传感器与检测技术第一章测试的基础知识

1、传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识第一篇第一篇 工程测试技术基础工程测试技术基础1.1.掌握测试的基本概念掌握测试的基本概念 2.2.了解测量误差及其不确定度概念了解测量误差及其不确定度概念3.3.了解测量数据处理的基本方法了解测量数据处理的基本方法第第1章章 测试的基础知识测试的基础知识传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识1.1 测试的基本概念测试的基本概念 1、测量、计量与测试、测量、计量与测试 测量：以确定被测对象属性和量值为目的的全部操作。测量：以确定被测对象属性和量值为目的的全部操作。单位单位被测量被测量 基准量基准量比较比较倍数（结果数值倍数（结果数值.单位）

2、单位）直接直接/间接间接 图11 测量的比较原理(a) 天平直接比较（b）弹簧称间接比较传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识计量：实现单位统一和量值准确可靠的测量。计量：实现单位统一和量值准确可靠的测量。 为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，为使在不同的地方，用不同的手段测量同一量时，所得的结果一致，就要求所得的结果一致，就要求统一的单位、基准、标准和测统一的单位、基准、标准和测量器具。量器具。 计量的三个特征：统一性、准确性和法制性。计量的三个特征：统一性、准确性和法制性。计量内容包括：单位的统一、基准和标准的建立、计量内容包括：单位的统一、基准和标准的建立、量值传递、计量

3、监督管理、测量方法及其手段的量值传递、计量监督管理、测量方法及其手段的研究等。研究等。 传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识测试：意义更为广泛的测量测试：意义更为广泛的测量具有试验性质的测具有试验性质的测量。量。从信息获取角度从信息获取角度：信息提取（测量）信息提取（测量）信号转换、信息识别（极为重要）信号转换、信息识别（极为重要） 煤气包高度测量煤气包高度测量 桥梁固频测量桥梁固频测量 机翼模态分析机翼模态分析 索道检测索道检测传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识间接测量间接测量对与未知待测量对与未知待测量y y有确切函数关系的其他变量有确切函数关系的其他变量x (x (

4、 或或 n n 个 变 量个 变 量 ) ) 进 行 直 接 测 量 ， 然 后 再 通 过 函进 行 直 接 测 量 ， 然 后 再 通 过 函数数 ，计算出待测量，计算出待测量y y。2、测试方法的分类、测试方法的分类 n直接测量和间接测量直接测量和间接测量直接测量直接测量用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。知量的量值。12( )( ,)nyf xyf x xx或n接触式测量和非接触式测量接触式测量和非接触式测量非接触式非接触式测量测量避免了对被测对象的影响。避免了对被测对象的影响。传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识静态测量静

5、态测量：对不随时间变化的（静止的）被测量进行的测量。：对不随时间变化的（静止的）被测量进行的测量。 动态测量动态测量：对随时间变化的被测量进行的测量，需确定被测量：对随时间变化的被测量进行的测量，需确定被测量的瞬时值的瞬时值 及其随时间变化的规律。及其随时间变化的规律。n静态测量和动态测量静态测量和动态测量n非电量电测技术非电量电测技术非电量电测非电量电测：把被测的非电量，通过传感器变换成电信号：把被测的非电量，通过传感器变换成电信号再进行传输、处理等。再进行传输、处理等。工程中大多数被测量工程中大多数被测量非电量，非电量，为满足为满足测试的精度、速度、测试的精度、速度、处理、传输的要求，常常

6、将非电量转换为电量。处理、传输的要求，常常将非电量转换为电量。传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识3、测试系统的组成、测试系统的组成 一般来说，测试系统是由传感器、中间变换装置一般来说，测试系统是由传感器、中间变换装置（信号调理和信号分析与处理）和显示记录装置组成（信号调理和信号分析与处理）和显示记录装置组成并具有获取某种信息之功能的整体。并具有获取某种信息之功能的整体。信息转换信息转换信息提取信息提取 传感器传感器将被测物理量将被测物理量(如力如力,温度温度) 检出并转换为电量，中检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经间变换装置对接收到的电信号用硬

7、件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行变换后用软件进行信号分析（提取特征参数、频谱分析、信号分析（提取特征参数、频谱分析、相关分析等）相关分析等），显示记录装置则测量结果显示出来，提供给，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。观察者或其它自动控制装置。 传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识1.2 测量误差及其不确定度测量误差及其不确定度 一、测量误差的基本概念一、测量误差的基本概念 传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识n测量误差的表示方法：测量误差的表示方法：0Ax x 测量精度不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身测量精度不仅与它的绝对

