接测量：如如汽汽车车油油位位表表、油油温温表表优点：简单、迅速优点：简单、迅速 缺点：精度差缺点：精度差直接测量、间接测量和组合测量直接测量、间接测量和组合测量直接测量除了指针式仪表外直接测量除了指针式仪表外,还有什么方式还有什么方式?直接测量仪表直接测量仪表直接测量仪表直接测量仪表-潜艇仪表盘潜艇仪表盘潜艇仪表盘潜艇仪表盘首先测出与被测量有确定函数首先测出与被测量有确定函数关系的物理量，再经过函数运关系的物理量，再经过函数运算求出被测量的大小。算求出被测量的大小。又称又称“联立测量联立测量”，即被测物，即被测物理量必须经过求解联立方程才理量必须经过求解联立方程才能导出结果。能导出结果。间接测量：间接测量：组合测量：组合测量：如：测如：测电阻率电阻率组合测量举例：组合测量举例：测量一金属导线的温度系数测量一金属导线的温度系数故不同故不同 、，测得、，测得 、由由 由近似值得由近似值得温度系数温度系数温度系数温度系数动脑筋想想？动脑筋想想？测量人体肥胖的程度应采用什么测量方法？测量人体肥胖的程度应采用什么测量方法？测量人体肥胖的程度应采用什么测量方法？测量人体肥胖的程度应采用什么测量方法？直接测量法直接测量法直接测量法直接测量法测量脂肪测量脂肪测量脂肪测量脂肪间接测量法间接测量法间接测量法间接测量法测量身高和体重测量身高和体重测量身高和体重测量身高和体重组合测量法组合测量法组合测量法组合测量法测量身高、体重和脂肪测量身高、体重和脂肪测量身高、体重和脂肪测量身高、体重和脂肪 根据测量条件相同与否，分为等精度测根据测量条件相同与否，分为等精度测量和不等精度测量。量和不等精度测量。等精度测量和不等精度测量等精度测量和不等精度测量等精度测量：等精度测量：在测量过程中，影响测量误在测量过程中，影响测量误差的各种因素不改变。差的各种因素不改变。不等精度测量：不等精度测量：改变测量条件的测量。改变测量条件的测量。名名 词词 解解 释释等精度测量：等精度测量：不等精度测量：不等精度测量：例如测量一高炉的温度例如测量一高炉的温度例如测量一高炉的温度例如测量一高炉的温度 采用同一测温仪器，采用同一测温仪器，采用同一测温仪器，采用同一测温仪器，用相同的测量方式，在用相同的测量方式，在用相同的测量方式，在用相同的测量方式，在相同的条件下测量多次。相同的条件下测量多次。相同的条件下测量多次。相同的条件下测量多次。例如对瓦斯检测仪器进行温度试验例如对瓦斯检测仪器进行温度试验例如对瓦斯检测仪器进行温度试验例如对瓦斯检测仪器进行温度试验 采用相同的仪器，在采用相同的仪器，在采用相同的仪器，在采用相同的仪器，在不同的温度条件下对某不同的温度条件下对某不同的温度条件下对某不同的温度条件下对某一浓度的甲烷气体测量。一浓度的甲烷气体测量。一浓度的甲烷气体测量。一浓度的甲烷气体测量。其它测量方法其它测量方法接触测量和非接触测量接触测量和非接触测量静态测量和动态测量静态测量和动态测量 接触被测对象的测量接触被测对象的测量接触被测对象的测量接触被测对象的测量远离被测对象的测量远离被测对象的测量远离被测对象的测量远离被测对象的测量测量对象的稳态值测量对象的稳态值测量对象的稳态值测量对象的稳态值如重量、压力等等如重量、压力等等如重量、压力等等如重量、压力等等测量对象随时间的变化值测量对象随时间的变化值测量对象随时间的变化值测量对象随时间的变化值如振动、加速度等等。如振动、加速度等等。如振动、加速度等等。如振动、加速度等等。接触测量接触测量接触测量接触测量非接触测量非接触测量非接触测量非接触测量举例说明：举例说明：请判断下面的检测属哪种检测方法？请判断下面的检测属哪种检测方法？1.1.1.1.接触测量或非接触测量？接触测量或非接触测量？接触测量或非接触测量？接触测量或非接触测量？2.2.2.2.静态测量或动态测量静态测量或动态测量静态测量或动态测量静态测量或动态测量?