传感器与检测技术第一章

1、传感器与检测技术 特点： 与实际应用、工业生产实践联系紧密 理论体系庞杂，涉及科目众多数学、物理、化学、生物学材料学、加工制造工艺电子技术、计算机、通讯第一章第一章 绪论绪论传感器与检测技术1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用1.1.2 传感器与检测系统的分类传感器与检测系统的分类1.1.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势1.1传感器与检测技术概述 1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用 传感器的定义传感器的定义 传感器是能以一定精确度把传感器是能以一定精确度把某种被测量某种被测量（主要（主要为各种非电量）为各

2、种非电量）按一定规律转换为按一定规律转换为便于人们应用、处理便于人们应用、处理的的另一参量另一参量（主要为电参量）的器件或测量装置。（主要为电参量）的器件或测量装置。传感器类似于动物的感官。传感器类似于动物的感官。 动物身体系统 自动检测系统外界信号外界信号(被测量)动物感官传感器神经信号电信号传感器通常由传感器通常由敏感元件、转换元件、转换电路敏感元件、转换元件、转换电路组合而成。组合而成。主干：传感器是把主干：传感器是把被测量被测量转换为转换为另一参量另一参量的器件或测量装置。的器件或测量装置。温度传感器温度传感器红外线传感器红外线传感器电磁流量计电磁流量计 1.1.1 传感器与检测技术的

3、定义与作用传感器与检测技术的定义与作用 检测的定义检测的定义 检测是指在生产、科研、试验及服务等各个检测是指在生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实实时或非实时时或非实时地对一些参量进行的地对一些参量进行的定性检查和定量测定性检查和定量测量量。 1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用检测系统的组成检测系统的组成信号处理单元信号处理单元信号输出单元信号输出单元 1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的地位与作用传感器与检测技术的地位与作用检测技术

4、是自动化和信息化的检测技术是自动化和信息化的基础基础与与前提前提，是信，是信息技术三大支柱之一，代表了科技发展的前沿。息技术三大支柱之一，代表了科技发展的前沿。 1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用传感器是检测系统的第一个环节，是信息的入口。采集采集.传输传输.处理处理.外部信息外部信息可利用信息可利用信息可利用信息可利用信息结果输出结果输出检测技术通信技术计算机技术应用领域主要有：应用领域主要有：石化行业的自动石化行业的自动化控制。如右图，化控制。如右图，需进行液位、温度、需进行液位、温度、压力等常规检测。压力等常规检测。 1.1.1 传感器与检测技术的定义与

5、作用传感器与检测技术的定义与作用城市生活污水处理城市生活污水处理 流量检测流量检测液位检测液位检测成分量检测成分量检测 1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用Ph值检测值检测新型武器和装备的研制与测试新型武器和装备的研制与测试定位与导航，图为中国研制的定位与导航，图为中国研制的DF-21中程弹道中程弹道导弹和雷达。导弹和雷达。 1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用先进医疗检测仪先进医疗检测仪 成分量检成分量检测，可测试项目为测，可测试项目为生化、离子检测、生化、离子检测、微免疫、肿瘤标志微免疫、肿瘤标志物、毒品检测、同物、毒品检测、

6、同工酶测定、脂类、工酶测定、脂类、糖尿病诊断等糖尿病诊断等 。 1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用生活中化学成分的检测生活中化学成分的检测 1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用1.1.2 传感器与检测系统的分类传感器与检测系统的分类1.1.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势1.1传感器与检测技术概述1.1.2 传感器与检测系统的分类传感器与检测系统的分类 传感器的分类传感器的分类 物物按被测参量分类按被测参量分类 电工量电工量 热工量热工量

7、 机械量机械量 物性和成分量物性和成分量 光学量光学量 状态量状态量1.1.2 传感器与检测系统的分类传感器与检测系统的分类 检测系统的分类检测系统的分类 电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等；场强度、磁通密度等；温度、热量、比热、热流、热分布、压力、压差、温度、热量、比热、热流、热分布、压力、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；真空度、流量、流速、物位、液位、界面等；位移、形状，力、应力、力矩、重量、质量、转位移、形状，力、应力、力矩、重量、质量、转速、线速度、振动、加速度、噪声等；速、线速度、振动、加速度、噪声等；气体

8、成分、液体成分、固体成分、酸碱度、气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；光强、光通量、光照度、辐射能量等；光强、光通量、光照度、辐射能量等；颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。面质量等。2. 2. 按使用性质分类按使用性质分类 通常可分为标准表、实验室表和工业用表等三种通常可分为标准表、实验室表和工业用表等三种 。 标准表：标准表：各级计量部门专门用于精确计量、校准送检各级计量部门专门用于精确计量、校准送检样品和样机的标准仪表。样品和样机的标准仪表。 实验室表：

