檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)課件

1、 檢測(cè)技術(shù)與傳感器考勤：未出勤3次（含）以上免“試”課堂紀(jì)律：手機(jī)、pad等數(shù)碼設(shè)備：不鼓勵(lì)用，緊急情況請(qǐng)離開教室睡覺：允許小憩，不鼓勵(lì)大憩不鼓勵(lì)“學(xué)習(xí)”與本課程無關(guān)的知識(shí)實(shí)驗(yàn)：每次必到，考勤+成績(jī)作業(yè)：鼓勵(lì)原創(chuàng)，鄙視抄襲成績(jī)：平時(shí)30%，期末卷面成績(jī)70%答疑：周三下午3：15-4：00點(diǎn)名的作用靠點(diǎn)名留住學(xué)生的老師如同靠懷孕留住男人的小三？師生關(guān)系合作？互利？男一號(hào)、女一號(hào)？學(xué)習(xí)目的為了父母？為了工作？為了大學(xué)？為了。傳感器的地位和作用IT技術(shù)信息采集、信息傳輸、信息處理信息產(chǎn)業(yè)三大支柱傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)什么是傳感器？形形色色的傳感器參考書目及課程安排參考書目傳感器，強(qiáng)錫富主

2、編，機(jī)械工業(yè)出版社，1999劉迎春 葉湘濱編著 傳感器原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用 國(guó)防科技大學(xué)出版社 1997年 課程安排講 課 30 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課 6 學(xué)時(shí)總 計(jì) 36 學(xué)時(shí)1.1 緒言1.2 測(cè)量與誤差1.3 測(cè)量誤差的處理1.4 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成與發(fā)展第章檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)1.1.1檢測(cè)的基本知識(shí)測(cè)量是以確定被測(cè)量的值或獲取測(cè)量結(jié)果為目的的一系列操作。測(cè)量也就是將被測(cè)量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。或式中：x被測(cè)量值u標(biāo)準(zhǔn)量，即測(cè)量單位n比值（純數(shù)），含有測(cè)量誤差1.1.2被測(cè)參數(shù)的分類電工量：電流、電壓、電功率、電感、電阻、電容頻率、磁通密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度熱工量：溫度、熱量、比熱容

3、、熱流、熱分布，壓力、壓差、真空度，流量、流速、風(fēng)速，物位、液位、界面機(jī)械量：位移、形狀，力、應(yīng)力、力矩，重量、質(zhì)量，轉(zhuǎn)速、線速度，振動(dòng)、加速度、噪聲物性和成分量：氣體成分、液體成分、固體成分，酸堿度、鹽度、濃度、粘度、密度狀態(tài)量：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、表面粗糙度1.1.2被測(cè)參數(shù)的分類常用方法:非電量電測(cè)法1.1.3檢測(cè)設(shè)備的基本性能精確度：精密度和準(zhǔn)確度的綜合，常以測(cè)量誤差的相對(duì)值表示穩(wěn)定性：時(shí)間的影響，外部環(huán)境和工作條件的影響輸入輸出特性：靜態(tài)，動(dòng)態(tài)電磁兼容性1.2.1測(cè)量、量值、約定真值根據(jù)獲得測(cè)量值的方法分為直接測(cè)量：電流表測(cè)電流、彈簧秤稱稱重量間接測(cè)量：測(cè)水塔的水

4、量、曹沖稱象聯(lián)立（組合）測(cè)量：若干個(gè)被測(cè)量及測(cè)量量的情況根據(jù)測(cè)量方式分為偏差式測(cè)量：用儀表指針的位移（即偏差）決定被測(cè)量的量值。模擬電流/壓表、體重秤等。零位式測(cè)量：指零儀表指零時(shí)，被測(cè)量與已知標(biāo)準(zhǔn)量相等。天平、電位差計(jì)等。微差式測(cè)量：將被測(cè)量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較, 取得差值后, 再用偏差法測(cè)得此差值。游標(biāo)卡尺等。根據(jù)測(cè)量條件分為等精度測(cè)量：用相同儀表與測(cè)量方法對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量不等精度測(cè)量：用不同精度的儀表或不同的測(cè)量方法, 或在環(huán)境條件相差很大時(shí)對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量根據(jù)被測(cè)量變化的快慢分為靜態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量1.2.1測(cè)量、量值、約定真值量值的概念量和量值真值、約定真值和實(shí)際