体体体体温温温温测测测测量量量量测测测测量量量量塔塔塔塔的的的的倾倾倾倾角角角角电动机转速测量电动机转速测量电动机转速测量电动机转速测量:1.1.1.1.用测速发电机用测速发电机用测速发电机用测速发电机?2.2.2.2.用光电检测法用光电检测法用光电检测法用光电检测法?1.1.1.1.烟雾报警烟雾报警烟雾报警烟雾报警红外测温红外测温红外测温红外测温汽车速度测量汽车速度测量汽车速度测量汽车速度测量2.2.2.2.温度检测温度检测温度检测温度检测 一一般般说说来来，测测量量或或者者检检测测系系统统由由传传感感器器、中中间间变变换换装装置置和和显显示示记记录装置三部分组成。录装置三部分组成。传感器传感器将被测物理量将被测物理量(如噪声如噪声,温度温度)检出并转换为电量，中间变换检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/DA/D变换后用软件进变换后用软件进行行信号分析信号分析，显示记录装置则将测量结果显示出来，提供给观察者或其，显示记录装置则将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。它自动控制装置。测量系统组成测量系统组成1.3测量系统的组成测量系统的组成 力力位移位移 速度速度 加速度加速度 压力压力流量流量温度温度电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式 压电式压电式热电式热电式 光电式光电式磁电式磁电式电桥电桥 放大器放大器滤波器滤波器调制器调制器解调器解调器运算器运算器 阻抗变换阻抗变换器器 笔式记录仪笔式记录仪光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 电子示波器电子示波器 半导体存储半导体存储器器 显示器显示器 磁卡磁卡 数据处理器数据处理器 频谱分析仪频谱分析仪 FFT 实时信号分析实时信号分析仪仪 电子计算机电子计算机 被测对被测对象象 传感器传感器 中间变换中间变换测量装置测量装置 显示及显示及 记录装记录装置置 实验结实验结果果处理装处理装置置 激发装激发装置置 开环测量系统输入输出关系为：输入输出关系为：y=k1k2k3x采用开环方式构成的测量系统，其结构简单，采用开环方式构成的测量系统，其结构简单，但各环节特性的变化都会造成测量误差但各环节特性的变化都会造成测量误差闭环测量系统y=kx=k(x1-xf)=kx1-ky=kk1x-k y k=k2k3这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性这时整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定，放大器等环节特性的变化不会造成测量误决定，放大器等环节特性的变化不会造成测量误差，或者说造成的误差很小。差，或者说造成的误差很小。测量的目的在于寻求被测量的真值。测量的目的在于寻求被测量的真值。设设 、代表各次的观测值，代表各次的观测值，n n为测为测量次数，则平均值有如下几种：量次数，则平均值有如下几种：真值和平均值真值和平均值在科学试验中，通常用平均值代替真值。在科学试验中，通常用平均值代替真值。1.1.算术平均值：算术平均值：2.2.几何平均值：几何平均值：3.3.均方根平均值：均方根平均值：常用来表示常用来表示测量真值测量真值测量值测量值绝对误差：绝对误差：被测量真值，通被测量真值，通常无法知道，常常无法知道，常用较高精度的仪用较高精度的仪器示值代替器示值代替误差的表示方法误差的表示方法如铂电阻温度计指示的如铂电阻温度计指示的如铂电阻温度计指示的如铂电阻温度计指示的温度相对于普通温度计温度相对于普通温度计温度相对于普通温度计温度相对于普通温度计而言是真值而言是真值而言是真值而言是真值.