第1章检测技术基本知识.ppt

知识单元：1.1 检测的基本概念1.2 检测方法及分类1.3 测量误差与数据处理1.4 检测技术的发展趋势基本要求：,课题1 检测技术的基本知识,了解信息获取与处理的基本概念掌握常用非电量的测量方法掌握测量误差及其常用处理方法,课题1 检测技术的基本知识,1.1 检测的基本概念1.2 检测方法及分类1.3 测量误差与数据处理1.4 检测技术的发展趋势,1.1 检测的基本概念,一.测量、计量、测试及检测1.测量：确定被测对象量值的全部操作过程。2.计量：如果测量的目的是实现测量单位统一和量值准确传递，则这种测量被称为计量。3.测试：是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。试验是对未知事物的探索过程。4.检测(Detection)就是对系统中各被测对象的信息进行提取、转换以及处理。,二.被测量的分类,一般分为二类：电量和非电量电量：电压、电流、功率以及电阻、电容、电感等。非电量：温度、热量、压力、流量、液位等。本课程介绍被测量-非电量的测量。,三.检测系统的组成,一个完整的检测系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置和电源等几部分组成。检测系统按信号在系统中的传递情况可以分为开环检测系统和闭环检测系统，如图（a）和(b)所示。,传感器：是测试系统第一环节，传感器的基本功能是进行信号检测与转换，即用来感受被测信号，并将被测信号转换为适合于后续处理的电信号的装置。其性能的好坏将直接影响整个测试系统，对测量精确度起着决定性作用。信号调理电路（测量电路）：对传感器的输出电信号作进一步加工与处理，主要是进行电信号之间的转换，整形、放大、滤波等。电桥电路将电路参量如电阻、电容、电感转换为电压或电流信号。显示：将所测得信号变为一种人们可以理解的形式，以供人们观察和分析。,课题1 检测技术的基本知识,1.1 检测的基本概念1.2 检测方法及分类1.3 测量误差与数据处理1.4 检测技术的发展趋势,1.2 检测方法及分类,检测方法是指在实施测试中所涉及的理论运算和实际操作方法，可按多种原则分类。一按检测过程分类 可分为直接法、间接法和组合法(1)直接法：在用仪表或传感器进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算，就能得到被测量值的方法。如电压表测量某一元件的电压就属于直接测量。优点：是测量过程简单、快速。缺点：测量精度一般不是很高。,(2)间接法：在使用仪表进行测量时，先对与被测量有确定函数关系的几个量进行直接测量，然后再将测量值代入已知的函数关系式，经过计算得到所需要结果的测量方法。一般用用于直接测量不方便，或者缺乏直接测量手段的场合。如要测量一个三角形的面积，必须先测量出一条边长，再测量出对应的高，然后利用公式计算出三角形的面积。优点：测量精度一般要比直接测量高。缺点：测量比较复杂，花费时间较长。,(3)组合法：在一个测量过程中同时采用直接测量和间接测量两种方法进行测量的方法。即先检测出若干个的中间量，再经过联立方程组求解后才能得到所需要的结果。组合测量是一种特殊的精密测量方法，测量过程长而且复杂，多适用于科学试验或特殊场合。,二按检测方式分类,可分为偏差法、零示法与微差法(1)偏差法：用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量量值的测量方法。优点：测量过程简单、迅速。缺点：测量结果的精度较低。(2)零示法：用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知标准量决定被测量值的测量方法。例如天平测量物体的质量、电位差计测量电压等都属于零示法测量，零示法在传感器技术中应用的实例是平衡电桥。优点：可以获得比较高的测量精度，零示法可消除指示仪表不准而造成的误差。缺点：测量过程长而且复杂，所以不适用于测量快速变化的信号。,(3)微差法：综合了偏差法与零示法的优点的一种测量方法。它是将被测量与已知的标准量进行比较得到差值后，再用偏差法测得该差值。主要优点：反应快、测量精度高，特别适用于在线控制参数的测量。,三按测量时是否与被测对象接触的原则,根据检测敏感元件与被测介质的接触关系可分为接触式测量和非接触式测量。1.接触式测量：将仪表敏感元件与被测对象相接触。敏感元件从被测对象获得能量，使得敏感元件产生转换作用。