第一節(jié)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的基本概念

第一節(jié)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的基本概念第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四課程概述必修課38理論＋10實驗主要內(nèi)容概述傳感技術(shù)基礎(chǔ)（誤差理論與數(shù)據(jù)處理）傳感器基本特性應(yīng)變式電感式電容式壓電式磁電式熱電式光電式（光電檢測技術(shù)）紅外輻射微波超聲波數(shù)字式化學(xué)傳感器（氣敏、濕敏）智能式（智能傳感器）（過程檢測技術(shù)與儀表）第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四教材與參考書教材：檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)第三版，常健生主編，機械工業(yè)出版社，2008參考書：非電量電測技術(shù)（第2版），吳道悌主編，西安交通大學(xué)出版社（研）,2004傳感器與信號調(diào)節(jié)（第2版），張倫譯，清華大學(xué)出版社，2003測量系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計（英文版），（美）歐內(nèi)斯特O.德貝林著，機械工業(yè)出版社第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四教學(xué)基本要求了解測量與傳感技術(shù)的基本知識掌握各類傳感器的基本特性和工作原理、典型測量電路了解各類傳感器的典型應(yīng)用考核：綜合出勤、學(xué)習(xí)態(tài)度、課堂表現(xiàn)、作業(yè)等平時占30%、期末考試占70%缺作業(yè)達(dá)到三分之一及其以上，或隨機抽點名缺勤三次以上無考試資格第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四答疑及聯(lián)系方式采取課后答疑和網(wǎng)上答疑的方式辦公室：教六樓自動化教研室526，528Email:duzzh0103@QQ：171120690第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)相關(guān)知識1.1、傳感技術(shù)的地位和作用人類社會在發(fā)展過程中，需要不斷地認(rèn)識自然與改造自然，這種認(rèn)識與改造必然伴隨著對各種信號的感知和測量?？萍荚桨l(fā)達(dá)，自動化程度越高，對傳感器的依賴也就越強烈?，F(xiàn)在，測量科學(xué)已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)的五大支柱之一，也是整個科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的一項重要技術(shù)基礎(chǔ)，它對促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展與社會進(jìn)步起到重要作用。第一章檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的理論基礎(chǔ)第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四傳感技術(shù)是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段傳感技術(shù)在系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運行監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用傳感技術(shù)及裝置是自動化系統(tǒng)不可缺少的組成部分傳感技術(shù)的完善和發(fā)展推動著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四1.2傳感技術(shù)基本概念傳感技術(shù)：信息學(xué)科的范疇，是自動檢測和自動轉(zhuǎn)換技術(shù)的總稱。信息獲取是指用檢測系統(tǒng)從被測量（如物理量、化學(xué)量、生物量、社會量等）中提取出有用的信息的過程，一般將信息獲取的結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號。信息轉(zhuǎn)換是將所獲取的電信號，根據(jù)下一環(huán)節(jié)的需要，在幅值、功率及精度等方面進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換。信息處理就是根據(jù)輸出環(huán)節(jié)的需要，將變換后的電信號進(jìn)行數(shù)字運算、A/D變換等處理。信息傳輸?shù)娜蝿?wù)是在排除干擾的情況下準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行信息傳遞。第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)：信息采集信息傳輸信息處理傳感器技術(shù)通信技術(shù)計算機技術(shù)感官神經(jīng)大腦傳感器技術(shù)是信息技術(shù)中的源頭技術(shù)第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四變量分類第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四傳感器的概念傳感器：能感受被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置傳感器的共性：利用物理定律或物質(zhì)的物理、化學(xué)、生物等特性，將非電量轉(zhuǎn)換成電量傳感器功能：檢測和轉(zhuǎn)換。敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測信息（非電量）的元件轉(zhuǎn)換元件則是指傳感器中能將敏感元件的感受（或響應(yīng)）信息轉(zhuǎn)換為電信號的部分第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四傳感器的組成第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四傳感器輸出信號的分類第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四1.3傳感器的分類按傳感器的構(gòu)成進(jìn)行分類：物性型和結(jié)構(gòu)型

