关于传感器指标

关于岩土工程中使用的传感器指标及评定

【摘要】本文旨在讨论目前岩土工程使用的传感器技术指标及其意义，引入目前在国际上通用的测量与误差的概念，以国家现有的关于测量术语的定义为准来描述传感器及其评定的方法。

【关键词】测量；误差；测量不确定度；传感器特性；传感器指标；传感器评定

0 前言：

目前，随着国内基础建设的快速发展，岩土工程的施工与监测越来越规范，因此，岩土工程及其建筑物对测量的要求也越来越高；并且随着中国法制的完善，技术监督部门及行业许可证部门对各种监测（检测）仪器的考核也越来越严格。

笔者近年来参加了一些传感器标准的讨论及监督部门对传感器的检测，发现在岩土工程行业使用的传感器有很多种类型，各自的测量原理不尽相同，指标也各不相同，但有些指标已经过时，有些指标被不正确地使用，从而导致测量结果的最终评定上产生歧义。要评价测量仪器的质量，就必须对传感器指标、误差的含义有明确地定义。因此，笔者就传感器的指标、传感器的测量结果与其指标间的关系提出来供大家讨论。在讨论这些问题之前，有关测量、误差及不确定度的概念及关系应得到确认，以避免产生歧义。这些概念及关系将引用国家规范。

1测量与误差的概念

1.1测量

在JJF1001-1998通用计量术语及定义中，测量被定义为：以确定量值为目的的一组操作。

从根本上说，测量是用一个预定的标准与一个未知量进行定量比较的过程。假如要使该过程具有普遍意义，则测量必须满足两个要求：

a)用来进行比较的标准必须准确并得到公认；

b)进行比较所用的方法和仪器必须是经过验证的。

1.1.1 测量结果：在JJF1001-1998通用计量术语及定义中，由测量所得到的赋予被测量

的值。

注：

1)在给出测量结果时，应说明它是示值、未修正测量结果或已修正测量结果，还应

表明它是否为几个值的平均。

2)在测量结果的完整表述中应包括测量不确定度，必要时还应说明有关影响量的取

值范围。

1.1.2 重复测量的重复性条件：

相同的测量程序；

相同的观测者；

在相同的条件下使用相同的测量仪器；

相同的地点；

在短时间内重复测量。

1.2关于误差的概念

在JJF1001-1998通用计量术语及定义中，[测量]误差被定义为：测量结果减去被测量的真值。

即所谓误差就是测量值与真值之差，其逻辑表达式为：

误差＝测量值－真值

1.2.1 真值：在JJF1001-1998通用计量术语及定义中，[量的]真值被定义为：与给定的特定量的定义一致的值。

注：

1) 量的真值只有通过完善的测量才有可能获得。

2)