如热电偶，适合静态或运动速度缓慢的物质参数检测。2.非接触式测量：敏感元件与被测对象之间无机械性接触，当被测物体的能量变化，检测仪表的辐射能量随之变化，如红外测温仪，适合高速运动或环境恶劣场合检测。,四按被测量是否随时间变化的原则,可分为静态测量和动态测量1.静态测量：被测信号在测量过程中恒定不变或相对于仪表的动态特性变化缓慢，称。2.动态测量：被测信号在测量过程中随时间变化的，称。如噪声测量、弹道轨迹测量等,课题1 检测技术的基本知识,1.1 检测的基本概念1.2 检测方法及分类1.3 测量误差与数据处理1.4 检测技术的发展趋势,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1测量误差的概念,任何测量的目的是为了获得被测量的真实值 量是物体可以从数量上进行确定的一种属性，由一个数和合适的计量单位表示的量称为量值。量值有理论真值、约定真值和实际值或标称值与指示值之分,（1）等精度测量：（2）非等精度测量：（3）真值：（4）实际值：（5）标称值：（6）示值：（7）测量误差：,有关测量技术中的部分名词,等精度测量：在同一条件下所进行的一系列重复测量，称。非等精度测量：在多次测量中，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。,等精度测量与非等精度测量,真值,1.理论真值：被测量本身所具有的真正值或者是根据一定的理论所定义的数值。一般情况下，理论真值是未知的。但在某些特定情况下，真值又是可知的，例如三角形的内角和恒为180,一个圆周角是360。2.约定真值：是为了达到某种目的按照约定的办法所确定的值，或以高精度等级仪器的测量值约定为等精度等级仪器测量值的真值3.实际值：在排除系统误差前提下，对精密测量，当测量次数无限多时，测量结果算术平均值接近于真值，可将它视为被测量真值。但测量次数有限时，把精度更高一级的标准器具所测得的值作为真值，其实并非“真值”，故称为实际值。它是在满足规定准确度时用以代替真值所使用的值。,标称值与指示值,4.标称值：计量或测量器具上所标出来的数值。5.指示值（测量值）：由测量器具读数装置所指示出来的数值。6.测量误差：测量结果与被测量真值之差。在实际测试中真值无法确定，因此常用约定真值或相对真值代替真值来确定测量误差。,1.3.2 测量误差的分类及表示方法,1.按表示的方法分类：绝对误差、相对误差、允许误差。绝对误差：是指被测量值（器具示值）与被测量真值之间的差值。即 式中 绝对误差；真值，其值可为相对真值或约定真值；x测量值。绝对误差说明了系统示值偏离真值的大小，其值可正可负，具有和被测量相同的量纲。,相对误差：仪表指示值的绝对误差x与被测量真值x0之比的百分数，即实际相对误差：示值相对误差：满度相对误差：（引用误差）其中Xm是仪表的量程,（3）仪表的精度,对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用误差就是一个定值。测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精度等级的尺度。工业仪表常用的等级有0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。精度为1.0级的仪表，在整个量程内其绝对误差最大值不会超过其量程的1.0%。,仪表的最大引用误差：最大绝对误差与量程之比。*该式分子是指整个量程中最大绝对误差，为定值，分母也是确定的。因此，对于一台确定的检测仪表或系统，最大引用误差就是定值，可以用来衡量仪表精度。,（4）允许误差：根据技术条件的要求，规定某一类器具误差不应超过的最大范围。2.按误差出现的规律 可将误差分为系统误差、随机误差和粗大误差三大类。系统误差：在相同的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，或测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。随机误差：在相同的条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号均以不可预定的方式变化的误差，称为随机误差，又称为偶然误差。,在测量条件一定的情况下，测量值明显偏离实际值所形成的误差称为粗大误差，也称为疏失误差、差错或粗差。