绝对误差的特征：绝对误差的特征：具有量纲，与被测量相同具有量纲，与被测量相同其大小与所取单位有关其大小与所取单位有关如如0.1kg0.1kg如如能反映误差的大小和方向能反映误差的大小和方向不能反映测量的精细程度不能反映测量的精细程度+表示偏大表示偏大表示偏大表示偏大;-表示偏小表示偏小表示偏小表示偏小.为什么？为什么？为什么？为什么？举例说明举例说明1.1.用温度仪测量温度，绝对误差是用温度仪测量温度，绝对误差是 1 10 0C C对测量对测量100010000 0C C的炉温，精度很高；但对测量的炉温，精度很高；但对测量人体体温则误差太大。人体体温则误差太大。2.2.一只钟的误差是一只钟的误差是1 1秒，误差是否大？秒，误差是否大？是工作一天的误差还是一年的误差？是工作一天的误差还是一年的误差？相对误差相对误差-绝对误差与被测量真值之比绝对误差与被测量真值之比.科学研究中常用算术平均值代替真值；科学研究中常用算术平均值代替真值；工程上常用测量显示值代替真值。工程上常用测量显示值代替真值。举例说明：举例说明：例例1.1.测量温度的绝对误差为测量温度的绝对误差为 1 10 0C C，测量水的沸点，测量水的沸点 温度温度1001000 0C C，测量的相对误差是多少？，测量的相对误差是多少？例例2.2.某电子天平的相对误差是某电子天平的相对误差是0.5%0.5%，测量，测量500g500g 重物的误差是多少？重物的误差是多少？相对误差的特征：相对误差的特征：大小与被测量单位无关大小与被测量单位无关能反映测量工作的精细程度能反映测量工作的精细程度 能反映误差的大小和方向能反映误差的大小和方向 相对误差比较符合实际检测需要，一般地，测相对误差比较符合实际检测需要，一般地，测量范围越小，要求的绝对误差越小。比如量程为量范围越小，要求的绝对误差越小。比如量程为1000Kg1000Kg的秤，相对误差为的秤，相对误差为1 1，则测量，则测量10Kg10Kg重物的重物的误差为误差为0.1Kg0.1Kg，而测量，而测量500Kg500Kg重物的误差为重物的误差为5Kg5Kg。指示仪表通常按指示仪表通常按 进行分类。例如电进行分类。例如电工仪表按工仪表按 大小分为大小分为7 7级：级：0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0 0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0 对一定级别的仪表，其绝对误差对一定级别的仪表，其绝对误差 为一常数，为一常数，x=x=A,A,不随示值刻度发不随示值刻度发生变化，但示值相对误差则不同，越接生变化，但示值相对误差则不同，越接近仪表满刻度，示值相对误差越小，反近仪表满刻度，示值相对误差越小，反之则越大。之则越大。引用误差的用途引用误差的用途引用误差引用误差-是一种特殊的相对误差表示法，常用于是一种特殊的相对误差表示法，常用于 连续刻度的仪表中，实质给出仪表的最连续刻度的仪表中，实质给出仪表的最 大绝对误差。大绝对误差。引用误差引用误差A A满量程刻度值满量程刻度值 x xm m测量中最大绝对误差测量中最大绝对误差例：满刻度为例：满刻度为100v,100v,=2.5%=2.5%的电的电 压表压表其绝对误差其绝对误差若测量电压为若测量电压为25v,25v,其示值相对误差其示值相对误差大于引用大于引用相对误差相对误差结论：在使用电工仪表进行测量，结论：在使用电工仪表进行测量，要选择合适的量程，一般要求被测要选择合适的量程，一般要求被测量工作在不小于满刻度的量工作在不小于满刻度的2/32/3区域区域在同一条件下，多次重复测量同一量在同一条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变或按时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化。