測(cè)量技術(shù)的基本知識(shí)

1、過程參數(shù)檢測(cè)及儀表,系 部：自動(dòng)化系教研室：測(cè)控技術(shù)與儀器教 師：張立峰 hdlfzhang@126.com,,,,,,,,,,第一章 緒論,測(cè)量的意義及發(fā)展方向 測(cè)量方法 測(cè)量系統(tǒng) 測(cè)量?jī)x表的主要性能指標(biāo)儀表的檢定,第一節(jié) 測(cè)量的意義及發(fā)展方向 一、測(cè)量與誤差 1.測(cè)量的定義：測(cè)量是利用某種工具并以實(shí)驗(yàn)或計(jì)算的方法獲取被測(cè)參數(shù)數(shù)值的過程。具體說，是指被測(cè)參數(shù)與預(yù)

2、先確定的被測(cè)參數(shù)的“單位”進(jìn)行比較，并獲取比值的過程。 2.測(cè)量的基本公式： x = αUx 式中 x——被測(cè)參數(shù)（被測(cè)量）的數(shù)值; Ux——測(cè)量單位； α——測(cè)量獲得的比值，又稱為測(cè)量值。 實(shí)際的關(guān)系式應(yīng)該是 x ≈ αUx,3. 測(cè)量過程有三要素

3、一是測(cè)量單位；二是測(cè)量方法；三是測(cè)量工具 。二、檢測(cè)技術(shù)及儀表的發(fā)展趨勢(shì) （1）傳感器逐漸向集成化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、組合化方向發(fā)展；（2）不斷拓展測(cè)量領(lǐng)域和范圍，努力提高檢測(cè)精度和可靠性；（3）軟測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合處理方法等新技術(shù)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；（4）非接觸法檢測(cè)技術(shù)得到重視和發(fā)展；（5）檢測(cè)系統(tǒng)智能化。,第二節(jié) 測(cè)量方法的分類 根據(jù)分類依據(jù)的不同，測(cè)量方法主要有以下幾種分類方法 1、

4、直接測(cè)量、間接測(cè)量、組合測(cè)量 2、接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量 3、靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量 4、偏差法、零差法、微差法 5、等精度測(cè)量、非等精度測(cè)量,第三節(jié) 測(cè)量系統(tǒng),一．測(cè)量系統(tǒng)的組成,一個(gè)完整的檢測(cè)過程，一般應(yīng)包括：①信息的提取 —— 用傳感器來完成。②信號(hào)的放大、轉(zhuǎn)換與傳輸 —— 用中間轉(zhuǎn)換裝置來完成。③信號(hào)的顯示和記錄 —— 用顯示器、指示器或記錄儀完成。④信號(hào)的處理和分析 —— 用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)分析儀、頻譜分

5、析儀等來完成。,,,,二、測(cè)量系統(tǒng)各部分的作用 1、檢出部分 檢出（detection)部分是測(cè)量系統(tǒng)中形式最多樣、與被測(cè)對(duì)象關(guān)聯(lián)最密切的部分。擔(dān)當(dāng)檢出功能的器件統(tǒng)稱為傳感器（Sensor)。 對(duì)傳感器有以下的要求： ① 傳感器的輸出信號(hào)與被測(cè)參數(shù)在數(shù)值上應(yīng)呈單值關(guān)系，最好是線性關(guān)系； ② 傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)該只響應(yīng)被測(cè)參數(shù)的變化，其他一切可能的輸入信號(hào)（包括噪聲信號(hào)）不能影響輸出信號(hào)； ③ 傳感

6、器對(duì)被測(cè)對(duì)象狀態(tài)的影響應(yīng)盡量小。,傳感器的輸出一般有以下一些特點(diǎn)：① 輸出量為電壓、電流或頻率的變化，或者是通過電阻、電容、電感的改變轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率的變化。有模擬量和數(shù)字量?jī)煞N形式。② 輸出的電信號(hào)一般較微弱，如電壓信號(hào)為毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)，電流信號(hào)為毫安級(jí)甚至納安級(jí)。③ 由于傳感器內(nèi)部噪聲的存在，輸出信號(hào)與噪聲混在一起。若傳感器的信噪比較小而輸出的信號(hào)又弱時(shí)，則信號(hào)淹沒在噪聲中。④ 傳感器的輸出特性呈線性或非線性。⑤

