傳感器與檢測技術第一章測試的基礎知識

1、傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識第一篇第一篇 工程測試技術基礎工程測試技術基礎1.1.掌握測試的基本概念掌握測試的基本概念 2.2.了解測量誤差及其不確定度概念了解測量誤差及其不確定度概念3.3.了解測量數(shù)據(jù)處理的基本方法了解測量數(shù)據(jù)處理的基本方法第第1章章 測試的基礎知識測試的基礎知識傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識1.1 測試的基本概念測試的基本概念 1、測量、計量與測試、測量、計量與測試 測量：以確定被測對象屬性和量值為目的的全部操作。測量：以確定被測對象屬性和量值為目的的全部操作。單位單位被測量被測量 基準量基準量比較比較倍數(shù)（結果數(shù)值倍數(shù)（結果數(shù)值.單位）

2、單位）直接直接/間接間接 圖11 測量的比較原理(a) 天平直接比較（b）彈簧稱間接比較傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識計量：實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準確可靠的測量。計量：實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準確可靠的測量。 為使在不同的地方，用不同的手段測量同一量時，為使在不同的地方，用不同的手段測量同一量時，所得的結果一致，就要求所得的結果一致，就要求統(tǒng)一的單位、基準、標準和測統(tǒng)一的單位、基準、標準和測量器具。量器具。 計量的三個特征：統(tǒng)一性、準確性和法制性。計量的三個特征：統(tǒng)一性、準確性和法制性。計量內容包括：單位的統(tǒng)一、基準和標準的建立、計量內容包括：單位的統(tǒng)一、基準和標準的建立、量值傳遞、計量

3、監(jiān)督管理、測量方法及其手段的量值傳遞、計量監(jiān)督管理、測量方法及其手段的研究等。研究等。 傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識測試：意義更為廣泛的測量測試：意義更為廣泛的測量具有試驗性質的測具有試驗性質的測量。量。從信息獲取角度從信息獲取角度：信息提?。y量）信息提?。y量）信號轉換、信息識別（極為重要）信號轉換、信息識別（極為重要） 煤氣包高度測量煤氣包高度測量 橋梁固頻測量橋梁固頻測量 機翼模態(tài)分析機翼模態(tài)分析 索道檢測索道檢測傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識間接測量間接測量對與未知待測量對與未知待測量y y有確切函數(shù)關系的其他變量有確切函數(shù)關系的其他變量x (x (

4、 或或 n n 個 變 量個 變 量 ) ) 進 行 直 接 測 量 ， 然 后 再 通 過 函進 行 直 接 測 量 ， 然 后 再 通 過 函數(shù)數(shù) ，計算出待測量，計算出待測量y y。2、測試方法的分類、測試方法的分類 n直接測量和間接測量直接測量和間接測量直接測量直接測量用已標定的儀器，直接地測量出某一待測未用已標定的儀器，直接地測量出某一待測未知量的量值。知量的量值。12( )( ,)nyf xyf x xx或n接觸式測量和非接觸式測量接觸式測量和非接觸式測量非接觸式非接觸式測量測量避免了對被測對象的影響。避免了對被測對象的影響。傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識靜態(tài)測量靜

5、態(tài)測量：對不隨時間變化的（靜止的）被測量進行的測量。：對不隨時間變化的（靜止的）被測量進行的測量。 動態(tài)測量動態(tài)測量：對隨時間變化的被測量進行的測量，需確定被測量：對隨時間變化的被測量進行的測量，需確定被測量的瞬時值的瞬時值 及其隨時間變化的規(guī)律。及其隨時間變化的規(guī)律。n靜態(tài)測量和動態(tài)測量靜態(tài)測量和動態(tài)測量n非電量電測技術非電量電測技術非電量電測非電量電測：把被測的非電量，通過傳感器變換成電信號：把被測的非電量，通過傳感器變換成電信號再進行傳輸、處理等。再進行傳輸、處理等。工程中大多數(shù)被測量工程中大多數(shù)被測量非電量，非電量，為滿足為滿足測試的精度、速度、測試的精度、速度、處理、傳輸?shù)囊?，常?/p>

6、將非電量轉換為電量。處理、傳輸?shù)囊?，常常將非電量轉換為電量。傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識3、測試系統(tǒng)的組成、測試系統(tǒng)的組成 一般來說，測試系統(tǒng)是由傳感器、中間變換裝置一般來說，測試系統(tǒng)是由傳感器、中間變換裝置（信號調理和信號分析與處理）和顯示記錄裝置組成（信號調理和信號分析與處理）和顯示記錄裝置組成并具有獲取某種信息之功能的整體。并具有獲取某種信息之功能的整體。信息轉換信息轉換信息提取信息提取 傳感器傳感器將被測物理量將被測物理量(如力如力,溫度溫度) 檢出并轉換為電量，中檢出并轉換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經(jīng)間變換裝置對接收到的電信號用硬

7、件電路進行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進行變換后用軟件進行信號分析（提取特征參數(shù)、頻譜分析、信號分析（提取特征參數(shù)、頻譜分析、相關分析等）相關分析等），顯示記錄裝置則測量結果顯示出來，提供給，顯示記錄裝置則測量結果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。觀察者或其它自動控制裝置。 傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識1.2 測量誤差及其不確定度測量誤差及其不確定度 一、測量誤差的基本概念一、測量誤差的基本概念 傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識n測量誤差的表示方法：測量誤差的表示方法：0Ax x 測量精度不僅與它的絕對誤差的大小，而且與這個量本身測量精度不僅與它的絕對

