应变测量系统误差分析

应变测量系统误差分析（通用8篇）

应变测量系统误差分析 篇1

摘要：电阻应变式传感器在实际工程中应用较广。介绍影响电阻应变式传感器精度的一些因素,并对其在实际应用中可能出现的问题进行全面细致的分析。分析电测试验中应变片粘贴质量、非线性及导线长度、温度、不同组桥方式对测试结果所产生的影响,修正了导线电阻引起的误差,大大提高了测量精度,得出了应变电测试试验中减小误差的方法。

关键词：灵敏系数,误差,导线电阻,电阻应变片

应变电测技术由于它适应性强,易于掌握,能在复杂的工作条件下进行大型工程结构的应力应变测量,目前已广泛应用于国防、化工、机械等部门的生产与科研工作。在进行电阻应变测量时,需要评价测量数据的可信度[1],也就是在进行试验及数据处理之前,应对电测试验中可能产生误差的因素加以分析,找出误差可能产生的原因和它们的规律,设法减小误差对测量结果的影响。

在此拟从4个方面对测试中产生的误差进行分析讨论。

1 电阻应变片灵敏系数K的变化产生的误差

电阻应变片的电阻变化率可表示为:

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式(1)中:KL为电阻应变片的轴向灵敏系数;KB为电阻应变片的横向灵敏系数;εL为沿电阻应变片轴向的应变;εB为沿电阻应变片横向的应变。

由式(1)可见,电阻应变片的电阻变化率实际上是2部分的迭加,一部分是敏感栅仅受εL作用(εB=0)时的电阻变化率,另一部分是敏感栅仅受εB作用(εL=0)时的电阻变化率[2]。

式(1)又可表示为:

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式(2)中:H=KB/KL为电阻应变片的横向效应系数。令C=εB/εL,则可得:

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对已贴片的电阻应变计,C表示横向应变与轴向应变之比,所以C由电阻应变片贴装处应变场特性和贴装方位所决定。电阻应变片的灵敏系数K是式(3)的一个特例,即:

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上式中:μ0为电阻应变片金属丝材料的泊松系数;εX为电阻应变片金属丝的轴向应变。

此时:

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式(4)表达了一般意义下电阻应变片的灵敏系数。它表明电阻应变片表现出的对应变的灵敏度是有条件的,K值除取决于电阻应变片敏感栅的材质、形状之外,还与被测量点应力的状态和电阻应变片的贴装方位(C值)有关[3]。

2 机械滞后引起的误差确定方法

由于电阻片的特性不好,粘贴剂固化处理不好或胶层过厚,都会造成电阻片不完全服从胡克定律或稳定性差,而使电阻片产生机械滞后[4]。机械滞后的误差可从加载曲线得出,如图1所示。机械滞后对动态测量不仅会影响到所测应变得大小,而且在时间上还有滞后,这对于分析结构各部件变形的相互关系,将带来一定的影响,因此需要加以修正。可采用对被测量试件反复加卸载的办法来减小机械滞后量,一般反复3～5次即可[5]。

3 电桥非线性带来的误差

为了说明这个问题,讨论单个桥臂工作时应变与电桥输出电压的关系[6]。图2为单臂工作时的直流应变电桥原理图。其中E是供桥电压;Vo是电桥的输出电压。设R1为工作电阻,ΔR是工作片承受应变后引起的电阻增量,因应变有拉有压,所以ΔR有正负之分。

当R1=R2=R3=R4=R时,可得出电桥的输出电压Vo为:

undefined

一般,R≫ΔR,且undefined为电阻应变片的灵敏系数,ε为应变),所以式(5)可写成:

undefined

从上面的推导过程可以看出,Vo实际上与undefined是非线性的,只是因为undefined很小做了近似处理,才简化为线性关系[7]。下面讨论由式(5)到式(6)这一简化带来的误差。

由式(5)得:

undefined

比较式(6)和式(7),可得到相对非线性误差为:

undefined

当ε=10 000×10-6,K=2时,误差=-1%,所以,在大变形测量中误差较大,应予修正。

4 长导线引起的测量误差

由于野外工作条件所限,往往使测量仪器远离被测结构物,从而必须使用较长导线连接,由于組桥方式和连接方式不同,引起误差的大小也不同[8]。假设单根导线的电阻为r,现分别讨论如下。

4.1 单片接法

由图3可知,AB桥臂的电阻相对变化不是undefined,而是undefined;测点处的真实应变为:undefined,而读出应变为:

undefined

也就是说仪器读数ε1应乘以undefined才是测点的真实应变。所以undefined称之为修正系数。换句话说,导线的接入降低了灵敏系数K值,其降低程度为:

undefined

设降低后的灵敏系数为K′,

undefined

将式(11)按幂级数展开,略去高次项得:

undefined

所以其误差为:

undefined

4.2 半桥接法

半桥接法可以分为半桥三线制和半桥四线制,后者的修正系数及误差同单片接法。图4为半桥三线制接法,B′B间的电阻r与放大器输入阻抗相串联,所以忽略不计,其修正系数为:undefined,而误差为:undefined。从以上讨论可以看出,半桥三线接法比单片接法误差减小一半,故在同样误差下,半桥接法的导线长度比单片接法的导线长度可增加1倍[9]。

