第一章检测技术的基本概念
自动检测技术第一章 知识点
第一章 检测技术的基本概念 考核知识点和考核要求：1、领会：测量的基本概念及测量方法，测量结果的数据统计及处理2、掌握：测量误差及分类，传感器及其基本特性3、熟练掌握：绝对误差和相对误差的计算，仪表的精度等级 第一节 测量的基本概念与方法 1）根据测量是否随时间变化：静态测量。
例如：激光干涉仪对建筑物的缓慢沉降做长期监测是静态测量 动态测量。
例如：光导纤维陀螺仪测量火箭飞行速度、方向是动态测量 2）根据测量的手段不同：直接测量：直接读取被测量的测量结果。
例如：磁电式仪表测量电流电压、离子敏MOS 场效应管晶体测量PH 值和甜度间接测量：对与被测量有确定函数关系的量进行直接测量，再代入函数关系式计算测量量。
例如：测量物体密度3）根据测量结果的显示方式：模拟式测量和数字式测量（其中：数字式测量比模拟式测量精度要高） 4）根据是否是在生产过程中或流水线上测量：在线测量。
例如：自动化机床边加工边测量，在实际中大多采用在线测量方式 离线测量5）根据测量的具体手段：偏位式测量：被测量作用于仪表内部的比较装置，使该比较装置产生偏移量，直接以仪表的偏移量表示被测量的测量方式（直接用偏移量的大小表示测量量）。
例如：弹簧秤测量物体质量，高斯计测量磁场强度。
特点：简单迅速但精度低。
易产生灵敏度漂移和零点漂移零位式测量：被测量与仪表内部的标准量比较，当系统达到平衡时，用已知标准量的值决定被测量的值（标准量的值为测量量的值）。
例如：天平测量物体质量，平衡式电桥测量电阻值。
特点：精度高但平衡复杂。
微差式测量：预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡，当被测量有微小变化时，测量装置失去平衡，偏位式仪表指示出变化部分的数值（先平衡再有微量变化时）。
例如：天平测量化学药品，钢板厚度测量。
特点：上述两者的综合 第二节 测量误差及分类1.真值：是指在一定条件下被测量客观存在的实际值。
分类：1）理论真值（例：三角形的内角之和为180°）2）约定真值（例：标准条件下，水的三相点为273.16K ，金的凝固点为1064.18℃）3）相对真值（例：凡精度高一级或几级的仪表的误差是精度低的仪表误差的1/3以下时，则精度高的仪表的测量值可认为是相对真值）2.测量误差：测量值与真值之间的差值 根据其特征不同：1）绝对误差：是指测量值A x 与真实值A 0之间的差值，即Δ＝A x －Ａ0 2）相对误差：反应测量值偏离真值程度的大小实际相对误差A γ:绝对误差Δ与被测量的真值Ａ0的百分比， %1000⨯∆=A Aγ示值（标称）相对误差x γ：绝对误差∆与被测量A x 的百分比，%100⨯∆=xxA γ满度（引用）相对误差m γ：绝对误差∆与仪器满度值A m 的百分比，%100m⨯∆=A mγ3. 准确度等级S ：当∆ 取仪表的最大绝对误差值∆m 时，满度相对误差常被用来确定仪表的准确度等级，100mm⨯=A ΔS 注意：仪表的准确度在工程中也常称为“精度”，准确度等级习惯上称为精度等级。
自动检测技术概述第1章自动检测技术的基本概念和数据处理
图1-1 糖化过程温度控制系统方框图
1.1.2 自动检测系统的基本组成
1 传感器（信号的获得）
直接感受规定的被测量并按照一定规律转换成可 用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和传 感元件组成。
敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分， 传感元件是指能将敏感元件的输出转换为电信号 的部分。
图1-3 传感器图用图形符号图 图1-4 电容式压力传感器的图用图形符号
1.2 测量方法
按测量手续分类：直接测量、间接测量、联立测 量；
按测量方式分类：偏差式测量、零位式测量、微 差式测量；
按敏感元件是否与被测介质接触分类：接触式测 量、非接触式测量；
按被测量变化快慢分类：静态测量、动态测量；
自动检测技术概述 第1章 自动检测技术的 基 测量方法 1.3 传感器的一般特性 1.4 测量误差与数据处理
1.1 自动检测技术概述
1.1.1 自动检测技术在自动化专业中的地位
与作用
测量：以确定量值为目的的一组操作。
