项目一测量误差的处理Word文件下载.docx
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在自动检测系统中，各个组成部分是以信息流的过程来划分的。
检测时，首先获取被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息变换为电量，然后进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪将信息输出，或由计算机对数据进行处理，最后把信息输送给执行机构。
所以一个检测系统主要分为信息的获得、信息的转换、信息的处理和信息的输出等几个部分。
要完成这些功能主要依靠传感器、信号处理电路、显示装置、数据处理装置和执行机构等。
其具体组成框图如图1-1-1所示。
图1-1-1自动检测系统的组成
（1）传感器
传感器是把被测量（如物理量、化学量、生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系，并且容易测量的量（通常为电学量）的装置。
它是一种获得信息的重要手段，它所获得信息的正确与否，关系到整个检测系统的精度，因而在非电量检测系统中占有重要的地位。
（2）信号处理电路
通常传感器输出信号是微弱的，需要由信号处理电路加以放大、调制、解调、滤波、运算以及数字化处理等。
信号处理电路的主要作用就是把传感器输出的电学量变成具有一定功率的模拟电压（或电流）信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。
根据测量对象和显示方法的不同，信号处理电路可以是简单的传输电缆，也可以是由许多电子元件组成的数据采集卡，甚至包括计算机在内的装置。
（3）显示装置
测量的目的是使人们了解被测量的数值，所以必须有显示装置。
显示装置的主要作用就是使人们了解检测数值的大小或变化的过程。
目前常用的显示方式有模拟显示、数字显示、图像显示三种方式。
（4）数据处理装置和执行机构
数据处理装置就是利用微机技术，对被测结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果进行频谱、幅值和能量谱分析等。
在自动测控系统中如图1-1-2和图1-1-3所示，经信号处理电路输出的与被测量对应的电压或电流信号还可以驱动某些执行机构动作，为自动控制系统提供控制信号。
随着计算机技术的飞跃发展，微机在自动检测系统中已得到了非常广泛的应用。
微机在检测技术分支领域中的应用主要有：
自动测试仪器及系统、智能仪器仪表和虚拟仪器等。
被检测的各种参数（例如温度、流量、压力、位移、速度等）由传感器变换成易于后续处理的电信号。
如果传感器输出信号太弱或信号质量不高，则应经过前端预处理电路进行放大、滤波等，然后经过数据采集子系统转换成数字量，并通过接口送入微机子系统，经过微机运算、变换处理后，由数据分配子系统和接口输出到执行机构，以实现要求的自动控制；
或由基本I/O子系统及其接口输出用于显示、记录、打印或绘制成各种图表、曲线等。
另外，基本I/O子系统还可完成状态、参数的设置和人-机联系。
微机自动检测技术不仅能解决传统的检测技术不能或不易解决的问题，而且能简化电路、增加功能、提高精度和可靠性等，还能实现人脑的部分功能，使自动检测系统具有智能化，实现代替人工的自动检测目的。
随着微机自动检测技术的不断发展，自动检测系统会变得更加智能化、多功能化。
图1-1-2气象参数自动检测系统组成框图
图1-1-3电炉温度自动检测与控制系统组成框图
2测量误差
（1）测量误差的定义
测量的目的是希望得到被测对象的真值（实际值）。
但由于检测系统（仪表）不可能绝对精确、测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，也使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。
测量误差的主要来源可以概括为工具误差（又称仪器误差）、环境误差、方法误差和人员误差等。
测量的目的就是为了求得与被测量真值最接近的测量值，在合理的前提下，这个值越逼近真值越好。
但不管怎么样，测量误差不可能为零。
在实际测量中，只需达到相应的精确度就可以了，决不是精确度越高越好。
必须清楚地知道，提高测量精确度是要付出人力、物力，是要以牺牲测量可靠性为代价的。
那种不计工本，不顾场合，一味追求越准越好的做法是不可取的，要有技术与经济兼顾的意识，应追求最高的性价比。