4.3 全桥接法

图5为全桥接法,同样B′B和D′D间的电阻是与放大器阻抗串联的,可忽略不计。

由于A′A和C′C的导线电阻使加到应变电桥上的桥压降低为:

undefined

也就是说使K值下降为:

undefined

所以,其误差为undefined,当导线过长,必须修正。

这里还要指出的是,温度变化除引起应变计电阻变化外,还会引起连接应变计和应变仪的连接导线电阻变化[10]。例如对于横截面积为0.5 mm2,长为15 m的铜导线,其电阻约为0.6 Ω。当温度变化5 ℃时,导线的电阻将变化0.012 Ω,灵敏系数为2.0的应变计,相当于100×10-6所引起的电阻变化。也就是说如果其他因素不变,应变仪读出100×10-6的虚假应变。可见温度变化也会导致很大的试验误差。因此,在试验时,工作和补偿应变计的连接导线应采用同一型号的电线,长度应相同,并且将它们捆扎在一起,使其受相同温度的影响,这样温度变化产生的影响也将被补偿。

参考文献

[1]周民.压力传感器灵敏度特性的研究[J].武汉船舶职业技术学院学报,2005(6):27-30.

[2]孟立凡,郑宾.传感器原理与技术[M].北京:兵器工业出版社,2000.

[3]梁立凯.电阻应变片测量中温度为误差的补偿方法[J].呼伦贝尔学院学报,2001(1):72-73,110.

[4]孙宇宁.应变式测力传感器的非线性误差及其校正[J].测绘信息与工程,1998(1):38-41.

[5]陶宝祺,王妮.电阻应变式传感器[M].北京:国防工业出版社,1997.

[6]张建民.传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[7]郑秀瑶,谢大吉.应力应变电测技术[M].北京:国防工业出版社,2003.

[8]徐晗,陈灼民,武松涛.电阻应变测量方法浅析[J].测试技术,2002,30(1):25-29.

[9]刘玲霞.电阻应变式测力传感器设计的应力集中原则[J].中国科技信息,2006(17):106-108.

[10]尹福炎.电阻应变计在传感器技术中的应用[J].传感器世界,1999(3):11-19.

关于房屋面积测量误差的分析 篇2

随着我国经济水平的不断提升和国家住宅制度的深入人心，普通百姓购买住宅已经不是难事，但同时出现的房屋面积的测量问题也越来越提上日程。房屋面积的正确测量不仅体现公平正义的市场原则，而且还关系着大众的直接利益，如果解决方法不够妥当，则会导致一系列的社会问题。在本文中，笔者在自身多年实践经验的基础上，结合近几年的案例，对住房面积之所以会出现偏差做出了自己的理解，并提出了解决办法，希望为此类问题的合理解决尽一份力量。

二、当前房屋面积测量误差产生的原因

1.房屋施工时导致的误差

1.1因房地产开发商产生的误差。1.1.1房地产开发商擅自改变房屋设计导致面积发生变化。在目前实行的房屋建设规范中规定，拥有许可证等相关证件的房地产开发商要按照国家标准进行施工建设，如果在施工过程中遇到需要变通的地方，则应该先向规划管理部门报告，经允许后方可更改。但是，有些房地产开发商为了追求自身利益，不顾规范要求，在原来面积的基础上尽可能地开辟新的面积，例如添加阳台或者搭建雨棚等，这些改变甚至是在开发商将房屋售出以后才进行的，等到业主来收房时，则要求业主另外加款。但是，因为在房屋已经出售给业主后，在法律上房屋已经属于业主所有，开发商没有权利再对房屋进行改造，并用此来追加款项。针对这种情况，业主应该寻求法律保护，来维护自己的利益。

1.1.2因施工误差造成面积变化。在对房屋面积进行预测时，测绘部门是通过查看平面图来操作的，即使将粉刷墙体的厚度以及保温材料的厚度计算在内，但也只是表现在理论上。在实际操作中，由于施工方技术水平和其他方面的差别，房屋在实际面积上会受到影响，比如墙体粉刷厚度没有达到匀称等。在房屋建设完成后，测绘部门对面积进行的测量数据就与预先计算的不一致。通常情况下，只要这两个数据的差值在理论范围之内，即1000m2的房屋，差值不能超过3.625m2，这样的话，就能依旧按照原先合同的规定来进行，但是如果差值超过了规定范围，就属于施工质量的问题了。

