2-非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)幻燈片

第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)一、本章主要內(nèi)容§1非電量檢測(cè)技術(shù)及特點(diǎn)--非電量分類，檢測(cè)技術(shù)，特點(diǎn)§2非電量檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成及功能--組成，功能§3非電量檢測(cè)系統(tǒng)的分類及特性分析--主動(dòng)式，被動(dòng)式，開環(huán)式和閉環(huán)式等特性分析§4測(cè)量方法及分類--直接測(cè)量、間接測(cè)量、聯(lián)立測(cè)量§5測(cè)量誤差及分析技術(shù)--測(cè)量誤差分類，分析§6測(cè)試數(shù)據(jù)的處理--可疑數(shù)據(jù)的處理和測(cè)試數(shù)據(jù)表示方法§7監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的估計(jì)與統(tǒng)計(jì)處理

重點(diǎn)與難點(diǎn)：

開環(huán)式和閉環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)、誤差分析11/7/20221第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)一、非電量介紹1、非電量

非電量就是非電氣量，如溫度、壓力、速度、位移、應(yīng)變、流量、液位等。這些量有大有小，有強(qiáng)有弱；有些不隨時(shí)間而變化，有些隨時(shí)間而變化；有些是標(biāo)量，有些是矢量；有些是離散的，有些是連續(xù)的。在科學(xué)技術(shù)的研究、工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的過(guò)程中，對(duì)這些量往往不僅要進(jìn)行測(cè)量，而且要對(duì)其進(jìn)行控制、變換、傳輸、顯示、記錄、存儲(chǔ)等。

第一節(jié)非電量檢測(cè)技術(shù)及特點(diǎn)

11/7/20222第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2、非電量分類眾多的非電量，主要可歸納為以下四類：1）熱工量：溫度、熱量、比熱、熱流、熱分布；壓力、壓強(qiáng)、壓差、真空度；流量、流速、風(fēng)速；物位、液位、界面等。11/7/20223第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2）機(jī)械量：位移、尺寸、形狀、形變；力、應(yīng)力、力矩、扭矩；重量、質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、線速度；振動(dòng)、加速度、噪聲。3）物性和成分量：氣、液體化學(xué)成分、酸堿度、鹽度、濃度、粘度、硬度；密度、比重。4）狀態(tài)量：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、開關(guān)等。11/7/20224第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)二、非電量檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用在實(shí)踐的過(guò)程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到電量具有易測(cè)等許多優(yōu)點(diǎn)，而且大多非電量可以精確地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電量，于是非電量就可用電量的測(cè)量技術(shù)對(duì)其測(cè)量，即非電量檢測(cè)技術(shù)，或稱非電量電測(cè)技術(shù)。非電量的檢測(cè)技術(shù)：用電測(cè)技術(shù)的方法對(duì)非電量進(jìn)行測(cè)量。它首先把非電參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

1、非電量檢測(cè)分類：非電量檢測(cè)的方法依據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理的不同而有不同的分類，歸納起來(lái)主要可分為以下幾類：(1)電磁檢測(cè)

電阻式——電位計(jì)式、應(yīng)變片式、壓阻式；電感式——自感式、互感式、壓磁式；電容式——電容式、容柵式；磁電式——磁電感應(yīng)式、磁柵式、磁敏式(霍爾式）熱電式——熱電偶、熱電阻、熱敏電阻；（測(cè)溫）壓電式——正壓電式、聲表面波式。11/7/20225第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)汽車衡例：電阻應(yīng)變式傳感器11/7/20227第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)汽車衡11/7/20228第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)汽車衡稱重系統(tǒng)11/7/20229第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)電子秤

磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示11/7/202210第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬(wàn)分之一11/7/202211第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)人體秤

11/7/202212第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)吊鉤秤

便攜式11/7/202213第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手

可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，有峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。（電動(dòng)車巡航功能）11/7/202214第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)例：熱電阻的應(yīng)用

熱電阻汽車用水溫傳感器及水溫表11/7/202215第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)熱電阻溫度顯示、變送器11/7/202216第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)可設(shè)定溫度的溫度控制箱

旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)定開關(guān)撥碼式設(shè)定開關(guān)11/7/202217第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻LCD例：熱敏電阻的應(yīng)用11/7/202218第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)熱敏電阻體溫表

11/7/202219第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

11/7/202220第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)例：電容式加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。裝有傳感器的假人氣囊11/7/202221第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)(2)光學(xué)檢測(cè)（紅外、可見、紫外光檢測(cè)）光電式、激光式、紅外式（傅里葉紅外光譜分析儀）、光柵式、光導(dǎo)纖維式、光學(xué)編碼器式等。(3)超聲波檢測(cè)(4)同位素檢測(cè)(5)微波檢測(cè)(6)電化學(xué)檢測(cè)11/7/202222第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)(1)便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量(2)便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和集中控制（嫦娥二號(hào)北京控制中心）(3)便于實(shí)現(xiàn)靜動(dòng)測(cè)量(4)便于實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量(5)便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)2、非電量電測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)由于電子技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，使得對(duì)電量的測(cè)量準(zhǔn)確度高、靈敏度高、反應(yīng)速度快。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)非電量的連續(xù)測(cè)量。（KJ66瓦斯監(jiān)測(cè)）隨著傳感器、測(cè)量電路響應(yīng)速度的不斷提高，信號(hào)數(shù)值分析和數(shù)據(jù)處理速度提高，不但能實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)下的性能參數(shù)進(jìn)行很好地測(cè)量，而且對(duì)于動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量也能容易地實(shí)現(xiàn)。

（嫦娥二號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)自主控制、三位定向、自我故障診斷、多路加熱器的自主控制、故障下的應(yīng)急處理等多項(xiàng)功能）由于電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量裝置的量程很容易實(shí)現(xiàn)多量程，測(cè)量裝置的頻帶可達(dá)到很寬，因此，很容易實(shí)現(xiàn)大范圍的測(cè)量。（多路開關(guān)：壓力、CH4）計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在檢測(cè)中的應(yīng)用，使得檢測(cè)系統(tǒng)的校正功能、信息變換功能、分析處理的功能、人機(jī)交互功能大大提高，從而使檢測(cè)系統(tǒng)的性能得以極大地改善。11/7/202223第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)1)在工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中若僅憑已有的理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，往往還不夠準(zhǔn)確，特別是對(duì)許多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特殊條件還沒有理論或經(jīng)驗(yàn)公式可依據(jù)時(shí)，就更需要進(jìn)行實(shí)地的測(cè)試。同時(shí)，在現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)工作中，通常都要通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找最佳條件，而這些模擬實(shí)驗(yàn)是離不開非電量檢測(cè)的。（月球、防突設(shè)計(jì)---煤與瓦斯突出模擬）3、非電量檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用概述(工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究)11/7/202224第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)例：煤與瓦斯突出模擬試驗(yàn)研究11/7/202225第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)11/7/202226第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)11/7/202227第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)11/7/202228第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2)在許多科學(xué)研究過(guò)程中，非電量檢測(cè)也占有很重要的位置。例如，新型建筑材料、機(jī)械構(gòu)件的研制以及橋梁的架設(shè)等，均需要進(jìn)行種類繁多的非電量檢測(cè)后，才能得到可靠的研究數(shù)據(jù)，取得應(yīng)有的成果。11/7/202229第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