9、实验室表：多用于各类实验室中，使用环境条件较好，多用于各类实验室中，使用环境条件较好，往往无特殊的防水、防尘措施。对于温度、相对湿度、往往无特殊的防水、防尘措施。对于温度、相对湿度、机械振动等的允许范围也较小。机械振动等的允许范围也较小。 工业用表：工业用表：是长期使用于实际工业生产现场的检测仪是长期使用于实际工业生产现场的检测仪表与检测系统。表与检测系统。 1.1.2 传感器与检测系统的分类传感器与检测系统的分类1.1.1 传感器与检测技术的定义与作用传感器与检测技术的定义与作用1.1.2 传感器与检测系统的分类传感器与检测系统的分类1.1.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发

10、展趋势1.1传感器与检测技术概述1.1.3 传感器与检测技术的发展方向传感器与检测技术的发展方向 传感器技术的发展依赖于传感器技术的发展依赖于新现象的发现新现象的发现和和新材料、新工艺的开发新材料、新工艺的开发。探索新现象，研发新型传感器。探索新现象，研发新型传感器。 采用新技术、新工艺、新材料，提高现有传采用新技术、新工艺、新材料，提高现有传感器的性能。感器的性能。 研究和开发集成化、微型化与智能化传感器。研究和开发集成化、微型化与智能化传感器。传感器的发展方向传感器的发展方向不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性 突破超高温、超低温度、混相流量

11、、脉动流量的实时检测、微差突破超高温、超低温度、混相流量、脉动流量的实时检测、微差压、超高压在线检测、高温高压下物质成分的实时检测等难题。压、超高压在线检测、高温高压下物质成分的实时检测等难题。重视非接触式检测技术研究重视非接触式检测技术研究 加快光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、核辐射检加快光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、核辐射检测仪表、红外检测与红外成像仪器等非接触检测技术的研究。测仪表、红外检测与红外成像仪器等非接触检测技术的研究。检测系统智能化检测系统智能化 具有系统故障自测、自诊断、自调零、自校准、自选量程、自动测具有系统故障自测、自诊断、自调零、自校准、自

12、选量程、自动测试和自动分选功能，数据处理，远距离数据通信，可方便接入不同规模试和自动分选功能，数据处理，远距离数据通信，可方便接入不同规模的自动检测、控制与管理信息网络系统。的自动检测、控制与管理信息网络系统。 1.1.3 传感器与检测技术的发展趋势传感器与检测技术的发展趋势检测技术的发展方向检测技术的发展方向参考书目 周杏鹏.传感器与检测技术科学出版社 陈裕泉，葛文勋.现代传感器原理与应用 科学出版社 赵天池.传感器和探测器的物理原理和应用科学出版社 何希才.传感器技术及应用北京航空航天大学出版社1.2 测量误差与不确定度测量误差与不确定度1.2.1 检测系统误差分析基础检测系统误差分析基础

13、1.2.2 系统误差处理系统误差处理1.2.3 随机误差处理随机误差处理1.2.4 粗大误差处理粗大误差处理1.2.5 测量不确定度的评定测量不确定度的评定3. 测量误差测量误差测量结果与被测量真值之间的测量结果与被测量真值之间的偏差偏差称为称为测量误差测量误差。 1.2.1 检测系统误差分析基础检测系统误差分析基础2. 真值：真值： 约定真值约定真值 相对真值相对真值一、误差的基本概念误差的基本概念物理单位基准物理单位基准给定常数给定常数标准器测量值标准器测量值被测量客观存在的真实大小。被测量客观存在的真实大小。1. 等精度测量：等精度测量：同一条件下所进行的一系列重复测量。同一条件下所进行

14、的一系列重复测量。1 绝对误差绝对误差 0 xXX C称为称为修正值。修正值。 式中，式中，X为测量值，为测量值，X0可为可为约定真值约定真值或或相对真值相对真值。二、误差的表示方法二、误差的表示方法CXX 0 在标定或校准时，将标准仪器的测量值看成真值在标定或校准时，将标准仪器的测量值看成真值X0，被测系统的测量值为被测系统的测量值为X，则，则xC 1.2.1 检测系统误差分析基础检测系统误差分析基础2 相对误差相对误差 检测系统测量值的绝对误差检测系统测量值的绝对误差x与被测参量真值与被测参量真值X0的的比值比值，称为检测系统测量的，称为检测系统测量的相对误差相对误差，常用百分数表示，常用

15、百分数表示 ：%100%100000 XXXXx 一般来说相对误差值越小，其测量一般来说相对误差值越小，其测量精确度精确度就越高。就越高。相对误差是一个量纲为一的量。相对误差是一个量纲为一的量。 描述一次测描述一次测量的精确度量的精确度1.2.1 检测系统误差分析基础检测系统误差分析基础3 引用误差引用误差 检测系统测量值的检测系统测量值的绝对误差绝对误差x与与系统量程系统量程L之比值，称为检测系统测量值的之比值，称为检测系统测量值的引用误差引用误差。通常仍以百分数表示：通常仍以百分数表示：%100*Lx 描述仪器描述仪器的精确度的精确度1.2.1 检测系统误差分析基础检测系统误差分析基础 4