（2）真值
一个量严格定义的理论值通常叫理论真值，如三角形三内角和为1800等。
许多量由于理论真值在实际工作中难以获得，通常用约定真值或相对真值来代替理论真值
1）约定真值
根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最先进科学技术复现这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家基准，称为约定真值。
2）相对真值
如果高一级检测仪器（计量器具）的误差仅为低一级检测仪器误差的1/3～1/10，则可认为前者是后者的相对真值。
3）标称值
计量或测量器具上标注的量值，称为标称值。
4）示值
检测仪器（或系统）指示或显示（被测参量）的数值叫示值，也叫测量值或读数
（3）测量误差的表示方法
1）绝对误差。
绝对误差是指测量值Ax与被测量真值A0之间的差值，用表示，即：
（1-1）
由式（1-1）可知，绝对误差的单位与被测量的单位相同，且有正负之分。
用绝对误差表示仪表的误差大小也比较直观，它被用来说明测量结果接近被测量真值的程度，不能作为衡量测量精确度的标准。
在实际使用中被测量真值A0是得不到的，一般用理论真值或计量学约定真值X0来代替A0。
则式（1-1）可写成：
（1-2）
2）相对误差。
所谓相对误差（用表
示）是指绝对误差与被测量真值X0的百分比。
即：
（1-3）
在实际测量中，由于被测量真值是未知的，而指示值又很接近真值，因此也可以用指示值Ax代替真值X0来计算相对误差。
绝对误差是有单位的，和被测量具有相同的量纲。
用绝对误差无法比较不同的量程、不同测量结果的误差，多数场合评价仪表精度都用相对误差例如：
用天平测得两个物体的质量分别是100.0克和1.0克，两次测量的绝对误差都是0.1克，从绝对误差来看，对两次测量的评价是相同的，但是前者的相对误差为0．1%，后者则为10%，后者的相对误差是前者的一百倍。
3）引用误差。
引用误差是绝对误差与仪表量程L的比值，通常以百分数表示，即：
（1-4）
如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大值m代替，则可得到最大引用误差0m，即：
（1-5）
对一台确定的仪表或检测系统，出现的绝对误差最大值是一个定值，所以其最大引用误差就是一个定值，由仪表本身性能所决定。
一般用最大引用误差来确定测量仪表的精度等级。
工业仪表常见的精度等级有0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级、2.5级、5.0级等。
在具体测量某一个值时，其相对误差可以根据仪表允许的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。
选用测量仪表时，应当根据被测量的大小和测量精度要求，合理地选择仪表量程和精度等级，只能这样才能提高测量精度，做到最好的性价比。
3误差分类
误差产生的原因多种多样，根据误差的性质和产生的原因，一般分为三类：
（1）系统误差系统误差是指在测量和实验中未发觉或未确认的因素所引起的误差，而这些因素影响结果永远朝一个方向偏移，其大小及符号在同一组实验测定中完全相同，当实验条件一经确定，系统误差就获得一个客观上的恒定值。
当改变实验条件时，就能发现系统误差的变化规律。
系统误差产生的原因：
测量仪器不良，如刻度不准，仪表零点未校正或标准表本身存在偏差等；
周围环境的改变，如温度、压力、湿度等偏离校准值；
实验人员的习惯和偏向，如读数偏高或偏低等引起的误差。
针对仪器的缺点、外界条件变化影响的大小、个人的偏向，待分别加以校正后，系统误差是可以清除的。
（2）随机误差在已消除系统误差的一切量值的观测中，所测数据仍在末一位或末两位数字上有差别，而且它们的绝对值和符号的变化，时而大时而小，时正时负，没有确定的规律，这类误差称为偶然误差或随机误差。
随机误差产生的原因不明，因而无法控制和补偿。
但是，倘若对某一量值作足够多次的等精度测量后，就会发现偶然误差完全服从统计规律，误差的大小或正负的出现完全由概率决定。
因此，随着测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋近于零，所以多次测量结果的算数平均值将更接近于真值。
（3）粗大误差粗大误差是一种显然与事实不符的误差，它往往是由于实验人员粗心大意、过度疲劳和操作不正确等原因引起的。
此类误差无规则可寻，只要加强责任感、多方警惕、细心操作，过失误差是可以避免的。
