測量技術(shù)的基本知識

1、系系 部：自動化系部：自動化系教研室：測控技術(shù)與儀器教研室：測控技術(shù)與儀器教教 師：張立峰師：張立峰 l測量的意義及發(fā)展方向測量的意義及發(fā)展方向 l測量方法測量方法 l測量系統(tǒng)測量系統(tǒng) l測量儀表的主要性能指標測量儀表的主要性能指標l儀表的檢定儀表的檢定 3. 3. 測量過程有三要素測量過程有三要素 一是測量單位；二是測量方法；三是測量工具一是測量單位；二是測量方法；三是測量工具 。二、檢測技術(shù)及儀表的發(fā)展趨勢二、檢測技術(shù)及儀表的發(fā)展趨勢 （1 1）傳感器逐漸向集成化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)）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；化、組合化方向發(fā)展；（2 2）不斷拓展測量領(lǐng)

2、域和范圍，努力提高檢測精度）不斷拓展測量領(lǐng)域和范圍，努力提高檢測精度和可靠性；和可靠性；（3 3）軟測量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合處理方法等新技術(shù)得到）軟測量技術(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；迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用；（4 4）非接觸法檢測技術(shù)得到重視和發(fā)展；）非接觸法檢測技術(shù)得到重視和發(fā)展；（5 5）檢測系統(tǒng)智能化。）檢測系統(tǒng)智能化。 第二節(jié)第二節(jié) 測量方法的分類測量方法的分類 根據(jù)分類依據(jù)的不同，測量方法主要根據(jù)分類依據(jù)的不同，測量方法主要有以下幾種分類方法有以下幾種分類方法 1 1、直接測量、間接測量、組合測量、直接測量、間接測量、組合測量 2 2、接觸測量與非接觸測量、接觸測量與非接

3、觸測量 3 3、靜態(tài)測量與動態(tài)測量、靜態(tài)測量與動態(tài)測量 4 4、偏差法、零差法、微差法、偏差法、零差法、微差法 5 5、等精度測量、非等精度測量、等精度測量、非等精度測量 一測量系統(tǒng)的組成一測量系統(tǒng)的組成 一個完整的檢測過程，一般應(yīng)包括：一個完整的檢測過程，一般應(yīng)包括：信息的提取信息的提取 用傳感器來完成。用傳感器來完成。信號的放大、轉(zhuǎn)換與傳輸信號的放大、轉(zhuǎn)換與傳輸 用中間轉(zhuǎn)換裝用中間轉(zhuǎn)換裝置來完成。置來完成。信號的顯示和記錄信號的顯示和記錄 用顯示器、指示器或用顯示器、指示器或記錄儀完成。記錄儀完成。信號的處理和分析信號的處理和分析 用計算機、數(shù)據(jù)分析用計算機、數(shù)據(jù)分析儀、頻譜分析儀等來完成

4、。儀、頻譜分析儀等來完成。二、測量系統(tǒng)各部分的作用二、測量系統(tǒng)各部分的作用 1 1、檢出部分、檢出部分 檢出（檢出（detection)detection)部分是測量系統(tǒng)中形式最多樣、部分是測量系統(tǒng)中形式最多樣、與被測對象關(guān)聯(lián)最密切的部分。擔當檢出功能的器件統(tǒng)稱與被測對象關(guān)聯(lián)最密切的部分。擔當檢出功能的器件統(tǒng)稱為傳感器（為傳感器（Sensor)Sensor)。 對傳感器有以下的要求：對傳感器有以下的要求： 傳感器的輸出信號與被測參數(shù)在數(shù)值上應(yīng)呈單值傳感器的輸出信號與被測參數(shù)在數(shù)值上應(yīng)呈單值關(guān)系，最好是線性關(guān)系；關(guān)系，最好是線性關(guān)系； 傳感器的輸出信號應(yīng)該只響應(yīng)被測參數(shù)的變化，傳感器的輸出信號應(yīng)

