测量技术的基本知识

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1、过程参数检测及仪表系 部：自动化系教研室：测控技术与仪器教 师：张立峰 第一章第一章 绪论绪论 测量的意义及发展方向测量的意义及发展方向 测量方法测量方法 测量系统测量系统 测量仪表的主要性能指标测量仪表的主要性能指标仪表的检定仪表的检定 一、测量与误差一、测量与误差 1.1.测量的定义：测量的定义：2.2.测量的基本公式：测量的基本公式：x=Ux=Ux x 实际的关系式应该是实际的关系式应该是x Ux Ux x3.3.测量过程有三要素测量过程有三要素 一是测量单位；二是测量方法；三是测量工具一是测量单位；二是测量方法；三是测量工具 。二、检测技术及仪表的发展趋势二、检测技术及仪表的发展趋势（

2、1 1）传感器逐渐向集成化、数字化、智能化、网络）传感器逐渐向集成化、数字化、智能化、网络化、组合化方向发展；化、组合化方向发展；（2 2）不断拓展测量领域和范围，努力提高检测精度）不断拓展测量领域和范围，努力提高检测精度和可靠性；和可靠性；（3 3）软测量技术、数据融合处理方法等新技术得到）软测量技术、数据融合处理方法等新技术得到迅速发展和广泛应用；迅速发展和广泛应用；（4 4）非接触法检测技术得到重视和发展；）非接触法检测技术得到重视和发展；（5 5）检测系统智能化。）检测系统智能化。第二节第二节 测量方法的分类测量方法的分类 根据分类依据的不同，测量方法主要有以下几种分类方法根据分类依据

3、的不同，测量方法主要有以下几种分类方法 1 1、直接测量、间接测量、组合测量、直接测量、间接测量、组合测量 2 2、接触测量与非接触测量、接触测量与非接触测量 3 3、静态测量与动态测量、静态测量与动态测量 4 4、偏差法、零差法、微差法、偏差法、零差法、微差法 5 5、等精度测量、非等精度测量、等精度测量、非等精度测量 第三节第三节 测量系统测量系统一测量系统的组成一测量系统的组成 一个完整的检测过程，一般应包括：一个完整的检测过程，一般应包括：信息的提取信息的提取 用传感器来完成。用传感器来完成。信号的放大、转换与传输信号的放大、转换与传输 用中间转换装用中间转换装置来完成。置来完成。信号

4、的显示和记录信号的显示和记录 用显示器、指示器或用显示器、指示器或记录仪完成。记录仪完成。信号的处理和分析信号的处理和分析 用计算机、数据分析用计算机、数据分析仪、频谱分析仪等来完成。仪、频谱分析仪等来完成。二、测量系统各部分的作用 1、检出部分 检出（detection)部分是测量系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分。担当检出功能的器件统称为传感器（Sensor)。对传感器有以下的要求：传感器的输出信号与被测参数在数值上应呈单值关系，最好是线性关系；传感器的输出信号应该只响应被测参数的变化，其他一切可能的输入信号（包括噪声信号）不能影响输出信号；传感器对被测对象状态的影响应尽量小。传

5、感器的输出一般有以下一些特点：传感器的输出一般有以下一些特点：输出量为电压、电流或频率的变化，或者是输出量为电压、电流或频率的变化，或者是通过电阻、电容、电感的改变转换为电压、电通过电阻、电容、电感的改变转换为电压、电流、频率的变化。有模拟量和数字量两种形式流、频率的变化。有模拟量和数字量两种形式。输出的电信号一般较微弱，如电压信号为毫输出的电信号一般较微弱，如电压信号为毫伏级甚至微伏级，电流信号为毫安级甚至纳安伏级甚至微伏级，电流信号为毫安级甚至纳安级。级。由于传感器内部噪声的存在，输出信号与噪由于传感器内部噪声的存在，输出信号与噪声混在一起。若传感器的信噪比较小而输出的声混在一起。若传感器