2.不同的测量规范导致的误差

2.1不同行业的测量规范不同而产生的误差。对于房屋的面积，各个行业内都有属于自己的一套测量标准，不同行业在对同一所房屋测量出来的结果是不盡相同的，甚至会有很大的出入。比如，对于阳台面积的测量，房地产开发商内部规定如果是不封闭阳台面积只按一半计算，但如果是全封闭阳台，则要按整个面积来计算。但是建筑行业里则规定，阳台部分封闭还是不封闭，都只按一半面积来计算。还有，对于柱雨棚面积的测量，房地产开发商规定柱雨棚不在房屋面积测量范围之内，但是规划部门则将其作为一半面积来计算。而且，有些业主自身也是从事相关建筑方面工作的人员，他们自己也有一套计算房屋面积的办法，因此，自然会与开发商等提供的数据产生冲突。在当下对于房屋面积的法律效应是由房屋管理部门证明的，因此，在对房屋面积测量标注进行统一以前，都应该遵照房屋管理部门的数据为准。所以，在房屋面积纠纷问题的处理上，司法部门往往采用房屋管理部门出具的面积数据作为最终的依据。

3.房产测绘部门口径不一导致的误差

3.1房地测绘部门的口径不统一产生的误差。这方面原因成为了导致房屋面积出现偏差最主要的原因。目前，上海的房产测绘部门依据的相关标准是《上海市房屋建筑面积计算及共有建筑面积分摊规则》。但是，依据同样的标准来测量，对规范的理解程度或者正确与否，对房屋面积的最终结果也会造成很大的差异性。仍以阳台为计算对象，根据准则的规定，“未封闭的阳台、挑廊，按其围护结构外围水平投影面积的一半计算建筑面积”，没有进一步地对阳台是封闭状或不封闭状作出具体而明确的规定，因此，如果阳台是不封闭或者半封闭状态，那么有的测绘机构就会将其作为露台来处理，不把其面积计算在内。这就为差异的出现进行了铺垫。另外，在对一些造型比较特殊的房屋计算面积时，不同的机构由于自身测量方法的不同也会得出不同的结论。例如，对于联体别墅的测量，有的部门采取公寓式房屋面积的计算方法，将墙的一半划为公用面积，但有的部门则没有划为公用面积。虽然这两种方法，在理论层面上都没有重大失误，但是结果仍旧不一致。因此，笔者提倡对于这种造成联体别墅面积差异较大的标准应该尽快得到统一。

三、解决房屋面积测量误差的途径

1.加强对房屋建造中的管理控制

作为国家的规划管理部门，在房地产开发商提交开发规划后，要进行认真推敲、细致考察，审批通过后还要继续监督管理开发商的施工过程。如果发现开发商有违规操作的现象，应按照规定对其进行严厉惩处。开发商也要注重自己的商业信誉和口碑，注重自身的品牌形象，招募技术过硬的施工单位，提升工程质量，避免出现大的误差。

2.统一行业标准

在目前的实际操作中，大部分行业都采取“建筑面积”这一说法作为评定工作量和有关数据的计量指标，因此，我们就可以将这个概念推广到更大范围里使用，将其作为测量的统一标准，把预算、规划和房产的测量都置于一个共同平台来计算，通过这种方式，不仅提高了效率，还节省了开支。

3.测量规范的完善

我国于2003年颁布施行了《房屋建筑面积计算及共有建筑面积分摊规则》，对于面积计算的现实困难做了预计，但是随着时代的发展，特别是近几年国外设计部门进军中国市场，为中国建筑带来了诸如英国、意大利等欧洲国家的建筑风格，他们的建筑不同于中式，在视觉上追求立体和复杂，因此，对于某些不规则的建筑部分，原来的面积计算方法则显得捉襟见肘。因此，我国应该尽快组织专家学者对市场作大量的走访调查，对原有的规范做出合理的改进和完善。对于复杂房屋建筑建立合乎实际的操作规范;对规范中说法较为模棱两可的方面做出具体而明确的说明;将不再符合今天市场实际的规定给予更正。另外，还要对各个行业进行培训，使其在对规范的理解上不至于有过大偏差，同时加强各个部门之间测量方式的交流，对于存在的分歧进行讨论和分析，以促进测绘行业整体技术水平的提高和行业的规范化管理。

四、小结

应变测量系统误差分析 篇3

电阻式应变传感器作为测力的主要传感器,测力范围小到肌肉纤维,大到登月火箭,精确度可到0.01—0.1%。是目前测力的基本传感器件之一,因此对于其基本的测量电路的研究与误差分析十分有必要。

1基本结构与原理

电阻应变片是一种能将所受到应变转化为电阻变化的传感元件,一般由 Φ=0.02~0.05mm康铜丝或者镍铬丝绕成的敏感栅构成。

其工作原理是基于敏感栅中的金属丝的应变效应 , 即在金属导体产生形变时 , 它的电阻值发生相应变化。例如一根金属电阻丝 , 在其未受力时 , 原始电阻值为当该丝受到轴向拉力F作用时,电阻值的相对变化为因此可以通过测量变化后电阻值来确定作用力F。