5、該只響應(yīng)被測參數(shù)的變化，其他一切可能的輸入信號（包括噪聲信號）不能影響輸出其他一切可能的輸入信號（包括噪聲信號）不能影響輸出信號；信號； 傳感器對被測對象狀態(tài)的影響應(yīng)盡量小。傳感器對被測對象狀態(tài)的影響應(yīng)盡量小。 傳感器的輸出一般有以下一些特點：傳感器的輸出一般有以下一些特點： 輸出量為電壓、電流或頻率的變化，或者是輸出量為電壓、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)字量兩種形式。流、頻率的變化。有模擬量和數(shù)字量兩種形式。 輸出的電信號一般較微弱，如電壓信號為毫輸出的電信號一般較微弱，如電壓信號為毫伏級

6、甚至微伏級，電流信號為毫安級甚至納安伏級甚至微伏級，電流信號為毫安級甚至納安級。級。 由于傳感器內(nèi)部噪聲的存在，輸出信號與噪由于傳感器內(nèi)部噪聲的存在，輸出信號與噪聲混在一起。若傳感器的信噪比較小而輸出的聲混在一起。若傳感器的信噪比較小而輸出的信號又弱時，則信號淹沒在噪聲中。信號又弱時，則信號淹沒在噪聲中。 傳感器的輸出特性呈線性或非線性。傳感器的輸出特性呈線性或非線性。 外界環(huán)境如溫度、濕度、電磁場等的變化會外界環(huán)境如溫度、濕度、電磁場等的變化會影響傳感器的輸出特性。影響傳感器的輸出特性。 （2 2） 信號變換部分信號變換部分 信號變換（信號變換（Signal conversionSignal

7、 conversion）是使檢）是使檢出的信號變換成適合于分析處理的信號。進行出的信號變換成適合于分析處理的信號。進行變換時，重要的是考慮原始信號中哪些信息是變換時，重要的是考慮原始信號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希望了解的，以及如何不丟失和不歪曲有用信息。息。（3 3） 分析處理顯示部分分析處理顯示部分 顯示部分是測量系統(tǒng)的輸出部分。測量系顯示部分是測量系統(tǒng)的輸出部分。測量系統(tǒng)通過它的顯示元件向觀察者反映被測參數(shù)的統(tǒng)通過它的顯示元件向觀察者反映被測參數(shù)的數(shù)值。數(shù)值。 顯示元件按其顯示方式的不同可分為模擬顯示元件按其顯示方式的不同可分為模擬式顯示元件、數(shù)字式顯示元件和屏

8、幕式顯示元式顯示元件、數(shù)字式顯示元件和屏幕式顯示元件三種。件三種。 （4 4）通信接口與總線（）通信接口與總線（Communication Communication interface and businterface and bus）部分）部分 其基本功能是管理兩個不同系統(tǒng)之間的數(shù)其基本功能是管理兩個不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息的傳輸和交換。一個大型據(jù)、狀態(tài)和控制信息的傳輸和交換。一個大型檢測系統(tǒng)中有許多測量分系統(tǒng)或測量節(jié)點，分檢測系統(tǒng)中有許多測量分系統(tǒng)或測量節(jié)點，分系統(tǒng)向上位機傳送數(shù)據(jù)信息和測量狀態(tài)、上位系統(tǒng)向上位機傳送數(shù)據(jù)信息和測量狀態(tài)、上位機向下發(fā)布命令或各分系統(tǒng)之間交換信息都

9、通機向下發(fā)布命令或各分系統(tǒng)之間交換信息都通過接口進行。過接口進行。 三、熱工儀表及其分類三、熱工儀表及其分類 （l l）按參數(shù)種類不同，按參數(shù)種類不同，熱工儀表可分為溫度、熱工儀表可分為溫度、壓力、流量、料位、成分分析及機械量等測量壓力、流量、料位、成分分析及機械量等測量儀表。儀表。 （2 2）按顯示功能的不同，）按顯示功能的不同，可分為指示儀表、可分為指示儀表、記錄儀表、積算式儀表及信號式儀表等。記錄儀表、積算式儀表及信號式儀表等。 （3 3）接儀表組成系統(tǒng)的方式不同，）接儀表組成系統(tǒng)的方式不同，可分為直可分為直接變換式和平衡式兩種儀表。接變換式和平衡式兩種儀表。 第四節(jié)第四節(jié) 測量儀表的主

