第1章 检测技术基本知识

2020/1/191第1章检测技术基本知识1.1测量与测量误差1.2传感器的组成和特性2020/1/1921.1测量与测量误差1.1.1测量方法实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。对于测量方法，从不同角度，有不同的分类方法。根据获得测量值的方法可分为直接测量、间接测量和组合测量；根据测量的精度因素情况可分为等精度测量与非等精度测量；根据测量方式可分为偏差式测量、零位法测量与微差法测量；根据被测量变化快慢可分为静态测量与动态测量；根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为接触测量与非接触测量；根据测量系统是否向被测对象施加能量可分为主动式测量与被动式测量等。2020/1/1931.按测量手续分类（1）直接测量直接测量就是用预先标定好的测量仪表直接读取被测量的测量结果。例如用万用表测量电压、电流、电阻等。这种测量方法的优点是简单而迅速，缺点是精度一般不高。但这种测量方法在工程上广泛采用。（2）间接测量间接测量就是利用被测量与某中间量的函数关系，先测出中间量，然后通过相应的函数关系计算出被测量的数值。例如导线电阻率的测量就是间接测量，由于，其中R、l、d分别表示导线的电阻值、长度和直径。这时，只有先经过直接测量，得到导线的R、l、d以后，再代人ρ的表达式，经计算得到最后所需要的结果ρ值。在这种测量过程中，手续较多，花费时间较长，有时可以得到较高的测最精值。间接测量多用于科学实验中的实验室测量。2020/1/194（3）联立测量联立测量又叫组合测量。如果被测量有多个，而且被测量又与某些可以通过直接或间接测量得到结果的其他量存在一定的函数关系，则可先测量这几个量，再求解函数关系组成的联立方程组，从而得到多个被测量的数值。显然，它是一种兼用直接测量和间接测量的方式。例如：在研究热电阻Rt随温度ｔ变化的规律时在一定的温度范围内有下列关系式2020/1/195Rt=R20+α（ｔ－20）＋β（ｔ－20）2式中，R20、α、β是三个待测的量，R20是电阻在20℃时的数值，α、β是电阻的温度系数。依据此关系式，测出在t1、t2、t3三个不同的测试温度时导体的电阻Rt1、Rt2、Rt3，得到联立方程组。求解方程组可得到R20、α、β。2020/1/1962.按测量时是否与被测对象接触分类（1）接触式测量传感器直接与被测对象接触，承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称为接触测量法。例如用体温计测体温等。（2）非接触式测量传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称为非接触测量法。例如用辐射式温度计测量温度，用光电转速表测量转速等。非接触测量法不干扰被测对象，既可对局部点检测，又可对整体扫描。特别是对于运动对象、腐蚀性介质及危险场合的参数检测，它更方便、安全和准确。2020/1/1973.按被测信号的变化情况分类（1）静态测量静态测量是测量那些不随时间变化或变化很缓慢的物理量。如超市中物品的称重属于静态测量，温度计测气温也属于静态测量。（2）动态测量动态测量是测量那些随时间而变化的物理量。如地震仪测量振动波形则属于动态测量。2020/1/1984.按输出信号的性质分类（1）模拟式测量模拟式测量是指测量结果可根据仪表指针在标尺上的定位进行连续读取的方法，如模拟式电压表测电压。（2）数字式测量数字式测量是指以数字的形式直接给出测量结果的方法，如光电脉冲编码器的测量。2020/1/1995.按测量方式分类（1）偏差式测量用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值，这种测量方法称为偏差式测量。应用这种方法测量时，仪表刻度事先用标准器具标定。在测量时，输入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值，决定被测量的数值。如指针式电压表测电压，指针式电流表测电流。这种方法测量过程比较简单、迅速，但测量结果精度较低。（2）零位式测量用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值，这种测量方法称为零位式测量。在测量时，已知标准量直接与被测量相比较，已知量应连续可调，指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等。例如天平、电位差计等。零位式测量的优点是可以获得比较高的测量精度，但测量过程比较复杂，费时较长，不适用于测量迅速变化的信号。2020/1/1910（3）微差式测量微差式测量是综合了偏差式测量与零位式测量的优点而提出的一种测量方法。它将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。应用这种方法测量时，不需要调整标准量，而只需测量两者的差值。例如：设N为标准量，x为被测量，Δ为二者之差，则x=N+Δ。由于N是标准量，其误差很小，因此可选用高灵敏度的偏差式仪表测量Δ，即使测量Δ的精度较低，但因Δx值较小，它对总测量值的影响较小，故总的测量精度仍很高。微差式测量的优点是反应快，而且测量精度高，特别适用于在线控制参数的测量。2020/1/19111.1.2测量误差及表达方式测量误差可用绝对误差表示，也可用相对误差表示。1.绝对误差绝对误差是指测量值与真值之间的差值，它反映了测量值偏离真值的多少，即（1—1）式（1—1）中L0为被测量真值，x为被测量实际值。由于真值的不可知性，在实际应用时，常用实际真值L代替，即用被测量多次测量的平均值或上一级标准仪器测得的示值作为实际真值，故有（1—2）0LxxLxx2020/1/19122.相对误差相对误差反映了测量值偏离真值的程度。（1）实际相对误差实际相对误差是指绝对误差与被测真值的百分比，用表示，即﹪（1—3）（2）示值（标称）相对误差示值相对误差是指绝对误差与被测量值的百分比，用表示，即﹪（1—4）1000AxA100xxAx2020/1/1913（3）引用（满度）相对误差引用相对误差是指绝对误差与仪表满度值Am的百分比，用表示，即﹪1—5）100mmAx2020/1/1914【实例1】某温度计的量程范围为0～500℃，校验时该表的最大绝对误差为6℃，试确定该仪表的精度等级。