按傳感器的輸入量（即被測參數(shù)）進(jìn)行分類：位移、速度、溫度、壓力傳感器等按傳感器的輸出量進(jìn)行分類：模擬式和數(shù)字式按傳感器的基本效應(yīng)分類：物理型、化學(xué)型、生物型按傳感器的工作原理進(jìn)行分類：應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式傳感器等按傳感器的能量變換關(guān)系進(jìn)行分類：有源、無源第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四1.4傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢提高與改善傳感器的技術(shù)性能開展基礎(chǔ)研究，尋找新原理、新材料、新工藝或新功能等傳感器的集成化傳感器的智能化第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四1.5檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)的組成第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四開環(huán)測量系統(tǒng)第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四閉環(huán)檢測系統(tǒng)第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

第二節(jié)、測量誤差的概念和分類對任意測試系統(tǒng)，必有精度要求，因此必須使誤差在允許范圍內(nèi)。1、名詞解釋等精度測量，非等精度測量；靜態(tài)測量，動態(tài)測量真值，實際值，標(biāo)稱值；測量誤差；2、誤差的分類⒈）按表示方法分⑴絕對誤差：△X=X-A0△X=X-A

式中：X為被測量，A0為真值,A為標(biāo)準(zhǔn)值（精度高一級的標(biāo)準(zhǔn)器具的示值）⑵相對誤差：絕對誤差△X與被測量的約定值之比.①實際相對誤差:γA=△X/A×100%.②示值相對誤差:γX=△X/X×100%（示值X）③滿度相對誤差:第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

2）按誤差出現(xiàn)規(guī)律分

(1)系統(tǒng)誤差:按某種函數(shù)規(guī)律變化而產(chǎn)生的誤差.用準(zhǔn)確度評定——表明測量結(jié)果與真值的接近程度,系統(tǒng)誤差小,則準(zhǔn)確度高;(2)隨機誤差：由未知變化規(guī)律產(chǎn)生的誤差，用精密度評定——表現(xiàn)了測量結(jié)果的分散性.隨機誤差越小,精密度愈高.

精確度——反映系統(tǒng)誤差和隨機誤差綜合影響的程度,簡稱精度.(3)粗大誤差：粗大誤差簡稱粗差，指在一定條件下測量結(jié)果顯著偏離其實際值所對應(yīng)的誤差。須判明，舍去。第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四測量誤差儀器影響方法隨機系統(tǒng)疏失精密度人身準(zhǔn)確度可取性精確度測量結(jié)果評定誤差來源、分類及測量結(jié)果評定第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

3)按被測量隨時間變化的速度分

⑴靜態(tài)誤差:靜態(tài)誤差是指在測量過程中,被測量隨時間變化很緩慢或基本不變時的測量誤差.

⑵動態(tài)誤差:動態(tài)誤差是指在被測量隨時間變化很快的過程中,測量所產(chǎn)生的附加誤差.

第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

從工程實踐可知，測量數(shù)據(jù)中含有系統(tǒng)誤差和隨機誤差，有時還含有粗大誤差。它們的性質(zhì)不同，對測量結(jié)果的影響及處理方法也不同。在測量中，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，首先判斷測量數(shù)據(jù)中是否含有粗大誤差，如有，則必須加以剔除。再看數(shù)據(jù)中是否存在系統(tǒng)誤差，對系統(tǒng)誤差可設(shè)法消除或加以修正。對排除了系統(tǒng)誤差和粗大誤差的測量數(shù)據(jù)，則利用隨機誤差性質(zhì)進(jìn)行處理?？傊瑢τ诓煌闆r的測量數(shù)據(jù)，首先要加以分析研究，判斷情況，再經(jīng)綜合整理，得出合乎科學(xué)的結(jié)果。第三節(jié)誤差的處理及消除方法第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四1．隨機誤差的處理在相同條件下，對某個量重復(fù)進(jìn)行多次測量，排除系統(tǒng)誤差和粗大誤差后，如果測量數(shù)據(jù)仍出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，則存在隨機誤差。在等精度測量情況下，得到n個測量值x1、x2、…、xn，設(shè)只含有隨機誤差1、2、…、n，這組測量值或隨機誤差都是隨機事件，可以用概率數(shù)理統(tǒng)計的方法來處理。隨機誤差的處理目的就是從這些隨機數(shù)據(jù)中求出最接近真值的值，對數(shù)據(jù)精密度的高低（或可信度）進(jìn)行評定并給出測量結(jié)果。第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四測量實踐表明，多數(shù)測量的隨機誤差具有以下特征：（1）絕對值小的隨機誤差出現(xiàn)的概率大于絕對值大的隨機誤差出現(xiàn)的概率。（單峰性）（2）隨機誤差的絕對值不會超出一定界限（有界性）（3）測量次數(shù)n很大時，絕對值相等、符號相反的隨機誤差出現(xiàn)的概率相等，當(dāng)n→