8、误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。例如：如何比较测量长度为的大小有关。例如：如何比较测量长度为10m和和1m（绝对误（绝对误差为差为1cm）的测量精度？）的测量精度？Ax传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识绝对误差与真值之比百分数表示。绝对误差与真值之比百分数表示。%10000A%100AA%100 xx )1lg(20AdB评定精度：相对误差越小，测量精度越高。评定精度：相对误差越小，测量精度越高。传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识n测量误差的分类：测量误差的分类： 测量误差一般根据其性质可分为随机误差、系统误差、粗大误差三类。 由由特定原因特定原因引起、具有一定

9、因果关系并按引起、具有一定因果关系并按确定规律确定规律产生。产生。仪器、环境、动力源变化、人为因素等仪器、环境、动力源变化、人为因素等再现性再现性 偏差（偏差（Deviation）理论分析理论分析/实验验证实验验证原因和规律原因和规律减少减少/消除消除传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识因许多因许多不确定性因素不确定性因素而随机产生。而随机产生。偶然性偶然性不明确、无规律不明确、无规律概率和统计方法处理概率和统计方法处理无法消除无法消除/修正修正各种干扰（噪声、电磁场）等各种干扰（噪声、电磁场）等系统各组成环节发生异常和故障等引起。系统各组成环节发生异常和故障等引起。异常误差若混为系

10、统误差和随机误差异常误差若混为系统误差和随机误差 测量结果失去意义测量结果失去意义剔除异常值剔除异常值 防止粗大误差防止粗大误差 传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识二、测量不确定度二、测量不确定度定量描述测量结果的指标定量描述测量结果的指标 不确定度表明测量结果可能的分散程度。可用标准偏差表示，也可用标准偏差的倍数或置信区间的半宽度表示。 n几个基本概念：几个基本概念：数学期望数学期望 真值真值A0，最佳估计值，最佳估计值(测量结果的算术平均值测量结果的算术平均值)标准偏差标准偏差 表征测量结表征测量结果的分散程度，果的分散程度， 大表明测大表明测量值比较分散，量值比较分散， 小表

11、明测小表明测量值比较集中。量值比较集中。 0)(p1 2 3 1 2 3 坏值坏值 剔除剔除 计算算术平均值计算算术平均值 x 残余误差残余误差 均方误差均方误差 剔除坏值剔除坏值2)2)格罗布斯准则格罗布斯准则测量值的残余误差的绝对值测量值的残余误差的绝对值| | g( ,n) 坏值坏值 剔除剔除 g( ,n) 由由重复测量次数重复测量次数n及置信概率及置信概率P查表查表确定确定例例1 11 1：P15P15（粗大误差的判断和剔除）（粗大误差的判断和剔除）传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识n测量数据的表示方法测量数据的表示方法： 传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识 一

12、元线性一元线性回归回归一元非线一元非线性回归性回归多元线性多元线性回归回归多元非线多元非线性回归性回归变量个数变量个数1111方次方次1111y=a+bx传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识建立经验公式的步骤：建立经验公式的步骤： ； nnjnjjxaxaxaaxay22100 传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识 iiiyy mni 2 传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识n一元线性回归一元线性回归。 将测量数据中两个端点，起点和终点（即最大量程点）的将测量数据中两个端点，起点和终点（即最大量程点）的测量值（测量值（x1,y1）和（）和（xn,yn），代入），代

13、入y=a+bx ，则，则a,b分别为分别为 11bxya 11nnyybxx 0 020204040606080800 05 510101515x xy y传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识 kxxkii 11kyykii 11knxxnkii 12knyynkii 121212xxyyb 2211xbyxbya 传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识 iiiyy min)(1122 niniiiibxayv niniiinininiiiniiiixnxxyyxxa112211121)( niniiininiiiniiixnxyxnyxb1122111)(传感器与测试技术机

14、电学院第1章 测试的基础知识压力压力（MPa） 2 4 6 8 10 输出输出（mV） 10.043 20.093 30.135 40.128 50.072 最小二乘法精确度最高，平均法次之，端点法较差最小二乘法精确度最高，平均法次之，端点法较差 计算结果见下页表计算结果见下页表传感器与测试技术机电学院第1章 测试的基础知识压力压力MPa 输出输出mV 端点法端点法 平均法平均法 最小二乘法最小二乘法 理想直线理想直线 残差残差 理想直线理想直线 残差残差 理想直线理想直线 残差残差 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 拟合直线方程拟合直线方程 拟合误差拟合误差 0. .068 0. .049 0. .