16、 最大引用误差最大引用误差(或满度最大引用误差或满度最大引用误差) 所有测量值中所有测量值中最大绝对误差最大绝对误差(绝对值绝对值)与与量程量程的比值的比值的百分数，称为该系统的最大引用误差，由符号的百分数，称为该系统的最大引用误差，由符号max表表示示 ：%100*maxmaxLx 最大引用误差是检测系统的最大引用误差是检测系统的基本误差基本误差，是检，是检测系统的测系统的最主要质量指标最主要质量指标，表征了检测系统的，表征了检测系统的测量精确度。测量精确度。 1.2.1 检测系统误差分析基础检测系统误差分析基础1 精度等级精度等级 取最大引用误差百分数的分子作为工业检测仪器取最大引用误差百

17、分数的分子作为工业检测仪器（系统）精度等级的标志。（系统）精度等级的标志。 我国取我国取0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七个等七个等级，作为工业检测仪器（系统）常用精度等级级，作为工业检测仪器（系统）常用精度等级 。 检测仪器（系统）的精度等级按检测仪器（系统）的精度等级按就近选大不选就近选大不选小小的原则套用标准化精度等级值的原则套用标准化精度等级值 。精度等级用符号。精度等级用符号G表示。表示。三、检测仪器的精度等级与工作误差三、检测仪器的精度等级与工作误差 精度等级的数字愈小，仪表的精度愈高。精度等级的数字愈小，仪表的精度愈高。1.2.1 检测系统误差分析基础检测

18、系统误差分析基础2 工作误差工作误差 工作误差是指检测仪器在规定使用条件下可能产工作误差是指检测仪器在规定使用条件下可能产生的生的最大误差范围最大误差范围，用，用G%*L计算得到。计算得到。 检测仪器的准确度、稳定度等指标都可用工作误差检测仪器的准确度、稳定度等指标都可用工作误差来表征。来表征。 三、检测仪器的精度等级与工作误差三、检测仪器的精度等级与工作误差LGxx*%max 单次测量误差：单次测量误差： 值得注意的是：值得注意的是：工作误差说明该仪表可能出现的最大误差，工作误差说明该仪表可能出现的最大误差，它决不意味着某次实际测量的具体误差值是多少。它决不意味着某次实际测量的具体误差值是多

19、少。 例例1.1 被测电压实际值约为被测电压实际值约为21.7 V，现有四种电压表：，现有四种电压表： A表，表，1.5级、量程为级、量程为030 V；B表，表，0.2级、量程为级、量程为0360 V。选用哪个电压表所产生的测量误差较小选用哪个电压表所产生的测量误差较小? 解解：计算各表的工作误差：计算各表的工作误差：三、检测仪器的精度等级与工作误差三、检测仪器的精度等级与工作误差A表：表：B表：表：AALG*%VLGDD72. 0360*%2 . 0*% V45. 030*%5 . 1 为了减小测量为了减小测量误差，应选择误差，应选择与测量值接近与测量值接近的量程。的量程。用用A A表进行测

20、量所产生的测量误差较小。表进行测量所产生的测量误差较小。1.2 测量误差与不确定度测量误差与不确定度1.2.1 检测系统误差分析基础检测系统误差分析基础1.2.2 测量误差的分类与处理测量误差的分类与处理1.2.3 测量不确定度的评定测量不确定度的评定根据测量误差的性质、产生测量误差的原因，可分为根据测量误差的性质、产生测量误差的原因，可分为系统误差系统误差、随机误差随机误差和和粗大误差粗大误差三类。三类。一、测量误差的分类一、测量误差的分类系统误差系统误差 在相同条件下，多次重复测量同在相同条件下，多次重复测量同一被测参量时，测量误差大小和符号一被测参量时，测量误差大小和符号保持不变，或在条

21、件改变时，误差按保持不变，或在条件改变时，误差按照某一确定规律变化，称为系统误差。照某一确定规律变化，称为系统误差。系统误差的特点是系统误差的特点是测量误差出现的有规律性测量误差出现的有规律性和和误差产生原因误差产生原因的可知性的可知性，因而可以被设法确定并尽量减小。，因而可以被设法确定并尽量减小。随机误差随机误差 在在相同条件下相同条件下多次重复测量同一被测参量时，测多次重复测量同一被测参量时，测量误差的大小与符号均量误差的大小与符号均以不可预定方式变化以不可预定方式变化，这类误，这类误差称为差称为随机误差随机误差。随机误差是由随机的、不可控的因素引起的误差。随机误差是由随机的、不可控的因素

22、引起的误差。一、测量误差的分类一、测量误差的分类随机误差的特点：随机误差的特点：误差出现的随机性误差出现的随机性和和不可控制性不可控制性，因而很，因而很难确定和消除。难确定和消除。准确度准确度精密度精密度精确度精确度用准确度表征系统误差的大小，用准确度表征系统误差的大小， 通常用精密度表征随机误差通常用精密度表征随机误差的大小的大小, ,而用精确度表征误差的综合影响。而用精确度表征误差的综合影响。粗大误差粗大误差 粗大误差是指明显超出规定条件下预期的误粗大误差是指明显超出规定条件下预期的误差。差。特点特点是误差数值大，明显歪曲了测量结果。是误差数值大，明显歪曲了测量结果。 正常的测量数据应是剔

