机械工程测试技术——第二章

1、第二章：第二章：基础知识基础知识石河子大学机械电气工程学院电气工程系石河子大学机械电气工程学院电气工程系石河子大学机械电气工程学院干燥技术与装备实验室石河子大学机械电气工程学院干燥技术与装备实验室机械工程测试技术机械工程测试技术TM第二章第二章 测试技术的基础知识测试技术的基础知识 内容提示：2.1 2.1 测量方法分类测量方法分类2.2 2.2 测量误差及修正测量误差及修正2.3 2.3 传感器传感器2.4 2.4 数制数制2.5 2.5 逻辑电平逻辑电平TM第二章第二章 测试技术的基础知识测试技术的基础知识2.12.1测量方法分类测量方法分类根据被测量是否随时间变化根据被测量是否随时间变化

2、静态测量和静态测量和动态测量动态测量TM2.12.1测量方法分类测量方法分类根据测量手段的不同根据测量手段的不同直接测量和间接测直接测量和间接测量量利用测量工具并按一定操作程序，将被测对象与利用测量工具并按一定操作程序，将被测对象与测量工具所提供的标准量进行比较并直接读出测测量工具所提供的标准量进行比较并直接读出测量结果的测量方法，称为直接测量。量结果的测量方法，称为直接测量。将一个被测量转化为若干可直接测量的量加以测将一个被测量转化为若干可直接测量的量加以测量，而后再依据由定义或规律导出的关系式进行量，而后再依据由定义或规律导出的关系式进行计算或作图，从而间接获得测量结果的测量方法，计算或作

3、图，从而间接获得测量结果的测量方法，称为间接测量。称为间接测量。TM2.12.1测量方法分类测量方法分类根据是否与被测对象接触根据是否与被测对象接触接触式和非接接触式和非接触式触式TM2.2 2.2 测量误差及修正测量误差及修正2.2.1误差的基本概念及表达方式误差的基本概念及表达方式绝对误差绝对误差相对误差相对误差引用误差引用误差 TM2.2.12.2.1误差的基本概念及表达方式误差的基本概念及表达方式 绝对误差绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为设被测量的真值为L0, ,测量值或示值为测量值或示值为x，则绝，则绝对误差对误差x为为 由于真值由

4、于真值L0一般来说是未知的，常用一般来说是未知的，常用实际实际真值真值L来代表真值来代表真值L0，并采用高一级标准仪器，并采用高一级标准仪器的示值作为实际真值。故通常的示值作为实际真值。故通常x又被表示为又被表示为0 xxL （1.2.1）xxL （1.2.2）TM2.2.12.2.1误差的基本概念及表达方式误差的基本概念及表达方式 在实际测量中，还常用到在实际测量中，还常用到修正值修正值的概念，的概念，它的绝对值与它的绝对值与x相等但符号相反，用符号相等但符号相反，用符号c表表示，即示，即c=-x=L-xTM2.2.12.2.1误差的基本概念及表达方式误差的基本概念及表达方式 相对误差相对误

5、差是绝对误差与真值或实际值之比，是绝对误差与真值或实际值之比，即即 实际上，约等号左侧也被称为实际上，约等号左侧也被称为实际相对误差实际相对误差，而右侧被称为而右侧被称为示值相对误差示值相对误差。相对误差通常用。相对误差通常用于衡量测量的准确程度，相对误差于衡量测量的准确程度，相对误差越小越小，准确，准确度度越高越高。%100100 xx%Lx0（1.2.3）TM2.2.12.2.1误差的基本概念及表达方式误差的基本概念及表达方式 引用误差引用误差是由相对误差演变过来的，若设是由相对误差演变过来的，若设仪表的量程为仪表的量程为A, ,其表达式如下：其表达式如下： 若所使用的仪表的测量下限不为零