产生粗大误差的主要原因是读数错误、测量方法错误、测量仪器有缺陷以及测量条件的突然变化等。凡是含有粗大误差的测量数据称为坏值，应剔除不用。,粗大误差：,举例,1.3.3 测量精度,测量精度是从另一角度评价测量误差大小的量，它与误差大小相对应，即误差大，精度低；误差小，精度高。测量精度可细分为：准确度、精密度、精确度。1准确度 表明测量结果偏离真值的程度，它反映系统误差的影响，系统误差小，则准确度高。2精密度 表明测量结果的分散程度，它反映随机误差的影响，随机误差小，则精密度高。3精确度 反映测量中系统误差和随机误差综合影响的程度，简称精度。精度高，说明准确度与精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。,精度,由图可知，若靶心为真实值，图中黑点为测量值，则:图(a)表示准确却不精密的测量。图(b)表示精密却不准确的测量。图(c)表示既准确又精密的测量。随机误差小，精密度高；系统误差小，准确度高；如系统误差和随机误差均小，则精确度高,1.3.4 误差的消除方法,减小测量误差的方法：随机误差的处理（不能消除）：可通过多次重复测量，利用平均值作为结果，并利用统计方法估算出随机误差的范围。系统误差如何消除？*思路：-从系统误差的规律性特点入手，找到误差规律！测量前，预见测量误差来源，取得修正表格。测量中，采取能消除或削弱系统误差的测量方法。,因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加以修正。,判别粗大误差最常用的统计判别法：如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为x1，x2，xd,，xn 其标准差为，如果其中某一项残差vd大于三倍标准差，即 则认为vd为粗大误差，与其对应的测量数据xd是坏值，应从测量列测量数据中删除。,粗大误差的消除：采用准则，剔除坏值,1.交换法（对照法）,在测量中，保持其他条件不变，将引起系统误差的条件相互交换（如将天平上的被测物与砝码换位），使两次测量中可能产生的系统误差的因素起相反的作用，通过两次结果的平均来消除系统误差。见书中P13中图1.3.5。,2.抵消法,在测量中，保持其他条件不变，改变某个测量条件（如一次向上测量，一次向下测量），使引起的系统误差符号相反，通过两次结果的平均来消除系统误差。,3.代替法,在测量条件不变的条件下，先用拟定的测量方案衡量被测物，使测量装置达到一定状态；再用测量装置去测量标准量具，使测量装置达到同样的状态，读取标准量具的数值就是被测物的数值。（如曹冲称象）。,用于消除（测量期间的）线性变化引起的系统误差。,4.对称测量法,根据测量电路图，RN为已知标准电阻，只要分别测出Ux、UN的值，被测电阻Rx就可求出：,实际测量时，由于Ux、UN 不是同时测量的，在测量期间电源电动势E会有缓慢下降，回路电流I也会有缓慢下降，造成系统误差。对称测量法采用t1、t2、t3的等时间间隔分别测量电压Ux、UN、Ux，测量中读取的三个顺序电压值分别为：,联立求得：,5补偿法,在测量系统内部采取补偿措施，消除测量过程中由于某个条件变化或某个环节的非线性引起的变值系统误差。（如热电偶的冷端补偿）,1.3.4 数据处理的基本方法,数据处理:从获得数据起到得出结论为止的整个数据加工过程。常用方法:列表法、作图法和最小二乘法拟合。最小二乘法原理是指测量结果的最可信赖值应在残余误差平方和为最小的条件下求出。在自动检测系统中，两个变量间的线性关系是一种最简单、也是最理想的函数关系。,设有n组实测数据（xi，yi）(i=1，2，n)，其最佳拟合方程(回归方程)为 y=A+Bx式中，A为直线的截距；B为直线的斜率。,根据最小二乘法原理，要使 为最小，取其对A、B求偏导数，并令其为零，可得两个方程，联立两个方程可求出A,B的唯一解。,1.3.5 随机误差统计分布,1.正态分布2.随机误差的评价指标3.测量的极限误差,1.正态分布,随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在一定条件下服从统计规律,正态分布的随机误差分布规律,（1）对称性。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。（2）单峰性。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。