第1章检测技术的基础知识

第一章检测技术的基本知识

第一节概述

第二节测量方法第三节检测系统的基本特性第四节误差的概念第五节随机误差的处理方法第六节系统误差的消除方法本章教学要求

检测系统的特点、结构及发展测量的基本概念及测量方法检测系统的静态特性和动态特性绝对误差与相对误差的概念系统误差与随机误差的概念随机误差的处理方法系统误差的消除方法一.检测技术的含义、作用和地位第一节概述

检测技术已经发展成为一门完整的技术学科，在促进生产发展和科技进步的广阔领域内发挥着重要作用。其主要应用如下：

检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。在线检测技术使检测和生产加工同时进行，及时、主动地用检测结果对生产过程进行控制。

检测技术在大型设备运行监测中得到广泛应用。采用计算机来处理检测信息，进行分析、判断，及时诊断出设备故障并自动报警或采取相应的对策。

检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。一个自动化系统通常由多个环节组成，分别完成信息获取、信息转换、信息处理、信息传送及信息执行等功能。在实现自动化的过程中，信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确及时地将被控对象的各项参数检测出来并转换成易于传送和处理的信号，整个系统才能正常地工作。

检测技术的发展正推动着现代科学技术的进步。检测技术达到的水平愈高，提供的信息愈丰富、愈可靠，科学研究取得突破性进展的可能性就愈大。此外，理论研究的一些成果，也必须通过实验或观测来加以验证，这同样离不开必要的检测手段。二、检测系统的组成

一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。

传感器是检测系统与被测对象直接联系的部分。它为系统提供必需的原始信息，是检测系统最重要的环节。

传感器是把被测量变换为另一种与之有确定对应关系，并且便于测量的量（通常是电学量）的装置。

从传感器应用目的出发，按被测量的性质分为：机械量传感器，如位移、力、速度传感器等。热工量传感器，如温度、压力、流量传感器等。化学量传感器和生物量传感器等。

从传感器研究目的出发，按传感器输出量分为：参量型传感器，它的输出是电阻、电感、电容等无源电参量。发电型传感器，它的输出是电压或电流，如热电偶传感器、光电传感器、磁电传感器、压电传感器等。传感器测量电路

测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号较微弱，需要由测量电路加以放大后才能满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。显示记录装置

显示记录装置常用的有模拟式显示、数字式显示和图像式显示三种。模拟式显示是利用指针表示被测量数值的大小。数字式显示则直接以十进制数字形式来显示读数。图像显示常用的有记录仪、示波器等。三、非电学量电测法的特点

非电学量电测法的主要优点能够连续、自动地对被测量进行测量和记录。电子装置精度高、频率响应好，不仅能适用于静态测量，选用适当的传感器和记录装置还可以进行动态测量甚至瞬态测量。电信号可以远距离传输，便于实现远距离测量和集中控制。电子测量装置能方便地改变量程，因此测量范围广。可以方便地与计算机相连，进行数据的自动运算、分析和处理。四、检测技术的发展方向新型传感器

新型传感器采用了新原理、新材料和新工艺。例如光纤、液晶、高分子、微生物传感器等。集成化传感器

传感器集成化的一个方向是具有同样功能的传感器集成化，从而使对一个点的测量变成对一个平面和空间的测量。另一个方向是不同功能的传感器集成化，从而使一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数。智能化传感器网络化传感器

智能化传感器集成了传感器与微处理器（或微控制器）的功能，可全部或部分实现信号检测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，以及内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能，它的应用使传感器技术提高到一个新的水平，发展到一个崭新的阶段。

传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时采集对象信息，对信息进行处理，并通过无线通信网络传送数据。传感器网络具有十分广阔的应用前景。第二节测量方法

一.测量的基本概念测量的定义

用实验方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，获得被测量的定量信息。测量的步骤

测量过程都包括比较、示差、平衡、读数四个步骤，核心是比较。测量的结果包括数值大小和测量单位。二.测量方法直接测量利用测量仪器，直接读取被测量的测量结果。间接测量已知被测量与其他几个量有确定的函数关系，可以分别测出其他几个量,再利用函数关系求出被测量。

按测量手续可以将测量方法分为直接测量和间接测量。按获得测量值的方式可以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量。根据传感器是否与被测对象直接接触，可区分为接触式测量和非接触式测量。根据被测对象的变化特点又可分为静态测量和动态测量等。偏差式测量

在测量过程中，利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位移（即偏差）来决定被测量的测量方法。测量时利用仪表指针在标尺上的示值，读取被测量的数值。它以间接方式实现被测量和标准量的比较。

偏差式测量仪表在测量时，一般利用被测量产生的力或力矩，使仪表的弹性元件变形，通过机构转变成指针相对标尺起点的位移，得到被测量的数值。零位式测量

用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表来检测测量系统的平衡状态，从而判定被测量值等于已知标准量的方法称做零位式测量。调节RP1校准工作电流接入被测电压Ux调整RP改变标准电压UkA、D等电位，Ux=Uk微差式测量

零位式与偏差式测量的综合应用。例如测量稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况。调节R1校准工作电流使稳压电源负载RL额定调整RP使毫伏表指示零变动负载读毫伏表值测量中只读取被测值的微小变化第三节检测系统的基本特性一.静态特性灵敏度

灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。单级多级

分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。输入量从某个任意值（非零值）缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。它说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。分辨率线性度