6、的信噪比较小而输出的信号又弱时，则信号淹没在噪声中。信号又弱时，则信号淹没在噪声中。传感器的输出特性呈线性或非线性。传感器的输出特性呈线性或非线性。外界环境如温度、湿度、电磁场等的变化会外界环境如温度、湿度、电磁场等的变化会影响传感器的输出特性。影响传感器的输出特性。（2 2）信号变换部分信号变换部分 信号变换（信号变换（Signal conversionSignal conversion）是使检）是使检出的信号变换成适合于分析处理的信号。进行出的信号变换成适合于分析处理的信号。进行变换时，重要的是考虑原始信号中哪些信息是变换时，重要的是考虑原始信号中哪些信息是希望了解的，以及如何不丢失和不歪

7、曲有用信希望了解的，以及如何不丢失和不歪曲有用信息。息。（3 3）分析处理显示部分分析处理显示部分 显示部分是测量系统的输出部分。测量系显示部分是测量系统的输出部分。测量系统通过它的显示元件向观察者反映被测参数的统通过它的显示元件向观察者反映被测参数的数值。数值。显示元件按其显示方式的不同可分为模拟显示元件按其显示方式的不同可分为模拟式显示元件、数字式显示元件和屏幕式显示元式显示元件、数字式显示元件和屏幕式显示元件三种。件三种。（4 4）通信接口与总线（）通信接口与总线（Communication Communication interface and businterface and bus

8、）部分）部分 其基本功能是管理两个不同系统之间的数其基本功能是管理两个不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换。一个大型据、状态和控制信息的传输和交换。一个大型检测系统中有许多测量分系统或测量节点，分检测系统中有许多测量分系统或测量节点，分系统向上位机传送数据信息和测量状态、上位系统向上位机传送数据信息和测量状态、上位机向下发布命令或各分系统之间交换信息都通机向下发布命令或各分系统之间交换信息都通过接口进行。过接口进行。三、热工仪表及其分类三、热工仪表及其分类 （l l）按参数种类不同，按参数种类不同，热工仪表可分为温度热工仪表可分为温度、压力、流量、料位、成分分析及机械量等测、压力、流

9、量、料位、成分分析及机械量等测量仪表。量仪表。（2 2）按显示功能的不同，）按显示功能的不同，可分为指示仪表、可分为指示仪表、记录仪表、积算式仪表及信号式仪表等。记录仪表、积算式仪表及信号式仪表等。（3 3）接仪表组成系统的方式不同，）接仪表组成系统的方式不同，可分为直可分为直接变换式和平衡式两种仪表。接变换式和平衡式两种仪表。第四节第四节 测量仪表的主要性能指标测量仪表的主要性能指标 一、仪表的计量性能指标一、仪表的计量性能指标 几个概念：几个概念：仪表测量范围仪表测量范围 仪表在保证规定精确度的前提下所能测量的被测量的区域仪表在保证规定精确度的前提下所能测量的被测量的区域称为仪表的测量范围

10、。称为仪表的测量范围。仪表的上、下限仪表的上、下限 在上述相同条件下仪表所能测量的被测量的最高、最低值在上述相同条件下仪表所能测量的被测量的最高、最低值分别称为仪表测量的上限和下限（简称上、下限，又称仪表的零位和满量程分别称为仪表测量的上限和下限（简称上、下限，又称仪表的零位和满量程值）。值）。仪表的量程仪表的量程 仪表的量程是指测量范围上限与下限的代数差。仪表的量程是指测量范围上限与下限的代数差。1 1、准确度、准确度 （1 1）示值误差）示值误差 示值误差是指仪表的某一个测量值（示值）的误差，它示值误差是指仪表的某一个测量值（示值）的误差，它反映在该点仪表示值的准确性。示值误差常可用三种形