7、外界環(huán)境如溫度、濕度、電磁場(chǎng)等的變化會(huì)影響傳感器的輸出特性。,（2） 信號(hào)變換部分 信號(hào)變換（Signal conversion）是使檢出的信號(hào)變換成適合于分析處理的信號(hào)。進(jìn)行變換時(shí)，重要的是考慮原始信號(hào)中哪些信息是希望了解的，以及如何不丟失和不歪曲有用信息。（3） 分析處理顯示部分 顯示部分是測(cè)量系統(tǒng)的輸出部分。測(cè)量系統(tǒng)通過它的顯示元件向觀察者反映被測(cè)參數(shù)的數(shù)值。 顯示元件按其顯示方式的不同可分為

8、模擬式顯示元件、數(shù)字式顯示元件和屏幕式顯示元件三種。,（4）通信接口與總線（Communication interface and bus）部分 其基本功能是管理兩個(gè)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息的傳輸和交換。一個(gè)大型檢測(cè)系統(tǒng)中有許多測(cè)量分系統(tǒng)或測(cè)量節(jié)點(diǎn)，分系統(tǒng)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)信息和測(cè)量狀態(tài)、上位機(jī)向下發(fā)布命令或各分系統(tǒng)之間交換信息都通過接口進(jìn)行。,三、熱工儀表及其分類 （l）按參數(shù)種類不同，熱工儀表可分為溫度、壓

9、力、流量、料位、成分分析及機(jī)械量等測(cè)量?jī)x表。 （2）按顯示功能的不同，可分為指示儀表、記錄儀表、積算式儀表及信號(hào)式儀表等。 （3）接儀表組成系統(tǒng)的方式不同，可分為直接變換式和平衡式兩種儀表。,第四節(jié) 測(cè)量?jī)x表的主要性能指標(biāo) 一、儀表的計(jì)量性能指標(biāo) 幾個(gè)概念： 儀表測(cè)量范圍 儀表在保證規(guī)定精確度的前提下所能測(cè)量的被測(cè)量的區(qū)域稱為儀表的測(cè)量范圍。 儀表的上、下限 在上述相同條件下儀表所能測(cè)量的被測(cè)量的最高

10、、最低值分別稱為儀表測(cè)量的上限和下限（簡(jiǎn)稱上、下限，又稱儀表的零位和滿量程值）。 儀表的量程 儀表的量程是指測(cè)量范圍上限與下限的代數(shù)差。,1、準(zhǔn)確度 （1）示值誤差 示值誤差是指儀表的某一個(gè)測(cè)量值（示值）的誤差，它反映在該點(diǎn)儀表示值的準(zhǔn)確性。示值誤差?？捎萌N形式表示。 1）示值的絕對(duì)誤差 2）示值的相對(duì)誤差 3）示值的引用（折合）誤差 示值的絕對(duì)誤差和示值的相對(duì)誤差不能作為

11、儀表的誤差。,(2) 儀表的基本誤差與精確度等級(jí) 基本誤差 在規(guī)定的正常工作條件下，儀表整個(gè)量程范圍內(nèi)各點(diǎn)示值誤差中絕對(duì)值最大的誤差稱為儀表的基本誤差。 一般可用絕對(duì)誤差（δb）和引用誤差(γb)兩種形式表示。,允許誤差 按計(jì)量部門的規(guī)定，儀表廠家保證某一類儀表的基本誤差不超過某個(gè)規(guī)定的數(shù)值，此數(shù)值就被稱為儀表的允許誤差（容許誤差）。 允許誤差也可用絕對(duì)誤差與引用誤差兩種形式表示，其符號(hào)分別為δ

