第1讲
教学时数：2学时 基本内容： 绪论
§0-1 自动检测技术概述 §0-2 传感器概述
§0-3 测量误差与数据处理 教学目的：
1. 掌握传感器的定义、组成和分类 2. 掌握误差的相关概念
3. 了解测量数据的处理方法 教学重点：
1.传感器的定义、组成和分类 2.误差的相关概念
教学重点：误差的相关概念 教学方法：多媒体讲授 教学过程：
§0-1 自动检测技术概述
一、 自动检测技术的地位和作用
（1）在工农业生产中，为了保证能正常、高效地生产，要有一定的测试手段进行生产过程的检查和监视，这些测试手段就是仪器仪表。
（2）由于微电子技术、计算机技术、通讯技术及网络技术的迅速发展，对电量的测量技术相应地得到提高，如准确度高、灵敏度高、反应速度快、能够连续进行测量、自动记录、远距离传输和组成控制网络等。
（3）在工程上所要测量的参数大多数为非电量，如机械量（位移、尺寸、力、振动、速度等），热工量（温度、压力、流量、物位等），成分量（化学成分、浓度等）和状态量（颜色、透明度、磨损量等），因而促使人们用电测的方法来测量非电量的仪器仪表，研究如何能正确和快速地测量非电量的技术。 二、自动检测系统的组成
在自动检测系统中，各个组成部分常以信息流的过程划分，一般可分为：信息的提取、转换、处理和输出几个部分。其组成框图如图1所示。
1、传感器
传感器是把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的检测装置。 2、检测电路
把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录
仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。 3、输出单元
可以是指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。 三、自动检测技术的发展趋势
（1）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。 （2）开发新型传感器。
（3）开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。
（4）微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。 （5）研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。
§1-2 传感器概述
一、传感器定义
传感器是一种以一定精确度把被测量（主要是非电量）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。这一定义包含了以下几个方面的含义： （1）传感器是测量装置，能完成检测任务；
（2）它的输入量是某一被测量，如物理量、化学量、生物量等；
（3）它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。
（4）输出与输入间有对应关系，且有一定的精确度。 二、传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成，组成框图如图2所示。
（1）敏感元件：是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 （2）转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。 （3）转换电路：将上述电路参数接入转换电路，并转换成电量输出。 三、传感器分类
（1）按照传感器的工作机理分为：物理型化学型生物型等。
（2）按构成原理，可分为结构型和物性型两大类。
（3）按传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。 （4）按照物理原理分类
（5）按照传感器的使用来分：位移传感器压力传感器振动传感器温度传感器等。
§1-3 测量误差与数据处理
一、测量误差的概念
1. 有关测量技术中的部分名词
（1）等精度测量 在同一条件下所进行的一系列重复测量称为等精度测量。
（2）非等精度测量 在多次测量中，如对测量结果精确度有影响的一切条件不能完全维持不变的测量称为非等精度测量。
（3）真值 被测量本身所具有的真正值称之为真值。真值是一个理想的概念，一般是不知道的，但在某些特定情况下，真值又是可知的，如一个整圆圆周角为360度等。
（4）实际值 误差理论指出，在排除系统误差的前提下，对于精密测量，当测量次数无
限多时，测量结果的算术平均值极限接近于真值，因而可将它视为被测量的真值。但是测量次数是有限的，故按有限测量次数得到的算术平均值，只是统计平均值的近似值，而且由于系统误差不可能完全被排除，因此，通常只能把精度更高一级的标准器具所测得的值作为真值。为了强调它并非是真正的真值，故把它称为实际值。 （5）标称值 测量器具上所标出来的数值。
（6）示值 由测量器具读数装置所指示出来的被测量的数值。 （7）测量误差 用测量器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量的实际值（或真值）之间的差值。 2. 误差的分类
按照误差出现的规律，可把误差分为：系统误差、随机误差、粗大误差 反映测量结果与真值接近程度的量，称为精度。精度可分为： （1）准确度 反映测量结果中系统误差的影响程度； （2）精密度 反映测量结果中随机误差的影响程度；