11、式表示。反映在该点仪表示值的准确性。示值误差常可用三种形式表示。1 1）示值的绝对误差）示值的绝对误差 2 2）示值的相对误差）示值的相对误差 3 3）示值的引用（折合）误差）示值的引用（折合）误差 示值的绝对误差和示值的相对误差不能作为仪表的误差。示值的绝对误差和示值的相对误差不能作为仪表的误差。(2)(2)仪表的基本误差与精确度等级仪表的基本误差与精确度等级 基本误差基本误差 在规定的正常工作条件下，仪表整个量程范围内各在规定的正常工作条件下，仪表整个量程范围内各点示值误差中绝对值最大的误差称为仪表的基本误差。点示值误差中绝对值最大的误差称为仪表的基本误差。一般可用绝对误差（一般可用绝对误

12、差（b b）和引用误差和引用误差(b b)两种形式表示。两种形式表示。允许误差允许误差 按计量部门的规定，仪表厂家保证某一类仪表的基本误按计量部门的规定，仪表厂家保证某一类仪表的基本误差不超过某个规定的数值，此数值就被称为仪表的允许误差（容许误差差不超过某个规定的数值，此数值就被称为仪表的允许误差（容许误差）。）。允许误差也可用绝对误差与引用误差两种形式表示，其符号分别为允许误差也可用绝对误差与引用误差两种形式表示，其符号分别为a a和和a a。注意注意:允许误差是一种极限误差，在仪表刻度范围内各点的示值误差均应允许误差是一种极限误差，在仪表刻度范围内各点的示值误差均应保证小于至多等于允许误差

13、值。保证小于至多等于允许误差值。精确度等级精确度等级 以引用误差（以引用误差（a a）的形式表示的允许误差去掉的形式表示的允许误差去掉百分号剩下的数值就称为仪表的精确度等级（或准确度等级），俗称精百分号剩下的数值就称为仪表的精确度等级（或准确度等级），俗称精度级。度级。要掌握要掌握:精确度合格的仪表应满足其基本误差不大于仪表的允许误精确度合格的仪表应满足其基本误差不大于仪表的允许误差，是否满足这一要求是仪表检定工作的主要任务之一。差，是否满足这一要求是仪表检定工作的主要任务之一。注意理解：注意理解：基本误差、允许误差和基本误差、允许误差和仪表的精确度等级的关系。仪表的精确度等级的关系。2、仪表

14、的灵敏度仪表的灵敏度 仪表的灵敏度是指其输出信号的变化值与仪表的灵敏度是指其输出信号的变化值与对应的输入信号变化值的比值。用数学形式表对应的输入信号变化值的比值。用数学形式表示，在某一点处仪表的灵敏度为示，在某一点处仪表的灵敏度为式中式中 S S在某一点处仪表的灵敏度；在某一点处仪表的灵敏度；仪表的输出信号；仪表的输出信号；x x 仪表的输入信号。仪表的输入信号。求得仪表的灵敏度后注意：求得仪表的灵敏度后注意：不要把单位丢掉！不要把单位丢掉！dxdxSx0lim3 3、线性度、线性度%100ALmDD4 4、回差（又称变差、滞后、回差（又称变差、滞后误差）误差）定义：定义：输入量上升和下降输入

15、量上升和下降时，同一输入量相应的两时，同一输入量相应的两输出量平均值之间的最大输出量平均值之间的最大偏差与量程之比的百分数偏差与量程之比的百分数称为仪表的回差。称为仪表的回差。产生的原因：产生的原因：它通常是由它通常是由于仪表运动系统的摩擦、于仪表运动系统的摩擦、间隙、弹性元件的弹性滞间隙、弹性元件的弹性滞后等原因造成的。后等原因造成的。二、仪表的可靠性二、仪表的可靠性 随着现代工业生产自动化程度的日益提高随着现代工业生产自动化程度的日益提高，测量仪表的任务不仅是提供精确的读数，而，测量仪表的任务不仅是提供精确的读数，而且常常是自动化生产过程中的一个组成部分。且常常是自动化生产过程中的一个组成