12、a和γa。 注意: 允許誤差是一種極限誤差，在儀表刻度范圍內(nèi)各點(diǎn)的示值誤差均應(yīng)保證小于至多等于允許誤差值。,精確度等級(jí) 以引用誤差（γa）的形式表示的允許誤差去掉百分號(hào)剩下的數(shù)值就稱為儀表的精確度等級(jí)（或準(zhǔn)確度等級(jí)），俗稱精度級(jí)。 要掌握: 精確度合格的儀表應(yīng)滿足其基本誤差不大于儀表的允許誤差，是否滿足這一要求是儀表檢定工作的主要任務(wù)之一。注意理解：基本誤差、允許誤差和儀表的精確度等級(jí)的關(guān)系。

13、,2、儀表的靈敏度 儀表的靈敏度是指其輸出信號(hào)的變化值與對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)變化值的比值。用數(shù)學(xué)形式表示，在某一點(diǎn)處儀表的靈敏度為式中 S——在某一點(diǎn)處儀表的靈敏度； φ——儀表的輸出信號(hào)； x ——儀表的輸入信號(hào)。求得儀表的靈敏度后注意： 不要把單位丟掉?。?！,3、線性度 線性度反映儀表的輸入一輸出特性曲線與選用的對(duì)比直線之間的偏離程度。線性度又稱為非線性誤差

14、。 常用的對(duì)比直線有三種情況，對(duì)應(yīng)有三種線性度的表示方式: 1）端基線性度 2）零基線性度 3）最小二乘線性度,三種線性度表示法示意（a）端基線性度（b）零基線性度（c）最小二乘線性度,注意：選用的對(duì)比直線不同，計(jì)算結(jié)果不同。端基：直接連接兩端點(diǎn)；零基：下限值重合，最大正負(fù)絕對(duì)值相等,4、回差（又稱變差、滯后誤差） 定義：輸入量上升和下降時(shí)，同一輸入量相應(yīng)的兩輸出量平均值之間的最大偏差與量程之比的百分?jǐn)?shù)

15、稱為儀表的回差。 產(chǎn)生的原因：它通常是由于儀表運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦、間隙、彈性元件的彈性滯后等原因造成的。,,5、 分辨率 分辨率反映儀表對(duì)輸入量微小變化的反應(yīng)能力。 模擬儀表的分辨率是指使儀表示值產(chǎn)生可觀察變化對(duì)應(yīng)輸入量的最小變化值； 數(shù)字儀表的分辨率的定義是使末位數(shù)產(chǎn)生單位變化對(duì)應(yīng)的輸入量的變化值。 對(duì)應(yīng)的輸入量變化值越小，分辨率就越高。從測(cè)量角度看，希望儀表分辨率高些好。,二、儀表的可靠性

16、 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的日益提高，測(cè)量?jī)x表的任務(wù)不僅是提供精確的讀數(shù)，而且常常是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的一個(gè)組成部分。測(cè)量?jī)x表的故障會(huì)影響控制系統(tǒng)，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)裝置的嚴(yán)重事故。衡量檢測(cè)儀表的可靠性還沒有專門的尺度，目前主要有三個(gè)指標(biāo)來描述，它們是保險(xiǎn)期、有效期和狹義可靠性。,① 保險(xiǎn)期 儀表使用后能有效地完成規(guī)定任務(wù)的期限，超過了這一期限可靠性就逐漸降低。② 有效性 儀表在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能正常工

17、作的概率。概率的大小取決于系統(tǒng)故障率的高低、發(fā)現(xiàn)故障的快慢和故障修復(fù)時(shí)間的長(zhǎng)短。③ 狹義可靠性 由結(jié)構(gòu)可靠性和性能可靠性兩部分組成。前者指儀表在工作時(shí)不出故障的概率，后者指儀表能滿足原定要求的概率。 定量描述檢測(cè)儀表可靠性的度量指標(biāo)有可靠度、故障率、平均無故障工作時(shí)間、平均故障修復(fù)時(shí)間等。,● 可靠度R(t)是指儀表在規(guī)定工作時(shí)間內(nèi)無故障的概率。如有100臺(tái)同樣的儀表，工作了1000h后只壞了一臺(tái)，就可