10、要性能指標測量儀表的主要性能指標 一、儀表的計量性能指標一、儀表的計量性能指標 幾個概念：幾個概念： 儀表測量范圍儀表測量范圍 儀表在保證規(guī)定精確度的前提儀表在保證規(guī)定精確度的前提下所能測量的被測量的區(qū)域稱為儀表的測量范圍。下所能測量的被測量的區(qū)域稱為儀表的測量范圍。 儀表的上、下限儀表的上、下限 在上述相同條件下儀表所能測在上述相同條件下儀表所能測量的被測量的最高、最低值分別稱為儀表測量的量的被測量的最高、最低值分別稱為儀表測量的上限和下限（簡稱上、下限，又稱儀表的零位和上限和下限（簡稱上、下限，又稱儀表的零位和滿量程值）。滿量程值）。 儀表的量程儀表的量程 儀表的量程是指測量范圍上限與儀表

11、的量程是指測量范圍上限與下限的代數(shù)差。下限的代數(shù)差。1 1、準確度、準確度 （1 1）示值誤差）示值誤差 示值誤差是指儀表的某示值誤差是指儀表的某一個測量值（示值）的誤差，它反映在一個測量值（示值）的誤差，它反映在該點儀表示值的準確性。示值誤差?？稍擖c儀表示值的準確性。示值誤差?？捎萌N形式表示。用三種形式表示。 1 1）示值的絕對誤差）示值的絕對誤差 2 2）示值的相對誤差）示值的相對誤差 3 3）示值的引用（折合）誤差）示值的引用（折合）誤差 示值的絕對誤差和示值的相對誤差示值的絕對誤差和示值的相對誤差不能作為儀表的誤差。不能作為儀表的誤差。(2) (2) 儀表的基本誤差與精確度等級儀表的

12、基本誤差與精確度等級 基本誤差基本誤差 在規(guī)定的正常工作條件下，在規(guī)定的正常工作條件下，儀表整個量程范圍內(nèi)各點示值誤差中絕儀表整個量程范圍內(nèi)各點示值誤差中絕對值最大的誤差稱為儀表的基本誤差。對值最大的誤差稱為儀表的基本誤差。 一般可用絕對誤差（一般可用絕對誤差（b b）和引用誤和引用誤差差( (b b) )兩種形式表示。兩種形式表示。 允許誤差允許誤差 按計量部門的規(guī)定，儀表廠家按計量部門的規(guī)定，儀表廠家保證某一類儀表的基本誤差不超過某個保證某一類儀表的基本誤差不超過某個規(guī)定的數(shù)值，此數(shù)值就被稱為儀表的允規(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）。許誤差（容許誤差）。 允許誤差也可用

13、絕對誤差與引用誤允許誤差也可用絕對誤差與引用誤差兩種形式表示，其符號分別為差兩種形式表示，其符號分別為a a和和a a。 注意注意: : 允許誤差是一種極限誤差，在儀允許誤差是一種極限誤差，在儀表刻度范圍內(nèi)各點的示值誤差均應(yīng)保證表刻度范圍內(nèi)各點的示值誤差均應(yīng)保證小于至多等于允許誤差值。小于至多等于允許誤差值。 精確度等級精確度等級 以引用誤差（以引用誤差（a a）的形式的形式表示的允許誤差去掉百分號剩下的數(shù)值表示的允許誤差去掉百分號剩下的數(shù)值就稱為儀表的精確度等級（或準確度等就稱為儀表的精確度等級（或準確度等級），俗稱精度級。級），俗稱精度級。 要掌握要掌握: : 精確度合格的儀表應(yīng)滿足其基本

14、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)之這一要求是儀表檢定工作的主要任務(wù)之一。一。注意理解：注意理解：基本誤差、允許誤差和基本誤差、允許誤差和儀表的儀表的精確度等級的關(guān)系。精確度等級的關(guān)系。2、儀表的靈敏度儀表的靈敏度 儀表的靈敏度是指其輸出信號的變化值與儀表的靈敏度是指其輸出信號的變化值與對應(yīng)的輸入信號變化值的比值。用數(shù)學(xué)形式表對應(yīng)的輸入信號變化值的比值。用數(shù)學(xué)形式表示，在某一點處儀表的靈敏度為示，在某一點處儀表的靈敏度為式中式中 SS在某一點處儀表的靈敏度；在某一點處儀表的靈敏度； 儀表的輸出信號；儀