5、值標(biāo)稱值和指示值1.2.1測(cè)量、量值、約定真值誤差的概念一切測(cè)量都具有誤差，誤差自始至終存在于所有科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程之中測(cè)量誤差是測(cè)得值減去被測(cè)量的真值誤差的表示方法絕對(duì)誤差相對(duì)誤差引用誤差基本誤差附加誤差 1.2.2測(cè)量誤差的性質(zhì)與分類誤差的表示方法（1）（1）絕對(duì)誤差 絕對(duì)誤差可用下式定義: =x-L 式中: 絕對(duì)誤差; x測(cè)量值; L真值。采用絕對(duì)誤差表示測(cè)量誤差, 不能很好說明測(cè)量質(zhì)量的好壞。 例如, 在溫度測(cè)量時(shí), 絕對(duì)誤差=1 , 對(duì)體溫測(cè)量來說是不允許的, 而對(duì)測(cè)量鋼水溫度來說卻是一個(gè)極好的測(cè)量結(jié)果。誤差的表示方法（2）（2）相對(duì)誤差 相對(duì)誤差可用下式定義: 式中: 相對(duì)誤差, 一般

6、用百分?jǐn)?shù)給出; 絕對(duì)誤差; L真值。 標(biāo)稱相對(duì)誤差：誤差的表示方法（3）（3）引用誤差 引用誤差可用下式定義:引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法。（4）基本誤差儀表在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差。（5）附加誤差儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。 誤差的分類系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差粗大1.2.2測(cè)量誤差的性質(zhì)與分類測(cè)量誤差的性質(zhì)（1）（1）隨機(jī)誤差對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí), 絕對(duì)值和符號(hào)不可預(yù)知地隨機(jī)變化, 但就誤差的總體而言, 具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性的誤差稱為隨機(jī)誤差。引起的原因？（2）系統(tǒng)誤差對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí), 如果誤差按照一定的規(guī)律出現(xiàn), 則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。例如

7、, 標(biāo)準(zhǔn)量值的不準(zhǔn)確及儀表刻度的不準(zhǔn)確而引起的誤差。引起的原因？（3）粗大誤差明顯偏離測(cè)量結(jié)果的誤差。引起的原因？測(cè)量誤差的性質(zhì)（2）60kg50kg0kg系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差粗大誤差系統(tǒng)誤差的處理系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)構(gòu)造誤差、方法誤差、環(huán)境誤差、人員誤差系統(tǒng)誤差的一般處理方法替代法零位式測(cè)量法差值法（微差法）補(bǔ)償法引入修正值法其他方法1.3.1系統(tǒng)誤差的處理系統(tǒng)誤差的通用處理方法系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因傳感器、儀表不準(zhǔn)確（刻度不準(zhǔn)、放大關(guān)系不準(zhǔn)確）測(cè)量方法不完善（如儀表內(nèi)阻未考慮）安裝不當(dāng)環(huán)境不合操作不當(dāng)系統(tǒng)誤差的判別實(shí)驗(yàn)對(duì)比法，例如一臺(tái)測(cè)量?jī)x表本身存在固定的系統(tǒng)誤差，即使進(jìn)行多次測(cè)量也不能發(fā)現(xiàn)，只有用更高

8、一級(jí)精度的測(cè)量?jī)x表測(cè)量時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)這臺(tái)測(cè)量?jī)x表的系統(tǒng)誤差。殘余誤差觀察法（繪出先后次序排列的殘差）準(zhǔn)則檢驗(yàn) 系統(tǒng)誤差的通用處理方法系統(tǒng)誤差的通用處理方法準(zhǔn)則檢驗(yàn)法馬利科夫判據(jù)是將殘余誤差前后各半分兩組, 若“vi前”與“vi后”之差明顯不為零, 則可能含有線性系統(tǒng)誤差。阿貝檢驗(yàn)法則檢查殘余誤差是否偏離正態(tài)分布, 若偏離, 則可能存在變化的系統(tǒng)誤差。將測(cè)量值的殘余誤差按測(cè)量順序排列，且設(shè)A=v12+v22+vn2, B=(v1-v2)2+(v2-v3)2+(vn-1-vn)2+(vn-v1)2。 若 則可能含有變化的系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的通用處理方法系統(tǒng)誤差的消除在測(cè)量結(jié)果中進(jìn)行修正 已知系統(tǒng)誤差