6、，则若所使用的仪表的测量下限不为零，则1.2.4中的中的A可用可用Amax-Amin代替。代替。 若以若以xmax表示仪表的最大绝对误差，则可表示仪表的最大绝对误差，则可引出引出精度等级精度等级的概念：的概念：%100Axm（1.2.4）%100maxAxTM2.2.12.2.1误差的基本概念及表达方式误差的基本概念及表达方式 我国电工仪表共分七级。见教材我国电工仪表共分七级。见教材P5P5。 问题：现有精度等级为问题：现有精度等级为0.50.5级的级的0 0300300的的和精度等级为和精度等级为1.01.0级的级的0 0100100的两个温度计，的两个温度计，要测量要测量8080的温度，试

7、问采用哪一个温度计好？的温度，试问采用哪一个温度计好？ 解：计算用解：计算用0.50.5级表以及级表以及1.01.0级表测量时，可能级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为出现的最大示值相对误差分别为1.88%1.88%和和1.25%1.25%。计算结果表明，用。计算结果表明，用1.01.0级表比用级表比用0.5 0.5 级表的示值相对误差的绝对值反而小，所以更级表的示值相对误差的绝对值反而小，所以更合适。合适。 由上例得到的结论：在选用仪表时应兼顾由上例得到的结论：在选用仪表时应兼顾精度等级和量程，通常希望示值落在仪表满量精度等级和量程，通常希望示值落在仪表满量程值的程值的2/32/3以

8、上。以上。TM2.2 2.2 测量误差及修正测量误差及修正2.2.22.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源 根据误差出现的规律及其性质，可根据误差出现的规律及其性质，可分为三类：分为三类：系统误差系统误差随机误差随机误差粗大误差粗大误差TM2.2.22.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源 在相同的条件下多次测量同一量时，误差在相同的条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时，的绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时，与某一个或几个因素成函数关系的有规律的误与某一个或几个因素成函数关系的有规律的误差，称为差，称为系统误差系统误差。 式式1.2.5为为采样平均值采样平

9、均值表达式；式表达式；式1.2.6为测为测定值的定值的总体平均值总体平均值niinnxnxxxx121（1.2.5）1limniinxAxn（1.2.6）TM2.2.22.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源 测定值的总体平均值测定值的总体平均值A A与测定值真值与测定值真值L L0 0之差之差被定义为被定义为系统误差系统误差，即，即 系统误差系统误差是一种有规律的误差，故是一种有规律的误差，故可以可以采采用修正值或补偿校正的方法来用修正值或补偿校正的方法来减小或消除减小或消除。0AL（1.2.7）TM2.2.22.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源 根据系统误差所表现的特点，又可将其分

10、根据系统误差所表现的特点，又可将其分为为恒值误差恒值误差和和变值误差变值误差两大类。两大类。 例如，刻度盘的零位偏移所引进的误差就例如，刻度盘的零位偏移所引进的误差就属于恒值误差，而应变片阻值随温度的变化所属于恒值误差，而应变片阻值随温度的变化所引进的误差就属于变值误差。引进的误差就属于变值误差。TM2.2.22.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源在相同条件下，多次测量同一量值时，其在相同条件下，多次测量同一量值时，其绝对值和符号无法预计的测量误差称为绝对值和符号无法预计的测量误差称为随机误随机误差差，又称为，又称为偶然误差偶然误差。随机误差的表达式如下：。随机误差的表达式如下： 随机误差

11、大多是由影响量的随机变化引起随机误差大多是由影响量的随机变化引起的，这种变化带来的影响称为随机效应，它导的，这种变化带来的影响称为随机效应，它导致了重复观测中的分散性。致了重复观测中的分散性。 但随着重复次数的增加，出现的随机误差但随着重复次数的增加，出现的随机误差的总和趋向于零。多数随机误差都服从正态分的总和趋向于零。多数随机误差都服从正态分布。同时，随机误差也布。同时，随机误差也无法无法通过修正或采取某通过修正或采取某种技术手段来消除。种技术手段来消除。iixA（1.2.8）TM2.2.22.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源TM2.2.22.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源 同