3)在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)電廠鍋爐的進(jìn)水量、壓力、溫度、蒸汽消耗量等都必須進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)以及實(shí)時(shí)監(jiān)控；（缺水、滿水）又如，工業(yè)鍋爐在出廠前必須對(duì)焊縫的缺陷(如裂縫、灰渣、氣泡、未焊透和表面缺陷等)進(jìn)行嚴(yán)格檢查，其檢測(cè)結(jié)果將作為技術(shù)檔案隨鍋爐出廠?？傊I(yè)生產(chǎn)中，各種材料、器材的質(zhì)量鑒定和監(jiān)督都離不開非電量的檢測(cè)。工廠自動(dòng)化中的柔性制造系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人等均需配置高精度傳感檢測(cè)系統(tǒng)，用以檢測(cè)各種工況參數(shù)，以達(dá)到運(yùn)行監(jiān)控的目的。（土木材料變形量檢測(cè)）11/7/202230第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)4)在航空航天一架飛機(jī)從設(shè)計(jì)到樣機(jī)試飛所需要檢測(cè)的非電量是相當(dāng)繁多的。為研究飛機(jī)的靜強(qiáng)度，要貼上數(shù)百只電阻應(yīng)變計(jì)。機(jī)上有關(guān)點(diǎn)的壓力、振動(dòng)、溫度和機(jī)內(nèi)管路中的壓力、流量、溫度以及油箱的液位和液溫等這些非電量的檢測(cè)均需自動(dòng)地進(jìn)行。（2010年04月10日，波蘭總統(tǒng)專機(jī)在俄羅斯斯摩棱斯克機(jī)場(chǎng)墜毀，總統(tǒng)及多名高官遇難）5)在軍事上（地對(duì)空導(dǎo)彈；南斯拉夫大使館）6)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中（大棚種植溫度、濕度監(jiān)測(cè)控制）據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心消息，2010年04月14日07:49，青海玉樹縣今晨發(fā)生7.1級(jí)地震，震中位于縣城附近，截至14日13時(shí)，玉樹地震已造成近300人遇難。初步統(tǒng)計(jì)，傷者達(dá)8000人。11/7/202231第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)非電量檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成及功能

為實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)量，首先需要解決的是從非電量到電量的變換，這一變換主要靠傳感器來(lái)完成。傳感器輸出的電信號(hào)需要經(jīng)過(guò)測(cè)量電路進(jìn)行加工和處理，如衰減、放大、調(diào)制和解調(diào)、濾波、運(yùn)算和數(shù)字化等。測(cè)量結(jié)果由輸出電路顯示或記錄，為了顯示被測(cè)量的變化過(guò)程，可以采用光線示濾波器、筆錄儀、屏幕顯示器、打字機(jī)和磁帶等輸出設(shè)備。11/7/202232第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)一、非電量檢測(cè)系統(tǒng)組成

主要是由三個(gè)基本部分——傳感器、測(cè)量電路和輸出電路所組成。一般又稱傳感器部分為一次儀表，而稱測(cè)量電路和輸出電路（eg.數(shù)顯計(jì)重儀）為二次儀表。根據(jù)傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)的形式不同以及測(cè)量系統(tǒng)的功能不同，非電量檢測(cè)系統(tǒng)的具體構(gòu)成也相應(yīng)地有所不同，也會(huì)在相應(yīng)三個(gè)基本部分的基礎(chǔ)上有所增加。如圖2-1，非電量計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)預(yù)處理電路、微機(jī)輔助處理、輸出等環(huán)節(jié)組成，其中基本轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)預(yù)處理電路統(tǒng)稱為測(cè)量電路?，F(xiàn)以該系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)述各部分功能及特點(diǎn)。圖2-1非電量檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成11/7/202233第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)二、非電量檢測(cè)系統(tǒng)各部分功能

1、傳感器非電量檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件是傳感器。傳感器是一種能敏銳感知被測(cè)參量功能轉(zhuǎn)換的元件(或裝置)。它能把光、磁、熱、力、超聲、射線和酶等物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等的非電參量轉(zhuǎn)換成與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系和易于精確處理的電的或其它形式的信號(hào)。（溫度計(jì)、熱電阻、熱電偶）2、測(cè)量電路測(cè)量電路的功能是將傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)必要的轉(zhuǎn)換或(和)信號(hào)處理，使之便于驅(qū)動(dòng)顯示、記錄執(zhí)行機(jī)構(gòu)或進(jìn)行微機(jī)數(shù)據(jù)處理。測(cè)量電路的組成與傳感器輸出測(cè)量信號(hào)的形式有關(guān)，與測(cè)量系統(tǒng)(或儀器)的功能要求有關(guān)，因此，可根據(jù)輸出信號(hào)的形式和系統(tǒng)的功能要求決定測(cè)量電路的類型。11/7/202234第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)圖2-2開關(guān)量測(cè)量電路

1）開關(guān)量測(cè)量電路傳感器的輸出信號(hào)為開關(guān)信號(hào)，如電觸點(diǎn)或光線的通斷信號(hào)，測(cè)量電路的實(shí)質(zhì)為功率放大器。上圖所示為觸點(diǎn)S接通使繼電器K吸合的電路。11/7/202235第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)圖2-3模擬量測(cè)量電路2）模擬量測(cè)量電路

傳感器輸出模擬信號(hào)。電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁電式、熱電式及某些光電傳感器均輸出這類信號(hào)。模擬量測(cè)量電路的基本構(gòu)成如圖所示。11/7/202236第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)基本轉(zhuǎn)換電路的功能是將傳感器的參數(shù)變化轉(zhuǎn)換為電量輸出。比如傳感器為電參量式的，即被測(cè)信號(hào)的變化引起傳感器的電阻、電感或電容等參數(shù)的變化，傳感器輸出為電路參數(shù)R、L（負(fù)壓傳感器）、C（電容式壓差傳感器），則需通過(guò)基本轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為易測(cè)電量(電壓、電流或電荷等)。若傳感器的輸出已是電量，則不需要基本轉(zhuǎn)換電路。(1)基本轉(zhuǎn)換電路11/7/202237第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)對(duì)于某一傳感器，有其一定量程。在測(cè)量不同范圍的參數(shù)時(shí)，為了提高測(cè)量精度，可以使用傳感器線性度最好的范圍，因此，為適應(yīng)不同測(cè)量范圍的參數(shù)需要，常引入量程切換電路。

(3)放大器由傳感器或基本轉(zhuǎn)換電路送來(lái)的測(cè)量信號(hào)往往很微弱，通常最大為毫伏級(jí)，為了后續(xù)處理的需要，需要進(jìn)行放大。因信號(hào)微弱，因而對(duì)放大器的精度要求很高，要求它能鑒別被測(cè)量的微小變化。為此常要求放大器低噪聲、高穩(wěn)定性、低漂移、高抗干擾性能、高輸入阻抗、高共模抑制比、高線性度和適宜的頻率特性。

(2)量程切換電路11/7/202238第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)緩變電信號(hào)、利用直流放大有零漂等問(wèn)題。

調(diào)制是指利用信號(hào)來(lái)控制和改變高頻振蕩（載波）的某個(gè)參數(shù)(幅值、頻率或相位)，使它隨著被測(cè)信號(hào)作有規(guī)律的變化，以利于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大與傳輸。根據(jù)被控制量(幅值、頻率或相位)的不同，調(diào)制分調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相。

解調(diào)或檢波是對(duì)已調(diào)波進(jìn)行鑒別以恢復(fù)緩變的被測(cè)信號(hào)。(4)調(diào)制與解調(diào)11/7/202239第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)調(diào)制：緩變信號(hào)變成高頻交變信號(hào)的過(guò)程?；蚍Q，用被測(cè)緩變信號(hào)對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高頻振蕩進(jìn)行控制的過(guò)程；調(diào)制信號(hào)：被測(cè)信號(hào)；調(diào)制波：一般將控制高頻振蕩的緩變信號(hào)；載波：標(biāo)準(zhǔn)高頻振蕩；載送緩變信號(hào)的高頻振蕩波；已調(diào)制波：經(jīng)過(guò)被測(cè)信號(hào)調(diào)制后的載波。幅值調(diào)制：調(diào)制信號(hào)控制高頻振蕩幅值的調(diào)制；頻率調(diào)制：調(diào)制信號(hào)控制高頻振蕩頻率的調(diào)制；相位調(diào)制：調(diào)制信號(hào)控制高頻振蕩相位的調(diào)制。解調(diào)：是從已調(diào)制波中不失真地恢復(fù)原來(lái)緩變信號(hào)的過(guò)程。11/7/202240第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