检验：分辨出被测参数的量值是否归属某一范 围带，从而判别被测参数是否合格、现象是否 存在等。
间接测量：首先对与被测物理量有确定函数关系 的几个量进行测量，将测量值代入函数关系式， 经过计算得到测量所需的结果。
优势：间接测量可以实现难以直接测量的被测量 的测量。
缺点：相对于直接测量，间接测量过程手续较多， 所需时间较长，有时可以得到较高的测量精度。 间接测量多用于实验室测量，工程测量中亦有应 用。
优点：反应快、精度高。
1.2.3 接触式测量、非接触式测量
接触检测：指在测量过程中敏感元件与被测介质 产生实际物理上的接触。
非接触检测：指利用物理、化学及声、光学的原 理，使被测对象与敏感元件之间不发生物理上的 直接接触而对被测量进行检测的方法。
01第一章 检测技术基本概念
B 1 若 则可能含有变化的系统误差。 1 2A n
3.粗大误差
在对重复测量所得一组测量值进行数据处理之前, 首先应将 具有粗大误差的可疑数据找出来加以剔除。但绝对不能凭主观意 愿对数据任意进行取舍, 而是要有一定的根据。因此要对测量数 据进行必要的检验。
完整描述应包括：估计值（比值+误差）、测量单位、 不确定度等。
二、 测量方法
测量方法：实现被测量与标准量比较得出比值的方法。
测量方法分类
根据获得途径可分为直接测量、间接测量、组合测量； 根据测量方式可分为偏差式测量、零位法测量、微差法测量； 根据被测量变化快慢可分为静态测量、动态测量； 根据测量的精度因素情况可分为等精度测量、非等精度测量；
3）准则检查法：
马利科夫判据：将残余误差前后各半分两组，若“Σ vi
前”与“Σ vi后”之差明显不为零，则可能含有线性系
统误差。
阿贝检验法则：检查残余误差是否偏离正态分布，若偏 离，则可能存在变化的系统误差。将测量值的残余误差 按测量顺序排列，设 A v 2 v 2 v 2 1 2 n
检测技术的基本概念
本章学习测量的基本概念、测量方 法、误差分类、测量结果的数据统计处
理，传感器的基本特性等。他们是检测
与转换技术的理论基础。
第一节 一、测量
测量的基本概念及方法
测量：以确定被测量值为目的的一系列操作。 将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测 量对标准量的倍数的一系列操作。
x n u
特点：可以获得比较高的测量精度, 但测量过程比较复杂, 费 时较长, 不适用于测量迅速变化的信号。
检测技术
第一章测试技术的基本知识●测试技术的概念：测试技术：也称检测技术，是具有试验性质的测量，泛指测量和试验两个方面的技术。
工程中，“检测”视作为“测量”的同义词或近义词。
●什么叫测量？以确定被测对象属性量值为目的的全部操作●测量可以分为直接测量和间接测量。
●直接测量可以分为直接比较和间接比较。
2理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入－输出关系。
对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。
知道其中一个量就可以确定另一个量。
其中以输出和输入成线性关系最佳第二章测量系统的基本特性(1) 标定：用已知的标准校正仪器或测量系统的过程称为标定。
输入到测量系统中的已知量是静态量还是动态量，标定分静态标定和动态标定。
定义：静态标定：就是将原始基准器，或比被标定系统准确度高的各级标准器或已知输入源作用于测量系统，得出测量系统的激励－响应关系的实验操作。
静态标定的作用：①确定仪器或测量系统的输入－输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；②确定仪器或测量系统的静态特性指标；③消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度静态标定的过程及要求：要求：标定时，一般应在全量程范围内均匀地取定5个或5个以上的标定点（包括零点）正行程：从零点开始，由低至高，逐次输入预定的标定值此称标定的正行程。
反行程：再倒序依次输入预定的标定值，直至返回零点，此称反行程。
几种曲线：正行程曲线，反行程曲线，实际工作曲线工作曲线：方程称之为工作曲线或静态特性曲线。
实际工作中，一般用标定过程中静态平均特性曲线来描述。