23、除了粗大误差的数正常的测量数据应是剔除了粗大误差的数据，因此我们通常研究的测量结果误差中仅包含据，因此我们通常研究的测量结果误差中仅包含系统和随机两类误差。系统和随机两类误差。一、测量误差的分类一、测量误差的分类 在一般工程测量中，系统误差与随机误差在一般工程测量中，系统误差与随机误差总是总是同时同时存在的，在某些情况下系统误差远存在的，在某些情况下系统误差远远远大于大于随机误差。随机误差。 为保证和提高测量精度，需要研究发现系为保证和提高测量精度，需要研究发现系统误差，进而设法校正和消除系统误差。统误差，进而设法校正和消除系统误差。二、系统误差处理二、系统误差处理原理分析与理论计算原理分析与

24、理论计算 产生恒差型系统误差的常见原因：产生恒差型系统误差的常见原因：传感器转换传感器转换过程中存在零位误差、传感器输出信号与被测过程中存在零位误差、传感器输出信号与被测参量间存在非线性、传感器与信号调理电路阻参量间存在非线性、传感器与信号调理电路阻抗匹配不佳抗匹配不佳，处理信号时略去高次项或采用简，处理信号时略去高次项或采用简化的电路模型等。化的电路模型等。实验比对（恒差系统误差）实验比对（恒差系统误差） 实验比对的方法又可分为实验比对的方法又可分为标准器件法标准器件法（简（简称标准件法）和称标准件法）和标准仪器法标准仪器法（简称标准表法）（简称标准表法）两种。两种。 1系统误差的判别和确定

25、系统误差的判别和确定残差观察法（变差系统误差）残差观察法（变差系统误差） 残差（剩余偏差）：残差（剩余偏差）：各测量值与全部测量数据各测量值与全部测量数据算术平均值之差。算术平均值之差。多次等精度重复测量多次等精度重复测量：x1，x2，xi, ，xn 使用前提：使用前提：系统误差比随机误差大系统误差比随机误差大 。xxvii 1系统误差的判别和确定系统误差的判别和确定马利科夫准则马利科夫准则马利科夫准则适用于判断马利科夫准则适用于判断线性系统线性系统误差。误差。1）将同一条件下）将同一条件下等时间间隔等时间间隔重复测量值重复测量值X1、X2 、Xi 、Xn按序排列，并求出相应的残差按序排列，并

26、求出相应的残差1、2 、i 、n， 2 2）将残差序列以中间值将残差序列以中间值k k为界分为前后两组，分为界分为前后两组，分别求和，然后把两组残差和相减，即别求和，然后把两组残差和相减，即 1kniiii sD 当当n为偶数时，取为偶数时，取k=n/2、s=n/2+1；当；当n为奇数时，取为奇数时，取k=(n+1)/2=s 。 若若D近似等于零，表明不含线性系统误差；若近似等于零，表明不含线性系统误差；若D明显明显不为零（接近或大于不为零（接近或大于i），则表明存在线性系统误差。），则表明存在线性系统误差。1系统误差的判别和确定系统误差的判别和确定阿贝阿贝赫尔默特准则赫尔默特准则 阿贝阿贝赫

27、尔默特准则适用于确定赫尔默特准则适用于确定周期性系统误周期性系统误差差。 使用方法：求出残差使用方法：求出残差1、2 、n，然后计算，然后计算 nnniiiA13221111. 如果如果 成立（成立（2为本测量数据序列的方为本测量数据序列的方差），则表明存在周期性系统误差。差），则表明存在周期性系统误差。 12 nA 1系统误差的判别和确定系统误差的判别和确定（1）针对产生系统误差的主要原因采取对应措施）针对产生系统误差的主要原因采取对应措施2减小和消除系统误差的方法减小和消除系统误差的方法（2） 采用修正法减小恒差系统误差采用修正法减小恒差系统误差利用修正值来减小和消除系统误差是常见和有效的

28、利用修正值来减小和消除系统误差是常见和有效的方法。方法。（3）采用交叉读数法减小线性系统误差）采用交叉读数法减小线性系统误差交叉读数法（对称测量法）：交叉读数法（对称测量法）：在时间上将测量顺在时间上将测量顺序等间隔对称安排，取各对称点两次交叉读入测量值，序等间隔对称安排，取各对称点两次交叉读入测量值，然后取其算术平均值作为测量值，即可有效地减小测量然后取其算术平均值作为测量值，即可有效地减小测量的线性系统误差。的线性系统误差。 （4）采用半周期法减小周期性系统误差）采用半周期法减小周期性系统误差 对周期性系统误差，可以相隔半个周期进行一对周期性系统误差，可以相隔半个周期进行一次测量，如图次测