A、幅值調(diào)制：使載波信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的變化而線性變化。調(diào)制信號(hào)、載波與已調(diào)制波調(diào)制波載波已調(diào)波B、頻率調(diào)制：是用低頻調(diào)制信號(hào)控制高頻載波信號(hào)頻率的過(guò)程。調(diào)頻過(guò)程中載波的幅值保持不變，僅僅載波頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅值成正比地改變。所以調(diào)頻波就是一個(gè)隨調(diào)制信縣變化的疏密不等的等幅波。當(dāng)調(diào)制信號(hào)幅值增加時(shí)，調(diào)頻波的頻率隨著增加；當(dāng)調(diào)制信號(hào)幅值下降時(shí)，調(diào)頻波的頻率也隨著下降。頻率調(diào)制11/7/202241第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)A、濾波器是一種具有選擇頻率功能的裝置。它使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。B、分類：根據(jù)選頻作用：分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四類；根據(jù)構(gòu)成元件類型：分為RC、LC或晶體諧振濾波器三類；根據(jù)電路性質(zhì)：分為有源和無(wú)源濾波器兩類；根據(jù)處理的信號(hào)性質(zhì)：分為模擬濾波和數(shù)字濾波兩類。盡管在模擬測(cè)量電路中討論的均屬模擬濾波器范疇，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用，數(shù)字濾波技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。所謂數(shù)字濾波是指通過(guò)一定的計(jì)算程序?qū)Σ蓸有盘?hào)進(jìn)行平滑加工、提高其有用信號(hào)的比重，消除或減少干擾噪聲。(5)濾波器11/7/202242第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

高通濾波器正好相反，高頻信號(hào)通過(guò)，低頻信號(hào)被抑制；帶通濾波器允許信號(hào)中某段頻率成分通過(guò)而抑制其余頻率成分；低通濾波器允許信號(hào)低頻通過(guò)而抑制信號(hào)高頻部分；帶阻濾波器抑制信號(hào)中某段頻率成分而允許其余頻率成分通過(guò)。11/7/202243第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字濾波法與模擬RC濾波法相比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（A）數(shù)字濾波無(wú)需硬件設(shè)備，只是增加一個(gè)濾波程序，不存在阻抗匹配問(wèn)題，尤其是可以對(duì)很高的頻率和很低的頻率進(jìn)行濾波，這是RC模擬濾波方法難于實(shí)現(xiàn)的。（B）便于根據(jù)不同傳感器的輸出特點(diǎn)及環(huán)境狀況改變?yōu)V波參數(shù)，選擇不同的濾波方法。常用的數(shù)字濾波方法有：限幅濾波法、中位值濾波法、遞推平均濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、算術(shù)平均濾波法、一階滯后濾波法等。11/7/202244第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)運(yùn)算電路在測(cè)量電路中的作用主要有兩個(gè)方面：其一，有些量是間接測(cè)量的，必須經(jīng)過(guò)計(jì)算才能得到被測(cè)量；其二，有些被測(cè)量的變化是非線性的，如按指數(shù)規(guī)律變化，后續(xù)處理不方便，如果通過(guò)對(duì)數(shù)運(yùn)算，使之線性化后，會(huì)給后續(xù)處理帶來(lái)方便。（電阻率的測(cè)量ρ=R×A/L）（刻度均勻）(6)運(yùn)算電路11/7/202245第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)模擬測(cè)量電路，從傳感器到運(yùn)算電路處理的都是模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)處理的都是數(shù)字量。如果被測(cè)模擬量要通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，則必須把模擬量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量，工作由模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路來(lái)完成。

（測(cè)量：電子計(jì)秤；瓦斯?jié)舛龋悍请娏?電量-數(shù)字量）若需推動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件或模擬顯示、記錄儀器，則要將計(jì)算機(jī)處理輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，即進(jìn)行必要的數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換，此工作由數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換電路來(lái)完成。（控制：數(shù)控機(jī)床）

(7)模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路11/7/202246第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)編碼測(cè)量電路主要包括絕對(duì)碼測(cè)量電路和增量碼測(cè)量電路，其中常用的為增量碼測(cè)量電路。光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器、編碼器、激光干涉等傳感器輸出增量碼信號(hào)。傳感器的輸出經(jīng)放大、整形后形成數(shù)字脈沖信號(hào)。數(shù)字脈沖信號(hào)就可以根據(jù)測(cè)量的需要進(jìn)行靈活處理。

（8）編碼測(cè)量電路11/7/202247第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)通常，經(jīng)傳感器、基本轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)，往往不是我們所需要的信號(hào)，如存在低電平、非線性、干擾噪聲大等問(wèn)題。因此，需要經(jīng)過(guò)一些必要的預(yù)處理才能交付后面的應(yīng)用程序使用。信號(hào)的預(yù)處理通常包括前述的放大、調(diào)制解調(diào)、濾波、線性化及A/D、D/A轉(zhuǎn)換等。

3、信號(hào)預(yù)處理11/7/202248第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)微機(jī)在測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用，使測(cè)量系統(tǒng)可以說(shuō)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（變值變態(tài)采集）及虛擬設(shè)備技術(shù)等都是計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用的結(jié)果。測(cè)量數(shù)據(jù)的微機(jī)處理，不僅可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、推理，產(chǎn)生控制量，還可以用數(shù)字、圖表顯示測(cè)量結(jié)果。如果在微機(jī)中采用多媒體技術(shù)，可以使測(cè)量結(jié)果的顯示更宜人。4、微機(jī)處理、顯示11/7/202249第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)總結(jié)：非電量檢測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成11/7/202250第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)11/7/202251第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)例：煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控軟件界面11/7/202252第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)11/7/202253第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)非電量檢測(cè)系統(tǒng)的分類及特性分析

傳感器作為檢測(cè)系統(tǒng)的感受環(huán)節(jié)、信息入口，可將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電量或電路參數(shù)輸出；基本轉(zhuǎn)換電路可將傳感器輸出的電路參數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成易測(cè)電量；處理電路是檢測(cè)系統(tǒng)中環(huán)節(jié)最多的部分，其構(gòu)成視被測(cè)量及檢測(cè)要求的不同而異，其主要功能是把電量進(jìn)行必要的處理、變換、傳輸，從而便于顯示、記錄、控制。被檢測(cè)量傳感器基本轉(zhuǎn)換電路處理電路被測(cè)對(duì)象顯示記錄A/D計(jì)算機(jī)輸出圖2-4檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成11/7/202254第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)根據(jù)檢測(cè)過(guò)程中是否向被測(cè)對(duì)象施加能量，可以將檢測(cè)系統(tǒng)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種類型。1、主動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)如圖2－5所示。其特點(diǎn)是在檢測(cè)過(guò)程中需要從外部向被檢測(cè)對(duì)象施加能量。例如，在測(cè)量阻抗元件的阻抗值時(shí)，必須向阻抗元件施加以電壓，供給一定的電能。

能量被檢測(cè)對(duì)象傳感器檢測(cè)電路顯示記錄輸出圖2-5主動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)圖一、主動(dòng)式和被動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)11/7/202255第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2、被動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)它的構(gòu)成原理如圖2－6所示。被動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是在檢測(cè)過(guò)程中不需要從外部向被檢測(cè)對(duì)象施加能量。例如，電壓、電流、溫度測(cè)量、飛機(jī)所用的空對(duì)空導(dǎo)彈的紅外（熱源）探測(cè)跟蹤系統(tǒng)就屬于被動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)。

被檢測(cè)對(duì)象(能源)傳感器檢測(cè)電路顯示、記錄輸出圖2-6被動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)框圖11/7/202256第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)根據(jù)信號(hào)傳輸?shù)姆较蚩梢詫z測(cè)系統(tǒng)分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種類型。1、開環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)(1)開環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)的框圖和信號(hào)流程圖如圖2－7所示。

