第1章理論基礎(chǔ)1測量方法

1、第第1章章 傳感與檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)傳感與檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ) 檢測技術(shù)就是研究自動檢測系統(tǒng)中信息提取、信息轉(zhuǎn)換及信息處理的一門技術(shù)學(xué)科。在自動檢測系統(tǒng)中，傳感器處于研究對象與檢測系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口。一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過程中的信息，特別是在自動檢測和自動控制系統(tǒng)中獲取的原始信息，都要通過傳感器轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的信號。 “檢測系統(tǒng)” 是傳感技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。第第1章章 傳感與檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)傳感與檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)1.1 測量概論測量概論1.2 測量數(shù)據(jù)的估計和處理測量數(shù)據(jù)的估計和處理返回主目錄1.1 測量概論測量概論 1.1.1 測量測量 測量是以確定測量

2、是以確定被測量的值被測量的值或獲取測或獲取測量結(jié)果為目的的一系列量結(jié)果為目的的一系列操作操作。 也就是將被測量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)也就是將被測量與同種性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的量進(jìn)行比較，確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍倍數(shù)數(shù)。xn u x被測量值；被測量值； u標(biāo)準(zhǔn)量，即測量單位；標(biāo)準(zhǔn)量，即測量單位； n比值（純數(shù)），含有測量誤差。比值（純數(shù)），含有測量誤差。 xnu 測量結(jié)果的表示法：測量結(jié)果的表示法： 一定的數(shù)值，一定的數(shù)值， 一條曲線，一條曲線， 某種圖形。某種圖形。 無論其表現(xiàn)形式如何，測量結(jié)果應(yīng)包括：無論其表現(xiàn)形式如何，測量結(jié)果應(yīng)包括： 比值比值 測量單位。測量單位。 測量結(jié)果僅

3、僅是被測量的測量結(jié)果僅僅是被測量的最佳估計最佳估計值值，并非真值，并非真值， 還應(yīng)給出還應(yīng)給出測量結(jié)果的質(zhì)量測量結(jié)果的質(zhì)量， 即測量結(jié)果的即測量結(jié)果的可信程度可信程度。 可信程度用可信程度用測量不確定度測量不確定度表示，表示， 測量不確定度表征測量不確定度表征測量值的分散程度測量值的分散程度。 測量結(jié)果的完整表述應(yīng)包括：測量結(jié)果的完整表述應(yīng)包括： 估計值估計值 測量單位測量單位 測量不確定度。測量不確定度。 1.1.2 測量方法測量方法 實(shí)現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量實(shí)現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較比較得出比得出比值的方法，稱為測量方法。值的方法，稱為測量方法。 從不同角度，有不同的分類方法。從不同角度，有不同的分

4、類方法。 根據(jù)獲得測量值的方法可分為：根據(jù)獲得測量值的方法可分為： 直接測量直接測量 間接測量間接測量 組合測量；組合測量； 根據(jù)測量方式可分為：根據(jù)測量方式可分為： 偏差式測量偏差式測量 零位式測量零位式測量 微差式測量；微差式測量； 根據(jù)測量條件不同可分為：根據(jù)測量條件不同可分為： 等精度測量等精度測量 不等精度測量；不等精度測量； 根據(jù)被測量變化快慢可分為：根據(jù)被測量變化快慢可分為： 靜態(tài)測量靜態(tài)測量 動態(tài)測量；動態(tài)測量； 根據(jù)根據(jù)測量敏感元件測量敏感元件是否與是否與被測介被測介質(zhì)質(zhì)接觸可分為：接觸可分為： 接觸式測量接觸式測量 非接觸式測量；非接觸式測量； 根據(jù)測量系統(tǒng)是否向被測對象根

5、據(jù)測量系統(tǒng)是否向被測對象施施加能量加能量可分為：可分為： 主動式測量主動式測量 被動式測量。被動式測量。 1. 直接測量、間接測量與組合測量直接測量、間接測量與組合測量 測得值直接與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，不測得值直接與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，不需要經(jīng)過任何運(yùn)算，直接得到被測量的需要經(jīng)過任何運(yùn)算，直接得到被測量的數(shù)值，稱為直接測量。數(shù)值，稱為直接測量。 yx y被測量的值；被測量的值； x直接測得值。直接測得值。 例如，例如， 磁電式電流表測量電流，磁電式電流表測量電流， 彈簧管壓力表測量壓力等。彈簧管壓力表測量壓力等。 它的優(yōu)點(diǎn)是它的優(yōu)點(diǎn)是測量過程簡單測量過程簡單而又而又迅速迅速， 缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是測量精度不高