解：根据题意知6℃，500℃，代入式中该温度计的基本误差介于1.0%与1.5%之间，因此该表的精度等级应定为1.5级。2020/1/1915【实例2】现有0.5级的0～300℃和1.0级的0～100℃的两个温度计，欲测量80℃的温度，试问选用哪一个温度计好？为什么？解：0.5级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量80℃可能出现的最大示值相对误差分别为1.0级温度计测量时可能出现的最大绝对误差、测量80℃时可能出现的最大示值相对误差分别为1.0﹪（100－0）=1计算结果，显然用1.0级温度计比0.5级温度计测量时，示值相对误差反而小。因此在选用仪表时，不能单纯追求高精度，而是应兼顾精度等级和量程。%875.1%100805.1%100||11xxmx5.10300%5.0||111mmmx222||mmmx%25.1%100801%100||22xxmx2020/1/19161.1.3测量误差的分类1.按误差表现的规律划分根据测量数据中的误差所呈现的规律，将误差分为三种，即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据处理。（1）系统误差对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不变或者按照一定规律变化，这种误差称为系统误差。系统误差是有规律性的。按其表现的特点可分为固定不变的恒值系差和遵循一定规律变化的变值系差。系统误差一般可通过实验或分析的方法，查明其变化的规律及产生的原因，因此它是可以预测的，也是可以消除的。例如，标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。2020/1/1917（2）随机误差对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化、不可预知，这种误差称为随机误差。对随机误差的某个单值来说，是没有规律、不可预料的，但从多次测量的总体上看，随机误差又服从一定的统计规律，大多数服从正态分布规律。因此可以用概率论和数理统计的方法，从理论上估计其对测量结果的影响。（3）粗大误差：测量结果明显地偏离其实际值所对应的误差，称为粗大误差或疏忽误差，又叫过失误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。含有粗大误差的测量值称为坏值。2020/1/19182.按被测量与时间关系划分（1）静态误差被测量稳定不变时所产生的测量误差称为静态误差。（2）动态误差被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上却跟不上输入的变化，这时所产生的误差称为动态误差。此外，按测量仪表的使用条件分类，可将误差分为基本误差和附加误差；按测量技能和手段分类，误差又可分为工具误差和方法误差等。2020/1/19191.1.4测量误差的分析与处理1.随机误差的分析与处理在测量中，当系统误差已设法消除或减小到可以忽略的程度时，如果测量数据仍有不稳定的现象，说明存在随机误差。在等精度测量情况下，得n个测量值x1，x2，……，xn，设只含有随机误差δ1＼δ2＼……δn。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研究。随机误差的处理任务是从随机数据中求出最接近真值的值（或称真值的最佳估计值），对数据精密度的高低（或称可信赖的程度）进行评定并给出测量结果。具有正态分布的随机误差如图1—1所示具有以下四个特征：（1）对称性绝对值相等的正、负误差出现的机会大致相等。（2）单峰性绝对值越小的误差在测量中出现的概率越大。（3）有界性在一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的界限。（4）抵偿性在相同的测量条件下，当测量次数增加时，随机误差的算术平均值趋向于零。2020/1/1920图1—1随机误差的正态分布曲线2020/1/1921算术平均值在实际测量时，真值L不可能得到。但如果随机误差服从正态分布，则算术平均值处随机误差的概率密度最大。对被测量进行等精度的n次测量，得n个测量值x1，x2，…，xn，它们的算术平均值为niinxnxxxnx1211)(12020/1/1922方均根上述的算术平均值是反映随机误差的分布中心，而方均根偏差σ则反映随机误差的分布范围。方均根偏差愈大，测量数据的分散范围也愈大，所以方均根偏差σ可以描述测量数据和测量结果的精度。方均根误差σ可由下式求取nn)Lx(n1i2in1i2i02020/1/1923由于得不到真值L０，可用n次测量值的算术均值代替，则方均根误差为1)(12_nxxniis2020/1/1924算术平均值的方均根误差（标准误差）为测量结果通常表示为n3xx)73.99(00P2020/1/19252.系统误差的分析与处理由于系统误差的特殊性，在处理方法上与随机误差完全不同。有效地找出系统误差的根源并减小或消除的关键是如何查找误差根源，这就需要对测量设备、测量对象和测量系统作全面分析，明确其中有无产生明显系统误差的因素，并采取相应措施予以修正或消除。由于具体条件不同，在分析查找误差根源时并无一成不变的方法，这与测量者的经验、水平以及测量技术的发展密切相关。2020/1/19263.粗大误差的分析与处理如前所述，在对重复测量所得一组测量值进行数据处理之前，首先应将具有粗大误差的可疑数据找出来加以剔除。人们绝对不能凭主观意愿对数据任意进行取舍，而是要有一定的根据。原则就是要看这个可疑值的误差是否仍处于随机误差的范围之内，是则留，不是则弃。因此要对测量数据进行必要的检验。2020/1/1927为了获得比较准确的测量结果，通常要对一个量的多次测量数据进行分析处理。其处理步骤如下：①列出测量数据x1，x2，x3，……，xn。②求算术平均值（测量值）。③求剩余误差（残差）pi=xi–