傳感檢測(cè)部分(一次變換)通常由不同傳感器及基本轉(zhuǎn)換電路組成，把非電量的變化轉(zhuǎn)化為電量；

放大器(二次變換)通常由放大電路或測(cè)量電路來(lái)?yè)?dān)任，對(duì)電量進(jìn)行放大；

顯示、記錄器為各種顯示儀表、記錄儀器，更加直觀表示被檢測(cè)量的大小及變化。傳感檢測(cè)(一次變換)放大器(二次變換)顯示、記錄(儀器)輸出Y被檢測(cè)量XX1X2圖2-7開環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)框圖二、開環(huán)式和閉環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)11/7/202257第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖是由許多對(duì)信號(hào)進(jìn)行單向運(yùn)算的方框和一些信號(hào)流向線組成，方框表示對(duì)信號(hào)進(jìn)行的數(shù)學(xué)變換。方框中寫入各環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Gi(s)。傳遞函數(shù)是各環(huán)節(jié)或系統(tǒng)輸出與輸入拉氏變換之比，是以代數(shù)式的形式表征各環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的傳輸、轉(zhuǎn)換特性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)原理圖與數(shù)學(xué)方程兩者的結(jié)合，即補(bǔ)充了原理圖所缺少的定量描述，又避免了純數(shù)學(xué)的抽象運(yùn)算，從結(jié)構(gòu)圖上可以用方框進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，也可直觀了解各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系及其在系統(tǒng)中所起的作用，更重要的是根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以方便地求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。所以，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖也是檢測(cè)系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)模型。11/7/202258第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

開環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖，G1(S)、G2(S)、G3(S)為各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。

X(S)G1(S)X1(S)X1(S)=G1(S)X(S)對(duì)于開環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，其輸出y(S)=G3(S)G2(S)G1(S)X(S)結(jié)構(gòu)圖中的方框跟實(shí)際系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)并非是一一對(duì)應(yīng)的。引出問(wèn)題：誤差傳遞、不斷擴(kuò)大——怎么樣解決？X(S)Y(S)G1(S)G2(S)G3(S)X1(S)X2(S)圖2-8開環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖11/7/202259第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

2、閉環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)(1)系統(tǒng)框圖和信號(hào)流圖閉環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)的框圖和信號(hào)流圖如圖2－9所示。X(S)Y(S)G1(S)G2(S)G3(S)E(S)X2(S)X1(S)╳

H(S)-+11/7/202260第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2－10所示。（3）根據(jù)自動(dòng)控制理論知識(shí)，串聯(lián)方框的等效傳遞函數(shù)等于各串聯(lián)方框傳遞函數(shù)之乘積，則G(S)=G2(S)G3(S)。圖2-10可簡(jiǎn)化為圖2-11。

圖2－10閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2－11閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（簡(jiǎn)化）11/7/202261第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

φ(S)稱為輸入信號(hào)下的閉環(huán)傳遞函數(shù)，由可進(jìn)一步求得在輸入信號(hào)下系統(tǒng)的輸出量Y(S)。11/7/202262第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)即：上式表明，系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下，輸出響應(yīng)Y（S）取決于閉環(huán)傳遞函數(shù)及輸入信號(hào)X1（S）的形式。當(dāng)G2（S）G3（S）H（S）≥1時(shí)，上式變成：

11/7/202263第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)閉環(huán)系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)，它是以誤差信號(hào)E(S)作為輸出量時(shí)的傳遞函數(shù)。圖2－10是典型的反饋系統(tǒng)，其各種閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母形式均相同，即：式中G2(S)G3(S)H(S)是回路增益，并稱為圖3－10系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，它等效為主反饋斷開時(shí)，從輸入信號(hào)X1(S)到反饋信號(hào)B(s)之間的傳遞函數(shù)。11/7/202264第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

1、開環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)

2、閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)

三、開、閉環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用開環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)，其輸出直接由系統(tǒng)的輸入量產(chǎn)生，給定一個(gè)輸入量，就有一個(gè)輸出量與之相對(duì)應(yīng)，檢測(cè)精度完全取決于所用變換器及校準(zhǔn)的精度，所有變換器特性的變化都會(huì)造成檢測(cè)誤差，即各環(huán)節(jié)的特性均影響系統(tǒng)輸出結(jié)果。其特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)發(fā)生影響，但結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單。閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)是按偏差進(jìn)行控制的，其特點(diǎn)是不論什么原因，若輸出量偏離期望值而出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被測(cè)量與真值趨于一致，具有抑制任何內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)輸出量產(chǎn)生影響的能力，有較高的檢測(cè)精度。但這種系統(tǒng)使用的元件多，線路復(fù)雜，特別是系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也較麻煩，盡管如此，它仍是一種重要的并被廣泛應(yīng)用的檢測(cè)方式。對(duì)于閉環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)，由于反饋回路內(nèi)的各環(huán)節(jié)特性不會(huì)或很少造成測(cè)量誤差，因此采用大回路閉環(huán)，使更多的變換器置于閉環(huán)中會(huì)更有利。對(duì)于開環(huán)式檢測(cè)系統(tǒng)，容易造成誤差的部分應(yīng)考慮采用閉環(huán)方法。因此，在構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)將開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)巧妙地組合在一起加以應(yīng)用，才能達(dá)到所期望的目的。11/7/202265第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)測(cè)量方法及分類一、測(cè)量方法及分類測(cè)量是將被測(cè)量與同性質(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)，并用數(shù)字表示這個(gè)倍數(shù)。對(duì)于測(cè)量方法，從不同的角度出發(fā)有不同的分類：按測(cè)量手續(xù)分類----直接、間接、聯(lián)立測(cè)量（組合測(cè)量）；按測(cè)量方式分類----偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量、微差式測(cè)量；按測(cè)量敏感元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸分類：接觸式、非接觸式按被測(cè)量變化快慢分類：靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量按測(cè)量系統(tǒng)是否向被測(cè)對(duì)象施加能量分類：主動(dòng)式、被動(dòng)式；按被測(cè)物理量是否在變化過(guò)程中被測(cè)分類：在線、離線測(cè)量11/7/202266第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)1、直接測(cè)量2、間接測(cè)量3、聯(lián)立測(cè)量二、直接測(cè)量、間接測(cè)量與聯(lián)立測(cè)量在使用儀表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)儀表讀數(shù)不需要經(jīng)過(guò)任何運(yùn)算，就能直接表示測(cè)量所需的結(jié)果，稱為直接測(cè)量。例如，用磁電式電流表測(cè)量電路的支路電流就為直接測(cè)量。這種測(cè)量方法是工程上大量采用的方法。在使用儀表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先對(duì)與被測(cè)物理量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個(gè)量進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到所需要的結(jié)果，稱為間接測(cè)量。例如，欲測(cè)量導(dǎo)線的電阻率，由電阻率可知，只有先經(jīng)過(guò)直接測(cè)量，得到導(dǎo)線的R、L、d以后，再代入ρ的表達(dá)式，經(jīng)計(jì)算得到最后所需要的結(jié)果ρ值。這種測(cè)量方法，手續(xù)較多，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，但可以得到較高的測(cè)量精度，主要用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。（R=ρL/s，ρ=RS/L電阻率在數(shù)值上等于單位長(zhǎng)度、單位截面的某種物質(zhì)的電阻）在應(yīng)用儀表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，若被測(cè)物理量必須經(jīng)過(guò)求解聯(lián)立方程組，才能得到最后結(jié)果，則稱這樣的測(cè)量為聯(lián)立測(cè)量。在進(jìn)行聯(lián)立測(cè)量時(shí)，一般要改變測(cè)試條件，才能獲得一組聯(lián)立方程所需要的數(shù)據(jù)。11/7/202267第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)1、偏差式測(cè)量2、零位式測(cè)量(又稱補(bǔ)償式或平衡式測(cè)量)