9、, 變值系統(tǒng)誤差, 未知系統(tǒng)誤差消除系統(tǒng)誤差的根源根源？在測(cè)量系統(tǒng)中采用補(bǔ)償措施實(shí)時(shí)反饋修正1.3.2 隨機(jī)誤差的處理正態(tài)分布隨機(jī)誤差具有以下特征: 絕對(duì)值相等的正誤差與負(fù)誤差出現(xiàn)的次數(shù)大致相等對(duì)稱性。 在一定測(cè)量條件下的有限測(cè)量值中，其隨機(jī)誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過一定的界限有界性。 絕對(duì)值小的誤差出現(xiàn)的次數(shù)比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多單峰性 對(duì)同一量值進(jìn)行多次測(cè)量，其誤差的算術(shù)平均值隨著測(cè)量次數(shù)n的增加趨向于零抵償性。（凡是具有抵償性的誤差原則上可以按隨機(jī)誤差來處理） 這種誤差的特征符合正態(tài)分布 1.3.2 隨機(jī)誤差的處理隨機(jī)誤差的數(shù)字特征算術(shù)平均值。對(duì)被測(cè)量進(jìn)行等精度的n次測(cè)量,，得n個(gè)測(cè)量值

10、x1,x2,xn,，它們的算術(shù)平均值為： 標(biāo)準(zhǔn)偏差 簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)差，又稱均方根誤差，刻劃總體的分散程度，可以描述測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果的精度。 1.3.2 隨機(jī)誤差的處理用測(cè)量的均值代替真值：有限次測(cè)量中，算術(shù)平均值不可能等于真值，即也有偏差，的均方根偏差：正態(tài)分布隨機(jī)誤差的概率計(jì)算幾個(gè)概念：置信概率：置信系數(shù)：k顯著度：測(cè)量結(jié)果可表示為（計(jì)算得到的真值和真值的均方根偏差）： k0.674511.9622.5834Pa0.50.68270.950.95450.990.99730.99994幾個(gè)典型的k值及其相應(yīng)的概率正態(tài)分布隨機(jī)誤差的概率計(jì)算當(dāng)k=1時(shí), Pa=0.6827, 即測(cè)量結(jié)果中隨機(jī)誤差出現(xiàn)

11、在-+范圍內(nèi)的概率為68.27%, 而|v|的概率為31.73%。出現(xiàn)在-3+3范圍內(nèi)的概率是99.73%, 因此可以認(rèn)為絕對(duì)值大于3的誤差是不可能出現(xiàn)的, 通常把這個(gè)誤差稱為極限誤差例題 例1-1對(duì)某一溫度進(jìn)行10次精密測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表所示，設(shè)這些測(cè)得值已消除系統(tǒng)誤差和粗大誤差, 求測(cè)量結(jié)果。序號(hào)測(cè)量值xi殘余誤差vivi2185.710.030.0009285.63-0.050.0025385.65-0.030.0009485.710.030.0009585.690.010.0001685.690.010.0001785.700.020.0004885.6800985.66-0.020.

12、00041085.6800不等精度直接測(cè)量的權(quán)與誤差在不等精度測(cè)量時(shí), 對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行m組測(cè)量, 得到m組測(cè)量列（進(jìn)行多次測(cè)量的一組數(shù)據(jù)稱為一測(cè)量列）的測(cè)量結(jié)果及其誤差, 它們不能同等看待。精度高的測(cè)量列具有較高的可靠性, 將這種可靠性的大小稱為“權(quán)”?！皺?quán)”可理解為各組測(cè)量結(jié)果相對(duì)的可信賴程度。 測(cè)量次數(shù)多, 測(cè)量方法完善, 測(cè)量?jī)x表精度高, 測(cè)量的環(huán)境條件好, 測(cè)量人員的水平高, 則測(cè)量結(jié)果可靠, 其權(quán)也大。權(quán)是相比較而存在的。 權(quán)用符號(hào)p表示, 有兩種計(jì)算方法: 用各組測(cè)量列的測(cè)量次數(shù)n的比值表示, 并取測(cè)量次數(shù)較小的測(cè)量列的權(quán)為1,則有 p1p2pm=n1n2nm 用各組測(cè)量列的誤差