2无差动半桥电路

差动半桥电路如图所示,其中R1为电阻应变片其中R1R4=R2R3相对桥臂阻值乘积相等,Uo大小推导如下:

因为应变片在形变时产生的阻值变化约为0.1%,因此分母中的 ΔR1/R1可以忽略不计,同时令n = R2/R1,由于R1R4=R2R3, 因此n = R2/R1=R4/R3。则可将Uo表示为而电桥电 压灵敏度定义为 :,因此无差动半桥,其中对非线性项进行数学运算,易得灵敏度最大时n=1,即R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时的灵敏度为

而此结果的得出是建立在忽略 ΔR1/R1的数值得出的理想值,因此存在误差,实际真实的数值应该为

因此误差大小为:

因此无差动半桥电路具有非线性误差和不具有温度补偿功能,灵敏度为

3差动半桥与差动全桥电路

在上文的无差动半桥中,不仅存在非线性误差,实际上还存在温度误差,灵敏度不高的缺点,因此可以进行如下两种提升方法,分别是2个应变片的差动半桥和4个应变片的差动全桥

应变测量系统误差分析 篇4

【关键词】三、四等水准测量；一般要求；误差来源；措施

0.引言

在水文和水利工作中，水准测量是一项基础工作。建立测站高程控制，联测水准点、高程基点、水尺零点以及固定点等高程时，都需进行水准测量，作为水位、地下水位、冰棱、流量、泥沙等测验的直接或间接依据[1]。

1.三、四等水准测量的一般要求

三等水准路线长度一般应不大于50km，四等水准路线长度一般应不大于15km，环形路线周长一般应不大于40 km 。三、四等水准测量应采用不低于国内水准仪系列的S3级水准仪[2]，水尺零高的测量一般应使用S3级水准仪，见表1.1。水准标尺应采用双面水准尺。三、四等水准测量在每仪器站的允许视线长度，前后视距不等差，应符合表1，2规定，其视线高度要求三丝能读数。三、四等水准测量观测限差应符合表1.3的规定。往返测量高差不符值，路线、环闭合差限差应符合表1.4的规定。

2.水准测量的误差来源及其消减方法

在水准测量，由于受仪器、外界条件，以及观测员感觉器官反映不同的影响，使测量成果存在一定的误差。为了使成果达到规定的精度要求，对测量中产生误差的原因，必须加以分析和研究，以便采取适当的措施和方法，使测量误差尽可能地减小或者予以消除。在观测中，由于观测员不细心而造成的错误，应该完全避免。

2.1水准仪校正不完善产生的误差

在水准测量前，虽然对水准仪进行了检验和校正，但是不可能做到绝对的准确，例如望远镜视准轴与水准管轴不平行，两轴之间还有一个微小的角度i，这项误差在观测中，如果把水准仪安置在前、后两水准尺的中央，可以消除这项由于仪器校正不完善造成的误差。

2.2水准尺误差

水准尺误差包括水准尺尺面的分划不均匀和尺底的零点不准等。因此对使用的水准尺要用标准尺检验，并检查尺底的铁板是否完好。

2.3读数误差

在水准尺上读数产生误差的原因，一方面是由于视差的存在，另一方面是估读毫米时不准确。视差的存在应该仔细的对光和调节目镜予以消除，但是在估渎毫米时由于观测员用十字丝横丝在1厘米的间隔内估计，而1厘米的分划是通过望远镜放大后的成像，因此毫米数估读得是否准确与厘米像的宽度有密切的关系，此外也与十字丝本身粗细有关。望远镜放大倍率小，仪器到水准尺的距离远，水准尺的成像就小，估读毫米的读数误差就大。所以在一般水准测量中，要求望远镜放的倍率不小于20倍，前后视视线的长度小超过100m。

2.4水准尺扶持得不直产生的误差

观测员容易发觉水准尺左右倾斜，如果水准尺前后倾斜观测员就 难以觉察。由于水准尺向前或向后倾斜，读数总是比竖直时要大，并且视线越高，误差越大，所以读数通常不宜超过2.7m。如果水准尺上装置有圆水准器，当气泡居中时，表明水准尺竖直。

2.5仪器和尺垫下沉产生的误差

由于仪器和尺垫本身的重量以及地面土质琉松的原因，仪器可能下沉，使水准仪的视线降低，以致使后读的前视读数减小或者加大，从而使测得的高差比正确的高差大或者小。所以在安置仪器时应该选择在土质坚实的地点，并将三脚架和尺垫踩紧，同时尽可能的加快观测速度，以避免此项误差。