12、时，我们发现：各次测量值的绝对误差同时，我们发现：各次测量值的绝对误差等于等于系统误差系统误差与与随机误差随机误差的的代数和代数和。iix（1.2.9）TM2.2.22.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源 粗大误差粗大误差是一种显然与实际值不符的误差，是一种显然与实际值不符的误差，也称为过失误差。粗大误差主要是由于测量人也称为过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及测量仪器受到干扰所引起的。员的粗心大意及测量仪器受到干扰所引起的。 含有粗大误差的测量值被称为含有粗大误差的测量值被称为坏值坏值或或异常异常值值，在进行数据处理时应予以剔除。，在进行数据处理时应予以剔除。TM2.2.22

13、.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源 根据测量的静态特性和动态特性来分类，根据测量的静态特性和动态特性来分类，可将误差分为：可将误差分为：静态误差静态误差动态误差动态误差 其中，静态误差是指在被测量不随时间其中，静态误差是指在被测量不随时间变化时所产生的测量误差，前面我们所讨论变化时所产生的测量误差，前面我们所讨论的多属于静态误差。的多属于静态误差。 而当被测量随时间迅速变化时，提供的而当被测量随时间迅速变化时，提供的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差被称为动态误差。合，这种误差被称为动态误差。例如，被测水例如，被测水温突然上升到温突然

14、上升到100100，玻璃水银温度计的水银柱不，玻璃水银温度计的水银柱不可能立即上升到被测温度，如果此时读数，便产生可能立即上升到被测温度，如果此时读数，便产生了动态误差。了动态误差。TM2.2.22.2.2误差的分类与来源误差的分类与来源 根据使用条件，又可将误差分为基本误差根据使用条件，又可将误差分为基本误差和附加误差。和附加误差。TM2.2 2.2 测量误差及修正测量误差及修正2.2.3 2.2.3 系统误差的发现与校正系统误差的发现与校正系统误差的发现与判别系统误差的发现与判别系统误差的校正系统误差的校正TM系统误差的发现与判别系统误差的发现与判别 由于系统误差对测量精度影响较大，只有由

15、于系统误差对测量精度影响较大，只有消除系统误差的影响，才能有效的提高测量精消除系统误差的影响，才能有效的提高测量精度。度。 以下是发现系统误差的常用方法：以下是发现系统误差的常用方法：实验对比法实验对比法剩余误差观察法剩余误差观察法不同公式计算标准误差比较法不同公式计算标准误差比较法TM系统误差的校正系统误差的校正常用的系统误差校正方法有以下几种：常用的系统误差校正方法有以下几种：补偿法补偿法差分法差分法比值补偿法比值补偿法测量数据的修正测量数据的修正TM第二章第二章 测试技术的基础知识测试技术的基础知识2.3 传感器传感器2.3.1 传感器的定义及组成传感器的定义及组成2.3.2 传感器的基

16、本特性传感器的基本特性2.3.3 传感器的标定传感器的标定2.3.4 传感器的选用传感器的选用TM2.3.1 2.3.1 传感器的定义及组成传感器的定义及组成传感器的定义传感器的定义 传感器是一种传感器是一种以一定的精确度以一定的精确度把把被测量转被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置量的测量装置。传感器的组成传感器的组成 传感器一般是由传感器一般是由敏感元件敏感元件、转换元件转换元件和和转转换电路换电路三部分组成的。三部分组成的。传感器的分类传感器的分类 工作原理分类法、能量转换情况分类法、工作原理分类法、能量转换情况分类法、转换

17、原理分类法和使用分类法。转换原理分类法和使用分类法。TM2.3.2 2.3.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 传感器的基本特性包含两个方面：传感器的基本特性包含两个方面：静态特性静态特性动态特性动态特性TM静态特性静态特性精确度精确度 与精确度相关的指标有三个：与精确度相关的指标有三个：精密度精密度说明测量传感器输出值的分散性，说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测

18、温传感器的精密度为某测温传感器的精密度为0.50.5，即表示多次，即表示多次测量结果的分散程度不大于测量结果的分散程度不大于0.50.5。精密度是。精密度是随机误差随机误差大小的标志，精密度高，意味着随大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。机误差小。 注意：精密度高不一定准确度高。注意：精密度高不一定准确度高。TM静态特性静态特性准确度准确度说明传感器输出值与真值的偏离说明传感器输出值与真值的偏离程度。如程度。如, ,某流量传感器的准确度为某流量传感器的准确度为0.3m0.3m3 3/s/s，表示该传感器的输出值与真值偏离表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m0.3m3 3/s/s。准确度是