時，隨機誤差的代數(shù)和趨近于零。（對稱性與補償性）第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四隨機誤差的上述特征，說明其分布是單一峰值的和有界的，且當(dāng)測量次數(shù)無窮大時，這類誤差還具有對稱性（即抵償性），所以測量過程中產(chǎn)生的隨機誤差服從正態(tài)分布規(guī)律。分布密度函數(shù)為：

（1-7）式（1-7）稱為高斯誤差方程。式中，

是隨機誤差，（x為測量值，x0為測量值的真值）；是均方根誤差，或稱標(biāo)準(zhǔn)誤差。標(biāo)準(zhǔn)誤差

可由下式求得：即：（1-8）第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四計算

時，必須已知真值x0，并且需要進(jìn)行無限多次等精度重復(fù)測量。這顯然是很難做到的。根據(jù)長期的實踐經(jīng)驗，人們公認(rèn)，一組等精度的重復(fù)測量值的算術(shù)平均值最接近被測量的真值，而算術(shù)平均值很容易根據(jù)測量結(jié)果求得，即：（1-9）

第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四因此，可以利用算術(shù)平均值代替真值x0來計算式（1-8）中的i。此時，式（1-8）中的，就可改換成，vi稱為剩余誤差。不論n為何值，總有：（1-10）

由此可以看出，雖然我們可求得n個剩余誤差，但實際上它們之中只有（）個是獨立的。

第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四考慮到這一點，測量次數(shù)n為有限值時，標(biāo)準(zhǔn)誤差的估計值

s可由下式計算：（式為貝塞爾公式。在一般情況下，我們對

和s并不加以嚴(yán)格區(qū)分，統(tǒng)稱為標(biāo)準(zhǔn)誤差。標(biāo)準(zhǔn)誤差

的大小可以表示測量結(jié)果的分散程度。圖1.4為不同

下正態(tài)分布曲線。由圖可見：

愈小，分布曲線愈陡峭，說明隨機變量的分散性小，測量精度高；反之，

愈大，分布曲線愈平坦，隨機變量的分散性也大，則精度也低。第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四通常在有限次測量時，算術(shù)平均值不可能等于被測量的真值x0，它也是隨機變動的。設(shè)對被測量進(jìn)行m組的“多次測量”后（每組測量n次），各組所得的算術(shù)平均值，，…，圍繞真值L有一定的分散性，也是隨機變量。算術(shù)平均值的精度可由算術(shù)平均值的均方根偏差來評定。它與s的關(guān)系如下：

所以，當(dāng)對被測量進(jìn)行m組“多次測量”后，在無系統(tǒng)誤差和粗大誤差的情況下，根據(jù)概率分析它的測量結(jié)果x0可表示為：

(概率P=0.62827)或（概率P=0.9973）（1-13）第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四例1.1等精度測量某電阻10次，得到的測量值為：167.95、167.60、167.87、168.00、167.82、167.45、167.60、167.88、167.85、167.60，求測量結(jié)果。序號測量值xi殘余誤差vi1167.950.1880.0353442167.60-0.1620.0262443167.870.1080.0116644168.000.2380.0566445167.820.0580.0033646167.45-0.3120.0973447167.60-0.1620.0262448167.880.1180.0139249167.850.0880.00774410167.60-0.1620.026244表1.1測量值列表解：將測量值列于表1.1。第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四測量結(jié)果為：（概率P=0.6827）（概率P=0.997）第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四置信區(qū)間：就是隨機變量的范圍±(-L—L)表示又：±L=±Zσ

Z為置信系數(shù)，Z=L/σ置信限：L=Zσ置信概率φ(Z)：隨機變量在置信區(qū)間內(nèi)取值的概率.置信度：結(jié)合置信區(qū)間與置信概率置信水平α(Z)：隨機變量在置信區(qū)間外取值的概率置信區(qū)間與置信概率第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

圖1—5 置信區(qū)間與置信概率?(0)δ1/2α置信區(qū)間±(L)1/2α置信概率P=φ(z)=1-α第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