6、測量精度不高。 間接測量：間接測量： 首先對與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的首先對與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的幾個量進(jìn)行直接測量，幾個量進(jìn)行直接測量， 將直接測得值代入將直接測得值代入函數(shù)關(guān)系式函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)，經(jīng)過計算得到所需要的結(jié)果。過計算得到所需要的結(jié)果。 被測量被測量 y 是一個測得值是一個測得值 x 或幾個或幾個測得值測得值 x1，x2， xn 的函數(shù)，的函數(shù)， 即即 y= f (x) 或或 y = f (x1, x2, , xn) 如直接測量電壓值如直接測量電壓值 U 和電阻值和電阻值 R ，根據(jù)式根據(jù)式P=U2/R 求電功率求電功率 P 即為間接測量。即為間接測量。 間接測量間接測量手續(xù)較多手

7、續(xù)較多，花費(fèi)時間較長，花費(fèi)時間較長，一般用在直接測量不方便，或者缺乏直一般用在直接測量不方便，或者缺乏直接測量手段的場合。接測量手段的場合。 若被測量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組若被測量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組求得，求得， 如有若干個被測量如有若干個被測量 y1，y2，ym ，直接測得值為直接測得值為 x1, x2, , xn , 把被測量與測得值之間的函數(shù)關(guān)系把被測量與測得值之間的函數(shù)關(guān)系列成方程組，即列成方程組，即 1112221212(,)(,)(,)mmnnmxfyyyxfyyyxfyyy 方程組中方程的個數(shù)方程組中方程的個數(shù) n 要要大于大于被測被測量量 y 的個數(shù)的個數(shù) m ，用，用最小二

8、乘法最小二乘法求出被測求出被測量的數(shù)值，稱為組合測量。量的數(shù)值，稱為組合測量。 它是一種它是一種特殊的精密測量方法，操特殊的精密測量方法，操作手續(xù)復(fù)雜，花費(fèi)時間長作手續(xù)復(fù)雜，花費(fèi)時間長，多適用于科，多適用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)或特殊場合。學(xué)實(shí)驗(yàn)或特殊場合。 2. 偏差式測量、零位式測量與微差式測偏差式測量、零位式測量與微差式測量量 用儀表指針的位移（即偏差）決定用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的量值，稱為偏差式測量。被測量的量值，稱為偏差式測量。 儀表刻度事先用標(biāo)準(zhǔn)器具分度。儀表刻度事先用標(biāo)準(zhǔn)器具分度。 測量時，按照儀表指針在標(biāo)尺上的測量時，按照儀表指針在標(biāo)尺上的示值，決定被測量的數(shù)值。示值，決定被測

9、量的數(shù)值。 偏差式測量過程簡單、迅速，偏差式測量過程簡單、迅速， 但測量結(jié)果的精度較低。但測量結(jié)果的精度較低。 零位式測量：零位式測量： 用用指零儀表指零儀表的零位反映測量系統(tǒng)的的零位反映測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)測量系統(tǒng)平衡時，由已知，當(dāng)測量系統(tǒng)平衡時，由已知的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測量的量值。的標(biāo)準(zhǔn)量決定被測量的量值。 測量時，已知標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測量測量時，已知標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測量相比較，已知標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)相比較，已知標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)連續(xù)可調(diào)連續(xù)可調(diào)。 例如天平測量物體的質(zhì)量、電位例如天平測量物體的質(zhì)量、電位差計測量電壓等。差計測量電壓等。 它的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得比較高的測它的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得比較高的測量精度，量精度