（3）精确度 反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影响程度，其定量特征可用测量的不确定度（或极限误差）表示。
三、测量误差的表示方法 (1) 绝对误差 绝对误差是示值与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0，器具的标称值或示值为x，则绝对误差为 ?x?x?A0由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际二、精度
? A值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为? x ? x ，通常以此值
来代表绝对误差。
为了消除系统误差用代数法加到测量结果上的值称为修正值，常用C表示。将测得示值加上修正值后可得到真值的近似值，即
A0= x+C 由此得 C =A0-x
在实际工作中，可以用实际值A近似真值A0，则上式变为
C =A-x=-△X
修正值与误差值大小相等、符号相反，测得值加上修正值可以消除该误差的影响。 （2） 相对误差
相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误差有以下几种表现形式。 ① 实际相对误差
实际相对误差是用绝对误差与被测量的实际值A的百分比表示的相对误差。 记为 ?x?A??100% A② 示值相对误差
示值相对误差是用绝对误差与被测量的示值x的百分比表示的相对误差。 记为 ?x xx③ 满度（引用）相对误差
满度相对误差又称满度误差或引用误差，是用绝对误差与器具的满度值Xn的百分比值表示的相对误差。记为 ?xrn??100%四、随机误差 xn???100%1. 正态分布
随机误差是以不可预定的方式变化着的误差，但在一定条件下服从统计规律，可以用统计规律描述。
数学表达式为： ?21?2?2 y?f????e?2????1其分布函数为： F???????e2?
22??22方差为： ??????f???d??数学期望为： E???????2?d??0f???d?正态分布的随机误差分布规律具有以下特点：
（1）对称性 绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等；
（2）单峰性 绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多；
（3）有界性 在一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限； （4）抵偿性 随着测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋于零。
2. 随机误差的评价指标 （1）算术平均值 设对某一量做一系列等精度测量，得到一系列不同的测量值x1，x2，?，x n，这些测nx1?x2???xnx??inni?1nxi ?A0?i?1?x n量值的算术平均值定义为： x?
当测量次数为无限次时，所有测量值的算术平均值即等于真值，事实上不可能达到无限次测量，即真值难以达到。但是，随着测量次数的增加，算术平均值也就越接近真值。因此，以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。 (２) 标准差
① 测量列中单次测量的标准差 ② 测量列算术平均值的标准差 3. 测量的极限误差
测量的极限误差是极端误差，测量结果的误差不超过该极端误差的概率P，并使出现概率为（１-P）误差超过该极端误差的检测量的测量结果可以忽略。 （1）单次测量的极限误差 （2）算术平均值的极限误差 五、系统误差 1. 系统误差的发现 （1）理论分析及计算 （2）实验对比法
（3）残余误差观察法 （4）残余误差校核法 （5）计算数据比较法
2. 系统误差的削弱和消除
（1）从产生误差源上消除系统误差 （2）引入修正值法
（3）零位式测量法
（4）补偿法 （5）对照法
六、数据处理的基本方法
数据处理：从获得数据起到得出结论为止的整个数据加工过程。
常用的数据处理方法：列表法、作图法、最小二乘法拟合 最小二乘法原理：是指测量结果的最可信赖值应在残余误差平方和为最小的条件下求出。在自动检测系统中，两个变量间的线性关系是一种最简单、也是最理想的函数关系。
设有n组实测数据（xi，yi）(i=1，2，?，n)，其最佳拟合方程 (回归方程)为y=A+Bx，
???v???yi?Yi???(yi?A?Bxi)2i?1i?1i??1?v 根据最小二乘法原理，要使? 为最小，取其对A和B求偏导数，并令其为零，
令
2in2ii?1nn2n可得两个方程，联立两个方程可求出A和B的惟一解。即
n???????2?yi?A?Bxi???0??Ai?1??n??
????2xi?yi?A?Bxi???0???Bi?1? nn? 则得到下列正则方程组： ?yi?nA?B?xi??i?1i?1? nnn2?xiyi?A?xi?B?xi? ?i?1i?1i?1? nnnn 解得
A??y?x??xy?x?i2iiiii?1i?1ni?1??????????????n?xi2???xi?i?1?i?1?ni?12n?n?nn??xiyi???xi?yi?i?1i?1B??i?12?n2??n?n??xi????xi??i?1??i?1?教学小结：掌握传感器的定义、组成和分类；掌握误差的相关概念；了解测量数据的处理方法。
作业处理：