Zφ(Z)Zφ(Z)Zφ(Z)Zφ(Z)00.000000.90.631881.90.942572.70.993070.10.079661.00.682691.960.950002.80.994890.20.158521.10.728672.00.954502.90.996270.30.235851.20.769862.10.964273.00.997300.40.310841.30.806402.20.972193.50.995350.50.382931.40.838492.30.978554.00.999370.60.451491.50.866392.40.983614.50.999930.67450.500001.60.890402.50.987585.00.999990.70.516071.70.910872.580.99012∞1.000000.80.576291.80.928142.60.99068第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四Z=1時，置信區(qū)間：±σ

置信概率φ(Z)=0.683=68.3%

置信水平α(Z)=0.317=31.7%Z=2或Z=3時，置信區(qū)間：±2σ或±3σ

置信水平α(Z)=5%或置信水平α(Z)=0.3%故極限誤差Δ=δlim=±2σ或±3σ第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

原始數(shù)據(jù)必須實事求是地記錄，并注明有關(guān)情況。在整理數(shù)據(jù)時，再舍棄上述有明顯錯誤的數(shù)據(jù)。基本方法是給出一個置信水平值（常給定α=0.05或0.01），然后確定相應(yīng)的置信區(qū)間，則超過此區(qū)間的誤差被認(rèn)為是粗差，相應(yīng)的測量值予以舍棄。常用這兩種方法：

1）拉依達(dá)準(zhǔn)則

2）格拉布斯準(zhǔn)則2粗差的判別與壞值的舍棄第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四一、系統(tǒng)誤差是一種恒定不變的或按一定規(guī)律變化的誤差.⒈恒定系差誤差的大小和符號固定不變。⒉變化系差是一種按照一定規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差.可分為累計性系差、周期性系差及復(fù)雜變化系差等.3系統(tǒng)誤差第三十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四系統(tǒng)誤差的變化特征εa恒定系差b累計性系差c累計性系差d周期性系差e復(fù)雜變化的系差t0第三十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四二、系差的消除方法1.在測量結(jié)果中修正2.消除產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源3.在測量系統(tǒng)中采用補償措施4.實時反饋修正5.交換法6.上、下讀數(shù)法或換向法第四十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四三、系統(tǒng)誤差的估計方法⒈恒定系差的估計恒定系差：修正值：測量值誤差平均值⒉變化系差的估計精確：以函數(shù)關(guān)系式或?qū)嶒灩矫枋鲆话悖汗烙嫵鲎兓挡畹纳?下限值b和a.設(shè)a<b，ε=（a+b）/2（恒定部分）

e=（b－a）/2（變化部分的幅值）第四十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四直接檢測量將誤差傳遞給間接檢測量。一、間接測量中系統(tǒng)誤差的傳遞二、間接測量中隨機誤差的傳遞如果直接檢測的各個量之間彼此相關(guān)，間接檢測量的計算將十分復(fù)雜，應(yīng)設(shè)法將相關(guān)量轉(zhuǎn)化為獨立量來計算。（去耦）第八節(jié)誤差的傳遞第四十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四一、隨機誤差的合成按方和根法得到它們的標(biāo)準(zhǔn)誤差:

二、系統(tǒng)誤差的合成1、恒定系差的合成可按代數(shù)和法合成：當(dāng)誤差項數(shù)較多時，一般情況下按方和根法合成較好。第九節(jié)誤差的合成

第四十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四2.變值系差的合成第j個系差的誤差區(qū)間為[aj,bj]系統(tǒng)不確定度為：ej=1/2(bj-aj)標(biāo)準(zhǔn)誤差為：σj=ej/kj（系統(tǒng)不確定度或極限誤差與置信系數(shù)之比）合成方法：（1）線性相加法：

e=e1+e2+e3+?

?

?

?

?

?+en（2）方和根法：

e=√e12+e22+e32+?

?

?

?

?

?+en2（3）廣義方和根法：將各變值系差的系統(tǒng)不確定度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)誤差，用方和根法合成后，得到總的標(biāo)準(zhǔn)誤差，再轉(zhuǎn)化為總的系統(tǒng)不確定度。第四十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四

三、隨機誤差與系統(tǒng)誤差的合成1.線性相加法:g=e+Δ

線性相加的結(jié)果，綜合不確定度g偏大。2.方和根法：g=√e2+Δ23.廣義方和根法第四十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期四四、最后結(jié)果的表示（1