10、， 但測量過程比較復(fù)雜，費(fèi)時較長，但測量過程比較復(fù)雜，費(fèi)時較長，不適用于測量變化迅速的信號。不適用于測量變化迅速的信號。 微差式測量綜合了偏差式測量與零微差式測量綜合了偏差式測量與零位式測量的優(yōu)點(diǎn)。位式測量的優(yōu)點(diǎn)。 它將被測量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，它將被測量與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，取得差值后，再用偏差法測得此差值。取得差值后，再用偏差法測得此差值。 測量時，不需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量，而只測量時，不需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量，而只需測量兩者的差值。需測量兩者的差值。 設(shè)：設(shè)：N為標(biāo)準(zhǔn)量，為標(biāo)準(zhǔn)量，x為被測量，為被測量，為為二者之差，則二者之差，則 x=N+。 由于由于N是標(biāo)準(zhǔn)量，其誤差很小，因是標(biāo)準(zhǔn)量，其誤差很小，因

11、此可選用高靈敏度的偏差式儀表測量此可選用高靈敏度的偏差式儀表測量，即使測量即使測量的精度不高，但因的精度不高，但因遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于x，故總的測量精度仍很高。故總的測量精度仍很高。 微差式測量的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，微差式測量的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快， 測量精度高，測量精度高， 特別適用于在線控制參數(shù)的測量。特別適用于在線控制參數(shù)的測量。 3. 等精度測量與不等精度測量等精度測量與不等精度測量 在整個測量過程中，測量條件始終在整個測量過程中，測量條件始終保持不變：保持不變： 由同一個測量者，用同一臺儀器，由同一個測量者，用同一臺儀器， 用同樣的方法，在同樣的環(huán)境條件用同樣的方法，在同樣的環(huán)境條件下，對同一被測量進(jìn)行多

12、次重復(fù)測量，下，對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量，稱為等精度測量。稱為等精度測量。 在不同的測量條件下，用不同精在不同的測量條件下，用不同精度的儀表，不同的測量方法，不同的度的儀表，不同的測量方法，不同的測量次數(shù)以及不同的測量者進(jìn)行測量測量次數(shù)以及不同的測量者進(jìn)行測量和對比，稱為不等精度測量。和對比，稱為不等精度測量。 4. 靜態(tài)測量與動態(tài)測量靜態(tài)測量與動態(tài)測量 被測量被測量固定不變，不需要考慮時間固定不變，不需要考慮時間因素對測量的影響，稱為靜態(tài)測量。因素對測量的影響，稱為靜態(tài)測量。 被測量在測量過程中是隨時間不斷被測量在測量過程中是隨時間不斷變化的，稱為動態(tài)測量。變化的，稱為動態(tài)測量。 1.1

13、.3 檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng) 1. 檢測系統(tǒng)的構(gòu)成檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 檢測系統(tǒng)應(yīng)具有對被測對象的特檢測系統(tǒng)應(yīng)具有對被測對象的特征量進(jìn)行采集、變換、處理、傳輸及征量進(jìn)行采集、變換、處理、傳輸及顯示等功能。顯示等功能。 被被測測對對象象被測量被測量信信號號調(diào)調(diào)理理電電路路傳傳感感器器 傳感器是傳感器是感受感受被測量（物理量、化被測量（物理量、化學(xué)量、生物量等）的大小，并學(xué)量、生物量等）的大小，并輸出輸出相對相對應(yīng)的信號（一般多為電量）的應(yīng)的信號（一般多為電量）的器件器件或或裝裝置置。 數(shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖圖1-1 自動檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖自動檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖顯示器顯示器 信號調(diào)

14、理電路對傳感器的輸出電信信號調(diào)理電路對傳感器的輸出電信號進(jìn)行處理，包括對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放號進(jìn)行處理，包括對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、線性化等。大、線性化等。 通過信號的調(diào)理把傳感器輸出的電通過信號的調(diào)理把傳感器輸出的電量變成具有一定驅(qū)動和傳輸能力的電壓、量變成具有一定驅(qū)動和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號等，以推動后級的顯示、電流或頻率信號等，以推動后級的顯示、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)處理及執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 顯示器將所測得的信號變換為人的顯示器將所測得的信號變換為人的感官能接受的形式，以完成監(jiān)視、控制感官能接受的形式，以完成監(jiān)視、控制或分析的目的?；蚍治龅哪康摹?測量結(jié)果可測量結(jié)果可模擬模擬顯示，也可顯示，也