正行程曲线：正行程中激励与响应的平均曲线反行程曲线：反行程中激励与响应的平均曲线实际工作曲线：正反行程曲线之平均。
3，测量系统静态特性指标：灵敏度，线性度，迟滞，重复性，分辨率，阙值，测量范围……定义，求取方式灵敏度S：是仪器在静态条件下响应量的变化△y和与之相对应的输入量变化△x的比值。
示值范围是显示装置上最大与最小示值的范围。
当仪器有多档量程时，用标称范围取代示值范围。
检测技术—第一章
① 真值； ② 标称值 ③ 示值 ④ 精度 ⑤ 重复性 ⑥ 误差公理
1、真值：被测量的真实数值，真值是真实存在的， 但不可测量。
1）理论真值。如：一大气压下水的沸点为100℃
2）约定真值。如：米、千克、安培
米的定义：光在真空中，在1/299792458秒时间 间隔内所行路径的长度。
系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真 值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者， 均属于系统误差。
系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方 法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测 量仪表的有关部件予以消除。
说明: (1) 系统误差估算：无限多次测量结果 的平均值减去该被测量的真值。
2 1 2 3
3
x0
x
图 正态分布曲线
2、标准偏差及其估计
标准偏差表示测量值的分散程度。标准偏差越小，表示 测得值的离散性小，也即小误差出现的机会越多，而大误差 出现的机会少，这意味着测量精度高；反之，标准偏差大， 曲线平坦，表示所测得值分散。
当测量次数无穷大时，标准偏差可表示如下
lim N
产生粗大误差的一个例子
第三节 随机误差的分析与处理
在测量中, 对测量数据进行处理时, 首先判断测 量数据中是否含有粗大误差, 如有, 则必须加以剔除。 再看数据中是否存在系统误差, 对系统误差可设法消 除或加以修正。 对排除了系统误差和粗大误差的测 量数据, 则利用随机误差性质进行处理。
一.随机误差及其分布
（3）理论计算或按经验公式计算
2、变值系统误差的判别法
（1）观察法
根据测量数据的各个残差大小和符号的变化规律，直接 由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。这种方法 主要适用于发现变值系差。通常将测量列的残差做散点图：
第1章 检测技术的基本概念
测试：带有试验性质的检测。
x Ax0
二、 测量的基本概念
1 、测量的定义 • 测量是检测技术的重要组成部分，是以确定被测量值为目 的的一系列操作。
• 测量：将被测量与同种性质的标准量进行比较，从而确定 被测量相对于标准量的倍数的过程。
•
由基本方程式可知：
x Ax0
（1-1）
式（1-1）称为测量的基本方程式。式中，x为被测量；A 为测量值；x0为测量单位。 • 一个完整的测量结果应包含测量值和所选测量单位两部分 内容。 • 测量过程三要素：测量方法、测量单位和测量仪器与设备。
3）相对真值 相对真值又称为实际值，是指将测量仪表按精度不同分 为若干等级，高等级的测量仪表的测量值即为相对真值 。
Δ
2、误差的分类 按表示方法分 （1）绝对误差 （2）相对误差 (1）绝对误差 绝对误差是指被测量的测量值与被测量的真值之 间的差值，即 Δ Ax A0 （1-2）
式中，Δ 为绝对误差；Ax为测量值；A0为被测量的 真值，可为约定真值或相对真值。
• 采用绝对误差表示测量误差, 不能很好说明测量质量 的好坏。 • 例如, 在温度测量时, 绝对误差Δ =1 ℃, 对体温测 量来说是不允许的, 而对测量钢水温度来说却是一个 极好的测量结果。 • 在实际应用中更多地是用相对误差来代替绝对误差表 示测量结果，这样可以更客观地反映测量的准确性。
（2）相对误差
产生粗大误差的一个例子
•
系统误差决定了测量的准确度，表明了测量 值偏离实际值的程度。系统误差越小，测量值的 准确度越高。所以仪表的准确度即精度常常用来 表示系统误差的大小。 随机误差决定了测量的精密度。随机误差 越小，测量值的精密度越高。
•
• 如果一个测量值的精密度和准确度都很高， 就称此测量的精确度很高。
第一章检测技术的基本概念..
