溫度檢測系統誤差分析研究

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

【關鍵詞】溫度檢測;數字濾波;誤差分析;不確定度

溫度參數作為一個重要的信息參數，溫度的測量在各個領域都隨處可見。尤其在工業生產中，溫度、流量、壓力是被監測最多的參數。無論在、石油、鋼鐵、煤炭、水利等行業，還是電力、機械、航天、國防等部門，都離不開對溫度的監測，盡管時代變化，萬變不離其宗，溫度作為基礎信息，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，簡化系統結構，降低系統的成本。但根據誤差的概念，從溫度測量的角度，不可能達到誤差的完全消除，只能在一定的條件下盡量地將測量的精度提高。誤差分析主要體現在檢測過程中和檢測結果兩方面。

（一）檢測過程中減少誤差

溫度數據采集過程中，由于環境因素的干擾或者系統不穩定，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信息，消除信號中的噪聲稱為濾波。濾波處理從其實現的方式分為硬件濾波和軟件濾波。軟件濾波也稱為數字濾波。數字濾波克服了硬件濾波的不足，比硬件濾波靈活方便，應用范圍廣。

數字濾波算法有很多種，都有相應的優劣勢與適用范圍，下面對這幾種常用的幾種數字濾波技術進行簡要介紹[1]：。

（1）限幅濾波法：又稱為粗大誤差剔除濾波法，旨在消除系統中的隨機脈沖干擾。

（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：對檢測參數連續次采樣，將次采樣的數據按從小到大排列，一般為奇數，取其中的中間值作為采樣結果。

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

算術平均濾波法的原理是：連續輸入次采樣數據，首先假設存在，的值與各采樣數據之間偏差的平方和最小

（4）去極值平均濾波法（復合濾波法）：去極值平均濾波法就是結合了平均值濾波和中值濾波兩種算法的優點。

去極值平均濾波法的原理是：刪除個采樣數據的最小值與最大值，再對剩余的個采樣數據進行算術平均值計算：

實際檢測中需要根據實際情況選擇適當的濾波方法，再某種多路溫度檢測系統中，為了減少工作環境帶來的誤差，首先選用粗大誤差剔除的方法，消除系統中可能會產生的粗大誤差，進而應用去極值平均濾波法，進行二次濾波，雖然在去極值濾波中已經去掉系統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據處理結果的影響，采用粗大誤差法進行一級濾波能夠使濾波結果更加準確[2]。

（二）檢測結果誤差分析

誤差分析是檢測系統設計中十分重要的環節。通過合理的誤差分析，才能確定所設計的系統是否能夠達到要求。不僅僅是溫度測量系統，任何測量系統都存在一些特性，如偏移性、穩定性、重復性、再現性和線性等。通過分析系統的這些特性，可以更好的進行系統誤差分析[3]。

通常通過誤差分析對系統的性能做出評價。按照性質誤差可以分為三類：粗大誤差、隨機誤差和系統誤差。偏移和線性屬于系統誤差，重復性和再現性是隨機產生，可能是隨機誤差，也有可能是粗大誤差。而穩定性比較復雜，可能是規律變化的系統誤差，也可能是隨機誤差。

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

系統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，測量結果的不確定度合成。第三步，對溫度測量系統的測量結果不確定度進行評定

測量系統中，各個部分的不確定度的來源各不相同，對系統的不確定度都會產生一定的影響，前文中對測量系統的特性進行了介紹，這五種特性即偏移性、穩定性、重復性、再現性和線性可以作為系統的精度指標，分別分析這五個指標的不確定度，再合成不確定度，就可以得到系統的不確定度。

計算系統合成不確定度時，只需根據系統實際特性，分析以上五項指標，以上進行合成即可。

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

（1）減小偏移和線性措施：提高測量系統精度，應用軟件進行系統校正等;

（2）減小重復性誤差措施：盡量增加測量次數;

（3）減小再現性誤差措施：使用有經驗的人員一次完成測量，盡量不換人員;

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

通過在溫度檢測過程中應用數字濾波可以減少環境影響，再對檢測結果進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：

[1]高西.數字信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社.2010，62-70

[2]江麗麗. 溫度檢測系統設計與誤差分析研究[D]. 東北農業大學，2016.

[3]唐燕杰.測量系統不確定度評定[D].合肥工業大學，2003