2.6温度和大气折光的影响

在有太阳的天气进行测量时，应该用伞遮住阳光，否则由于仪器受热不匀会影响水准管气泡居中，不仅影响测量成果，而且会损坏仪器。根据研究，当温度变化10℃时，i角变化可能达到1～2″，有时还可能发生突变。

由于大气折光的影响，视线是弯曲的，使实际读数比水平视线的读数小。在平坦地区，如果前、后视距离相等，视线受折光的影响相同，大气折光差可以消除。如果在山区，水准路线始终是上坡或下坡，前、后视视线受折光的影响就会有较大的差异。所以只有把视线缩短，使视线距地面有一定的高度，可以减少大气折光的影响。

3.结语

上述三、四等水准测量中的各项误差来源，都是采用单独影响进行分析，由于随机误差还有相互抵消的特点，会自行抵消一部分，在实际中是综合影响。测量中只要注意误差来源，采取相应措施，严格 执行SL58-93《水文普通水准测量规范》的各项规定，测量误差将会大幅减少，从而提高测量精度。

【参考文献】

[1]水利部.水文测验实用手册.北京：中国水利水电出版社，2013，02.

三坐标球头测量系统误差分析 篇5

关键词：三坐标,测量,测头,系统,补偿,误差

1 现状分析

在三坐标测量中, 对于测量软件中测头系统补偿误差存在两个观点, 第一个观点:测量机厂家海克斯康认为其补偿系统误差很小, 对于我们公司现有产品的测量精度要求完全可以满足, 我们现在在测量中是打开测头补偿系统进行测量的;第二个观点:608 所和西工大认为测头系统补偿有一定的误差, 所以在测量时关闭测头补偿系统。最近在测量叶轮中, 有设计人员提出了测头选取的大小会一定的测量误差, 对零件的测量结果有一定的影响, 针对该问题, 我们决定作以理论和实际的分析研究, 得到确切的结论。

2 球头补偿原理

2.1 测头的定义及校验

在对工件进行检测之前, 需要对所使用的测杆进行定义及校验。在PC-DMIS的测头功能中按照实际采用的测杆配置进行定义, 并添加所用到的测头角度。之后用标准球对其进行校验, 得到正确的球径和测头角度。

2.2 校验测头的目的

在进行工件测量时, 在程序中出现的数值是软件记录测杆红宝石球心的位置, 但实际是红宝石球表面接触工件, 这就需要对实际的接触点与软件记录的位置沿着测点矢量方向进行测头半径、位置的补偿, 消除以下三方面误差:

(1) 理论测针半径与实际测针半径之间的误差。

(2) 理论测杆程度与实际测杆长度的误差。

(3) 测头旋转角度之误差。

通过校验消除以上三个误差, 得到正确的补偿值。因此, 校验结果的准确度, 直接影响工件的检测结果。

3 观点说明

3.1 错误观点

一部分人认为, 在实际测量是, 每测量一个元素, 系统都可以自动区分测球半径的补偿方向, 计算正确的补偿半径。在采点开始后, 测量软件将在沿着测针接触工件的方向上对测球进行半径补偿。但被补偿点并非真正的接触点, 而是测头沿着测针接触工件方向的延长线上的一个点。这样就造成了测头半径补偿误差, 产生误差的大小与测球的半径与该工件被测面与笛卡尔坐标轴的夹角有关, 夹角越大, 误差越大, 详见图1。

3.2 正确观点

软件在获取每一个触测点时, 得到的是测针红宝石球球心点的位置, 我们最终想要获得的是红宝石球与工件表面接触的特征点, 这两个点之间的间距为触测方向 (矢量方向) 上的测针半径值, 这就需要通过测头补偿来实现, 即将红宝石球心点沿测针触测方向 (矢量方向) 补偿测针半径之后, 得到工件的特征点, 而不是竖直方向的延长点。

4 测量验证

从研究三坐标测量系统的补偿原来我们可以发现, 正常经过校验的测头, 打开补偿控制要求, 理论上不会出现测量误差。为了验证测头打开补偿状态测量误差, 进行了不同球径在平面与曲面的测量对比。

4.1 平面测量

(1) 使用准1.5 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(2) 使用准2 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(3) 使用准3 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(4) 使用准5 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

4.2 曲面测量

(1) 使用准5 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(2) 使用准2 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(3) 使用准3 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(4) 使用准5 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

5 结束语

经过对球头测量原理的分析与实际测头直径在平面与曲面上的测量对比, 我们可以得出结论, 就是测头直径的大小对测量精度有一定的影响, 测头直径大比直径小的精度要低万分之三到万分之五左右, 这样的精度对测量常规零件的影响是可以忽略不记, 实际测量中出现的问题是由于产品本身不合格所导致。

参考文献

[1]QUINDOS7培训手册[Z].海克斯康测量技术有限公司.