15、表的輸出信號； x x 儀表的輸入信號。儀表的輸入信號。求得儀表的靈敏度后注意：求得儀表的靈敏度后注意： 不要把單位丟掉！不要把單位丟掉！ ！dxdxSx0lim3 3、線性度、線性度%100ALmDD4 4、回差（又稱變差、滯后、回差（又稱變差、滯后誤差）誤差） 定義：定義：輸入量上升和下降輸入量上升和下降時，同一輸入量相應(yīng)的兩時，同一輸入量相應(yīng)的兩輸出量平均值之間的最大輸出量平均值之間的最大偏差與量程之比的百分數(shù)偏差與量程之比的百分數(shù)稱為儀表的回差。稱為儀表的回差。 產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因：它通常是由它通常是由于儀表運動系統(tǒng)的摩擦、于儀表運動系統(tǒng)的摩擦、間隙、彈性元件的彈性滯間隙、彈性元件

16、的彈性滯后等原因造成的。后等原因造成的。 二、儀表的可靠性二、儀表的可靠性 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的日益提高，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的日益提高，測量儀表的任務(wù)不僅是提供精確的讀數(shù)，而且測量儀表的任務(wù)不僅是提供精確的讀數(shù)，而且常常是自動化生產(chǎn)過程中的一個組成部分。測常常是自動化生產(chǎn)過程中的一個組成部分。測量儀表的故障會影響控制系統(tǒng)，甚至?xí)?dǎo)致整量儀表的故障會影響控制系統(tǒng)，甚至?xí)?dǎo)致整個生產(chǎn)裝置的嚴重事故。衡量檢測儀表的可靠個生產(chǎn)裝置的嚴重事故。衡量檢測儀表的可靠性還沒有專門的尺度，目前主要有三個指標來性還沒有專門的尺度，目前主要有三個指標來描述，它們是保險期、有效期和狹義可靠性。描述，它

17、們是保險期、有效期和狹義可靠性。 保險期保險期 儀表使用后能有效地完成規(guī)定任務(wù)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。的期限，超過了這一期限可靠性就逐漸降低。 有效性有效性 儀表在規(guī)定時間內(nèi)能正常工作的概儀表在規(guī)定時間內(nèi)能正常工作的概率。概率的大小取決于系統(tǒng)故障率的高低、發(fā)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)時間的長短?，F(xiàn)故障的快慢和故障修復(fù)時間的長短。 狹義可靠性狹義可靠性 由結(jié)構(gòu)可靠性和性能可靠性兩由結(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不出故障的概部分組成。前者指儀表在工作時不出故障的概率，后者指儀表能滿足原定要求的概

18、率。率，后者指儀表能滿足原定要求的概率。 定量描述檢測儀表可靠性的度量指標有定量描述檢測儀表可靠性的度量指標有可可靠度、故障率、平均無故障工作時間、平均故靠度、故障率、平均無故障工作時間、平均故障修復(fù)時間障修復(fù)時間等。等。 可靠度可靠度R(t)R(t)是指儀表在規(guī)定工作時間內(nèi)無故障是指儀表在規(guī)定工作時間內(nèi)無故障的概率。如有的概率。如有100100臺同樣的儀表，工作了臺同樣的儀表，工作了1000h1000h后只壞了一臺，就可以說這批儀表在后只壞了一臺，就可以說這批儀表在1000h1000h后后的可靠度是的可靠度是9999。反之這批儀表的不可靠度。反之這批儀表的不可靠度F(t)F(t)就是就是1