3、微差式測(cè)量

三、偏差式測(cè)量、零位式測(cè)量和微差式測(cè)量即在測(cè)量過(guò)程中，用測(cè)量?jī)x表指針的位移(即偏差)決定被測(cè)量的測(cè)量方法。應(yīng)用這種方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)量具不裝在儀表內(nèi)，而是事先用標(biāo)準(zhǔn)量具，對(duì)儀表刻度進(jìn)行校準(zhǔn)；在測(cè)量時(shí)，輸入被測(cè)量，按照儀表指針在標(biāo)尺上的示值，決定被測(cè)量的數(shù)值。它是以間接方式實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的比較。如，電流表、壓力表。采用這種方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程比較簡(jiǎn)單、迅速，但是測(cè)量結(jié)果的精度較低，這種測(cè)量方法廣泛用于工程測(cè)量中。在測(cè)量過(guò)程中，用指零儀表的零位指示檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)；在測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，用已知的基準(zhǔn)量決定被測(cè)未知量的測(cè)量方法，稱為零位式測(cè)進(jìn)法。應(yīng)用這種方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)量具裝在儀表內(nèi)，在測(cè)量過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測(cè)量相比較；測(cè)量時(shí)，要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量，即進(jìn)行平衡操作，一直到被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量相等，即使指零儀表回零。如，天平、桿秤。采用零位式測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，優(yōu)點(diǎn)是可以獲得比較高的測(cè)量精度。但是，測(cè)量過(guò)程上比較復(fù)雜，在測(cè)量時(shí)，要進(jìn)行平衡操作，比較費(fèi)時(shí)。采用動(dòng)平衡操作，可以加快測(cè)量過(guò)程，它的反應(yīng)速度由于受工作原理所限，也不會(huì)很高。因此，這種測(cè)量方法不適用測(cè)量變化迅速的信號(hào)，只適用于測(cè)量變化較緩慢的信號(hào)。微差式測(cè)量法是綜合了偏差式測(cè)量法與零位式測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)，提出的測(cè)量方法。這種方法是將被測(cè)的未知量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較并取得差值，然后用偏差法測(cè)得此差值。應(yīng)用這種方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)量具裝在儀表內(nèi)，并且在測(cè)量過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測(cè)量進(jìn)行比較。由于二者的值很接近，因此，測(cè)量過(guò)程中不需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，而只要測(cè)量二者的差值。微差式測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，而且測(cè)量精度高，它特別適用于在線控制參數(shù)的檢測(cè)。如、溫度計(jì)。11/7/202268第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

非接觸測(cè)量及在線檢測(cè)在科學(xué)試驗(yàn)、工業(yè)過(guò)程測(cè)量及工業(yè)控制過(guò)程中顯得越來(lái)越重要，顯示出巨大的優(yōu)越性。1、接觸與非接觸測(cè)量

2、在線與離線測(cè)量

四、其它測(cè)量方法非接觸測(cè)量是利用物理、化學(xué)及聲光學(xué)的原理，便被測(cè)對(duì)象與檢測(cè)元器件之間不發(fā)生物理上的直接接觸而對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量的方法。在線檢測(cè)，狹義上講，是在被測(cè)量變化過(guò)程中進(jìn)行的檢測(cè)。廣義地說(shuō)，是應(yīng)用各種傳感檢測(cè)器對(duì)被檢測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)地進(jìn)行分析處理而獲得信息，與預(yù)先設(shè)定的量進(jìn)行比較;然后根據(jù)誤差信號(hào)進(jìn)行處理，保證檢測(cè)精度或使生產(chǎn)過(guò)程處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

在線測(cè)量與離線測(cè)量的區(qū)別是：檢測(cè)工作是在被測(cè)量變化過(guò)程中進(jìn)行，還是在過(guò)程之外或過(guò)程結(jié)束后進(jìn)行。在線測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求，即要求各個(gè)環(huán)節(jié)響應(yīng)要快，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要，對(duì)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。事實(shí)上，有些量的檢測(cè)必須是在線實(shí)時(shí)測(cè)量。如地震時(shí)各種量的測(cè)量。11/7/202269第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)測(cè)量誤差及分析處理技術(shù)

一、測(cè)量誤差及其分類測(cè)量過(guò)程中，首先因?yàn)闇y(cè)量設(shè)備、儀表、測(cè)量對(duì)象、測(cè)量方法、測(cè)量者本身都不同程度受到本身和周圍各種因素的影響，而且這些影響因素也在經(jīng)常不斷的變化著。其次，被測(cè)量對(duì)測(cè)量系統(tǒng)施加作用之后，能使測(cè)量系統(tǒng)給出測(cè)量結(jié)果，也就是說(shuō)，測(cè)量過(guò)程一般都會(huì)改變被測(cè)對(duì)象原有的狀態(tài)。因此，測(cè)量結(jié)果所反映的并不是被測(cè)對(duì)象的本來(lái)面貌，而只是一種近似。即測(cè)量不可避免地總存在測(cè)量誤差。11/7/202270第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)測(cè)量誤差就是測(cè)量值與真值之間的差值。所謂真值，是指一定的時(shí)間及空間條件下，某物理量所體現(xiàn)的真實(shí)數(shù)值。測(cè)量的目的是為了求得被測(cè)量的真值的逼近值。誤差的分類如下：由于真值是無(wú)法求得的，在實(shí)際測(cè)量中，常用某一被測(cè)量多次測(cè)量的平均值，或上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量所得的示值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0。A0稱為約定真值。11/7/202271第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)1、按誤差的表示方法分為

(1)絕對(duì)誤差

(2)相對(duì)誤差：常用來(lái)表示測(cè)量精度的高低，主要有：A、實(shí)際相對(duì)誤差B、示值相對(duì)誤差C、滿度(或引用)相對(duì)誤差

一、測(cè)量誤差及其分類

某一被測(cè)量的測(cè)量值X與真值A(chǔ)0的差值為絕對(duì)誤差ΔX。

實(shí)際相對(duì)誤差是用絕對(duì)誤差ΔX與被測(cè)量的約定值A(chǔ)的百分比來(lái)表示的相對(duì)誤差，即：示值相對(duì)誤差是用絕對(duì)誤差Δx與儀器示值X的百分比值來(lái)表示的相對(duì)誤差，即：滿度相對(duì)誤差是用絕對(duì)誤差Δx與儀器滿度值xm的百分比來(lái)表示的相對(duì)誤差，即：當(dāng)ΔX取最大值時(shí)的滿度相對(duì)誤差常用來(lái)確定儀表的精度等級(jí)。國(guó)家規(guī)定電工儀表精確度等級(jí)分為0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七級(jí)。例如0.2級(jí)表的引用誤差的最大值不超過(guò)±0.2%。11/7/202272第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)A、定義B、產(chǎn)生的原因主要有：

C、誤差消除與減小方法：

2、按誤差的性質(zhì)分在相同條件下多次測(cè)量同一物理量時(shí)，其誤差的絕對(duì)值和符號(hào)保持恒定；或者在條件改變時(shí)，按某一確定的規(guī)律變化的誤差，稱為系統(tǒng)誤差。其誤差值不變的又稱為定值系統(tǒng)誤差，其變化的則稱為變值系統(tǒng)誤差。（小販的秤，8兩=1斤）（1）測(cè)量工具本身性能不完善而產(chǎn)生的誤差；（空盒氣壓計(jì)儀器補(bǔ)充校正）（2）測(cè)量設(shè)備和電路等安裝、布置、調(diào)整不當(dāng)而產(chǎn)生的誤差；（空盒氣壓計(jì)刻度校正）（3）測(cè)量過(guò)程中因溫度、氣壓等環(huán)境條件發(fā)生變化所產(chǎn)生的誤差；（空盒氣壓計(jì)溫度校正）（4）測(cè)量方法不完善或者測(cè)量所依據(jù)的理論本身不完善等原因所產(chǎn)生的誤差等。總之系統(tǒng)誤差的特征是：系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的規(guī)律性和產(chǎn)生原因的可知性。定值系統(tǒng)誤差――在測(cè)量中，定值系統(tǒng)誤差一般可用實(shí)驗(yàn)對(duì)比法發(fā)現(xiàn)并用修正法等予以消除；定值系統(tǒng)誤差一般可用殘余誤差觀察法發(fā)現(xiàn)，并從硬件和軟件不同方面采取措施消除它，比如從軟件上采用“對(duì)稱法”，可消除線性變值系統(tǒng)誤差；采用“半周期法”，可消除周期性變值系統(tǒng)誤差等。（eg、空盒氣壓計(jì)：補(bǔ)充校正；小販的秤：8兩=1斤）示值10標(biāo)準(zhǔn)8系統(tǒng)誤差=10-8=2被測(cè)量=示值-2（系統(tǒng)誤差）(1)系統(tǒng)誤差11/7/202273第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)A、定義B、產(chǎn)生原因C、隨機(jī)誤差具有下列特性D、誤差消除與減小方法(2)隨機(jī)誤差

