热加工传感器测量教学讲义.doc

第三章 传感器测量 3.1 测量及测量误差 一、测量基本概念 为了有效地控制某个工业过程，首先必须获取影响该过程状况的各变量值的信息。以确定变量值为目的的信息获取过程即为测量。测量就是借助于专门的设备和技术工具，通过必要的试验和数据处理求的被测量值的过程。测量的实质在于以同性质的标准量与被测量的比较，并确定两者直接的比值。测量结果可以用数值和测量单位（七个基本物理单位，米、秒、千克、安培、开尔文、摩尔、坎德拉）来表示，也可以用曲线或图形来描述。测量的标准常常作为真值。一般可以将真值分为三种类型 1）理论真值A0 人们根据测量需要所定义的参考标准，只存在于纯理论定义中。测量时只能无限接近于理论真值 2）指定真值As 是国际上约定的或由国家设立的各种尽可能维持不变的实物基准或标准器的数值。如单位米，在公制中科学家把通过巴黎子午线全长的四千万分之一作为1米，并制作铂铱合金米原器。1960年第十一届国际计量大会对米的定义作了如下更改：“米的长度等于氪－86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍”。单位秒定义为铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。 3）实际真值A 又称为相对真值。实际测量中，人们把高一级的计量标准器的数值认为是真值，可供第一级的计量标准器或普通仪器仪表测量时参考。这种真值是相对的。 二、测量误差及分类 由于测量要依据一定的理论或方法，使用一定的仪器，在一定的环境中，由具体的人进行。由于实验理论上存在着近似性，方法上难以很完善，实验仪器灵敏度和分辨能力有局限性，周围环境不稳定等因素的影响，待测量的真值是不可能测得的，测量结果和被测量真值之间总会存在或多或少的偏差，这种偏差就叫做测量值的误差。在测量过程中，各种因素的影响，无论如何完善测量方法和测量设备都会使得测量值与真值直接存在一定的差异，这个差异称为测量误差。 1、测量误差的分类（根据误差的来源：测量装置、环境、人员、测量方法） 1）静态误差和动态误差 当被变量不随时间变化时，其测量误差称为静态误差。当被测变量随时间而变化时，在测量过程中所产生的附加误差称为动态误差。动态误差是由于检测系统对输入信号变化响应上的滞后或输入信号中带有不同频率成分通过检测系统是受到不同的衰减和延迟而造成的误差 2）系统误差和随机误差 系统误差是指在相同条件下，多次测量同一被测量值的过程中出现的误差值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按其一规律变化。??? 系统误差是由于测量工具本身的不准确或安装调整得不正确、测量人员的分辨能力或固有的读数习惯、以及测量方法的理论根据有缺陷或采用了近似公式等原因所造成的。对于绝对值和符号均已知的系统误差，可以通过引进修正值的办法予以消除，即在测量结果中加上一个与该系统误差大小相同、符号相反的差值，以补偿系统误差对测量结果的影响。在测量过程中，人们还可以通过采取适当的测量方法，将系统误差尽可能地予以减小或消除。??? 随机误差又称偶然误差，它是在相同条件下多次测量同一被测量值的过程中所出现的、绝对值和符号以不可预计的方式变化的误差。??? 随机误差主要是由于测量过程中校此独立的各种随机因素(例如．电磁场微变、空气扰动、大地微震等)对被测值的综合影响所造成的。??? 单次测量的随机误差的大小和方向都是不可预料的，因此无法修正，也不能采用实验方法予以消除。但是，随机误差在多次测量的总体从统计规律，因此可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。 3）粗大误差 明显地歪曲测量结果的误差称为粗差。这种误差足由于测量操作者的粗心(如读错、记错、算错数据等)、不正确地操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙实验等原因所造成的。??? 含有粗差的测量值称为异常值或坏值。一般地说，所有的坏值均应从测旦结果中剔除，但对原因不明的可疑测量值应根据一定的准则进行判断，方可决定是否应把该数值从测量结果中剔除掉。 2、测量误差的表示方法 按照测量误差的表示方法，测量误差通常分为绝对误差、相对误差、均方根误差、概率误差和极限误差。这类分类方法的测量误差可以用来表征误差的大小，即测量精度。 1）绝对误差 由测量所得的测量值x与真值之间的差值称为绝对误差，用Δx表示。 （3-1） 实际上，真值很难得到。通常用高一级或数级的标准仪器或计量器具所测得的数值代替。因此，绝对误差可以表示为 （3-2） 绝对误差不能用来表征测量的准确度，如同样是1℃的绝对误差，测1000℃的温度与测100℃的温度，精确度是不一样的。为了解决测量精度的问题，引入相对误差的概念 2）相对误差 测量的绝对误差与测量真值