傳感器與檢測(cè)技術(shù)第一章測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)

1、傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)第一篇第一篇 工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)1.1.掌握測(cè)試的基本概念掌握測(cè)試的基本概念 2.2.了解測(cè)量誤差及其不確定度概念了解測(cè)量誤差及其不確定度概念3.3.了解測(cè)量數(shù)據(jù)處理的基本方法了解測(cè)量數(shù)據(jù)處理的基本方法第第1章章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)1.1 測(cè)試的基本概念測(cè)試的基本概念 1、測(cè)量、計(jì)量與測(cè)試、測(cè)量、計(jì)量與測(cè)試 測(cè)量：以確定被測(cè)對(duì)象屬性和量值為目的的全部操作。測(cè)量：以確定被測(cè)對(duì)象屬性和量值為目的的全部操作。單位單位被測(cè)量被測(cè)量 基準(zhǔn)量基準(zhǔn)量比較比較倍數(shù)（結(jié)果數(shù)值倍數(shù)（結(jié)果數(shù)值.單位）

2、單位）直接直接/間接間接 圖11 測(cè)量的比較原理(a) 天平直接比較（b）彈簧稱間接比較傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)計(jì)量：實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的測(cè)量。計(jì)量：實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的測(cè)量。 為使在不同的地方，用不同的手段測(cè)量同一量時(shí)，為使在不同的地方，用不同的手段測(cè)量同一量時(shí)，所得的結(jié)果一致，就要求所得的結(jié)果一致，就要求統(tǒng)一的單位、基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)統(tǒng)一的單位、基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量器具。量器具。 計(jì)量的三個(gè)特征：統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性和法制性。計(jì)量的三個(gè)特征：統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性和法制性。計(jì)量?jī)?nèi)容包括：?jiǎn)挝坏慕y(tǒng)一、基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的建立、計(jì)量?jī)?nèi)容包括：?jiǎn)挝坏慕y(tǒng)一、基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的建立、量值傳遞、計(jì)量

3、監(jiān)督管理、測(cè)量方法及其手段的量值傳遞、計(jì)量監(jiān)督管理、測(cè)量方法及其手段的研究等。研究等。 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試：意義更為廣泛的測(cè)量測(cè)試：意義更為廣泛的測(cè)量具有試驗(yàn)性質(zhì)的測(cè)具有試驗(yàn)性質(zhì)的測(cè)量。量。從信息獲取角度從信息獲取角度：信息提?。y(cè)量）信息提?。y(cè)量）信號(hào)轉(zhuǎn)換、信息識(shí)別（極為重要）信號(hào)轉(zhuǎn)換、信息識(shí)別（極為重要） 煤氣包高度測(cè)量煤氣包高度測(cè)量 橋梁固頻測(cè)量橋梁固頻測(cè)量 機(jī)翼模態(tài)分析機(jī)翼模態(tài)分析 索道檢測(cè)索道檢測(cè)傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)間接測(cè)量間接測(cè)量對(duì)與未知待測(cè)量對(duì)與未知待測(cè)量y y有確切函數(shù)關(guān)系的其他變量有確切函數(shù)關(guān)系的其他變量x (x (

4、 或或 n n 個(gè) 變 量個(gè) 變 量 ) ) 進(jìn) 行 直 接 測(cè) 量 ， 然 后 再 通 過(guò) 函進(jìn) 行 直 接 測(cè) 量 ， 然 后 再 通 過(guò) 函數(shù)數(shù) ，計(jì)算出待測(cè)量，計(jì)算出待測(cè)量y y。2、測(cè)試方法的分類(lèi)、測(cè)試方法的分類(lèi) n直接測(cè)量和間接測(cè)量直接測(cè)量和間接測(cè)量直接測(cè)量直接測(cè)量用已標(biāo)定的儀器，直接地測(cè)量出某一待測(cè)未用已標(biāo)定的儀器，直接地測(cè)量出某一待測(cè)未知量的量值。知量的量值。12( )( ,)nyf xyf x xx或n接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量非接觸式非接觸式測(cè)量測(cè)量避免了對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響。避免了對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響。傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)靜態(tài)測(cè)量靜