这叫一定规律变化。这叫“系统误差系统误差”。系统误差：系统误差：测量误差的分类测量误差的分类产生系统误差的原因主要是：产生系统误差的原因主要是：仪器不良，如零点未校准刻度准；仪器不良，如零点未校准刻度准；测试环境的变化，如外界湿度、温测试环境的变化，如外界湿度、温 度、压力变化等；度、压力变化等；安装不当；安装不当；测试人员的习惯偏向，如读数高；测试人员的习惯偏向，如读数高；测量方法不当。测量方法不当。随机误差：随机误差：在一定测量条件下的多次重复测量，在一定测量条件下的多次重复测量，误差出现的数值和正负号没有明显的规误差出现的数值和正负号没有明显的规律。这叫律。这叫“随机误差随机误差”。这类误差是由许多复杂因素微小变这类误差是由许多复杂因素微小变化的总和引起的，分析较困难，对于某化的总和引起的，分析较困难，对于某一次具体测量，不能在测量过程中设法一次具体测量，不能在测量过程中设法把它去除。把它去除。随机误差具有随机变量的一切特点，在随机误差具有随机变量的一切特点，在多次测量中服从统计规律。多次测量中服从统计规律。随机误差是没有规律的，如何估计它的大小？随机误差是没有规律的，如何估计它的大小？随机误差表现了测量的分散性。在误差随机误差表现了测量的分散性。在误差分析时，常用精密度表示随机误差的大小。分析时，常用精密度表示随机误差的大小。随机误差愈小，精密度愈高。而系统误差随机误差愈小，精密度愈高。而系统误差则用准确度表示。则用准确度表示。2.3.2.3.疏失误差疏失误差 又称又称“过程误差过程误差”或或“粗大误差粗大误差”，简称，简称“粗差粗差”，这是一种由于测量，这是一种由于测量人员的粗心或过度疲劳造成的误差。人员的粗心或过度疲劳造成的误差。具有疏失误差的测量值称为具有疏失误差的测量值称为“坏坏值值”，在实际计算中应舍去。，在实际计算中应舍去。例如：对某重物进行了十次等精度测量，测值为：例如：对某重物进行了十次等精度测量，测值为：20.62 20.82 20.78 20.82 20.70 20.78 20.84 20.78 20.85 20.85 g1）测量值的算术平均值；测量值的算术平均值；2）测量值的均方根误差；）测量值的均方根误差；3 3）测量结果的表达。）测量结果的表达。求求:解：1）2）3）测量误差的综合处理是研究检测各个测量误差的综合处理是研究检测各个环节的误差对系统误差的影响规律，环节的误差对系统误差的影响规律，以确定总误差与各环节误差的关系。以确定总误差与各环节误差的关系。设设Y Y为被测量，为被测量，、为中间变量，找出被测量与中间变量为中间变量，找出被测量与中间变量的函数关系：的函数关系：测量误差的综合处理测量误差的综合处理进行全微分得：进行全微分得：其中，其中，为被测量的绝对误差为被测量的绝对误差为变量为变量 的绝对误差的绝对误差为为对对 的偏导数的偏导数对上式两边除以对上式两边除以Y Y，就可得相对误差的综合，就可得相对误差的综合表达式：表达式：解：解：例例1.1.已知桥臂电阻已知桥臂电阻R R1 1、R R2 2、R RN N的精度为的精度为0.10.1，假定假定R R1 1100100，R R2 2100100，当，当R RN N10001000 时电桥平衡，求时电桥平衡，求R Rx x的精确估计值。的精确估计值。最大误差为：最大误差为：R Rx x=10(1=10(1 0.3%)0.3%)例例2 2：测量一段导线电阻。已知导线截面的测量：测量一段导线电阻。已知导线截面的测量 误差是误差是 3%3%，导线长度的测量误差是，导线长度的测量误差是 2%2%，求该电阻的最大测量误差。求该电阻的最大测量误差。解：解：最大测量误差是：最大测量误差是：