第1章 检测技术概述.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,传感器原理及工程应用,康思民,siminkang,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,2,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,3,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,：,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,4,二、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：,信号检出,信号检出,信号检出,信号转换,信号转换,信号转换,处理显示,处理显示,处理显示,信号检出：,功能,-,将被测信号的转换为电信号的变化（,detection,）,器件,-,传感器（,sensor,transducer,）,信号转换：,功能,-,将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（,conversion,）,器件,-,信号调理电路（,signal conditioning circuit,）,处理显示：,功能,-,分析（,analysis,）、,处理（,processing,）、,显示（,display,）,通讯接口,/,总线接口,(,RS232,、,RS485,、,GPIB,、,PCI,、,),其它环节：,存储、监控、决策,5,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,6,三、检测方法分类,1.,直接测量（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,7,三、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,8,三、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,9,三、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,10,三、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,传感器,输入量,x,输出量,y,传感器,输入量,x,输出量,y,放大,反馈传感器,11,三、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,被测量,+,被测量余数,被测量大值与标准量大体平衡,12,三、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？,13,四、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,14,15,16,17,18,1.2,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,19,基本理论,一、测量误差的定义,定义：,x,测量误差,x,测量结果,x,0,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结果作为近似真值,1m=1 650 763.73,标准仪器的测量标准差,3,-,坏值,-,剔除,测量值,X,d,的剩余误差的绝对值,|,P,d,|,n,-,坏值,-,剔除,n,-,肖维勒系数（查表确定）,测量值,X,d,的剩余误差的绝对值,|,P,d,|,(,n,),-,坏值,-,剔除,(,n,),-,查表确定,计算算术平均值,x,剩余误差 均方误差,剔除坏值,-,随时发现，随时剔除,-,重新测量,29,3,、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,次测量结果,-,x,i,(,i,=1,2,N,),30,1,）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,-,x,0,均方根误差,/,标准误差,h,精密度指数,31,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,-,测量次数,n,时（相同条件下）,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,32,2,）算术平均值和标准差,在等权测量条件下，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,33,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,34,算术平均值的标准差,常用贝塞尔（,Bessel,）公式计算,35,三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。,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。,36,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。,37,例：,对恒温箱的保温性进行研究，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 25.53,25.53 25.50 25.49 25.49 25.51,25.53 25.52 25.49 25.38 25.50,25.52 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,38,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。,39,课后作业,40,