5、態(tài)測(cè)量：對(duì)不隨時(shí)間變化的（靜止的）被測(cè)量進(jìn)行的測(cè)量。：對(duì)不隨時(shí)間變化的（靜止的）被測(cè)量進(jìn)行的測(cè)量。 動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量：對(duì)隨時(shí)間變化的被測(cè)量進(jìn)行的測(cè)量，需確定被測(cè)量：對(duì)隨時(shí)間變化的被測(cè)量進(jìn)行的測(cè)量，需確定被測(cè)量的瞬時(shí)值的瞬時(shí)值 及其隨時(shí)間變化的規(guī)律。及其隨時(shí)間變化的規(guī)律。n靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量n非電量電測(cè)技術(shù)非電量電測(cè)技術(shù)非電量電測(cè)非電量電測(cè)：把被測(cè)的非電量，通過(guò)傳感器變換成電信號(hào)：把被測(cè)的非電量，通過(guò)傳感器變換成電信號(hào)再進(jìn)行傳輸、處理等。再進(jìn)行傳輸、處理等。工程中大多數(shù)被測(cè)量工程中大多數(shù)被測(cè)量非電量，非電量，為滿足為滿足測(cè)試的精度、速度、測(cè)試的精度、速度、處理、傳輸?shù)囊?，常?/p>

6、將非電量轉(zhuǎn)換為電量。處理、傳輸?shù)囊?，常常將非電量轉(zhuǎn)換為電量。傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)3、測(cè)試系統(tǒng)的組成、測(cè)試系統(tǒng)的組成 一般來(lái)說(shuō)，測(cè)試系統(tǒng)是由傳感器、中間變換裝置一般來(lái)說(shuō)，測(cè)試系統(tǒng)是由傳感器、中間變換裝置（信號(hào)調(diào)理和信號(hào)分析與處理）和顯示記錄裝置組成（信號(hào)調(diào)理和信號(hào)分析與處理）和顯示記錄裝置組成并具有獲取某種信息之功能的整體。并具有獲取某種信息之功能的整體。信息轉(zhuǎn)換信息轉(zhuǎn)換信息提取信息提取 傳感器傳感器將被測(cè)物理量將被測(cè)物理量(如力如力,溫度溫度) 檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對(duì)接收到的電信號(hào)用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)間變換裝置對(duì)接收到的電信號(hào)用硬

7、件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行變換后用軟件進(jìn)行信號(hào)分析（提取特征參數(shù)、頻譜分析、信號(hào)分析（提取特征參數(shù)、頻譜分析、相關(guān)分析等）相關(guān)分析等），顯示記錄裝置則測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)，提供給，顯示記錄裝置則測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)，提供給觀察者或其它自動(dòng)控制裝置。觀察者或其它自動(dòng)控制裝置。 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)1.2 測(cè)量誤差及其不確定度測(cè)量誤差及其不確定度 一、測(cè)量誤差的基本概念一、測(cè)量誤差的基本概念 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)n測(cè)量誤差的表示方法：測(cè)量誤差的表示方法：0Ax x 測(cè)量精度不僅與它的絕對(duì)誤差的大小，而且與這個(gè)量本身測(cè)量精度不僅與它的絕對(duì)

8、誤差的大小，而且與這個(gè)量本身的大小有關(guān)。例如：如何比較測(cè)量長(zhǎng)度為的大小有關(guān)。例如：如何比較測(cè)量長(zhǎng)度為10m和和1m（絕對(duì)誤（絕對(duì)誤差為差為1cm）的測(cè)量精度？）的測(cè)量精度？Ax傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)絕對(duì)誤差與真值之比百分?jǐn)?shù)表示。絕對(duì)誤差與真值之比百分?jǐn)?shù)表示。%10000A%100AA%100 xx )1lg(20AdB評(píng)定精度：相對(duì)誤差越小，測(cè)量精度越高。評(píng)定精度：相對(duì)誤差越小，測(cè)量精度越高。傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)n測(cè)量誤差的分類(lèi)：測(cè)量誤差的分類(lèi)： 測(cè)量誤差一般根據(jù)其性質(zhì)可分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差三類(lèi)。 由由特定原因特定原因引起、具有一定

9、因果關(guān)系并按引起、具有一定因果關(guān)系并按確定規(guī)律確定規(guī)律產(chǎn)生。產(chǎn)生。儀器、環(huán)境、動(dòng)力源變化、人為因素等儀器、環(huán)境、動(dòng)力源變化、人為因素等再現(xiàn)性再現(xiàn)性 偏差（偏差（Deviation）理論分析理論分析/實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證原因和規(guī)律原因和規(guī)律減少減少/消除消除傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)因許多因許多不確定性因素不確定性因素而隨機(jī)產(chǎn)生。而隨機(jī)產(chǎn)生。偶然性偶然性不明確、無(wú)規(guī)律不明確、無(wú)規(guī)律概率和統(tǒng)計(jì)方法處理概率和統(tǒng)計(jì)方法處理無(wú)法消除無(wú)法消除/修正修正各種干擾（噪聲、電磁場(chǎng)）等各種干擾（噪聲、電磁場(chǎng)）等系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)發(fā)生異常和故障等引起。系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)發(fā)生異常和故障等引起。異常誤差若混為系