29、量，如图1-21-2所示。所示。 取两次读数的算取两次读数的算术平均值，即可有效术平均值，即可有效地减小周期性系统误地减小周期性系统误差。差。2减小和消除系统误差的方法减小和消除系统误差的方法 本节专门讨论随机误差，假设所有系统误本节专门讨论随机误差，假设所有系统误差均可忽略不计。差均可忽略不计。 随机误差通常服从一定的统计规律，可以随机误差通常服从一定的统计规律，可以用数理统计的方法，对其分布和大小作出评估。用数理统计的方法，对其分布和大小作出评估。 三、随机系统误差处理三、随机系统误差处理 随机误差一般服从随机误差一般服从正态分布正态分布，当有决定性影响，当有决定性影响的误差源存在时，会出

30、现均匀分布、三角分布、的误差源存在时，会出现均匀分布、三角分布、梯形分布、梯形分布、C C分布等。分布等。正态分布正态分布连续型正态分布随机变量连续型正态分布随机变量x的的概率密度函数为：概率密度函数为：222)(21)( xexp 式中式中 ，为随机变量的数学期望值；为随机变量的数学期望值；1随机误差的分布规律随机误差的分布规律 为随机变量为随机变量x的标准偏差（简称标准差）：的标准偏差（简称标准差）： nxniin 12lim (n为随机变量的个数为随机变量的个数)设已消除系统误差的有限次等精度测量数据样本设已消除系统误差的有限次等精度测量数据样本X1、X2、Xi、Xn，其算术平均值为，其

31、算术平均值为niiXX1n1 是被测参量真值是被测参量真值X0（或数学期望（或数学期望）的最佳估计值，）的最佳估计值，是真值是真值X0较为理想和可靠的替代值。较为理想和可靠的替代值。X2测量数据的随机误差估计测量数据的随机误差估计（1）被测量真值估计）被测量真值估计（2）测量值的标准差的估计）测量值的标准差的估计采用其算术平均值近似代替测量真值采用其算术平均值近似代替测量真值X0后，总会后，总会有偏差，偏差的大小，常使用贝塞尔（有偏差，偏差的大小，常使用贝塞尔（Bessel）公式来计）公式来计算算 111212 nvnXXniinii 2测量数据的随机误差估计测量数据的随机误差估计称为实验标准

32、偏差。是标准差称为实验标准偏差。是标准差 的估计值的估计值 。 （3）算术平均值的标准差的估计）算术平均值的标准差的估计测量次数测量次数n是一个有限值时，是一个有限值时， 的标准差为的标准差为)( 1)( XnX 以上表达式表明：增加测量次数可以减小测量的标准偏差，以上表达式表明：增加测量次数可以减小测量的标准偏差，提高精度，实际最佳重复次数为提高精度，实际最佳重复次数为4-244-24次。次。 X（4）（正态分布时）测量结果的置信度）（正态分布时）测量结果的置信度 在测量结果表示时，需要给出真值在测量结果表示时，需要给出真值X X0 0落在落在给定数值区间的概率。给定数值区间的概率。该数值区

33、间称为该数值区间称为置信区间置信区间；该区间包含真值的概率称为该区间包含真值的概率称为置信概率置信概率或或置置信水平信水平；置信区间与置信概率综合体现测量结果的置信区间与置信概率综合体现测量结果的可靠程度，称为测量结果的可靠程度，称为测量结果的置信度置信度。 2测量数据的随机误差估计测量数据的随机误差估计对于正态分布，偏差对于正态分布，偏差x的置信区间取为的置信区间取为的若干的若干倍，即倍，即 x = k 式中式中 k为置信系数。为置信系数。 2测量数据的随机误差估计测量数据的随机误差估计当当k 分别选取分别选取1、2、3时，置信区间时，置信区间、2、3的概率值分别如下：的概率值分别如下： 6

34、827. 0dpP 229545. 02dpP 339973.03dpP1 拉伊达拉伊达(莱因达莱因达)准则准则内容：内容：测量误差大于标准偏差测量误差大于标准偏差（或其估计值）（或其估计值）3 3倍倍的测量值作为测量坏值予以舍弃。拉伊达准的测量值作为测量坏值予以舍弃。拉伊达准则表达式为则表达式为LkkKXXX 3四、粗大误差处理四、粗大误差处理 应为包含待剔除异常值在内所应为包含待剔除异常值在内所有测量数据的平均值。有测量数据的平均值。X2 格拉布斯格拉布斯(Grubbs)准则准则 格拉布斯准则是以小样本测量数据，以格拉布斯准则是以小样本测量数据，以t t分布为基分布为基础用数理统计方法推导

35、得出的。在小样本测量数据中满础用数理统计方法推导得出的。在小样本测量数据中满足表达式足表达式 xnKXXXGkk , 四、大误差处理四、大误差处理则则X Xk k为可以判定为异常值。为可以判定为异常值。其中，其中， 为疑似的异常数据，为疑似的异常数据， 为标准偏差；为标准偏差；n n为重为重复次数，复次数， 为危险概率；为危险概率； 为格拉布斯准则的鉴为格拉布斯准则的鉴别值，通过查表获得。别值，通过查表获得。kX ,nKG x 四、粗大误差处理四、粗大误差处理格拉布斯准则适合格拉布斯准则适合n30n30的小样本数据。的小样本数据。应注意的问题：应注意的问题：数据剔除应逐个进行。当测量结果中有多