19、准确度是系统误差系统误差大小的标志，准确度高意大小的标志，准确度高意味着系统误差小。味着系统误差小。 准确度高不一定精密度高。准确度高不一定精密度高。TM静态特性静态特性精度精度精密度与准确度两者的总和，精度精密度与准确度两者的总和，精度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。的情况下，可取两者的代数和。准确度高而精密度低准确度高而精密度低准确度低而精密度高准确度低而精密度高精度高精度高TM静态特性静态特性稳定性稳定性 与稳定性相关的指标有两个：与稳定性相关的指标有两个：稳定度稳定度在规定时间内，测量条件不变的在规定时间内，测量条

20、件不变的情况下，由于传感器中的随机性变动、周期情况下，由于传感器中的随机性变动、周期性变动和漂移等引起的输出值的变化。性变动和漂移等引起的输出值的变化。 一般用精密度和观测时间长短表示。一般用精密度和观测时间长短表示。影响量影响量测量传感器由外界环境变化引起测量传感器由外界环境变化引起输出值变化的量。输出值变化的量。 说明影响量时，必须将影响因素与输出说明影响量时，必须将影响因素与输出值偏差同时给出。值偏差同时给出。TM静态特性静态特性静态输入静态输入- -输出特性输出特性 静态输入静态输入- -输出特性表征了输入的被测参数输出特性表征了输入的被测参数不随时间而变化，或随时间很缓慢变化时，传不

21、随时间而变化，或随时间很缓慢变化时，传感器的输出量与输入量间的关系。感器的输出量与输入量间的关系。可以通过以下几个指标来进行衡量：灵敏可以通过以下几个指标来进行衡量：灵敏度、线性度、分辨力、迟滞、重复性。度、线性度、分辨力、迟滞、重复性。TM静态输入静态输入- -输出特性输出特性 灵敏度灵敏度传感器在稳态下，传感器在稳态下，输出的变化输出的变化量量与与引起该变化量的输入变化量引起该变化量的输入变化量之比。之比。灵敏度是传感器在稳态输入灵敏度是传感器在稳态输入- -输出特性曲线输出特性曲线上各点的斜率。上各点的斜率。 灵敏度是一个有量纲的量。灵敏度是一个有量纲的量。TM静态输入静态输入- -输出

22、特性输出特性分辨力分辨力传感器能检出被测信号的最小传感器能检出被测信号的最小变化量，是一个有量纲的量。变化量，是一个有量纲的量。一般只要分辨力小于允许测量绝对误差的一般只要分辨力小于允许测量绝对误差的三分之一即可。三分之一即可。分辨率分辨率是是分辨力分辨力与与量程量程的比值，通常以百的比值，通常以百分比或几分之一的形式表示。分比或几分之一的形式表示。TM静态输入静态输入- -输出特性输出特性线性度线性度输出量与输入量的实际关系曲输出量与输入量的实际关系曲线偏离其拟合直线的程度。线偏离其拟合直线的程度。TM静态输入静态输入- -输出特性输出特性迟滞迟滞传感器在正（输入量增大）反传感器在正（输入量

23、增大）反（输入量减小）行程中输出（输入量减小）行程中输出- -输入特性曲线不重输入特性曲线不重合的的程度。合的的程度。xHmaxYTM静态输入静态输入- -输出特性输出特性重复性重复性传感器的输入在按同一方向变传感器的输入在按同一方向变化时，在全量程内连续进行重复测试时所得到化时，在全量程内连续进行重复测试时所得到的各特性曲线的重复程度。的各特性曲线的重复程度。 重复性是检测系统最基本的技术指标，是重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证。其他各项指标的前提和保证。重复性误差只能通过实验方法确定。重复性误差只能通过实验方法确定。TM静态输入静态输入- -输出特性输出特性xmax1max2y%100FSmaxyRTM动态特性动态特性 传感器的动态特性是指传感器的输出传感器的动态特性是指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。输出值真实再现变化着的输入量的能力。T