18、以說這批儀表在1000h后的可靠度是99％。反之這批儀表的不可靠度F(t)就是1％。顯然R(t)=1－ F(t)?！?故障率是指儀表工作到 t 時(shí)刻時(shí)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率。 可靠度和故障率的關(guān)系是 ?！?平均無故障工作時(shí)間是儀表在相鄰兩次故障間隔內(nèi)有效工作時(shí)的平均時(shí)間，用MTBF (Mean Time Between Failure）來代表。 ● 平均故障修復(fù)時(shí)間MTTR (Mean Time to

19、 Repair)是儀表出現(xiàn)故障到恢復(fù)工作時(shí)的平均時(shí)間。,,示值的修正值及修正系數(shù) 示值的修正值 被測(cè)量真值與儀表的示值之差稱為該示值的修正值，以符號(hào)c表示。 c＝ α-x， α＝ x +c 顯然，c = -δ，即示值的修正值與誤差值大小相等但符號(hào)相反。 修正系數(shù)(K): 通過計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)方法求得的系數(shù)。

20、 α=Kx 在實(shí)際工作中通過示值加修正值的方法對(duì)示值進(jìn)行修正，可提高測(cè)量結(jié)果的精確度。,舉例1: 一塊溫度表，測(cè)量范圍0—1000℃，0.5級(jí)準(zhǔn)確度，滿量程指針總位移為200 mm，對(duì)該表檢定結(jié)果如下所示。求：（1）各示值的絕對(duì)誤差及相對(duì)誤差；（2）儀表的基本誤差，該儀表合格否？（3）儀表的平均靈敏度。 被檢表讀數(shù)（℃） 0，100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000標(biāo)準(zhǔn)

21、表讀數(shù)（℃） 0，99，202，304，398，502，604， 705，800，895，1000,舉例2: 已知某溫度儀表的的測(cè)溫范圍為200～600℃，儀表刻度盤上小圓圈內(nèi)標(biāo)有1.0數(shù)字，試問該儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)、允許誤差各為多少？?jī)x表最大允許示值誤差為多少攝氏度？對(duì)上述溫度表進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，在各校驗(yàn)點(diǎn)上的數(shù)值如下表所示： 儀表示值 200，300，400，500，600 標(biāo)準(zhǔn)表示值 正

22、 200，301，399，498，601 反 200，300，398，497，601 根據(jù)校驗(yàn)記錄，計(jì)算該表的基本誤差和變差？判斷該表是否合格？,第五節(jié) 儀表的檢定 為評(píng)定儀表的計(jì)量性能（精確度、靈敏度等），并確定其性能是否合格所進(jìn)行的全部工作稱為檢定，又稱校驗(yàn)。 按產(chǎn)生被測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)量值的方法不同，儀表的檢定方法可歸納成標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法和示值比較法兩種。,（l

23、）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢定法 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是指能提供某一種參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)量值的物質(zhì)。例如在某種標(biāo)準(zhǔn)條件下，純金屬的固一液相平衡點(diǎn)（熔點(diǎn)）溫度為恒定值而可作為溫度檢定的標(biāo)準(zhǔn)量值。用被檢定儀表去測(cè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)提供的標(biāo)準(zhǔn)量以確定其性能的方法就稱為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢定法。,（2）示值比較檢定法 這種方法是用標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)被檢定儀表進(jìn)行檢定。被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表同時(shí)測(cè)同一被測(cè)量，把標(biāo)準(zhǔn)表的示值當(dāng)成真值（約定真值），比較二者的示值以確定被檢儀表有關(guān)性

24、能指標(biāo)，這就是示值比較檢定法。 為保證檢定工作的質(zhì)量，一是要求標(biāo)準(zhǔn)表的精確度要足夠高，一般要求其允許誤差應(yīng)小于（1／4～1／10）被檢表的允許誤差；二是在檢定時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格保證標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表測(cè)量的是同一參數(shù)值。,小結(jié)： 本章主要介紹了測(cè)量技術(shù)的基本知識(shí)。重點(diǎn)掌握測(cè)量?jī)x表的組成、儀表的質(zhì)量指標(biāo)及儀表的檢定方法。 對(duì)儀表的質(zhì)量指標(biāo)，要理解各個(gè)指標(biāo)的含義，要能做到根據(jù)檢定結(jié)果計(jì)算質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)