36、个数据同时满足数据剔除应逐个进行。当测量结果中有多个数据同时满足剔除条件时，每次只能剔除误差最大的一个，剩下的数据应剔除条件时，每次只能剔除误差最大的一个，剩下的数据应重新计算重新计算 和和33，再剔除下一个。，再剔除下一个。另外，粗大误差也可通过分析检测过程中出现的人为过失、另外，粗大误差也可通过分析检测过程中出现的人为过失、机械故障、重大干扰等加以发现。机械故障、重大干扰等加以发现。粗大误差处理，更应注意查找粗大误差产生的原因，粗大误差处理，更应注意查找粗大误差产生的原因，加以改正，以避免粗大误差的再次出现。加以改正，以避免粗大误差的再次出现。四、粗大误差处理四、粗大误差处理X1.2 测量

37、误差与不确定度测量误差与不确定度1.2.1 检测系统误差分析基础检测系统误差分析基础1.2.2 测量误差分类与处理测量误差分类与处理1.2.3 测量不确定度测量不确定度p测量不确定度定义测量不确定度定义定义定义: :合理地赋予被测量之值的分散性，与合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。测量结果相联系的参数。不确定度可以用不确定度可以用标准偏差标准偏差表示，也可以用表示，也可以用标标准偏差的倍数准偏差的倍数或或置信区间的半宽度置信区间的半宽度表示。表示。 1.2.3 测量不确定度测量不确定度测量不确定度测量不确定度并不说明测量结果与真值并不说明测量结果与真值的接近程度，它只定量表

38、示测量误差的影响下的接近程度，它只定量表示测量误差的影响下测量结果的测量结果的不可信程度不可信程度或或不能肯定程度不能肯定程度。一、标准不确定度一、标准不确定度 用被测参量测量结果概率分布的用被测参量测量结果概率分布的标准偏差标准偏差表示表示的不确定度就称为的不确定度就称为标准不确定度标准不确定度，用符号，用符号u表示表示。 A类标准不确定度：类标准不确定度：指用统计方法得到的不确定度，用指用统计方法得到的不确定度，用uA表表示。示。1.2.3 测量不确定度测量不确定度在同一条件下对被测参量进行在同一条件下对被测参量进行n次等精度测量，测量次等精度测量，测量值为值为xi (i = 1,2,n)

39、。其。其A类标准不确定度的评定通常直接类标准不确定度的评定通常直接计算标准差求得。计算标准差求得。xAu x 1 xn )1()1(1212 nnvnnXXniinii用平均值用平均值 作为被测量作为被测量X测量结果的估计值，则测量结果的估计值，则A类标准不确定度类标准不确定度)( xuA B类标准不确定度：类标准不确定度：指用非统计方法得到的不确指用非统计方法得到的不确定度，即根据资料或假定的概率分布估计的标准定度，即根据资料或假定的概率分布估计的标准不确定度，用不确定度，用uB表示。表示。1.2.3 测量不确定度测量不确定度 B类标准不确定度的获取：类标准不确定度的获取：最近之前进行类似测

40、试获得的大量测量数据与统最近之前进行类似测试获得的大量测量数据与统计规律；计规律； 近期性能指标的测量和校准报告；近期性能指标的测量和校准报告；厂商的技术说明书中的指标；厂商的技术说明书中的指标；与标准器件对比测量时获得的数据和误差。与标准器件对比测量时获得的数据和误差。二、合成标准不确定度二、合成标准不确定度 当测量结果由多个测量数据子样构成时，设当测量结果由多个测量数据子样构成时，设 各个数据子样的标准不确定度称为各个数据子样的标准不确定度称为标准不确定度分量标准不确定度分量。 此时测量结果的不确定度由各不确定度分量合成，称为此时测量结果的不确定度由各不确定度分量合成，称为合成合成标准不确

41、定度标准不确定度，用，用uC表示，且表示，且),(21mxxxfy miiiCxuxfu122)()( 为被测量为被测量y对某分量对某分量xi的偏导数，通常称为灵敏系数，也称的偏导数，通常称为灵敏系数，也称为传播系数为传播系数;u(xi)为第为第i标准不确定度分量，且彼此独立。标准不确定度分量，且彼此独立。ixf 1.2.3 测量不确定度测量不确定度当各不确定度分量彼此不独立时，应加入协方差项。当各不确定度分量彼此不独立时，应加入协方差项。合成标准不确定合成标准不确定度仍然是度仍然是标准差标准差，表示测量结果的表示测量结果的分散性。分散性。 三、扩展不确定度三、扩展不确定度扩展不确定度是由合成

