溫度檢測系統(tǒng)誤差分析研究

【摘? 要】人類社會從工業(yè)時代進(jìn)入了信息時代。信息時代最重要的就是信息獲取。溫度參數(shù)作為一個重要的信息參數(shù)，溫度的測量在各個領(lǐng)域都隨處可見。溫度測量必然會產(chǎn)生誤差，誤差不能消除，采用數(shù)字濾波的方式可以有效的減小誤差。同時系統(tǒng)的誤差分析不僅包括測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還應(yīng)包括系統(tǒng)測量結(jié)果的可信度，也就是不確定度。

【關(guān)鍵詞】溫度檢測;數(shù)字濾波;誤差分析;不確定度

溫度參數(shù)作為一個重要的信息參數(shù)，溫度的測量在各個領(lǐng)域都隨處可見。尤其在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、流量、壓力是被監(jiān)測最多的參數(shù)。無論在、石油、鋼鐵、煤炭、水利等行業(yè)，還是電力、機(jī)械、航天、國防等部門，都離不開對溫度的監(jiān)測，盡管時代變化，萬變不離其宗，溫度作為基礎(chǔ)信息，溫度檢測是永恒的話題。

溫度測量首先要滿足溫度檢測精度的要求，在這個前提下，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)的成本。但根據(jù)誤差的概念，從溫度測量的角度，不可能達(dá)到誤差的完全消除，只能在一定的條件下盡量地將測量的精度提高。誤差分析主要體現(xiàn)在檢測過程中和檢測結(jié)果兩方面。

（一）檢測過程中減少誤差

溫度數(shù)據(jù)采集過程中，由于環(huán)境因素的干擾或者系統(tǒng)不穩(wěn)定，只有消除采集信號中的噪聲，才能正確的反映所檢測對象的狀態(tài)信息，消除信號中的噪聲稱為濾波。濾波處理從其實(shí)現(xiàn)的方式分為硬件濾波和軟件濾波。軟件濾波也稱為數(shù)字濾波。數(shù)字濾波克服了硬件濾波的不足，比硬件濾波靈活方便，應(yīng)用范圍廣。

數(shù)字濾波算法有很多種，都有相應(yīng)的優(yōu)劣勢與適用范圍，下面對這幾種常用的幾種數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)行簡要介紹[1]：。

（1）限幅濾波法：又稱為粗大誤差剔除濾波法，旨在消除系統(tǒng)中的隨機(jī)脈沖干擾。

（2）中值濾波法：較為適用于因偶然因素而引起的采樣不穩(wěn)定，例如信號波動，誤碼等脈沖干擾。

中值濾波法的原理是：對檢測參數(shù)連續(xù)次采樣，將次采樣的數(shù)據(jù)按從小到大排列，一般為奇數(shù)，取其中的中間值作為采樣結(jié)果。

（3）算術(shù)平均濾波法：適合于對具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波處理。如測量溫度、液位或流量等。

算術(shù)平均濾波法的原理是：連續(xù)輸入次采樣數(shù)據(jù)，首先假設(shè)存在，的值與各采樣數(shù)據(jù)之間偏差的平方和最小

（4）去極值平均濾波法（復(fù)合濾波法）：去極值平均濾波法就是結(jié)合了平均值濾波和中值濾波兩種算法的優(yōu)點(diǎn)。

去極值平均濾波法的原理是：刪除個采樣數(shù)據(jù)的最小值與最大值，再對剩余的個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均值計算：

實(shí)際檢測中需要根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)臑V波方法，再某種多路溫度檢測系統(tǒng)中，為了減少工作環(huán)境帶來的誤差，首先選用粗大誤差剔除的方法，消除系統(tǒng)中可能會產(chǎn)生的粗大誤差，進(jìn)而應(yīng)用去極值平均濾波法，進(jìn)行二次濾波，雖然在去極值濾波中已經(jīng)去掉系統(tǒng)中的極大值和極小值，但是為了避免多個偶然的粗大誤差對數(shù)據(jù)處理結(jié)果的影響，采用粗大誤差法進(jìn)行一級濾波能夠使濾波結(jié)果更加準(zhǔn)確[2]。

