2.3 测试系统的误差分析和测试系统的选择

2.3.1 测试系统误差

被测对象某参数的量值的真实大小是客观存在的，由于使用的仪器设备、测量方法、周围环境、人的因素等条件的限制，测量值与真值之间存在差值，该差值称为测量误差。在测量过程中它是不可避免的，但是可以通过分析误差的来源、研究误差的规律来减小误差，提高精度，并且用科学的方法处理试验数据，以达到更接近于真值的最佳效果。误差分为随机误差、系统误差和粗大误差三类。

1.随机误差

随机误差的产生是随机的，没有确定的规律性，也可以说带有偶然性。随机误差就个体而言，从单次测量结果来看是没有规律的，但就其总体来说，其数值变化规律服从一定的统计规律。因此，随机误差的度量可用标准偏差，随着对同一量的测量次数的增加，标准偏差的值变得更小，从而使该物理量的值更为可靠。

2.系统误差

在相同的测量条件下，多次测量同一物理量时，误差不变或按一定规律变化，这样的误差称为系统误差。通常是由于仪器的缺陷、计算方法的不完善等固定原因引起的。在查明产生系统误差的原因后，有些系统误差是可以通过改进仪器性能、标定仪器常数、改善观测条件和操作方法、对测量结果进行相应的修正等方法来消除。

3.粗大误差

粗大误差（过失误差）是一种大级别的量测误差，主要是由于量测人员粗心大意、操作不当或思想不集中所造成的，如看错、读错、记错等原因造成的误差。严格来说，粗大误差不能称之为误差，而是由于观测者的过失所造成的错误，是可以避免的。因此，测量中如果出现粗大误差，则应将其从试验数据中剔除，且应分析出现此类误差的原因，以免再次出现相同的错误。

2.3.2 精度、精密度与准确度

精度反映了测量的总误差。它与误差大小相对应，即误差大，精度就低，误差小，精度就高。精度可以细分为精密度（反映测量中随机误差的大小，即测量结果互相接近、密集的程度）、准确度（反映测量中系统误差的大小，即结果与被测量真值的接近程度）和精确度（反映测量中随机误差和系统误差综合影响的程度）。其中，精密度与准确度的区别如图2.4所示，曲线1表示准确却不精密的测量（δ小σ大），曲线2表示精密却不准确的测量（δ大σ小）。只有同时兼顾准确度和精密度，才能成为精确的测量。

图2.4 测量精密度和准确度的区别

2.3.3 测试系统的选择

选择测试系统的根本原则是测试的目的和要求。但是，若要达到技术上合理和经济上节约，则必须考虑一系列因素的影响。下面针对系统的各个特性参数，就如何正确选用测试系统予以概述。

1.灵敏度

原则上说，测试系统的灵敏度应尽可能地高。这意味着它能检测到被测物理量极微小的变化，换句话说，被测量稍有变化，测量系统就有较大的输出，并能显示出来。因此，在要求高灵敏度的同时，应特别注意避免被测信号被外界因素影响，因为高灵敏度的测量系统同时也是敏感的噪声接收系统。为达到既能检测微小的被测量，又能使噪声被抑制到尽量低的目的，测试系统的信息比越大越好。然而，灵敏度越高，往往测量范围越窄，稳定性也越差。

2.准确度

准确度表示测试系统所获得的测量结果与真值的一致程度，并反映了测量中各类误差的综合作用。准确度越高，则测量结果中所包含的系统误差和随机误差就越小；测试仪器的准确度越高、价格就越昂贵。因此，应从被测对象的实际情况和测试要求出发，选用准确度合适的仪器，以获得最佳的技术经济效益。误差理论分析表明，由若干台不同准确度组成的测试系统，其测试结果的最终准确度取决于准确度最低的那一台仪器。所以，从经济性来看，应当选择同等准确度的仪器来组成所需的测量系统。如果条件有限，不可能做到同等准确度，则前面环节的准确度应高于后面环节。一般地，如果是属于相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值，则只要求测试系统的精密度足够高就行了。无须要求它的准确度；若属于定量分析，要获得精确的量值，就必须要求它具有相应的精确度。

3.响应特性

测试系统的响应特性必须在所测频率范围内努力保持不失真条件。此外，响应总有一定的延迟，但要求延迟时间越短越好。换言之，若测试系统的输出信号能够紧跟急速变化的输入信号，则这一测试系统的响应特性就好。因此，在选用时，要充分考虑到被测量变化的特点。

4.线性范围

任何测试系统都有一定的线性范围。在线性范围内，输出与输入成比例关系，线性范围越宽，表明测试系统的有效量程越大。测试系统在线性范围内工作是保证测量准确度的基本条件。然而，测试系统是不容易保证其绝对的线性的，在一些情况下，只要能满足测量的准确度，也可以在近似线性的区间内工作，必要时，可以进行非线性补偿或修正。

5.稳定性

稳定性表示在规定条件下测试系统的输出特性随时间的推移而保持不变的能力。影响稳定性的因素是时间、环境和测试仪器的器件状况。为了保持测试系统工作的稳定性，在选定测试仪器之前、应对工作环境进行调查，以选用较为合适的仪器。在输入量不变的情况下，测试系统在一定时间后，其输出量发生变化，这种现象称为漂移。当输入量为零时，测试系统也会有一定的输出，这种现象称为零漂。漂移和零漂多半是由于系统本身对温度变化的敏感以及元件不稳定（时变）等因素所引起的，它对测试系统的准确度将产生影响。

6.测量方式

测试系统在实际工作条件下的测量方式的不同，也是选择测试系统时应考虑的因素之一。诸如接触式测量和非接触性测量、机械量测和电测、在线测量和非在线测量等不同的测量方式。对测试系统的要求也不同。在机械系统中，运动部件的被测参量（例如回转运动误差、振动和扭力矩等），往往需要非接触式测量。因为，接触式测量不仅对被测对象造成影响，而且存在许多难以解决的技术问题，如接触状态的变动、测量头的磨损、信号的采集等，都不容易妥善处理，也势必造成测量误差。这时，选用涡电流式、电容式等非接触式传感器就能解决上述问题。若用电阻应变片检测应力、应变，则须选用遥测应变仪。在线测量是与实际情况更趋于一致的测试方法。特别是在实现自动化过程和地下工程施工信息化监控中，其检测和控制系统往往要求真实性和可靠性，这就必须在现场实时条件下进行工作。因此，对测试系统有一定的特殊要求。

7.各特性参数之间的配合

由若干环节组成的一个测试系统中，应注意各特性参数之间的恰当配合，使测试系统处于良好的工作状态。例如，一个多环节的系统，其总灵敏度取决于各环节的灵敏度以及各环节之间的连接形式（串联、并联），该系统的灵敏度与量程范围是密切相关的，当总灵敏度确定之后，过大或过小的量程范围，都会给正常的测试工作带来影响。对于连续刻度的显示仪表，通常要求输出量落在接近满量程的1／3区间内，否则，即使仪器本身非常精确，测量结果的相对误差也会增大，从而影响测试的准确度。若量程小于输出量，很可能使仪器损坏。由此看来，在组成测试系统时，要注意总灵敏度与量程范围匹配。又如，当放大器的输出用来推动负载时，它应该以尽可能大的功率传给负载。只有当负载的阻抗和放大器的输出阻抗互为共轭复数时，负载才能获得最大的功率。这就是通常所说的阻抗匹配。总之，在组成测试系统时，应充分考虑各特性参数之间的关系。除上述必须考虑的因素外，还应尽量兼顾体积小、重量轻、结构简单、易于维修、价格便宜、便于携带、通用化和标准化等一系列因素。