42、标准不确定度的倍数表示的测量不扩展不确定度是由合成标准不确定度的倍数表示的测量不确定度，用符号确定度，用符号U表示。表示。U =kuC 其中，其中，k为覆盖因子，为覆盖因子，根据区间要求的根据区间要求的置信概率置信概率和和测量结测量结果的分布规律果的分布规律选取，选取，常取常取2-3之间的值。之间的值。uC为合成标准不为合成标准不确定度。确定度。扩展不确定度是测量结果附近的一个置信区间，并与一定扩展不确定度是测量结果附近的一个置信区间，并与一定的置信概率的置信概率P对应，写作对应，写作UP。通常测量结果的不确定度都用扩展不确定度通常测量结果的不确定度都用扩展不确定度U表示。表示。1.2.3 测

43、量不确定度测量不确定度 测量结果可表示为测量结果可表示为x是被测量是被测量X的最佳估计值，的最佳估计值， 为已确定的为已确定的系统误差分量；系统误差分量；P为标注的置信概率。为标注的置信概率。该结果表示被测量该结果表示被测量X的可能值以概率的可能值以概率P落落在在x -U X x +U区间内。区间内。)(PUxXx x x x 四、测量结果的表示四、测量结果的表示1.2.3 测量不确定度测量不确定度例例1.2 公称值为公称值为l00 g的标准砝码的标准砝码M，其检定证书上，其检定证书上给出的实际值是给出的实际值是100.000234 g，并说明这一值的置信概，并说明这一值的置信概率为率为0.9

44、9的扩展不确定度是的扩展不确定度是0.000 120 g。假定测量数据。假定测量数据符合正态分布，求这一标准砝码的符合正态分布，求这一标准砝码的B类标准不确定度类标准不确定度uB和相对不确定度。和相对不确定度。 解解由于假定测量数据符合正态分布，且置信概率为由于假定测量数据符合正态分布，且置信概率为0.99，查正态分布表可得，查正态分布表可得k=2.576； ggkxUxupB 58.46576. 200012. 0/ 其相对标准不确定度为其相对标准不确定度为 71066. 410058.46 ggMXuB 1.2.3 测量不确定度测量不确定度习题2-100.21cm系统的基本特性可由静态特性

45、与动态特性进行描述。静态特性 ：对于静态输入信号，传感器或检测系统的输出量与输入量之间所具有的关系。 动态特性 ：传感器或检测系统对于随时间变化的输入量的响应特性。 1.3传感器与检测系统的一般特性1.3传感器与检测系统的一般特性1.3.1 传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线 1.3.2 传感器和检测系统静态特性的主要参数传感器和检测系统静态特性的主要参数 1.3.3 传感器或检测系统的动态特性传感器或检测系统的动态特性 1.3.4 传感器与检测仪器的校准传感器与检测仪器的校准 一般检测系统的静态特性可以由统一的输入与输出之间的关系方程描述，称为静态特

46、性方程，即 y(x) = a0 + a1x + a2x2 + + aixi + + anxn 其中， x为输入量； y(x)为输出量； a0 , a1, a2, ai, , an为常系数项。1.3.1 检测系统静态特性方程与特性曲线一、静态特性方程xy理想线性特性xy仅有偶次非线性项xy仅有奇次非线性项系统的特性曲线一般应通过严格的标定、校准获得，而特性方程往往通过对校准数据的拟合得到。二、静态特性曲线1.3传感器与检测系统的一般特性1.3.1 传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线 1.3.2 传感器和检测系统静态特性的主要参数传感器和检测系统静态特性的

47、主要参数 1.3.3 传感器或检测系统的动态特性传感器或检测系统的动态特性 1.3.4 传感器与检测仪器的校准传感器与检测仪器的校准 1.灵敏度 灵敏度是指测量系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比。即 dxdyxySx 0lim1.3.2 检测系统静态特性的主要参数 线性系统灵敏度为常数:KaxyS 1K表示系统静态特性曲线斜率。静态特性参数：精度、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、分辨力、可靠性等。2.线性度（非线性） 线性度反映测量系统实际输出、输入关系曲线与规定的拟合理想直线y(x) = a0+a1x 的偏离程度。通常用最大非线性引用误差来表示。即%100max FSLYL 式中

48、，Lmax为实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差（输入量相同时）；YFS为以拟合直线方程计算得到的满量程输出值。1.3.2 检测系统静态特性的主要参数 （1）理论线性度（3）最小二乘线性度（2）端基线线性度1.3.2 检测系统静态特性的主要参数 3.迟滞 迟滞，又称滞环、滞后、回差，它是指传感器或检测系统的正行程和反行程特性曲线不一致的程度。迟滞误差通常用最大迟滞引用误差来表示，即%100max FSHYH Hmax为（输入量相同时）正反行程输出之间的最大绝对偏差；YFS为测量系统满量程值。1.3.2 检测系统静态特性的主要参数 4.重复性 重复性表示检测系统在输入量按同一方向(同为正行程或同

49、为反行程)作全量程连续多次变动时所得特性曲线的不一致程度。 重复性误差%100max FSRYk k为置信系数； max为正、反行程各测量点标准偏差的最大值；YFS为测量系统满量程输出值。1.3.2 检测系统静态特性的主要参数 5. 稳定性传感器和检测系统不稳定性主要表现：（1）时间零飘：传感器和检测系统输出零点随时间发生漂移的情况；（2）零点温飘：传感器和检测系统输出零点随温度变化发生漂移的情况；（3）灵敏度温飘：传感器和检测系统灵敏度随温度变化发生漂移的情况。改善方法：选择高稳定性器件、优化电路参数、温度补偿。1.3.2 检测系统静态特性的主要参数 1.3传感器与检测系统的一般特性1.3.