在相同條件下多次測(cè)量同一物理量時(shí)，在己經(jīng)消除引起系統(tǒng)誤差的因素之后，測(cè)量結(jié)果仍有誤差，而其變化是無(wú)規(guī)律的隨機(jī)變化，這類誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如正態(tài)分布、均勻分布等。引起隨機(jī)誤差的原因都是一些微小因素，且無(wú)法控制。只能用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法去計(jì)算它出現(xiàn)的可能大小。

①絕對(duì)值相等、符號(hào)相反的誤差在多次重復(fù)測(cè)量中出現(xiàn)的可能性相等；②在一定測(cè)量條件下，隨機(jī)誤差絕對(duì)值不會(huì)超出某一限度；③絕對(duì)值小的隨機(jī)誤差比絕對(duì)值大的隨機(jī)誤差在多次重復(fù)測(cè)量中出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多。隨機(jī)誤差――在測(cè)量中，隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量過(guò)程及結(jié)果影響是必然的，但規(guī)律是有明顯的不確定性，借助概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)以及必要的數(shù)據(jù)處理，只能描述出隨機(jī)誤差的影響極限范圍，并進(jìn)而給出最接近真值的測(cè)量結(jié)果，但隨機(jī)誤差無(wú)法消除，可以取多次測(cè)量平均值方法減小之。11/7/202274第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)(3)粗大誤差

粗大誤差的產(chǎn)生是由于測(cè)量者在測(cè)量時(shí)疏忽大意或環(huán)境條件的突變而造成的。粗大誤差一般都比較大，沒有規(guī)律性。誤差消除與減小方法：粗大誤差――在測(cè)量中，有粗大誤差的測(cè)量結(jié)果是不可取的，即有粗大誤差影響的測(cè)值必須根據(jù)一定的規(guī)則(如拉依達(dá)準(zhǔn)則等)判斷出來(lái)，并予剔除。11/7/202275第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)例：拉依達(dá)準(zhǔn)則設(shè)對(duì)被測(cè)量進(jìn)行等精度測(cè)量，獨(dú)立得到x1，x2...,xn,算出其算術(shù)平均值x及剩余誤差vi=xi-x（i=1,2，...,n）,并按貝塞爾公式算出標(biāo)準(zhǔn)誤差σ，若某個(gè)測(cè)量值xb的剩余誤差vb（1<=b<=n）,滿足下式：則認(rèn)為xb是含有粗大誤差值的壞值，應(yīng)予剔除。11/7/202276第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)試用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除壞值。解：20.33用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除次數(shù)1234567891011L(cm)10.3510.3810.310.3210.3510.3310.3710.3110.3420.3310.37如，對(duì)某一長(zhǎng)度L測(cè)量11次，其數(shù)據(jù)如下：11/7/202277第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)如，對(duì)某一長(zhǎng)度L測(cè)量10次，其數(shù)據(jù)如下：試用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除壞值。解：20.33不能用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除注：拉依達(dá)準(zhǔn)則不能檢驗(yàn)樣本量較小的情況，n必須大于10.次數(shù)12345678910L(cm)10.3510.3810.310.3210.3510.3310.3710.3110.3420.3311/7/202278第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)（4）準(zhǔn)確度、精密度、精確度---檢測(cè)系統(tǒng)的基本內(nèi)容，不同場(chǎng)合---檢測(cè)精度要求不同，（服裝裁剪（身長(zhǎng)/胸圍）--半厘米；發(fā)動(dòng)機(jī)活塞直徑--微米級(jí)）精度高---系統(tǒng)復(fù)雜---造價(jià)高按誤差原因：①準(zhǔn)確度：表征測(cè)量結(jié)果接近真值的程度--反映系統(tǒng)誤差大?、诰芏龋悍从硿y(cè)量結(jié)果的分散程度（針對(duì)重復(fù)測(cè)量而言）---表示隨機(jī)誤差的大?、劬_度：表征測(cè)量結(jié)果與真值之間的一致程度---系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合反映真值11/7/202279第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)精密度高準(zhǔn)確度高精確度高在測(cè)量中，系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差，粗大誤差三者同時(shí)存在，但是它們對(duì)測(cè)量過(guò)程及結(jié)果的影響不同根據(jù)其影響程度的不同，測(cè)量精度也有不同的劃分。在測(cè)量中，若系統(tǒng)誤差小，稱測(cè)量的準(zhǔn)確度高；若隨機(jī)誤差小，稱測(cè)量的精密度高；若二者綜合影響小，稱測(cè)量的精確度高。坐標(biāo)原點(diǎn)---真值點(diǎn)的位置點(diǎn)---多次測(cè)量結(jié)果11/7/202280第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)(1)靜態(tài)誤差在被測(cè)量不隨時(shí)間變化時(shí)所測(cè)得的測(cè)量誤差稱為靜態(tài)誤差。(2)動(dòng)態(tài)誤差在被測(cè)量隨時(shí)間變化過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的附加誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。動(dòng)態(tài)誤差是由于測(cè)量系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)變化響應(yīng)上的滯后，或輸入信號(hào)中不同頻率成分通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)受到不同的衰減和延遲而造成的誤差。動(dòng)態(tài)誤差的大小為動(dòng)態(tài)中測(cè)量和靜態(tài)中測(cè)量所得誤差值的差值。3、按被測(cè)量與時(shí)間的關(guān)系分11/7/202281第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)誤差從使用角度出發(fā)可分為基本誤差和附加誤差。(1)基本誤差

基本誤差是指測(cè)量系統(tǒng)(儀表)在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差。例如，儀表是在電源電壓22OV±5V、電網(wǎng)頻率5OHz±2Hz、環(huán)境溫度2O℃±5℃、大氣壓力1.013xlO5pa±l.OxlO3Pa、濕度65%±5%的條件下標(biāo)定的，如果這臺(tái)儀表今后也在這個(gè)條件下工作，則儀表所具有的誤差為基本誤差。(2)附加誤差

當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)(儀表)的使用條件偏離額定條件時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)附加誤差。4、按誤差的使用角度分11/7/202282第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)一般由若干個(gè)元件或單元組成，這些元件或單元在系統(tǒng)中稱為環(huán)節(jié)。由各個(gè)環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)可以是開環(huán)系統(tǒng)，也可以是閉環(huán)系統(tǒng)。

測(cè)量系統(tǒng)或傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化與輸入變化的比值，稱為測(cè)量系統(tǒng)或傳感器的靈敏度，用K來(lái)表示，即：

對(duì)于線性系統(tǒng)或傳感器，它的靈敏度就是它的傳遞系數(shù)，或稱傳遞函數(shù)，亦即K=y/x。

（對(duì)于非線性的不是，如y=x2，在x=1、2、3時(shí)，y/x=1、2、3；而dy/dx=x’=2x=2、4、6）二、測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)誤差11/7/202283第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)圖2-5-1串聯(lián)環(huán)節(jié)組成的開環(huán)系統(tǒng)方框圖1、開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差要分析整個(gè)系統(tǒng)的誤差，先要分析每一個(gè)環(huán)節(jié)的誤差，圖2-5-1所示為由幾個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)組成的開環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輸入量為xi，輸出量為yo。由第一個(gè)環(huán)節(jié)加到第二個(gè)環(huán)節(jié)的信號(hào)量為y1，由第二個(gè)環(huán)節(jié)加到第三個(gè)環(huán)節(jié)的信號(hào)量為y2，依次類推，由第n-l個(gè)環(huán)節(jié)加到第n個(gè)環(huán)節(jié)的信號(hào)量為yn-l，由此即可得到系統(tǒng)的靜態(tài)特性為：