15、可數(shù)字?jǐn)?shù)字顯顯示或圖形顯示，還可由記錄裝置進(jìn)行自示或圖形顯示，還可由記錄裝置進(jìn)行自動記錄或由打印機(jī)將數(shù)據(jù)打印出來。動記錄或由打印機(jī)將數(shù)據(jù)打印出來。 常用的顯示器有：常用的顯示器有： 模擬顯示器模擬顯示器 數(shù)字顯示器數(shù)字顯示器 圖像顯示器圖像顯示器 記錄儀記錄儀 模擬顯示器利用指針對標(biāo)尺的相對位置進(jìn)行讀數(shù)。 數(shù)字顯示器采用發(fā)光二極管（LED）和液晶（LCD）等，以數(shù)字的形式顯示讀數(shù)。 圖像顯示器用CRT或點(diǎn)陣方式來顯示讀數(shù)或被測參數(shù)的變化曲線，還可以用圖表或彩色圖等形式來反映整個生產(chǎn)線上的多組數(shù)據(jù)。 記錄儀用來記錄被測量的動態(tài)變化過程，常用的記錄儀有：筆式記錄儀、高速打印機(jī)、繪圖儀、數(shù)字存儲示波

16、器、磁帶記錄儀、無紙記錄儀等。 數(shù)據(jù)處理裝置對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處數(shù)據(jù)處理裝置對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、分析以及對動態(tài)測試結(jié)果進(jìn)理、運(yùn)算、分析以及對動態(tài)測試結(jié)果進(jìn)行頻譜分析等，完成這些任務(wù)需采用計行頻譜分析等，完成這些任務(wù)需采用計算機(jī)技術(shù)。算機(jī)技術(shù)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常指各種繼電器、電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥門、電磁調(diào)節(jié)閥、伺服電動鐵、電磁閥門、電磁調(diào)節(jié)閥、伺服電動機(jī)等，它們起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)機(jī)等，它們起通斷、控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用。等作用。 在自動檢測系統(tǒng)中輸出與被測量有在自動檢測系統(tǒng)中輸出與被測量有關(guān)的電壓或電流。信號，作為自動控制關(guān)的電壓或電流。信號，作為自動控制系統(tǒng)的控

17、制信號，去驅(qū)動這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的控制信號，去驅(qū)動這些執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2. 開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng) （1） 開環(huán)測量系統(tǒng)開環(huán)測量系統(tǒng) 全部信息變換只沿著全部信息變換只沿著一個方向一個方向進(jìn)行。進(jìn)行。x為輸入量，為輸入量，y為輸出量，為輸出量，k1、k2、k3為各為各個環(huán)節(jié)的個環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)傳遞系數(shù)。 被 測 對 象x傳 感 、 變 送k1x1放 大k2x2顯 示k3y y=k1 k2 k3 x 開環(huán)測量系統(tǒng)由多個環(huán)節(jié)開環(huán)測量系統(tǒng)由多個環(huán)節(jié)串聯(lián)串聯(lián)而成，而成， 系統(tǒng)的相對誤差等于各環(huán)節(jié)相對誤系統(tǒng)的相對誤差等于各環(huán)節(jié)相對誤差差之和之和。 即即 121nnii 系統(tǒng)的相對誤差；系統(tǒng)的相對誤差； i 各環(huán)節(jié)的相對誤差。各環(huán)節(jié)的相對誤差。 采用開環(huán)方式構(gòu)成的測量系統(tǒng)，結(jié)采用開環(huán)方式構(gòu)成的測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較簡單，但各環(huán)節(jié)特性的變化都會造構(gòu)較簡單，但各環(huán)節(jié)特性的變化都會造成測量誤差。成測量誤差。 （2） 閉環(huán)測量系統(tǒng)閉環(huán)測量系統(tǒng) 系統(tǒng)有兩個通道：系統(tǒng)有兩個通道： 一為正向通道一為正向通道 一為反饋通道一為反饋通道 x為正向通道的輸入量，為正向通道的輸入量， 為反饋環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)，為反饋環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)， 正向通道的總傳遞系數(shù)正向通道的總傳遞系數(shù)k=k2k3 。 被 測 對 象x傳 感 、 變 送k1x1x放 大k2x2輸 出 、 顯