应变测量系统误差分析 篇6

关键词：高速摄影,运动分析系统,误差

0 概述

高速摄影运动分析系统是利用摄影手段对被测对象进行连续高速拍摄, 并据此进行运动参数分析的专用设备, 完成高速拍摄的设备称为高速摄影机。高速摄影机的拍摄速率可高达每秒数千帧、数万帧乃至数十万帧;最初的高速摄影机使用摄影胶片, 称为胶片式高速摄影机, 近年来, 随着计算机技术和数字存贮技术的发展, 出现了采用数字存贮技术的数字式高速摄影机, 并因其使用方便, 使用成本低等优点得到迅速普及。

高速摄影运动分析系统的基本组成是:高速摄影机及其附件、控制分析计算机和运动分析软件, 各部分的作用如下:

(1) 高速摄影机及其附件:高速摄影机用于将研究对象以一连串图像的方式连续记录下来, 并将其存贮在内部存贮器中。高速摄影机的附件包括镜头、接线盒、灯具等, 在拍摄时起着辅助作用。

(2) 控制和分析计算机:该计算机用于控制数字式高速摄影机设定拍摄参数, 并完成拍摄和图像下载、传输和转换。同时, 配合运动分析软件, 该计算机还可完成被测对象的运动参数分析。

(3) 运动分析软件:运动分析软件是一种特殊的计算机软件, 它根据高速摄影机的拍摄结果, 利用图像分析技术得到图像上运动目标的运动参数, 这些参数包括:时间、线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度、角加速度等。

1 高速摄影运动分析的特点

目前, 胶片式高速摄影机已经退出历史舞台, 已被数字式高速摄影机所取代。数字式高速摄影运动分析系统的特点是数据直观、可视、便于回放观察, 实现了与运动目标的无接触测量, 尤其可以进行多目标、多运动参数的同步测量, 且具有很强的抗干扰能力。

2 高速摄影运动分析系统测量误差的主要来源

高速摄影运动分析的误差主要来自以下几个方面:

2.1 时基误差

模拟式高速摄影机的时基误差取决于胶片走片机构的运动误差、主轴马达的运动稳定度。而数字式高速摄影机由于采用了频率高达数十兆赫兹的高精度晶振作为其时间基准, 时间精度非常高, 以Kodak EKTAPRO RO-Imager型高速摄影机为例, 其时间误差仅为10-7S, 新型数字式高速摄影机的时基误差更低至10-8以下;因此, 数字式高速摄影机的时基误差可以忽略不计。

2.2 摄影器件的感光灵敏度

感光灵敏度是衡量摄影机质量的重要指标之一, 定义为单位光照强度入射在摄影感光器件产生的输出量, 单位为μA/Lx, 感光灵敏度越高, 获得期望的信噪比输出所需要的辐射照度越小, 在同样的环境照度下就能够获得较好的图像亮度, 或者说得到预期的图像亮度所需要的照度越小。较高的灵敏度可使摄影机获得高亮度的图像, 这对运动分析是非常重要的。

2.3 信噪比和动态范围

信噪比定义为器件的有用信号与噪声信号之比, 动态范围的定义为感光器件饱和信号电压与噪声电压的均方根值之比;两者都用分贝表示:

信噪比=20log (信号/噪声)

动态范围=20log (饱和信号电压/RMS噪声电压)

动态范围反映了摄影机的工作照度范围, 信噪比则影响着图像的成像质量, 两者越高, 所获得的图像的质量越高;反之, 图像的信噪比越差, 噪声信号就会大量出现, 干扰正常信号, 从而给运动分析带来困难并加大测量误差。

2.4 分辨率

像素是数字图像的基本单位, 图像分辨率的大小直接影响到运动分析的位置精度。分辨率越高, 像素间距越小, 目标点的定位精度越高, 因此分析精度越高。

2.5 拍摄速率

即摄影机在单位时间内拍摄的帧数, 单位FPS (Frames Per Second) 或帧/秒, 对应于数字信号处理里的采样频率。拍摄速率越高, 则对运动位置的分辨能力越高, 对应的曝光时间越短, 要求的光照条件越高。在实际拍摄时应选用合适的拍摄速率, 过高的拍摄速率可能导致速度微分处理时的误差效应;过低则帧间隔过大, 会过分损失目标运动的细节和位置精度。

2.6 环境光照

合适的光照是良好的拍摄效果的前提和必要保证, 光照过低则图像画面昏暗、噪声加大, 无法观察和分析;反之, 如果光线太强, 则会出现过渡曝光, 损失图像的细节, 也不便于观察和运动分析。

2.7 聚焦清晰度

调整物距可获得较好的图像清晰度, 但如果聚焦不良, 则画面模糊不清, 增加了确定目标位置的难度, 因而影响分析结果。

2.8 曝光时间 (快门速度)