10、統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差異常誤差若混為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差 測(cè)量結(jié)果失去意義測(cè)量結(jié)果失去意義剔除異常值剔除異常值 防止粗大誤差防止粗大誤差 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)二、測(cè)量不確定度二、測(cè)量不確定度定量描述測(cè)量結(jié)果的指標(biāo)定量描述測(cè)量結(jié)果的指標(biāo) 不確定度表明測(cè)量結(jié)果可能的分散程度?？捎脴?biāo)準(zhǔn)偏差表示，也可用標(biāo)準(zhǔn)偏差的倍數(shù)或置信區(qū)間的半寬度表示。 n幾個(gè)基本概念：幾個(gè)基本概念：數(shù)學(xué)期望數(shù)學(xué)期望 真值真值A(chǔ)0，最佳估計(jì)值，最佳估計(jì)值(測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值)標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差 表征測(cè)量結(jié)表征測(cè)量結(jié)果的分散程度，果的分散程度， 大表明測(cè)大表明測(cè)量值比較分散，量值比較分散， 小表

11、明測(cè)小表明測(cè)量值比較集中。量值比較集中。 0)(p1 2 3 1 2 3 壞值壞值 剔除剔除 計(jì)算算術(shù)平均值計(jì)算算術(shù)平均值 x 殘余誤差殘余誤差 均方誤差均方誤差 剔除壞值剔除壞值2)2)格羅布斯準(zhǔn)則格羅布斯準(zhǔn)則測(cè)量值的殘余誤差的絕對(duì)值測(cè)量值的殘余誤差的絕對(duì)值| | g( ,n) 壞值壞值 剔除剔除 g( ,n) 由由重復(fù)測(cè)量次數(shù)重復(fù)測(cè)量次數(shù)n及置信概率及置信概率P查表查表確定確定例例1 11 1：P15P15（粗大誤差的判斷和剔除）（粗大誤差的判斷和剔除）傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)n測(cè)量數(shù)據(jù)的表示方法測(cè)量數(shù)據(jù)的表示方法： 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí) 一

12、元線性一元線性回歸回歸一元非線一元非線性回歸性回歸多元線性多元線性回歸回歸多元非線多元非線性回歸性回歸變量個(gè)數(shù)變量個(gè)數(shù)1111方次方次1111y=a+bx傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)建立經(jīng)驗(yàn)公式的步驟：建立經(jīng)驗(yàn)公式的步驟： ； nnjnjjxaxaxaaxay22100 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí) iiiyy mni 2 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)n一元線性回歸一元線性回歸。 將測(cè)量數(shù)據(jù)中兩個(gè)端點(diǎn)，起點(diǎn)和終點(diǎn)（即最大量程點(diǎn)）的將測(cè)量數(shù)據(jù)中兩個(gè)端點(diǎn)，起點(diǎn)和終點(diǎn)（即最大量程點(diǎn)）的測(cè)量值（測(cè)量值（x1,y1）和（）和（xn,yn），代入），代

13、入y=a+bx ，則，則a,b分別為分別為 11bxya 11nnyybxx 0 020204040606080800 05 510101515x xy y傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí) kxxkii 11kyykii 11knxxnkii 12knyynkii 121212xxyyb 2211xbyxbya 傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí) iiiyy min)(1122 niniiiibxayv niniiinininiiiniiiixnxxyyxxa112211121)( niniiininiiiniiixnxyxnyxb1122111)(傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)

14、電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)壓力壓力（MPa） 2 4 6 8 10 輸出輸出（mV） 10.043 20.093 30.135 40.128 50.072 最小二乘法精確度最高，平均法次之，端點(diǎn)法較差最小二乘法精確度最高，平均法次之，端點(diǎn)法較差 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表傳感器與測(cè)試技術(shù)機(jī)電學(xué)院第1章 測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)壓力壓力MPa 輸出輸出mV 端點(diǎn)法端點(diǎn)法 平均法平均法 最小二乘法最小二乘法 理想直線理想直線 殘差殘差 理想直線理想直線 殘差殘差 理想直線理想直線 殘差殘差 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 擬合直線方程擬合直線方程 擬合誤差擬合誤差 0. .068 0. .049 0. .