产生粗大误差的一个例子 雷电产生尖峰干扰
2.系统误差
在重复性条件下，对同一被测量 进行无限多次测量所得结果的平均值 与被测量的真值之差，称为系统误差。 凡误差的数值固定或按一定规律变化 者，均属于系统误差。
系统误差是有规律性的，因此可 以通过实验的方法或引入修正值的方 法计算修正，也可以重新调整测量仪 表的有关部件予以消除。
技术
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采用计算机技术，使检测技术智能化
智能机械手
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采用计算机技术，使检测技术智能化
单片机芯片
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6.发展网络化传感器及检测系统
区域网与上位机
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传感器的数字化和网络化结构
传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数 字化、集成化、智能化和网络化的发展趋势。将 在第十三章检测系统的综合应用详细学习。
二、误差产生的性质：
1.粗大误差 明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失 误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及 电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如 测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的 误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条 件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。
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2、相对误差及精度等级
几个重要公式： 绝对误差 示值相对误差 满度相对误差 准确度(精度) Δ = A x –Ａ 0
100% Ax
x
m 100% Am
S Δm 100 Am
3、仪表的准确度等级和基本误差表
等级
0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0
第一章测量基本概念习题及答案
第一章 检测技术的基本概念一、填空题：1、传感器有 、 、 组成2、传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，输出 与输入 的比值。
3、从输出曲线看，曲线越陡，灵敏度 。
4、下面公式是计算传感器的 。
9)-(1 %100minmax max L L ⨯-=y y Δγ 5、某位移传感器的输入变化量为5mm ，输出变化量为800mv ，其灵敏度为 。
二、 选择题：1、标准表的指示值100KPa ，甲乙两表的读书各为101.0 KPa 和99.5 KPa 。
它们的绝对误差为 。
A 1.0KPa 和-0.5KPaB 1.0KPa 和0.5KPaC 1.00KPa 和0.5KPa2、下列哪种误差不属于按误差数值表示 。
A 绝对误差B 相对误差C 随机误差D 引用误差3、有一台测量仪表，其标尺范围0—500 KPa ，已知绝对误差最大值 ∆P max=4 KPa ，则该仪表的精度等级 。
A 0.5级B 0.8级C 1级D 1.5级4、选购线性仪表时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程。
应选购的仪表量程为测量值的 倍。
A3倍 B10倍 C 1.5倍 D 0.75倍5、电工实验中，常用平衡电桥测量电阻的阻值，是属于 测量， 而用水银温度计测量水温的微小变化，是属于 测量。
A 偏位式 B 零位式 C 微差式6、因精神不集中写错数据属于 。
系统误差 B 随机误差 C 粗大误差7、有一台精度2.5级，测量范围0—100 KPa ，则仪表的最小分 格。
A45 B40 C30 D 208、重要场合使用的元件或仪表，购入后进行高、低温循环老化试验，目的是为了 。
A 提高精度B 加速其衰老C 测试其各项性能指标D 提高可靠性9、传感器能感知的输入量越小，说明 越高。
A 线性度好B 迟滞小C 重复性好D 分辨率高三、 判断题1、回差在数值上等于不灵敏度 ( )2、灵敏度越大，仪表越灵敏 （ ）3、同一台仪表，不同的输入输出段灵敏度不同（）4、灵敏度其实就是放大倍数（）5、测量值小数点后位数越多，说明数据越准确（）6、测量数据中所有的非零数字都是有效数字（）7、测量结果中小数点后最末位的零数字为无效数字（）四、问答题1、什么是传感器的静态特性，有哪些指标。