16、部分。测量仪表的故障会影响控制系统，甚至会导致测量仪表的故障会影响控制系统，甚至会导致整个生产装置的严重事故。衡量检测仪表的可整个生产装置的严重事故。衡量检测仪表的可靠性还没有专门的尺度，目前主要有三个指标靠性还没有专门的尺度，目前主要有三个指标来描述，它们是保险期、有效期和狭义可靠性来描述，它们是保险期、有效期和狭义可靠性。保险期保险期 仪表使用后能有效地完成规定任务仪表使用后能有效地完成规定任务的期限，超过了这一期限可靠性就逐渐降低。的期限，超过了这一期限可靠性就逐渐降低。有效性有效性 仪表在规定时间内能正常工作的概仪表在规定时间内能正常工作的概率。概率的大小取决于系统故障率的高低、发率。

17、概率的大小取决于系统故障率的高低、发现故障的快慢和故障修复时间的长短。现故障的快慢和故障修复时间的长短。狭义可靠性狭义可靠性 由结构可靠性和性能可靠性两由结构可靠性和性能可靠性两部分组成。前者指仪表在工作时不出故障的概部分组成。前者指仪表在工作时不出故障的概率，后者指仪表能满足原定要求的概率。率，后者指仪表能满足原定要求的概率。定量描述检测仪表可靠性的度量指标有定量描述检测仪表可靠性的度量指标有可可靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均故靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均故障修复时间障修复时间等。等。可靠度可靠度R(t)R(t)是指仪表在规定工作时间内无故障是指仪表在规定工作时间内无故障的

18、概率。如有的概率。如有100100台同样的仪表，工作了台同样的仪表，工作了1000h1000h后只坏了一台，就可以说这批仪表在后只坏了一台，就可以说这批仪表在1000h1000h后后的可靠度是的可靠度是9999。反之这批仪表的不可靠度。反之这批仪表的不可靠度F(t)F(t)就是就是1 1。显然。显然R(t)=1R(t)=1 F(t)F(t)。故障率故障率是指仪表工作到是指仪表工作到 t t 时刻时单位时间内时刻时单位时间内发生故障的概率。发生故障的概率。可靠度和故障率的关系是可靠度和故障率的关系是 。平均无故障工作时间平均无故障工作时间是仪表在相邻两次故障是仪表在相邻两次故障间隔内有效工作时的

19、平均时间，用间隔内有效工作时的平均时间，用MTBF(MeanMTBF(Mean Time Between FailureTime Between Failure）来代表。）来代表。平均故障修复时间平均故障修复时间MTTR(Mean Time to MTTR(Mean Time to Repair)Repair)是仪表出现故障到恢复工作时的平均是仪表出现故障到恢复工作时的平均时间。时间。tetR)(示值的修正值及修正系数示值的修正值及修正系数 示值的修正值示值的修正值 被测量真值与仪表的示值之差称为该示值的修正被测量真值与仪表的示值之差称为该示值的修正值，以符号值，以符号c c表示。表示。c c

20、-x x，x x+c+c 显然，显然，c=-c=-，即示值的修正值与误差值大小相等但符号相反。即示值的修正值与误差值大小相等但符号相反。修正系数修正系数(K):(K):通过计算或经验方法求得的系数。通过计算或经验方法求得的系数。=Kx =Kx 在实际工作中通过示值加修正值的方法对示值进行修正，可提高测量结果在实际工作中通过示值加修正值的方法对示值进行修正，可提高测量结果的精确度。的精确度。举例举例1:1:一块温度表，测量范围一块温度表，测量范围0 010001000，0.50.5级准确级准确度，满量程指针总位移为度，满量程指针总位移为200 mm200 mm，对该表检定，对该表检定结果如下所示