曝光时间是每一帧图像拍摄时快门的开启时间, 它与拍摄帧速率、目标运动速度等参数密切相关。使用合适曝光时间是使运动目标得到清晰成像的前提。曝光时间过长, 目标物会在画面上留下虚影或叫拖尾, 直接增大分析结果的误差;曝光时间过短, 则图像曝光不充分, 画面暗淡不清, 无法进行分析。

2.9 光圈

光圈是调节控制镜头光线通径的装置, 光圈的大小决定了单位时间内的曝光量。因此, 在照度有限的情况下, 较小的光圈可以得到较亮的图像效果。但光圈同时控制着成像的景深, 光圈越小则成像清晰的前后范围越大, 反之则越小。

2.10 视野 (或取景范围)

视野大小与物体成像的尺寸成反比。视野太小时, 虽然可以得到较大的目标图像, 像素距离较小, 相对应的位置精度较高, 但无法得到较大的运动分析范围;视野太大时, 可以统全局, 有着较大的运动分析范围, 但像素距离大, 对应的位置精度较低。因此在拍摄时要根据实际需要, 选择合适的取景范围。

2.11 镜头光学轴线与目标运动平面的垂直度

正常情况下, 摄影镜头的光学轴线应与被测目标的运动平面处于垂直关系。如果发生倾斜, 由于透视原理的存在, 成像的不同部位将会有不同的形状比例, 由此给测量结果带来误差。

2.12 摄影球面位置误差

球面误差是摄影所固有的系统误差, 原因是因为摄影机在拍摄时, 将距离摄影镜头相同的位置的球面景象投影到成像平面。由于一般摄影时视野有限, 物距较远, 因而不易觉察, 但在进行近焦拍摄和广角拍摄时, 其造成的变形非常明显。

3 减小测量误差的方法

根据上述分析结果, 可有针对性地采取措施, 以减小高速摄影测量误差。下面结合实际测量经验, 给出一些减小误差的方法和建议:

3.1 选择像素分辨率高的高速摄影机, 并根据测量目标的运动范围调整视野, 尽可能提高图像的物理分辨率

高速摄影机的像素分辨率越高, 则对于同一摄影视野, 其物理分辨率也越高;同时, 选择合适的摄影视野 (即摄影宽度和高度) , 在被测目标点及其运动范围全部被包络的基础上, 尽可能缩小视野, 可充分利用摄影机的像素分辨率, 从而使实际拍摄的物理分辨率达到最佳。

3.2 增加环境亮度并减小光圈, 提高目标区域的亮度, 并调整曝光时间和焦距, 以获得最佳的成像质量

增加环境亮度可提高成像亮度, 减小光圈可进一步提高成像亮度, 通过调整曝光时间和焦距, 可依获得最佳的成像质量, 即:适宜的亮度, 清晰的图像。同时, 小光圈可获得较大的景深, 对于运动分析来说, 大景深有利于对复杂目标上的各点取得较好的清晰度。值得注意的是:目标点的亮度并不是越高越好, 适宜的目标点是其边缘清晰, 内部灰度均匀, 周围无明显噪点, 整体不出现曝光过度。

3.3 保持摄影光轴与目标运动平面垂直

摄影光轴与目标运动平面部垂直, 将导致目标在运动平面内的相同距离在成像平面内的投影距离不一致, 从而产生测量误差, 且此误差大小和方向随目标所处的位置不同而不同。因此, 不可为了调节拍摄范围的需要而使摄影光轴倾斜。

3.4 尽可能远的拍摄距离

如前所述, 拍摄距离过近, 其球面效应越明显, 测量误差越大, 因此, 在保证拍摄范围的条件下, 应尽可能将拍摄距离调远。

4 结语

数字式高速摄影机因其在运动分析上的显著优势而得到广泛应用, 但由于其测量方法的特殊性, 使得其在许多方面会产生测量误差, 因此, 根据测量误差产生的原因对测量过程中进行控制, 可依有效减小测量误差。

参考文献

[1]薛以平, 曾勇.现代摄影教程[M].中国建筑工业出版社, 2008, 9.

[2]杨再华.摄影测量的动态测量应用[J].电子机械工程, 2008, 2.

干燥箱温度测量中系统误差的分析 篇7

关键词：测量,系统误差,分析

文章以干燥箱温度测量来分析系统误差对测量结果的影响。

以标准设备在干燥箱150℃点连续测量10次, 得到数据如下 (℃) :150.06, 150.07, 150.06, 150.08, 150.10, 150.12, 150.14, 150.18, 150.18, 150.21。