（二）檢測結(jié)果誤差分析

誤差分析是檢測系統(tǒng)設(shè)計中十分重要的環(huán)節(jié)。通過合理的誤差分析，才能確定所設(shè)計的系統(tǒng)是否能夠達(dá)到要求。不僅僅是溫度測量系統(tǒng)，任何測量系統(tǒng)都存在一些特性，如偏移性、穩(wěn)定性、重復(fù)性、再現(xiàn)性和線性等。通過分析系統(tǒng)的這些特性，可以更好的進(jìn)行系統(tǒng)誤差分析[3]。

通常通過誤差分析對系統(tǒng)的性能做出評價。按照性質(zhì)誤差可以分為三類：粗大誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。偏移和線性屬于系統(tǒng)誤差，重復(fù)性和再現(xiàn)性是隨機(jī)產(chǎn)生，可能是隨機(jī)誤差，也有可能是粗大誤差。而穩(wěn)定性比較復(fù)雜，可能是規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差，也可能是隨機(jī)誤差。

系統(tǒng)的誤差分析不僅包括測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還應(yīng)包括系統(tǒng)測量結(jié)果的可信度。任何測量過程都存在誤差，這就使測量結(jié)果具有不確定性，量化表示就是不確定度[55，56]。在測量領(lǐng)域，不確定度的研究越來越多，也得到更多人的認(rèn)可。不確定度與誤差是不同的概念，兩者即有一定的關(guān)系，也存在很大的差別。兩者的聯(lián)系是系統(tǒng)的誤差源也是系統(tǒng)的不確定度來源，找出測量系統(tǒng)的誤差源及傳遞關(guān)系，就可以得到不確定度分量，對測量系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評定。

系統(tǒng)的不確定度分析主要包括以下幾個方面：

第一步，測量不確定度來源分析。第二步，測量結(jié)果的不確定度合成。第三步，對溫度測量系統(tǒng)的測量結(jié)果不確定度進(jìn)行評定

測量系統(tǒng)中，各個部分的不確定度的來源各不相同，對系統(tǒng)的不確定度都會產(chǎn)生一定的影響，前文中對測量系統(tǒng)的特性進(jìn)行了介紹，這五種特性即偏移性、穩(wěn)定性、重復(fù)性、再現(xiàn)性和線性可以作為系統(tǒng)的精度指標(biāo)，分別分析這五個指標(biāo)的不確定度，再合成不確定度，就可以得到系統(tǒng)的不確定度。

計算系統(tǒng)合成不確定度時，只需根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際特性，分析以上五項指標(biāo)，以上進(jìn)行合成即可。

分析過五項指標(biāo)的不確定度后，可以從一定程度上減小這五項指標(biāo)不確定度，減小誤差。

（1）減小偏移和線性措施：提高測量系統(tǒng)精度，應(yīng)用軟件進(jìn)行系統(tǒng)校正等;

（2）減小重復(fù)性誤差措施：盡量增加測量次數(shù);

（3）減小再現(xiàn)性誤差措施：使用有經(jīng)驗(yàn)的人員一次完成測量，盡量不換人員;

（4）減小穩(wěn)定性誤差措施：盡量在最短的時間內(nèi)完成測量，如需要長時間測量，不斷的對系統(tǒng)進(jìn)行校正。

通過在溫度檢測過程中應(yīng)用數(shù)字濾波可以減少環(huán)境影響，再對檢測結(jié)果進(jìn)行誤差分析和不確定度分析，能夠有效的提高測量精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]高西.數(shù)字信號處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2010，62-70

[2]江麗麗. 溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計與誤差分析研究[D]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[3]唐燕杰.測量系統(tǒng)不確定度評定[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2003