21、。求：结果如下所示。求：（1 1）各示值的绝对误差及相对误差；）各示值的绝对误差及相对误差；（2 2）仪表的基本误差，该仪表合格否？）仪表的基本误差，该仪表合格否？（3 3）仪表的平均灵敏度。）仪表的平均灵敏度。被检表读数（被检表读数（）0 0，100100，200200，300300，400400，500500，600600，700700，800800，900900，10001000标准表读数（标准表读数（）0 0，9999，202202，304304，398398，502502，604604，705 705，800800，895895，10001000举例举例2:2:已知某温度仪表的的测温

22、范围为已知某温度仪表的的测温范围为200200600600，仪表刻度盘上小圆圈内标有，仪表刻度盘上小圆圈内标有1.01.0数字数字，试问该仪表的准确度等级、允许误差各为，试问该仪表的准确度等级、允许误差各为多少？仪表最大允许示值误差为多少摄氏度多少？仪表最大允许示值误差为多少摄氏度？对上述温度表进行校验时，在各校验点上？对上述温度表进行校验时，在各校验点上的数值如下表所示：的数值如下表所示：仪表示值仪表示值 200200，300300，400400，500500，600600 标准表示值标准表示值 正正 200200，301301，399399，498498，601601 反反 200200，

23、300300，398398，497497，601601 根据校验记录，计算该表的基本误差和变差根据校验记录，计算该表的基本误差和变差？判断该表是否合格？判断该表是否合格？第五节第五节 仪表的检定仪表的检定 为评定仪表的计量性能（精确度、灵敏度等），并确定其性能是否为评定仪表的计量性能（精确度、灵敏度等），并确定其性能是否合格所进行的全部工作称为检定，又称校验。合格所进行的全部工作称为检定，又称校验。按产生被测量标准量值的方法不同，仪表的检定方法可归纳成按产生被测量标准量值的方法不同，仪表的检定方法可归纳成标准物标准物质法质法和和示值比较法示值比较法两种。两种。（l l）标准物质检定法标准物质检

24、定法 标准物质是指能提供某一种参数的标准量值的物质。例如在某种标准条件下标准物质是指能提供某一种参数的标准量值的物质。例如在某种标准条件下，纯金属的固一液相平衡点（熔点）温度为恒定值而可作为温度检定的标准量值，纯金属的固一液相平衡点（熔点）温度为恒定值而可作为温度检定的标准量值。用被检定仪表去测标准物质提供的标准量以确定其性能的方法就称为标准物质。用被检定仪表去测标准物质提供的标准量以确定其性能的方法就称为标准物质检定法。检定法。（2 2）示值比较检定法）示值比较检定法 这种方法是用标准表对被检定仪表进行检定。被检表和标准表同时测同一这种方法是用标准表对被检定仪表进行检定。被检表和标准表同时测

25、同一被测量，把标准表的示值当成真值（约定真值），比较二者的示值以确定被被测量，把标准表的示值当成真值（约定真值），比较二者的示值以确定被检仪表有关性能指标，这就是示值比较检定法。检仪表有关性能指标，这就是示值比较检定法。为保证检定工作的质量，一是要求标准表的精确度要足够高，一般要求其为保证检定工作的质量，一是要求标准表的精确度要足够高，一般要求其允许误差应小于（允许误差应小于（1 14 41 11010）被检表的允许误差；二是在检定时，应严格）被检表的允许误差；二是在检定时，应严格保证保证标准表与被检表测量的是同一参数值。标准表与被检表测量的是同一参数值。小结：小结：本章主要介绍了测量技术的基本知识。重点掌握测量仪表的组成、本章主要介绍了测量技术的基本知识。重点掌握测量仪表的组成、仪表的质量指标及仪表的检定方法。仪表的质量指标及仪表的检定方法。对仪表的质量指标，要理解各个指标的含义，要能做到根据检定结对仪表的质量指标，要理解各个指标的含义，要能做到根据检定结果计算质量指标的计算。果计算质量指标的计算。