真值按其本性是不确定的。 3) 与给定的特定量定义一致的值不一定只有一个。

真值实际是指在一定的条件下，其量值的实际值。在现实世界中真值只是一个理想的概念。在通常的测量中，将高一级的标准计量仪器所测得的量值来代替真值即所谓的约定真值。

1.2.2 约定真值：在JJF1001-1998通用计量术语及定义中，约定真值被定义为：对于给定目的具有适当不确定度的、赋予特定量的值，有时该值是约定采用的。

由此可知约定真值的误差必将传递给被标定的仪器，那么约定真值所传递的误差有多大，并且该传递误差是否被所标定的仪器放大，这应该是我们所关心的问题。

关于误差我们可以从定义中得到，它是一个确定的数值，而不是一个区间，这个概念很重要。

1.2.3 关于误差的表达

a) 绝对误差：误差的绝对值被称为绝对误差，其逻辑表达式为：

绝对误差＝| 测量值－真值 |

b) 相对误差：绝对误差与被测量的约定真值之比称为相对误差，也可近似的表述为绝对误差与测得值之比，其逻辑表达式为：

绝对误差

绝对误差

相对误差＝约定真值测得值

c) 系统误差：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。

注：

如真值一样，系统误差及其原因不能完全获知。

d) 随机误差：测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差。

注：

1） 随机误差等于误差减去系统误差。

2） 因为测量只能进行有限次数，故可能确定的只是随机误差的估计值。

f) 引用误差：引用误差是一种简化的仪表示值相对误差，它以仪表的满刻度示值为分母，某一刻度点的示值误差为分子所得的比值，其逻辑表达式为：

示值误差

引用误差＝最大示值

1.3 测量不确定度的概念

表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。

注：

1） 此参数可以是诸如标准偏差或其倍数，或说明了置信水准的区间的半宽度。

2） 测量不确定度由多个分量组成。其中一些分量可用测量列结果的统计分布估算，并

用实验标准偏差表征。另一些分量则可用基于经验或其它信息的假定概率分布估算，也可用标准偏差表征。

3）测量结果应理解为被测量之值的最佳估计，而所有的不确定度分量均贡献给了分散性，包括那些由系统效应引起的（如，与修正值和参考测量标准有关的）分量。

1.3.1关于测量不确定度的表达

a) 标准不确定度：以标准偏差表示的测量不确定度。

b) 合成标准不确定度：当测量结果是由若干个其它量的值求得时，按其它各量的方差

或（和）协方差算得的标准不确定度。

c) 扩展不确定度：确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望含

于此区间。

注：

扩展不确定度有时也称展伸不确定度或范围不确定度。

1.3.2关于测量不确定度的评定

测量不确定度的评定一般分为两类：

a) 不确定度的A类评定：用对观测列进行统计分析的方法，来评定标准不确定度。

注：

不确定度的A类评定，有时也称A类不确定度评定。

b) 不确定度的B类评定：用不同于对观测列进行统计分析的方法，来评定标准不确定

度。

注：

不确定度的B类评定，有时也称B类不确定度评定。

1.4系统误差与随机误差的关系

从这两种误差的定义中可以看出，它们都是在重复性测量的条件下，对同一被测量进行无限多次测量所获得的测量结果，但是结果处理的方法不一样，系统误差是测量结果的平均值对真值之差，而随机误差则是误差减去系统误差。由此可知，系统误差是可以进行补偿的，而随机误差则是由于我们还没有认识清楚或不可避免的一些量所引起的。在过去的误差评定系统中，系统误差对应着测量的准确度，随机误差则对应着测量的精密度，而当两者合成时称为测量精度（或称准确度）。因为两者合成的方法有多种，所以合成的结果不能完全一致，导致各校准实验室的测量结果不一致。以往用误差一词来表述测量不能确定的范围，在概念上也不清楚。因此，国际标准化组织ISO、国际电工委员会IEC、国际计量局BIPM、国际法制计量组织OIML、国际理论化学与应用化学联合会IUPAC、国际理论物理与应用物理联合会IUPAP、国际临床化学联合会IFCC 等7个国际组织于1993年，联合发布了《测量不确定度表示指南》。以此来规范测量的结果。目前在国家计量规范JJF1094－2002《测量仪器特性评定》中已不再使用系统误差和随机误差来对测量仪器进行评定了。

2传感器的特性

如果要评价传感器，就必须了解传感器的特性及这些特性对测量结果会造成什么样的影响。在测量仪器的系统中，我们将传感器称为一次仪表，因此我们依然引用JJF1001-1998通用计量术语及定义中第七章《测量仪器的特性》的术语，在第七章中共有28个术语，通过这28个术语可以了解到测量仪器究竟有那些特性，用什么样的特性来描述在岩土工程中使用的传感器较为合适，并用以规范岩土工程中使用的传感器，使评定方法能够一致。下面我们就看看这些术语：

2.1标称范围：测量仪器的操纵器件调到特定位置时可得到的示值范围。

注：

1)标称范围通常用它的上限和下限表明，例如100℃～200℃。若下限为零，标称范

围一般只用其上限表明，例如0V～100V的标称范围可表示为100V。