（3）有界性。一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限。（4）抵偿性。随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零。,2.随机误差的评价指标,由于随机误差大部分按正态分布规律出现的，具有统计意义，通常以正态分布曲线的两个参数算术平均值和均方根误差作为评价指标。（1）算术平均值（2）标准差,（1）算术平均值,当测量次数为无限次时，所有测量值的算术平均值即等于真值，事实上是不可能无限次测量，即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加，算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。,()标准差,测量列中单次测量的标准差 测量列算术平均值的标准差,测量列中单次测量的标准差,在等精度测量列中，单次测量的标准差（1.3.18）式中，n测量次数；每次测量中相应各测量值的随机误差。,实际工作中用残差来近似代替随机误差求标准差的估计值,贝塞尔（Bessel）公式,测量列算术平均值的标准差,式中，算术平均值标准差（均方根误差）；测量列中单次测量的标准差；n 测量次数,当测量次数n愈大时，算术平均值愈接近被测量的真值，测量精度也越高。,3.测量的极限误差,测量的极限误差是极端误差，检测量结果的误差不超过该极端误差的概率为P，并使出现概率为（-P）误差超过该极端误差的检测量的测量结果可以忽略。（1）单次测量的极限误差（2）算术平均值的极限误差,（1）单次测量的极限误差,随机误差在至范围内概率为：,经变换，(1.3.22）式为,若某随机误差在t 范围内出现的概率为2(),则超出该误差范围的概率为,几个典型 t 值的概率情况分析,当t=3时，即|=3 时,误差不超过|的概率为99.73%,通常把这个误差称为单次测量的极限误差limx,即limx=3,（2）算术平均值的极限误差,测量列的算术平均值与被测量的真值之差 当多个测量列算术平均值误差为正态分布时，得到测量列算术平均值的极限误差表达式为 式中的t为置信系数，为算术平均值的标准差。,通常取t=3,则,课题1 检测技术的基本知识,1.1 检测的基本概念1.2 检测方法及分类1.3 测量误差与数据处理1.4 检测技术的发展趋势,1.4 检测技术的发展趋势,1.测试精度更高、功能更强。2.开展极端测量 超高温与超低温测量3.朝着智能化、集成化、微型化、网络化方向发展,1.3 测量误差与数据处理,1.3.1 测量误差的概念和分类1.3.2 精度1.3.3 测量误差的表示方法1.3.4 随机误差1.3.5 系统误差1.3.6 粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法,1.3.4 系统误差,1.系统误差的发现2.系统误差的削弱和消除,1.系统误差的发现,理论分析及计算实验对比法残余误差观察法残余误差校核法计算数据比较法,（1）理论分析及计算因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加以修正。（2）实验对比法实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量，以发现系统误差，这种方法适用于发现恒定系统误差。（3）残余误差观察法根据测量列的各个残余误差的大小和符号变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差，这种方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。,（4）残余误差校核法,用于发现累进性系统误差马利科夫准则：设对某一被测量进行n次等精度测量，按测量先后顺序得到测量值x1，x2，xn，相应的残差为v1，v2，vn。把前面一半和后面一半数据的残差分别求和，然后取其差值 用于发现周期性系统误差阿卑-赫梅特准则：,则认为测量列中含有周期性系统误差。,当存在,设,(5)计算数据比较法,对同一量进行多组测量，得到很多数据，通过多组计算数据比较，若不存在系统误差，其比较结果应满足随机误差条件，否则可认为存在系统误差。任意两组结果与间不存在系统误差的标志是,2.系统误差的削弱和消除,从产生误差源上消除系统误差引入修正值法零位式测量法补偿法对照法,