1 分析系统误差产生的原因

系统误差是由固定不变的或按确定规律变化的因素造成的, 此次测量产生系统误差的原因如下。

1.1 测量用标准设备的因素

如标准设备设计原理上的缺点, 仪器制造和安装不正确, 仪器制造偏差等。

1.2 环境方面的原因

测量时的实际温度对标准温度的影响, 测量过程中温度按一定规律变化的影响。

1.3 测量方法的因素

采用近似的测量方法或近似的计算公式的影响。

1.4 测量人员的因素

由于测量者的个人特点, 在刻度上估读时的习惯, 动态测量时, 记录某一信号有滞后的倾向。

2 残余误差观察法分析测量的系统误差

怎样发现此次测量的系统误差, 必须根据具体测量过程和测量仪器进行全面的仔细的分析, 下面用残余误差观察法分析此次测量的系统误差。

残余误差观察法是根据测量列的各个残余误差大小和符号的变化规律, 直接由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。

若有测量值:T1T2……Tn

它们的系统误差为:△T1△T2……△Tn

它们不含系统误差i值为:T1'T2'……Tn,

则有:

如系统误差显著大于随机误差, Vi'可忽略, 则:

上述说明, 显著含有系统误差的测量, 其任一测量值的残余误差为系统误差与测量系统误差平均值i差, 将测量的残余误差列表进行观察, 可以判断有无系统误差。

在此次干燥箱温度测量中, 通过计算得

由得到数据如下 (℃) :

残余误差符号由负变正, 误差值由小到大, 则测量中存在线性系统误差。

3 如何减小或消除此次测量的系统误差

综合以上分析, 此次测量中存在线性系统误差, 对称法是消除线性系统误差的有效方法。在上面测量中,

可以以测量列i=6为中点, 重新测量取它两侧的读数的算术平均值作为测量值, 即可消除此次测量的线性系统误差。

参考文献

[1]张世英, 刘志敏.测量实践的数据处理[M].科学出版社.

应变测量系统误差分析 篇8

近年来,由于国际上有关PWV的研究持续升温,我国的学者、医疗机构、国家职能部门也开始关注该领域的研究和进展,但有关相关技术测量准确性和重复性的研究和报道则较少。武阳丰等人[6]曾观察过一些受检者检测的重复性,但并没有观察不同误差状态的设置对检测结果的影响。本文将研究不同误差状态的设置对PWV检测结果的影响。

1 材料与方法

90名年龄在(18～40)岁的健康体检人群,男女各半。采用脉搏波速度测定系统Complior仪(Artech-Medical公司,法国)检测受检人群不同节段的脉搏波速度(PWV)包括:颈股CF-PWV,颈桡CR-PWV,颈远端CD-PWV,分别反映主动脉、上肢动脉和下肢动脉的僵硬度。

测量前,受检者静息3分钟,平卧于床上,分别将颈动脉、股动脉、桡动脉、足背动脉探头置于相应位置脉搏波动最强点,采集脉搏波信号,计算PWV。

测量PWV时,将3组受检人群检测时的动态误差分别设置在15%>误差>10%、10%误差>5%、5%>误差三种误差状态下,重复测量各节段的PWV值,观察不同误差设置对检测结果的影响。

采用配对t检验比较不同误差状态对PWV检测结果的影响。

2 结果

*P<0.05;**P<0.01.

从表1、表2可以看出:各节段PWV值无显著差别;15%>误差>10%vs 10%>误差>5%只有颈桡CR-PWV节段有统计学意义,10%>误差>5%vs误差<5%则各节段PWV值无显著差异;但误差<5%vs15%>误差>10%各节段PWV均显示出统计学差异,这说明,不同误差设置,尤其是在动态误差>10%时,会显著影响PWV检测结果的准确性。

3 讨论

国内外有关动脉僵硬度的文献已有数千篇,研究领域涵盖了健康体检、心血管、脑血管、内分泌、肾病等多种疾病。结果表明,PWV是心血管疾病预后的最佳预测指标,是晚期肾病病人预后的重要预后指标,对高血压、糖尿病等疾病的治疗具有重要的指导意义[7,8,9]。动脉僵硬度的检测指标包括PWV、反射波增强指数(AI)、中心动脉压分析等,得到国际上公认、应用最广的方法是PWV检测。有关采用PWV研究动脉僵硬度的文献也是最多的。

国外早在上个世纪90年代Asmar等人就观察了自动测量的Complior仪与经典手工测量方法的重复性,发现二者具有极高的重复性[10]二者相关系数高达0.99。日本学者也曾研究过baPWV与CF-PWV的相关性,二者的相关系数为0.87[1],但有些个体的误差很大。自从Complior推出能够自动检测误差的第四代产品以来,尚未见不同的误差设置对检测结果的影响。本研究在国内外首次研究了不同误差设置对检测结果的影响,发现当误差>10%时,会显著影响检测结果,而在10%>误差>5%及误差<5%对检测结果不明显。这说明,误差大小的设置会对检测结果产生明显影响。

参考文献

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[8]Alain P.Guerin,Jacques Blacher,Bruno Pannier,Sylvain J. Marchais,Michel E.Safar and Gérard M.London.Impact of Aortic Stiffness Attenuation on Survival of Patients in End-Stage Renal Failure[J].Circulation 2001;103;987-992

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