13、平方的倒數(shù)的比值表示, 并取誤差較大的測(cè)量列的權(quán)為1, 則有 p1p2pm= 不等精度直接測(cè)量的權(quán)與誤差加權(quán)算術(shù)平均值加權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)誤差 1.3.3 粗大誤差的處理剔除壞值的幾條原則：3準(zhǔn)則（萊以達(dá)準(zhǔn)則）：如果一組測(cè)量數(shù)據(jù)中某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差的絕對(duì)值|vi|3時(shí), 則該測(cè)量值為可疑值（壞值）, 應(yīng)剔除。應(yīng)用于？肖維勒準(zhǔn)則：假設(shè)多次重復(fù)測(cè)量所得n個(gè)測(cè)量值中, 某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差|vi|Zc,則剔除此數(shù)據(jù)。實(shí)用中Zc3, 所以在一定程度上彌補(bǔ)了3準(zhǔn)則的不足。應(yīng)用于？1.3.3 粗大誤差的處理格拉布斯準(zhǔn)則：某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差的絕對(duì)值|vi|G, 則判斷此值中含有粗大誤差, 應(yīng)予剔除。 G值與重復(fù)測(cè)

14、量次數(shù)n和置信概率Pa有關(guān)。此外？步驟：求算術(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)差有無粗大誤差計(jì)算算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差測(cè)量結(jié)果表示剔除粗大誤差有無1.3.4 測(cè)量數(shù)據(jù)處理中的幾個(gè)問題間接測(cè)量中的測(cè)量數(shù)據(jù)處理（誤差的合成、誤差的分配）最小二乘法的應(yīng)用（最小二乘法原理）用經(jīng)驗(yàn)公式擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析誤差的合成絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差的合成絕對(duì)誤差相對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差的合成絕對(duì)誤差的合成（例題）例1-2用手動(dòng)平衡電橋測(cè)量電阻RX。已知R1=100, R2=1000, RN=100,各橋臂電阻的恒值系統(tǒng)誤差分別為R1=0.1, R2=0.5, RN=0.1。求消除恒值系統(tǒng)誤差后的RX.ARNR2RxR1E解：平衡電橋測(cè)電阻原理：即：不考

15、慮R1、R2、RN的系統(tǒng)誤差時(shí)，有由于R1、R2、RN存在誤差，測(cè)量電阻RX也將產(chǎn)生系統(tǒng)誤差?？傻茫合齊1、R2、RN的影響，即修正后的電阻應(yīng)為最小二乘法的應(yīng)用問題的提出已知鉑電阻與溫度之間具有如下關(guān)系：可用實(shí)驗(yàn)方法得到的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，如何求方程中的三個(gè)參數(shù)？設(shè) 對(duì)應(yīng)： 最小二乘法的應(yīng)用如果測(cè)量了次（），理論值為：的第一個(gè)下標(biāo)意思為第次測(cè)量（） 理論值與實(shí)際測(cè)量值的誤差為：最小二乘法則是“殘余誤差的平方和為最小”， 即最小 最小二乘法的應(yīng)用為此可得到m個(gè)方程的組：求解該方程組可得到最小二乘估計(jì)的正規(guī)方程，從而解得最小二乘解、矩陣法則最小二乘法的應(yīng)用最小二乘條件 變?yōu)榉匠探M即將代入：最小二乘法的應(yīng)

16、用（例題）例3銅的電阻值R與溫度t之間關(guān)系為Rt=R0(1+t),在不同溫度下, 測(cè)定銅電阻的電阻值如下表所示。試估計(jì)0時(shí)的銅電阻電阻值R0和銅電阻的電阻溫度系數(shù)。 ti() 19.125.030.136.040.045.150.0Ri() 76.377.879.7580.8082.3583.985.10解：列出誤差方程(i=1,2,3, ,7)式中: 是在溫度ti下測(cè)得銅電阻電阻值。令x=r0, y=r0, 則誤差方程可寫為 76.3-(x+19.1y) =v1 77.8-(x+25.0y) =v2 79.75-(x+30.1y) =v3 80.80-(x+36.0y) =v4 82.35-

17、(x+40.0y) =v5 83.9-(x+45.1y) =v6 85.10-(x+50.0y) =v7 其正規(guī)方程為 a1a1x+a1a2y=a1l a2a1x+a2a2y=a2l于是有將各值代入上式, 得到 7x+245.3y=566 245.3x+9325.38y=20 044.5 解得 x=70.8 y=0.288/即 r0=70.8 用矩陣求解, 則有 AA= 1 19.1 1 25.0 1 30.1 1 36.0 1 40.0 1 45.1 1 50.0 1 1 1 1 1 119.1 25.0 30.1 36.0 40.0 45.1 50.0= 7 245.3 245.3 9325.38 245.3245.3 9325.38=5108.70 （有解）(AA)-1= A11 A12A21 A22