8、誤差的大小，而且與這個量本身的大小有關。例如：如何比較測量長度為的大小有關。例如：如何比較測量長度為10m和和1m（絕對誤（絕對誤差為差為1cm）的測量精度？）的測量精度？Ax傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識絕對誤差與真值之比百分數(shù)表示。絕對誤差與真值之比百分數(shù)表示。%10000A%100AA%100 xx )1lg(20AdB評定精度：相對誤差越小，測量精度越高。評定精度：相對誤差越小，測量精度越高。傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識n測量誤差的分類：測量誤差的分類： 測量誤差一般根據(jù)其性質可分為隨機誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差三類。 由由特定原因特定原因引起、具有一定

9、因果關系并按引起、具有一定因果關系并按確定規(guī)律確定規(guī)律產生。產生。儀器、環(huán)境、動力源變化、人為因素等儀器、環(huán)境、動力源變化、人為因素等再現(xiàn)性再現(xiàn)性 偏差（偏差（Deviation）理論分析理論分析/實驗驗證實驗驗證原因和規(guī)律原因和規(guī)律減少減少/消除消除傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識因許多因許多不確定性因素不確定性因素而隨機產生。而隨機產生。偶然性偶然性不明確、無規(guī)律不明確、無規(guī)律概率和統(tǒng)計方法處理概率和統(tǒng)計方法處理無法消除無法消除/修正修正各種干擾（噪聲、電磁場）等各種干擾（噪聲、電磁場）等系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)發(fā)生異常和故障等引起。系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)發(fā)生異常和故障等引起。異常誤差若混為系

10、統(tǒng)誤差和隨機誤差異常誤差若混為系統(tǒng)誤差和隨機誤差 測量結果失去意義測量結果失去意義剔除異常值剔除異常值 防止粗大誤差防止粗大誤差 傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識二、測量不確定度二、測量不確定度定量描述測量結果的指標定量描述測量結果的指標 不確定度表明測量結果可能的分散程度?？捎脴藴势畋硎荆部捎脴藴势畹谋稊?shù)或置信區(qū)間的半寬度表示。 n幾個基本概念：幾個基本概念：數(shù)學期望數(shù)學期望 真值真值A0，最佳估計值，最佳估計值(測量結果的算術平均值測量結果的算術平均值)標準偏差標準偏差 表征測量結表征測量結果的分散程度，果的分散程度， 大表明測大表明測量值比較分散，量值比較分散， 小表

11、明測小表明測量值比較集中。量值比較集中。 0)(p1 2 3 1 2 3 壞值壞值 剔除剔除 計算算術平均值計算算術平均值 x 殘余誤差殘余誤差 均方誤差均方誤差 剔除壞值剔除壞值2)2)格羅布斯準則格羅布斯準則測量值的殘余誤差的絕對值測量值的殘余誤差的絕對值| | g( ,n) 壞值壞值 剔除剔除 g( ,n) 由由重復測量次數(shù)重復測量次數(shù)n及置信概率及置信概率P查表查表確定確定例例1 11 1：P15P15（粗大誤差的判斷和剔除）（粗大誤差的判斷和剔除）傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識n測量數(shù)據(jù)的表示方法測量數(shù)據(jù)的表示方法： 傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識 一

12、元線性一元線性回歸回歸一元非線一元非線性回歸性回歸多元線性多元線性回歸回歸多元非線多元非線性回歸性回歸變量個數(shù)變量個數(shù)1111方次方次1111y=a+bx傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識建立經(jīng)驗公式的步驟：建立經(jīng)驗公式的步驟： ； nnjnjjxaxaxaaxay22100 傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識 iiiyy mni 2 傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識n一元線性回歸一元線性回歸。 將測量數(shù)據(jù)中兩個端點，起點和終點（即最大量程點）的將測量數(shù)據(jù)中兩個端點，起點和終點（即最大量程點）的測量值（測量值（x1,y1）和（）和（xn,yn），代入），代

13、入y=a+bx ，則，則a,b分別為分別為 11bxya 11nnyybxx 0 020204040606080800 05 510101515x xy y傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識 kxxkii 11kyykii 11knxxnkii 12knyynkii 121212xxyyb 2211xbyxbya 傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識 iiiyy min)(1122 niniiiibxayv niniiinininiiiniiiixnxxyyxxa112211121)( niniiininiiiniiixnxyxnyxb1122111)(傳感器與測試技術機

14、電學院第1章 測試的基礎知識壓力壓力（MPa） 2 4 6 8 10 輸出輸出（mV） 10.043 20.093 30.135 40.128 50.072 最小二乘法精確度最高，平均法次之，端點法較差最小二乘法精確度最高，平均法次之，端點法較差 計算結果見下頁表計算結果見下頁表傳感器與測試技術機電學院第1章 測試的基礎知識壓力壓力MPa 輸出輸出mV 端點法端點法 平均法平均法 最小二乘法最小二乘法 理想直線理想直線 殘差殘差 理想直線理想直線 殘差殘差 理想直線理想直線 殘差殘差 2 10. .043 10.044 0. .001 10. .95 0. .052 10. .080 0. .0337 4 20. .093 20. .052 0. .041 20. .097 0. .004 20. .090 0. .003 6 30. .135 30. .060 0. .093 30. .099 0. .054 30. .100 0. .053 8 40. .128 40. .068 0. .060 40. .101 0. .027 40. .110 0. .018 10 50. .072 50. .068 0. .004 50. .103 0. .031 50. .120 0. .048 擬合直線方程擬合直線方程 擬合誤差擬合誤差 0. .068 0. .049 0. .