系統(tǒng)的靈敏度：11/7/202284第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)根據(jù)靈敏度的定義，系統(tǒng)第一個(gè)環(huán)節(jié)的靈敏度K1為上式說(shuō)明具有串聯(lián)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)的靈敏度為各個(gè)環(huán)節(jié)的靈敏度的乘積。如果采用傳遞系數(shù)來(lái)表示，則可寫成：11/7/202285第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)每一個(gè)環(huán)節(jié)的誤差都將影響系統(tǒng)的總誤差。由于第一個(gè)環(huán)節(jié)的誤差Δy1的影響而使系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生的誤差為Δy01；可以得到第二個(gè)環(huán)節(jié)的誤差Δy2，直到第n個(gè)環(huán)節(jié)的誤差Δyn，影響到系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生的誤差分別為：各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差在系統(tǒng)的輸出端積累的總誤差Δyc為：11/7/202286第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)可得，同理，由式子兩邊同除以y0系統(tǒng)總的相對(duì)誤差為上式表明了系統(tǒng)輸出端的相對(duì)誤差為各環(huán)節(jié)相對(duì)誤差之和。因此，為了減小開環(huán)系統(tǒng)的誤差，必須減小各環(huán)節(jié)的誤差?？傻糜忠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的相對(duì)誤差為δc

系統(tǒng)總的相對(duì)誤差和每一環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差是什么關(guān)系呢？11/7/202287第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)閉環(huán)系統(tǒng)如圖2-5-2所示。圖中xi、y0和xf分別表示該系統(tǒng)反饋系統(tǒng)的輸入量、輸出量和反饋量。前向通道的傳遞系數(shù)K0、反饋通道的傳遞系數(shù)F分別為：圖2-5-2閉環(huán)系統(tǒng)方框圖2、閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差11/7/202288第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

圖2-5-3（a）前向通道有m個(gè)環(huán)節(jié)，反饋通道有n個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)簡(jiǎn)化后可等效成圖2-5-3（b）。圖2-5-3并聯(lián)閉環(huán)系統(tǒng)baIII11/7/202289第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)Ⅰ相當(dāng)于前向通道各個(gè)環(huán)節(jié)的等效環(huán)節(jié)，Ⅱ相當(dāng)于反饋通道各個(gè)環(huán)節(jié)的等效環(huán)節(jié)，比較環(huán)節(jié)不變。利用式（2-5-20）可得到：而輸入量的增量與輸出量的增量的關(guān)系為：前向通道中各環(huán)節(jié)的誤差在輸出端引起的誤差Δy1反饋通道中各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差在反饋通道輸出端積累的誤差ΔX2為：當(dāng)在反饋通道輸入端加入輸入信號(hào)Δyc時(shí)，它在反饋兩端產(chǎn)生的信號(hào)是ΔycK2，考慮到反饋通道引入的誤差為Δx2，于是，反饋通道輸出端的信號(hào)Δxf是：11/7/202290第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)這個(gè)信號(hào)加到比較環(huán)節(jié)上，在負(fù)反饋時(shí)，與輸出信號(hào)符號(hào)相反，則有：整個(gè)系統(tǒng)的相對(duì)誤差：前向通道的總相對(duì)誤差：反饋環(huán)節(jié)的總相對(duì)誤差：如果反饋環(huán)節(jié)是線性的則有：即在系統(tǒng)輸出端，前向通道整個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差：11/7/202291第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)如果一個(gè)系統(tǒng)引入了負(fù)反饋，就能減少以至消除前向通道環(huán)節(jié)的誤差影響，這可用增大K1K2乘積中的一個(gè)因子來(lái)達(dá)到。由于增大K2會(huì)減少閉環(huán)系統(tǒng)傳遞系數(shù)Kf，這種辦法通常是不用采的。因此，常用增大前向通道的傳遞系數(shù)K1的方法來(lái)減少誤差δ1的影響。當(dāng)K1K2＞＞1時(shí)，δc=-δ2，在這種情況下，系統(tǒng)輸出端的誤差由反饋通道的基本誤差δ2所決定，具有較小誤差的反饋技術(shù)是比較容易達(dá)到的。此外，在系統(tǒng)中引入了負(fù)反饋，開辟了補(bǔ)償前向通道各環(huán)節(jié)誤差的可能性。因?yàn)樵谙到y(tǒng)的誤差公式中，前向通道的誤差與反饋通道的誤差在符號(hào)上是相反的，因此，可以達(dá)到減小或補(bǔ)償系統(tǒng)誤差的目的。假設(shè)系統(tǒng)的傳遞系數(shù)KC已定，且規(guī)定系統(tǒng)的輸出端允許誤差為δC，那么系統(tǒng)存在某種有規(guī)律可循的誤差，可以選擇適當(dāng)?shù)膫鬟f系數(shù)K1、K2，從而適當(dāng)?shù)拇_定δ1和δ2，以保證誤差δC在允許范圍內(nèi)。11/7/202292第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第六節(jié)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理一、可疑數(shù)據(jù)的取舍測(cè)試目的是獲得被測(cè)量的接近真值或可信賴值，但在眾多測(cè)試數(shù)據(jù)中，也會(huì)包含有由于測(cè)試過(guò)程中的某種原因?qū)е庐惓?shù)據(jù)，必須剔除。1、可疑數(shù)據(jù)剔除的理論依據(jù)——統(tǒng)計(jì)分析法根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布規(guī)律，數(shù)據(jù)分布不會(huì)超過(guò)一定的范圍，選擇一個(gè)有代表正常數(shù)據(jù)分布范圍的數(shù)據(jù)——鑒別值。然后用被測(cè)可疑數(shù)據(jù)與之比較，超過(guò)范圍是個(gè)異常數(shù)據(jù)，給予舍去。11/7/202293第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)1）拉依達(dá)準(zhǔn)則設(shè)對(duì)被測(cè)量進(jìn)行等精度測(cè)量，獨(dú)立得到x1，x2...,xn,算出其算術(shù)平均值x及剩余誤差vi=xi-x（i=1,2，...,n）,以及標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，若某個(gè)測(cè)量值xb的剩余誤差vb（1<=b<=n）,滿足下式：則認(rèn)為xb是含有粗大誤差值的壞值，應(yīng)予剔除。2、判別準(zhǔn)則11/7/202294第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)即式中Xi——為某一可疑數(shù)據(jù)；——測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值；δ——標(biāo)準(zhǔn)偏差11/7/202295第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)試用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除壞值。解：20.33用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除次數(shù)1234567891011L(cm)10.3510.3810.310.3210.3510.3310.3710.3110.3420.3310.37如，對(duì)某一長(zhǎng)度L測(cè)量11次，其數(shù)據(jù)如下：11/7/202296第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)如，對(duì)某一長(zhǎng)度L測(cè)量10次，其數(shù)據(jù)如下：試用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除壞值。解：20.33不能用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除注：拉依達(dá)準(zhǔn)則不能檢驗(yàn)樣本量較小的情況，n必須大于10.次數(shù)12345678910L(cm)10.3510.3810.310.3210.3510.3310.3710.3110.3420.3311/7/202297第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2）肖維勒準(zhǔn)則肖維勒準(zhǔn)則又稱為等概率原則，以正態(tài)分布為前提,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|=>Zcσ,則剔除此數(shù)據(jù)。實(shí)用中Zc<3,所以在一定程度上彌補(bǔ)了3σ準(zhǔn)則的不足，另外考慮了測(cè)量次數(shù)的因素，在一定程度上比拉依達(dá)準(zhǔn)則更合理。Zc是一個(gè)與測(cè)量次數(shù)相關(guān)的系數(shù)，可以查表獲取。肖維勒準(zhǔn)則可用于n<10時(shí)粗大誤差的判定。11/7/202298第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)Zc系數(shù)表nZcnZcnZc31.38112.00252.3341.54122.03302.3951.65132.07402.4961.73142.10502.5871.80152.131002.8081.86162.1591.92182.20101.96202.2411/7/202299第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)3）格拉布斯準(zhǔn)則格拉布斯準(zhǔn)則是在未知總體標(biāo)準(zhǔn)差情況下，對(duì)正態(tài)樣本或接近正態(tài)樣本異常值的一種判別方法。某個(gè)測(cè)量值的殘余誤差|vi|=>Tσ，則判斷此值中含有粗大誤差,應(yīng)予剔除。T值與重復(fù)測(cè)量次數(shù)n和置信概率α均有關(guān)，因此格拉布斯準(zhǔn)則是比較好的判定準(zhǔn)則。格拉布斯準(zhǔn)則理論較嚴(yán)密，概率意義明確，可用于嚴(yán)格要求的場(chǎng)合,當(dāng)n=20-100時(shí)，判別效果較好。T值通過(guò)查表獲得。11/7/2022100第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)T0(n,α)值表

