温度检测系统误差分析研究

2020-11-04江丽丽

科学导报·学术 2020年83期

【摘要】人类社会从工业时代进入了信息时代。信息时代最重要的就是信息获取。温度参数作为一个重要的信息参数，温度的测量在各个领域都随处可见。温度测量必然会产生误差，误差不能消除，采用数字滤波的方式可以有效的减小误差。同时系统的误差分析不仅包括测量结果的准确性，还应包括系统测量结果的可信度，也就是不确定度。

【关键词】温度检测;数字滤波;误差分析;不确定度

温度参数作为一个重要的信息参数，温度的测量在各个领域都随处可见。尤其在工业生产中，温度、流量、压力是被监测最多的参数。无论在、石油、钢铁、煤炭、水利等行业，还是电力、机械、航天、国防等部门，都离不开对温度的监测，尽管时代变化，万变不离其宗，温度作为基础信息，温度检测是永恒的话题。

温度测量首先要满足温度检测精度的要求，在这个前提下，简化系统结构，降低系统的成本。但根据误差的概念，从温度测量的角度，不可能达到误差的完全消除，只能在一定的条件下尽量地将测量的精度提高。误差分析主要体现在检测过程中和检测结果两方面。

（一）检测过程中减少误差

温度数据采集过程中，由于环境因素的干扰或者系统不稳定，只有消除采集信号中的噪声，才能正确的反映所检测对象的状态信息，消除信号中的噪声称为滤波。滤波处理从其实现的方式分为硬件滤波和软件滤波。软件滤波也称为数字滤波。数字滤波克服了硬件滤波的不足，比硬件滤波灵活方便，应用范围广。

数字滤波算法有很多种，都有相应的优劣势与适用范围，下面对这几种常用的几种数字滤波技术进行简要介绍[1]：。

（1）限幅滤波法：又称为粗大误差剔除滤波法，旨在消除系统中的随机脉冲干扰。

（2）中值滤波法：较为适用于因偶然因素而引起的采样不稳定，例如信号波动，误码等脉冲干扰。

中值滤波法的原理是：对检测参数连续次采样，将次采样的数据按从小到大排列，一般为奇数，取其中的中间值作为采样结果。

（3）算术平均滤波法：适合于对具有随机干扰的信号进行滤波处理。如测量温度、液位或流量等。

算术平均滤波法的原理是：连续输入次采样数据，首先假设存在，的值与各采样数据之间偏差的平方和最小

（4）去极值平均滤波法（复合滤波法）：去极值平均滤波法就是结合了平均值滤波和中值滤波两种算法的优点。

去极值平均滤波法的原理是：删除个采样数据的最小值与最大值，再对剩余的个采样数据进行算术平均值计算：

实际检测中需要根据实际情况选择适当的滤波方法，再某种多路温度检测系统中，为了减少工作环境带来的误差，首先选用粗大误差剔除的方法，消除系统中可能会产生的粗大误差，进而应用去极值平均滤波法，进行二次滤波，虽然在去极值滤波中已经去掉系统中的极大值和极小值，但是为了避免多个偶然的粗大误差对数据处理结果的影响，采用粗大误差法进行一级滤波能够使滤波结果更加准确[2]。

（二）检测结果误差分析

误差分析是检测系统设计中十分重要的环节。通过合理的误差分析，才能确定所设计的系统是否能够达到要求。不仅仅是温度测量系统，任何测量系统都存在一些特性，如偏移性、稳定性、重复性、再现性和线性等。通过分析系统的这些特性，可以更好的进行系统误差分析[3]。

通常通过误差分析对系统的性能做出评价。按照性质误差可以分为三类：粗大误差、随机误差和系统误差。偏移和线性属于系统误差，重复性和再现性是随机产生，可能是随机误差，也有可能是粗大误差。而稳定性比较复杂，可能是规律变化的系统误差，也可能是随机误差。

系统的误差分析不仅包括测量结果的准确性，还应包括系统测量结果的可信度。任何测量过程都存在误差，这就使测量结果具有不确定性，量化表示就是不确定度[55，56]。在测量领域，不确定度的研究越来越多，也得到更多人的认可。不确定度与误差是不同的概念，两者即有一定的关系，也存在很大的差别。两者的联系是系统的误差源也是系统的不确定度来源，找出测量系统的误差源及传递关系，就可以得到不确定度分量，对测量系统进行不确定度评定。

系统的不确定度分析主要包括以下几个方面：

第一步，测量不确定度来源分析。第二步，测量结果的不确定度合成。第三步，对温度测量系统的测量结果不确定度进行评定

测量系统中，各个部分的不确定度的来源各不相同，对系统的不确定度都会产生一定的影响，前文中对测量系统的特性进行了介绍，这五种特性即偏移性、稳定性、重复性、再现性和线性可以作为系统的精度指标，分别分析这五个指标的不确定度，再合成不确定度，就可以得到系统的不确定度。

计算系统合成不确定度时，只需根据系统实际特性，分析以上五项指标，以上进行合成即可。

分析过五项指标的不确定度后，可以从一定程度上减小这五项指标不确定度，减小误差。

（1）减小偏移和线性措施：提高测量系统精度，应用软件进行系统校正等;

（2）减小重复性误差措施：尽量增加测量次数;

（3）减小再现性误差措施：使用有经验的人员一次完成测量，尽量不换人员;

（4）减小稳定性误差措施：尽量在最短的时间内完成测量，如需要长时间测量，不断的对系统进行校正。

通过在温度检测过程中应用数字滤波可以减少环境影响，再对检测结果进行誤差分析和不确定度分析，能够有效的提高测量精度。

参考文献：

[1]高西.数字信号处理[M].西安：西安电子科技大学出版社.2010，62-70