19、1。顯然。顯然R(t)=1R(t)=1 F(t)F(t)。 故障率故障率是指儀表工作到是指儀表工作到 t t 時刻時單位時間內(nèi)時刻時單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率。發(fā)生故障的概率。 可靠度和故障率的關(guān)系是可靠度和故障率的關(guān)系是 。 平均無故障工作時間平均無故障工作時間是儀表在相鄰兩次故障是儀表在相鄰兩次故障間隔內(nèi)有效工作時的平均時間，用間隔內(nèi)有效工作時的平均時間，用MTBF (MeanMTBF (Mean Time Between FailureTime Between Failure）來代表。）來代表。 平均故障修復(fù)時間平均故障修復(fù)時間MTTR (Mean Time to MTTR (Mean T

20、ime to Repair)Repair)是儀表出現(xiàn)故障到恢復(fù)工作時的平均是儀表出現(xiàn)故障到恢復(fù)工作時的平均時間。時間。 tetR)( 示值的修正值及修正系數(shù)示值的修正值及修正系數(shù) 示值的修正值示值的修正值 被測量真值與儀表的示值之被測量真值與儀表的示值之差稱為該示值的修正值，以符號差稱為該示值的修正值，以符號c c表示。表示。 c c - -x x， x x +c+c 顯然，顯然，c = -c = -，即示值的修正值與誤差值大即示值的修正值與誤差值大小相等但符號相反。小相等但符號相反。 修正系數(shù)修正系數(shù)(K):(K): 通過計算或經(jīng)驗方法求得的系通過計算或經(jīng)驗方法求得的系數(shù)。數(shù)。 =Kx =K

21、x 在實際工作中通過示值加修正值的方法對示值在實際工作中通過示值加修正值的方法對示值進行修正，可提高測量結(jié)果的精確度。進行修正，可提高測量結(jié)果的精確度。舉例舉例1:1: 一塊溫度表，測量范圍一塊溫度表，測量范圍0100001000，0.50.5級級準確度，滿量程指針總位移為準確度，滿量程指針總位移為200 mm200 mm，對該表，對該表檢定結(jié)果如下所示。求：檢定結(jié)果如下所示。求：（1 1）各示值的絕對誤差及相對誤差；）各示值的絕對誤差及相對誤差；（2 2）儀表的基本誤差，該儀表合格否？）儀表的基本誤差，該儀表合格否？（3 3）儀表的平均靈敏度。）儀表的平均靈敏度。 被檢表讀數(shù)（被檢表讀數(shù)（）

22、 0 0，100100，200200，300300，400400，500500，600600，700700，800800，900900，10001000標準表讀數(shù)（標準表讀數(shù)（） 0 0，9999，202202，304304，398398，502502，604604， 705 705，800800，895895，10001000舉例舉例2:2: 已知某溫度儀表的的測溫范圍為已知某溫度儀表的的測溫范圍為200200600600，儀表刻度盤上小圓圈內(nèi)標有儀表刻度盤上小圓圈內(nèi)標有1.01.0數(shù)字，試問該數(shù)字，試問該儀表的準確度等級、允許誤差各為多少？儀儀表的準確度等級、允許誤差各為多少？儀表最大允許

23、示值誤差為多少攝氏度？對上述表最大允許示值誤差為多少攝氏度？對上述溫度表進行校驗時，在各校驗點上的數(shù)值如溫度表進行校驗時，在各校驗點上的數(shù)值如下表所示：下表所示： 儀表示值儀表示值 200200，300300，400400，500500，600600 標準表示值標準表示值 正正 200200，301301，399399，498498，601601 反反 200200，300300，398398，497497，601601 根據(jù)校驗記錄，計算該表的基本誤差和變差？根據(jù)校驗記錄，計算該表的基本誤差和變差？判斷該表是否合格？判斷該表是否合格？ 第五節(jié)第五節(jié) 儀表的檢定儀表的檢定 為評定儀表的計量性能（精確度、為評定儀表的計量性能（精確度、靈敏度等），并確定其性能是否合格所靈敏度等），并確定其性能是否合格所進行的全部工作稱為檢定，又稱校驗。進行的全部工作稱為檢定，又稱校驗。 按產(chǎn)生被測量標準量值的方法不同，按產(chǎn)生被測量標準量值的方法不同，儀表的檢定方法可歸納成儀表的檢定方法可歸納成標準物質(zhì)法標準物質(zhì)法和和示值比較法示值比較法兩