线性度用检测系统实测输入-输出特性曲线与拟合直线间最大偏差与满量程输出的百分比来表示。

采用理论直线作为拟合直线而确定的线性度称做理论线性度。理论直线通常取连接理论曲线坐标零点和满量程输出点的直线。线性度定义

迟滞

迟滞特性指检测系统在输入量增大过程中的检测结果曲线，与输入量减小过程中的检测结果曲线不一致程度。为正反向检测曲线的最大差值。迟滞定义

传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出与输入间存在动态误差。二.动态特性

动态特性除了与传感器的固有因素有关之外,还与传感器输入量的变化形式有关。在研究传感器动特性时,通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应。

虽然传感器的种类和形式很多,但它们一般可以简化为一阶或二阶系统（高阶可以分解成若干个低阶环节），因此一阶和二阶传感器是最基本的类型。传感器的输入量随时间变化的规律是各种各样的，在对传感器动态特性进行分析时，通常采用最典型、最简单、易实现的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号，的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。动态特性分析方法

相对误差绝对误差第四节误差的概念几个基本概念真值被测量的准确数值精度测量所能达到的误差范围误差来源工具、环境、方法、人员误差等误差分类按误差表示方法划分随机误差系统误差按误差出现规律划分一.绝对误差与相对误差绝对误差绝对误差的定义指仪表的指示值x与被测量的真值x0之间的差值，记做δ绝对误差表示方法真值的表示方法修正值的表示方法相对误差相对误差的定义指绝对误差δ与与测量真值x0之间的比值，常用百分数表示相对误差表示方法引用误差表示方法最大引用误差定义仪表的精度等级：取仪表的最大引用误差，去掉百分号。仪表常见精度等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0

二.系统误差与随机误差系统误差系统误差的定义

在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化，这种误差称为系统误差。系统误差的分类数值和符号不变数值和符号变化恒值系统误差变值系统误差

系统误差的特点是可以通过对测量值的修正，消除或减少它对测量结果的影响。系统误差的大小表明测量结果正确度。系统误差愈小，则测量结果正确度愈高。随机误差随机误差的定义在相同的条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。随机误差与精密度随机误差大则测量结果分散精密度低随机误差小则测量结果集中精密度高

精确度是测量的正确度和精密度的综合反映。精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。精确度有时简称为精度。系统误差较大，正确度较低。结果分散性大，随机误差大，精密度低。规律性系统误差大，正确度低。结果重复性好，随机误差小，精密度高。规律性系统误差小，正确度高。结果重复性好，随机误差小，精密度高。三.系统误差与随机误差的关系

系统误差和随机误差难以严格区分。当某些系统误差太复杂，找不出规律，就只能作为随机误差处理。当某些随机误差的来源和变化规律被掌握，就可以当成系统误差去处理，将结果加以修正和预防。任何一次测量一般都同时存在两种误差。可以根据测量情况处理起主要作用的误差。当两种均有较大影响时，可以按各自的不同处理方法同时加以处理。四.粗大误差

由于粗心大意造成的误差,表现为个别异常值或坏值，应在处理多次测量结果之前剔除。正确的测量结果中不包含粗大误差。一．概率与统计的几个概念第五节随机误差的处理方法概率概率定义自然界中，某一事件或现象出现的客观可能性大小。必然事件概率为1。不可能事件概率为0。可能出现也可能不出现的不可预测随机事件的概率介于0与1之间。

在同一条件下对某个量进行多次重复测量时，粗大误差可以剔除；系统误差可以修正；随机误差可以借助于对随机数值的统计概率，求出其估计值及其出现的可能性。150次测量836mm长度的结果误差分布表在坐标图上，以频率为纵坐标，以随机误差为横坐标，画出它们的关系曲线，得到统计直方图。当测量次数ｎ→∞时，无限多个直方图顶点的连线就形成连续曲线，称为随机误差正态分布曲线。概率密度二．随机误差的特点随机误差可正可负，但绝对值相等的正负误差出现的机会均等，即概率密度曲线对称于纵轴。

对称性在一定测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的范围。

有界性在相同条件下，当测量次数n→∞时，全体随机误差的代数和等于零。抵偿性绝对值小的随机误差比绝对值大的随机误差出现的机会多。在δ=0处概率密度有最大值。单峰性三．算术平均值和标准偏差高斯误差方程方均根误差当n有限时标准误差估值算术平均值的标准误差正态分布曲线与σ的关系

标准误差说明测量结果的分散程度，标准误差越小，测量数据一致性越好，正态分布曲线越尖锐，测量精密度越高。介于（-3σ,+3σ）之间随机误差出现的概率为式中，K为置信系数K=2

时，结果在该置信范围的概率为95%；K=3

时，结果在该置信范围的概率为99.7%。四．测量结果的正确表示

σ是在一组n次测量中对每个单次测量结果进行评价的标准误差。因此，对一台精度一定的测量仪器，在没有系统误差和粗大误差的条件下，只进行单次测量,测量结果可表示如下:

粗大误差会引起异常数据,判别方法很多,这里采用拉依达法则:设对被测量进行n次等精度测量,得到一组测量数据可求出其算术平均值和标准误差,然后逐个判断单个测量值是否满足不等式。如果发现某个值满足不等式,就作为坏值剔除之。五．粗大误差的判别与坏值的剔除数据处理步骤:剔除坏值剩余数平均再剔除坏值最后一个平均值真值剩余数平均第六节系统误差的消除方法

减小测量误差的方法：粗大误差的消除：采用拉依达准则，剔除坏值。随机误差的处理：随机误差不能消除，但是可以通过多次重复测量，利用平均值作为结果，并利用统计方法估算出随机误差的范围。系统误差消除方法：从系统误差的规律性特点入手，找到误差规律。测量前预见测量误差来源，取得修正表格。测量中采取能消除系统误差的