测控仪器设计(2).ppt

2 精密仪器设计的精度理论 精密仪器设备的精度无论多高，总是存在着误差。仪器误差的客观存在性以及精度的重要性决定了分析研究仪器误差是仪器设计的重要内容之一。仪器精度理论是研究仪器误差的重要理论依据。 精度分析的目的： 只有通过对仪器精度的分析，找出产生误差的根源和规律，分析误差对仪器设备精度的影响，才能合理地选择方案、设计结构、确定参数和设置必要的补偿环节，从而在保证经济性的基础上达到较高的精度。 仪器精度理论主要研究： （1）影响仪器精度的各项误差来源及特性，（2）研究误差的评定和估计方法，（3）掌握误差的传递、转化和相互作用的规律，（4）掌握误差合成与分配原则，从而为精度设计提供可靠的科学依据。 2.1 仪器精度理论中的若干基本概念 2.1.1误差 （一）误差定义 当对某物理量进行测量，所测得的数值与标称值(或真值)之间的差称为误差。 真误差值＝测量值一真值 特点： （1）真误差是客观存在的，永远不会等于零。 （2）多次重复测量某物理参数时，各次的测定值并不相等．这是误差不确定性的反映。只有量仪的分辨率太低时，才会出现相等的情况。 （3）真误差是未知的。因为通常真值是未知的。 真值种类： （1）理论真值(即名义值)：它是设计时给定的或是用数学、物理公式计算的给定值。 （2）约定真值：世界各国公认的一些几何量和物理量的最高基准的量值。如公制长度的基准米。 （3）相对真值：如标准仪器的误差比一般仪器的误差小一个数量级，则标准仪器的测定值可视为真值，称作相对真值。 （4）残余误差 （二）误差的分类 （1）按误差的性质区分 ①随机误差。大多数随机误差服从正态分布。…. ②系统误差。一般来说，系统误差是可以用理论计算或实验方法求得，可预测它的出现. ③粗大误差。 （2）按被测参数的时间特性区分 ①静态参数误差：不随时间而变化或随时间缓慢变化的被测参数称为静态参数，测定静态参数所得的误差称为静态参数误差。 ②动态参数误差：被测参数是时间的函数称为动态参数，测定动态参数所得的误差称为动态参数误差。 （3）按误差间的关系区分 ①独立误差 ②非独立误差(或相关误差) （三）误差的表示方法 （1）绝对误差： 特点：具有量纲，能反映出误差的大小和方向，不能反映出测量的精细程度。 （2）相对误差 特点：无量纲，能反映测量工作的精细程度，一般用百分比（％）表示。常用来表示具有多档示值范围的仪表的测量精度，还可用来比较不同量值的测量精度。 （i）引用误差：以仪器仪表某一刻度点的示值误差为分子，以测量范围上限值或全量程为分母，所得的比值为该测量点的示值误差。 （ii）额定相对误差：示值绝对误差与示值的比值 3.1.2 精度 1．精度含义 精度(不确定度)是误差的反义词，精度的高低是用误差来衡量的. 精度分为: ①准确度：它反映了系统误差的大小； ②精密度：它反映了随机误差的大小； ③精确度：它反映了系统误差和随机误差两者的综合. （一）、仪器的静态特性与精度指标 1、仪器的静态特性与线性度误差。 静态特性通式： 线性函数： 非线性误差： ：静态精度特性 规定特性 可根据静态特性曲线 的标定值用最小二乘法或其它方法求得。 2．重复精度与复现精度 (1)重复精度（示值重复性） 重复精度是指在同一测量方法和测试条件(仪器、设备、测试者、环境条件)下，在一个不太长的时间间隔内，连续多次量测同一物理参数所得到的数据分散程度。重复精度反映一台设备固有误差的精密度。 (2)复现精度（示值误差） 复现精度又称再现精度。它是用不同的测量方法，不同的测试者，不同的测量仪器，在不同的实验室内，在较长的时间间隔对同一物理参数作多次测量，所得数据相一致的接近程度。它是用与标准量(真值或约定值)的偏差来表示。 复现精度一般应低于重复精度，因为测定复现精度时所包括的随机变化因素多于测定重复精度。 复现精度是要求仪器的精确度高，而重复精度则是要求仪器的精密度高。 3．灵敏度与分辨率 （1）灵敏度：输出值与输入值的变化量之比。 灵敏度＝输出值的增量／输入值的增量 （2）分辨率 是仪器设备能感受、识别或探测的输入量(或能产生，能响应的输出量)的最小值。 （3）分辨率和精密度、精确度之间的关系： ①要提高仪器的测量精密度，必须相应地提高仪器的分辨率。 ②分辨率与精确度紧密相关，提高仪器的分辨率能提高测量