11/7/2022101第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)采用格拉布斯方法判定異常數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：1.選定危險(xiǎn)率αα是一個(gè)較小的百分?jǐn)?shù)，例如1%，2.5%，5%，它是采用格拉布斯方法判定異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤判的幾率。2.根據(jù)n及α，查表得到T0(n,α)值3.計(jì)算σ和4.如果則所懷疑的數(shù)據(jù)是異常數(shù)據(jù)，應(yīng)予剔除。否則，不能剔除。5.余下數(shù)據(jù)重復(fù)操作至無(wú)異常數(shù)據(jù)11/7/2022102第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)例1

某測(cè)試數(shù)據(jù)70，94，95，98，100，101，103，105，106，106解：首先計(jì)算

計(jì)算絕對(duì)誤差其次計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差的估算值取a=5%，n=10，查表得：=2.18K格=2.18×10.7=23.3比較所以70為可疑數(shù)據(jù)，應(yīng)舍去。11/7/2022103第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)1、測(cè)試數(shù)據(jù)的表示方法2、曲線回歸方法1）線性擬合

2）多元線性擬合3）曲線擬合二、測(cè)試數(shù)據(jù)的表示方法1）圖示法——用直線或曲線來(lái)表示變量之間的關(guān)系，直線、曲線2）解析法——用公式的形式來(lái)表示變量之間的關(guān)系，3）表格法——用表格的形式來(lái)表示變量之間的關(guān)系。多元線性回歸——多個(gè)線性變量關(guān)系回歸y與x1,x2,x3···xm通過(guò)試驗(yàn)得到N組數(shù)據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)[（xt1,xt2,xt3xtm）,yt]t=1,2,3N

ε是N個(gè)獨(dú)立的且服從同一正態(tài)分布N（0,δ）隨機(jī)變量。用最小二乘法對(duì)曲線進(jìn)行擬合，其形式為根據(jù)最小二乘法原理，測(cè)量結(jié)果中最佳值出現(xiàn)的條件是：剩余誤差平方和為最小。即在yi有誤差的情況下,a1,a2,a3,an各參數(shù)的最佳估算是在將各值代入之后所得的剩余誤差的平方之和為最小的條件：即要求估計(jì)值能滿足最小二乘法條件，就是要求：——表示函數(shù)f(x,a0,a1,an)對(duì)ai的偏導(dǎo)數(shù)在x=xi點(diǎn)上所取的值。這樣可求得a0,a1,a2an.滿足最小二乘法原理。一元線性回歸式中a,b——為常數(shù)，用最小二乘法可求得a,b常數(shù)11/7/2022104第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第七節(jié)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的估計(jì)與統(tǒng)計(jì)處理一、檢測(cè)數(shù)據(jù)的估計(jì)

檢測(cè)數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差在n→∞時(shí)都是假設(shè)按正態(tài)分布的，這種概率分布說(shuō)明當(dāng)測(cè)量次數(shù)趨于無(wú)窮多次時(shí)，所得的平均值是正確無(wú)誤的。但實(shí)際的檢測(cè)只能是有限次數(shù)的，因而所得的平均值客觀上帶有不準(zhǔn)確性，這就需要對(duì)測(cè)得的平均值附加一個(gè)在某種置信水平（置信度）上估計(jì)出來(lái)的表示準(zhǔn)確度的區(qū)間，稱為置信區(qū)間。通俗地說(shuō)，置信水平與置信區(qū)間就是估計(jì)檢測(cè)結(jié)果的把握程度和范圍。一般地講，置信水平高，置信區(qū)間就大，即測(cè)量結(jié)果把握大時(shí)可能取值的區(qū)間就寬，離散度大。例如，95％的置信水平時(shí)置信區(qū)間較小，而在99％的置信水平上置信區(qū)間就要大一些。這就是說(shuō)考慮同樣一組數(shù)據(jù)，把握大時(shí)取值的范圍就要寬些；反之把握小時(shí)取值的范圍可以窄些。11/7/2022105第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)際工作中都設(shè)隨機(jī)誤差概率分布服從正態(tài)分布。首先確定測(cè)量次數(shù)n相置信度(即上述置信水平)，由于求算術(shù)平均值的關(guān)系式存在，n個(gè)數(shù)據(jù)中僅有(n-1)個(gè)獨(dú)立變量，即(n-1)個(gè)自由度。然后利用置信因子概率分布表(見附表)，查出概率為p時(shí)的置信因子t。p=1－置信度置信區(qū)間就可以表示為

±t?S11/7/2022106第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)它可以用來(lái)估計(jì)在檢測(cè)中同一組檢測(cè)數(shù)據(jù)(即同一個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本)的其它數(shù)據(jù)，按某種概率可能落入的區(qū)間范圍。

標(biāo)準(zhǔn)偏差S是反映一組數(shù)據(jù)組成的樣本中，單獨(dú)一個(gè)測(cè)量值的精密度。由于對(duì)一個(gè)總體中的幾個(gè)樣本，平均值的精密度要比單個(gè)測(cè)量值的精密度好，即分散性小。因而統(tǒng)計(jì)上常用平均值的標(biāo)準(zhǔn)差：于是置信區(qū)間就表示為：

11/7/2022107第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

例在礦井瓦斯檢測(cè)中獲得兩組數(shù)據(jù)，第一組是0.41%、0.43%、0.44%、0.45%、0.47%、0.47%和0.48%CH4，第二組是0.33%、0.39%、0.42%、0.45%、0.49%、0.51%和0.60%CH4。計(jì)算兩組數(shù)據(jù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差和95％、90％置信水平時(shí)的置信區(qū)間，再以這二種置信水平估計(jì)CH4濃度。解：根據(jù)前面誤差基本理論知：

n=7于是可求出：11/7/2022108第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)置信區(qū)間0.45±0.245％0.45±0.037％2.453.700.050..010.950.95tt表中的p置信水平對(duì)CH4濃度可做出判斷，置信區(qū)間為(0.45±0.024)％時(shí)，檢測(cè)正確的可能性為95％，錯(cuò)誤的可能性為5％。置信區(qū)間為(0.45±0.037)％時(shí)，檢測(cè)正確的可能性為99％，錯(cuò)誤的可能性為1％。根據(jù)附表得出該題的置信區(qū)間如下表所列。11/7/2022109第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)對(duì)礦井環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)將獲得大量有關(guān)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)。特別是如果使用多測(cè)點(diǎn)多參數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量的數(shù)據(jù)是極多的。為了從大量數(shù)據(jù)中取得有用的信息和重要的變化趨勢(shì)。必須進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。（一）原始數(shù)據(jù)的格式目前采用的監(jiān)測(cè)儀表有兩大類，一類是連續(xù)檢測(cè)的，另一類是斷續(xù)檢測(cè)的。連續(xù)檢測(cè)儀表常用自動(dòng)記錄儀記錄被測(cè)量的曲線。從記錄曲線可以直接看出被測(cè)量的值和變化情況。但為了分析一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量值的最大，最小值，超過(guò)某一值(超差)次數(shù)等同題時(shí)，需要進(jìn)行抽樣。在多點(diǎn)記錄儀中，實(shí)際上是對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的測(cè)值作抽樣記錄。抽樣后的數(shù)值與斷續(xù)測(cè)值可以進(jìn)行類似的處理。以下討論中我們以斷續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明，對(duì)連續(xù)測(cè)量的情況，可以理解為抽樣數(shù)據(jù)。

二、檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理11/7/2022110第二章非電量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)，首先應(yīng)有一個(gè)完善的記