4误差的处理及消除方法
从工程实践可知，测量数据中含有系统误差和随机误差，有时还含有粗大误差。
它们的性质不同，对测量结果的影响及处理方法也不同。
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。
总之，对于不同情况的测量数据，首先要加以分析研究，判断情况，再经综合整理，得出合乎科学的结果。
（1）随机误差的处理
在相同条件下，对某个量重复进行多次测量，排除系统误差和粗大误差后，如果测量数据仍出现不稳定现象，则存在随机误差。
在等精度测量情况下，得到n个测量值x1、x2、…、xn，设只含有随机误差1、2、…、n，这组测量值或随机误差都是随机事件，可以用概率数理统计的方法来处理。
随机误差的处理目的就是从这些随机数据中求出最接近真值的值，对数据精密度的高低（或可信度）进行评定并给出测量结果。
（2）粗大误差的判别与坏值的舍弃
在重复测量得到的一系列测量值中，首先应将含有粗大误差的坏值剔除后，才可进行有关的数据处理。
但是也应当防止无根据地随意丢掉一些误差大的测量值。
对怀疑为坏值的数据，应当加以分析，尽可能找出产生坏值的明确原因，然后再决定取舍。
实在找不出产生坏值的原因，或不能确定哪个测量值是坏值时，可以按照统计学的异常数据处理法则，判别坏值并加以舍弃。
（3）消除系统误差的常用方法
1）在测量结果中进行修正。
对于已知的系统误差，可以用修正值对测量结果进行修正；
对于变值系统误差，设法找出误差的变化规律，用修正公式或修正曲线对测量结果进行修正；
未知系统误差，则按随机误差进行处理。
2）消除产生系统误差的根源。
在测量之前，仔细检查仪表，正确调整和安装；
防止外界干扰影响；
选择环境条件比较稳定时进行读数等。
3）在测量系统中采用补偿措施。
找出系统误差的规律，在测量系统中采取补偿措施，自动消除系统误差。
如用热电偶测量温度时，热电偶参考端温度变化引起系统误差，消除此误差的方法之一是在热电偶回路中加一个冷端补偿器，进行自动补偿。
4）实时反馈修正。
由于微机自动测检技术的发展，可用实时反馈修正的方法来消除复杂变化的系统误差。
当查明某种误差因素的变化对测量结果有明显的复杂影响时，应尽可能找出其影响测量结果的函数关系或近似的函数关系。
在测量过程中，用传感器将这些误差因素的变化转换成某种物理量形式（一般为电量），及时按照其函数关系，通过计算机算出影响测量结果的误差值，对测量结果进行实时的自动修正。
1.1.4项目实施
欲测量约90V的电压，实验室现有0.5级0-300V和1.0级0-100V的电压表。
问选用哪一种电压表进行测量为好？
用0.5级0-300V的电压表测量90V的相对误差为
用1.0级0-100V的电压表测量90V的相对误差为
项目说明，如果选择得当，用量程范围适当的1.0级仪表进行测量，能得到比用量程范围大的0.5级仪表更准确的结果。
因此，在选用仪表时，应根据被测量值的大小，在满足被测量数值范围的前提下，尽可能选择量程小的仪表，并使测量值大于所选仪表满刻度的三分之二，即X＞2Xn/3。
这样就可以达到满足测量误差要求，又可以选择精度等级较低的测量仪表，从而降低仪表的成本。
1.1.5项目评价
完成项目后，对学生电压表的选择结果进行检查与验收。
按照表1-1-1项目评价的评价依据进行评价。
表1-1项目评价
学习情境
地点
班级
项目成员
项目名称
工作时间
年月日——年月日
评价项目
评价依据
分值
评分
自我评价
学习
态度
1.上课没有旷课、迟到早退现象。
2.学习期间认真完成各项任务，积极参与讨论。
3.尊重其他同学和指导教师。
5
项目
情况
1.知识目标的完成
2.能力目标的完成
10
个人自评总分
合计
团队评价
1.查阅资料和学习能力。
2.认真完成各项任务。
团队协作
1.团队合作精神
2.提出正确有效的建议。
3.能够有效地评价成员的学习。
小组评价总分
指导教师评价
电压表的选择
1.能正确分析仪表的精度等级。
2.能正确选择电压表。
60
组织和管理
1.协作程度高、完成效果好。
2.按照项目开发流程完成项目。
3.根据工作计划按时按量完成任务。
职业素质
1.良好的工作责任心、严谨的工作作风。
2.认真细致、实事求是、积极探索的科学态度。
3.严格遵守实训操作规程
指导教师评价总分
1.1.6能力拓展
衡量测量结果的好坏通常用精确度来表示，衡量测量精确度的主要指标是精密度和准确度。
精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。
（1）精密度