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教师授课方案（首页）
教案附页
测量是借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的认识过程。
二、测量的方法：
可分为静态测量和动态测量、直接测量和间接测量、模拟式测量和数字式测量、接触式测量和非接触式测量、在线测量和离线测量。
根据测量的具体手段来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量。
第二节测量误差及分类
【本节内容设计】
由误差分类以及产生误差的原因学习之后进行有关误差计算、测量结果的数据统计处理
进行传感器的基本特性中的静态特性的学习
为以后学习各种传感器以及检测转换技术做知识储备
【授课内容】
一、误差的分类
1、介绍：真值Ａ0、绝对误差：
Δ=A x–Ａ
（1-1）
2、示值（标称）相对误差x
3、引用误差
m
%100m
⨯∆
=
A m γ （1-4） 4、当
取仪表的最大绝对误差值m
时，引用误差常被用来确定
仪表的准确度等级S ，即
100m
m
⨯=
A ΔS （1-5） 我国的模拟仪表有下列七种等级，准确度等级的数值越小，仪表的就越昂贵
表1-1 仪表的准确度等级和基本误差
准确度等级 0.1 0.2
0.5
1.0 1.5
2.5 基本误差
±0.1%
±0.2% ±0.5%
±1.0%
±1.5%
±2.5%
±
仪表的准确度与“精度”
举例：在正常情况下，用0.5级、量程为100℃温度表来测量温度时，可能产生的最大绝对误差为：
Δm ＝（±0.5%）×A m ＝±（0.5%×100）℃＝±0.5℃
例1-1 某压力表准确度为2.5级，量程为0～1.5MPa ，求：1）可能出现的最大满度相对误差
m。
2）可能出现的最大绝对误差
m
为多
少kPa ？3）测量结果显示为0.70MPa 时，可能出现的最大示值相对误差
x。
解 1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即
m
＝±25%。
2） m ＝m
A m ＝±25％
１.5MPa ＝±0.0375MPa ＝±
37.5kPa
由上例可知，
x
的绝对值总是大于（在满度时等于）
m
例1-2 现有准确度为0.5级的0～300℃的和准确度为1.0级的0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？
解 计算用0.5级表以及1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为±1.88%和±1.25%。
计算结果表明，用1.0级表比用0.5 级表的示值相对误差的绝对值反而小，所以更合适。
由上例得到的结论：在选用仪表时应兼顾准确度等级和量程，通常希望示值落在仪表满度值的2/3以上。
二、测量误差的性质
（1）粗大误差：明显偏离真值的误差称为粗大误差。
当发现粗大误差
时，应予以剔除。
（2）系统误差：凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统
误差。
%36.5%10070
.00375.0%100 3)m ±=⨯±=⨯=
x x A Δγ
2、数据结果的处理
例1-3．用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行6次等精度测量，所得数据如下表（单位为mm ），请指出哪几个数值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术
平均值x 公式求出钢板厚度。
12
311 n n
i i x x x x x x n n
=++++==∑… ＝8.00mm
钢板测量结果的数据列表
n x i / mm 1
8.04
2 8.02
3 7.96
4 5.99
5 9.33 6
7.98
3、测量系统静态误差的合成
“环节”、“误差合成”：
由n 个环节串联组成的开环系统如图所示。
输入量为x ，输出量
y o =f （x ）。
由n 个环节串联组成的开环系统
结论：
1、对线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化。
2、从输出曲线看灵敏度：曲线越陡，灵敏度越高。
可以通过作该曲线的切线的方法（作图法）来求得曲线上任一点的灵敏度，用作图法求取传感器的灵敏度如图所示。
由切线的斜率可以看出，x2点的灵敏度比x1点高。
用作图法求取传感器的灵敏度
（二）分辨力
分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。
当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。
对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。
一般情况下，不能把仪表的
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