50、1 传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线 1.3.2 传感器和检测系统静态特性的主要参数传感器和检测系统静态特性的主要参数 1.3.3 传感器与检测系统的动态特性传感器与检测系统的动态特性 1.3.4 传感器与检测仪器的校准传感器与检测仪器的校准 1.3.3 传感器或检测系统的动态特性 动态特性：传感器或检测系统对于随时间变化的输入量的响应特性。是传感器或系统能够再现变化着的输入量的能力。 描述检测系统的动态特性的数学模型主要有三种形式：时域分析用的微分方程复频域用的传递函数 频域分析用的频率特性)()()(sXsYsH )()()( jXjYjH 一阶

51、系统时域模型 1) 时间常数 一阶系统为阶跃输入时，其输出量上升到稳态值的63.2所需的时间，就为时间常数。 2) 响应时间ts 工程上通常把ts=4当作系统对阶跃输入的输出响应时间。 1ty tkAe dy ty tkx tdx tdt阶跃响应一、一阶系统的时域动态特性参数 1.二阶系统的数学模型（线性系统） n为二阶系统的无阻尼固有角频率；为二阶系统的阻尼比； K为二阶系统的放大倍数或称系统静态灵敏度。 2220012d y tdy ty tKx tdtdtnn二、 二阶系统的时域动态特性参数 1，暂态响应含两个幅值随时间作指数减少的暂态项，且其中一个衰减很快，称为过阻尼。 在阶跃输入下，

52、不同阻尼比对（二阶）系统响应的影响 阻尼比和系统有阻尼自然振荡角频率n是二阶测量系统最主要的时域动态特性参数。二、 二阶系统的时域动态特性参数 22 1arctansin11AteKtydtnd d称为系统称为系统有阻尼自然振荡角频率有阻尼自然振荡角频率, ,是暂态响应的实际振荡角频率，且是暂态响应的实际振荡角频率，且 ndn22-延迟时间td 系统输出响应值达到稳态值的50所需的时间，称为延迟时间。nrt/ )6 . 19 . 01 (2ndt/ )2 . 06 . 01 (2nst /9 . 302. 0 2二阶系统的主要时域性能指标二、 二阶系统的时域动态特性参数 上升时间tr 系统输出

53、响应值从10到达90稳态值所需的时间，称为上升时间。 响应时间ts 在响应曲线上，系统输出响应达到一个允许误差范围的稳态值，并永远保持在这一允许误差范围内所需的最小时间，称为响应时间。峰值时间tp 输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间，称为峰值时间。超调量 超调量为输出响应曲线的最大偏差与稳态值比值的百分数，即%100)(/)()( yytyp )1/(22 ndpTt%100*21/ e二、 二阶系统的时域动态特性参数 衰减率d 二阶系统过渡过程曲线上相差一个周期T的两个峰高之比称为衰减率。21/22 ed对数衰减率D21/2ln d ln2 二、 二阶系统的时域动态特性参数 %100*21

54、/ e三、检测系统的频域动态特性与频域性能指标频域特性频域特性：系统对不同频率正弦信系统对不同频率正弦信号的响应特性。一般由号的响应特性。一般由系统系统幅频特性幅频特性和和相频特相频特性性描述。描述。测试信号测试信号：不同频率的标准正弦信号不同频率的标准正弦信号三、检测系统的频域动态特性与频域性能指标 如果一个检测系统，其输出y(t)与输入x(t)之间满足)()(0 txAty 此系统的输出与输入只是存在固定放大倍数和一定延时，而两者波形一致，这种检测系统称为不失真系统。 由上式可得不失真检测系统的频率特性为 jeAjXjYjH 0)()()( 0)(AA 常数 )(系统不失真条件：放大倍数为

55、常数，相移与成正比。 当A()不等于常数时所引起的失真为幅度失真，()与之间不满足线性关系所引起的失真为相位失真。（1）理想不失真系统）理想不失真系统2.一阶系统时间常数愈小，则装置的响应愈快，愈接近于不失真系统。1.零阶系统)()(tkxty一阶系统的频率特性表达式为1YjkHjXjj 21kAHj arctan三、检测系统的频域动态特性与频域性能指标（2）各类系统的频域特性）各类系统的频域特性三、检测系统的频域动态特性与频域性能指标3.二阶系统：二阶系统的频率特性表达式为20012YjKHjXjjnn当0.3n ，在0.60.8范围时， A()段近似为常数， 相频特性可近似为一条起自坐标原点的斜线，基本满足不失真测量要求。二阶：系统的通频带与工作频