精密度是指在测量过程中所测数据重复一致的程度。
它说明了在一个测量过程中，在同一条件下进行重复测量时，所测结果的不一致程度。
（2）准确度准确度是指测量结果与被测真值的偏离程度。
系统误差的大小是衡量测量准确度的重要指标，系统误差越小，则准确度越高，但准确不一定精密。
（3）精确度精确度是衡量测量结果最佳指标，精确度高则系统误差和随机误差都小，一切测量都应力求既精密又准确。
1.1.7知识扩展
电工常用测量仪表有摇表、万用表和钳形电流表，这些仪表在测量时若不注意正确的使用方法或稍有疏忽，不是将表烧坏，就是使被测元件损坏，甚至还危及人身安全，因此，掌握常用电工测量仪表的正确使用方法是非常重要的。
1摇表
摇表又称兆欧表，其用途是测试线路或电气设备的绝缘状况。
使用方法及注意事项如下：
（1）首先选用与被测元件电压等级相适应的摇表，对于500V及以下的线路或电气设备，应使用500V或1000V的摇表。
对于500V以上的线路或电气设备，应使用1000V或2500V的摇表。
（2）用摇表测试高压设备的绝缘时，应由两人进行。
（3）测量前必须将被测线路或电气设备的电源全部断开，即不允许带电测绝缘电阻。
并且要查明线路或电气设备上无人工作后方可进行。
（4）摇表使用的表线必须是绝缘线，且不宜采用双股绞合绝缘线，其表线的端部应有绝缘护套；
摇表的线路端子“L”应接设备的被测相，接地端子“E”应接设备外壳及设备的非被测相，屏蔽端子“G”应接到保护环或电缆绝缘护层上，以减小绝缘表面泄漏电流对测量造成的误差。
（5）测量前应对摇表进行开路校检。
摇表“L”端与“E”端空载时摇动摇表，其指针应指向“∞”；
摇表“L”端与“E”端短接时，摇动摇表其指针应指向“0”。
说明摇表功能良好，可以使用。
（6）测试前必须将被试线路或电气设备接地放电。
测试线路时，必须取得对方允许后方可进行。
（7）测量时，摇动摇表手柄的速度要均匀120r／min为宜；
保持稳定转速1min后，取读数，以便躲开吸收电流的影响。
（8）测试过程中两手不得同时接触两根线。
（9）测试完毕应先拆线，后停止摇动摇表。
以防止电气设备向摇表反充电导致摇表损坏。
（10）雷电时，严禁测试线路绝缘。
2万用表
万用表是综合性仪表，可测量交流或直流的电压、电流，还可以测量元件的电阻以及晶体管的一般参数和放大器的增益等。
因此，万用表转换开关的接线较为复杂，必须要掌握其使用方法。
（1）使用万用表前要校准机械零位和电气零位，若要测量电流或电压，则应先调表指针的机械零位；
若要测量电阻，则应先调表指针的电气零位，以防表内电池电压下降而产生测量误差。
（2）测量前一定要选好档位，即电压档、电流档或电阻档，同时还要选对量程。
初选时应从大到小，以免打坏指针。
禁止带电切换量程。
量程的选择原则是“U、I在上半部分、R在中间较准”，即测量电压、电流时指针在刻度盘的1／2以上处，测量电阻时指针指在刻度盘的中间处才准确。
（3）测量直流时要注意表笔的极性。
测量高压时，应把红、黑表笔插入“2500V”和“-”插孔内，把万用表放在绝缘支架上，然后用绝缘工具将表笔触及被测导体。
（4）测量晶体管或集成件时，不得使用R×
1和R×
10k量程档。
（5）带电测量过程中应注意防止发生短路和触电事故。
（6）不用时，切换开关不要停在欧姆档，以防止表笔短接时将电池放电。
3钳形电流表
钳形电流表分高、低压两种，用于在不拆断线路的情况下直接测量线路中的电流。
其使用方法如下：
（1）使用高压钳形表时应注意钳形电流表的电压等级，严禁用低压钳形表测量高电压回路的电流。
用高压钳形表测量时，应由两人操作，非值班人员测量还应填写第二种工作票，测量时应戴绝缘手套，站在绝缘垫上，不得触及其它设备，以防止短路或接地。
（2）观测表计时，要特别注意保持头部与带电部分的安全距离，人体任何部分与带电体的距离不得小于钳形表的整个长度。
（3）在高压回路上测量时，禁止用导线从钳形电流表另接表计测量。
测量高压电缆各相电流时，电缆头线间距离应在300mm以上，且绝缘良好，待认为测量方便时，方能进行。
（4）测量低压可熔保险器或水平排列低压母线电流时，应在测量前将各相可熔保险或母线用绝缘材料加以保护隔离，以免引起相间短路。
（5）当电缆有一相接地时，严禁测量。
防止出现因电缆头的绝缘水平低发生对地击穿爆炸而危及人身安全。
（6）钳形电流表测量结束后把开关拔至最大程档，以免下次使用时不慎过流；
并应保存在干燥的室内。
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