传感器第1章

郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS第1章传感器与检测技术的理论基础本章学习要求1.了解测量的基础知识；3.掌握测量误差分析及处理2.掌握测量的相应方法及相关参数的测量郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS超声波流量计测量流量1.1测量概论郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS一、测量将被测量与同种性质的标准量进行比较,确定被测量对标准量的倍数测量是以确定被测量值为目的的一系列操作。1、测量的定义nuxuxn郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS2、测量结果的表示（1）测量结果的内容：估计值测量单位测量不确定度（2）测量结果的表示形式数值曲线图形郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS1、按手续分类直接测量间接测量二、测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法。xy)(xfy组合测量被测量必须经过求解联立方程组求得郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS例1已知一电阻220)20()20(ttRRt求：??郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS2、按测量方式分类偏差式测量零位式测量微差式测量上述二者结合构成优点是反应快,而且测量精度高用仪表指针的位移决定被测量的量值优点：速度快缺点：精度低用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态优点：精度高缺点：速度慢郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS3、按测量条件的变化与否：4、按被测量变化快慢：•等精度测量•不等精度测量•静态测量•动态测量郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS三、测量系统被测量传感器变送器传输通道显示装置信号处理环节被测对象郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS四、测量误差测量误差就是测量值与真实值之间的差值1、测量误差的定义真值实际真值约定真值郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS2、测量误差的表示方法（1）绝对误差（2）相对误差（3）引用误差Lx测量值真实值实际相对误差00100L标称相对误差00100x%100-测量范围下限测量范围上限郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS例2：一精度等级为0.5级、量程范围600—1200oC的温度传感器，试问：（1）它最大允许绝对误差是多少？（2）检验时某点最大绝对误差是4oC,问此表是否合格？我国工业仪表的精度等级分为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七级郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS（4）基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。（5）附加误差是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS被测量相同时，绝对误差大小的能表明测量的质量。被测量不同时绝对误差是有符号有大小的量但不能说明测量质量，相对误差反映测量的准确性。引用误差能表征仪表的精确等级。结论郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS3、测量误差分类（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差Lx对同一被测量进行多次重复测量时,误差按照一定的规律出现对同一被测量进行多次重复测量时,绝对值和符号不可预知地随机变化明显偏离测量结果的误差称为粗大误差xxii郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS1.2测量数据的估计和处理一、随机误差的统计处理（1）对称性（2）有界性（3）单峰性（4）抵偿性1、随机误差的性质随机误差的绝对值不会超出一定界限正、负误差出现的次数大致相等绝对值小的误差出现的机会多误差的算术平均值趋于零郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS2、随机误差的数字特征（1）算术平均值最可信赖的值（2）残余误差niinxnxxxnx1211)(1xxviix郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS（3）标准差方差标准差估计值σsniinn1221limniinn121lim标准差（正态总体的平均值，理论标准差）11)(1221nvnxxniniisi算术平均值的标准差nsx（评定的可靠性）x（总体标准差的估计值）郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS22221)(xexfy2221()2yfe郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS3、正态分布随机误差的概率计算121)(222dxedxxfx在任意误差区间（a,b）出现的概率为P(a≤vb)=dxebax22221随机变量落在区间（-kσ,+kσ）的概率为dvekvkppkkxa22221)(郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS表1–1k值及其相应的概率k0.674511.9622.5834Pa0.50.68270.950.95450.990.99730.99994±3σ称为极限误差x3lim)6827.0(axpxx)9973.0(3axpxx有限次测量下测量结果可表示为或例1-1郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS4、不等精度直接测量的权与误差（1）不等精度：测量条件发生变化。（2）权p在不等精度测量时，进行m组独立无系差及粗差测量，各组测量结果相对的可信赖程度。郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS(3)计算mmnnnnnppppp....:::....:::43214321•用各组测量列的测量次数n的比值表示•用各组测量列的标准差平方的倒数表示22423222143211....1:1:1:1....:::mmppppp郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS(4)加权算术平均值miimiiimmmpppxppppxpxpxx11212211.......不等精度测量的最佳估计值?4321mppppp郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS(5)加权算术平均值的标准差miimipiimiimiiixpmxxppmvpp112112)1()()1(郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS例3：用三种不同的方法测量某电电感量，三种方法测得的个平均值与标准差为mHL25.11mHL040.01mHL24.12mHL22.13mHL030.02mHL050.03求电感的加权算术平均值及加权算术平均值的标准差。郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS二、系统误差的通用处理方法（1）恒值误差（2）变值误差1、系统误差的分类对同一被测量进行多次重复测量时,绝对值和符号保持不变，或在条件改变时按一定规律变化。郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS例4：标准电池的电势随环境温度的变化而变化，实际值与标准值间产生一定误差E，遵循如下规律：20234[39.94(20)0.929(20)0.0092(20)0.0006(30)]tEEEttttV郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS2、产生系统误差的主要原因（1）仪器设计、制作缺陷（2）仪器使中环境条件不合格，采用近似公式或方法不完善（3）传感器的安装、调试不合理（4）测量者习惯性误操作郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS2、系统误差的判别与发现（1）实验对比法（2）残余误差观察法（3）准则检查法郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS三、系统误差的消除（1）在测量结果中进行修正（2）消除系统误差的根源（3）在测量系统中采用补偿措施（4）实时反馈修正郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS三、粗大误差的判别1.3σ准则（莱以达准则）1、粗大误差的判别准则2.肖维勒准则|vi|Zcσ,则剔除此数据3.格拉布斯准则|vi|＞Gσ|vi|3σ时,应剔除郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS【例1-3】对某一电压进行12次等精度测量，测量值如表1-5所示，若这些测量值已消除系统误差，试判断有无粗大误差，并写出测量结果。郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS（1）消除系统误差（2）测量数据列表，算出算术平均值和标准差估值（3）利用准则法判别是否存在粗大误差，若有粗大误差剔除（4）对剩下的数据求算出算术平均值和标准差估值，在验证有无粗大误差，若无则计算算术平均值的标准差结论对误差的如何处理？（5）写出测量结果郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS四、测量数据处理中的几个问题（1）如果知道了R1、R2、RN的误差如何计算RX的误差——误差合成（2）如果对RX的误差提出要求，如何决定R1、R2、RN可允许的分项误差——误差分配。RX与R1、R2、RN的误差都有关系例：以电桥法测电阻为例NxRRRR21郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS1.3电子测量相关内容的补充一、电子测量涉及到的内容电量测量磁量测量非电量测量郑州大学西亚斯国际学院SEIEEOFSIASPrincipleofSensor传感器原理SENSORSIAS二、基本电参量的测量电压时间和