第7章 檢測與儀表

自動化實(shí)踐初步第七章檢測與儀表內(nèi)容要點(diǎn)：測量的基本概念測量方法測量誤差測量數(shù)據(jù)的讀取和處理電工測量儀器組成、分類傳感器的組成、分類溫度傳感器非電量測量儀表目的與要求：能正確測量與讀取數(shù)據(jù)能正確操作常用的電工測量儀器了解常用的傳感器及原理了解溫度傳感器

7.1測量概念：將被測量和作為測量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，得到被測量是測量單位的多少倍，并用數(shù)字和單位表示出來。以確定量值為目的的操作。常用的計(jì)量器具：測量方法：按被測量獲得方法分按測量方法分直尺鋼卷尺百分尺千分尺直接測量法間接測量法直接比較測量法微差測量法零位測量法組合測量法例7-4

求出圖7-5所示刻線AB、BC和CD間的距離。設(shè)AB、BC和CD的實(shí)際值分別為X、Y、Z。采用一般的方法解決這個問題時是用量具直接量出AB、BC、CD段的尺寸，然而這樣的的測量精度有限，欲提高其測量精度，可以同時測出AB、BC、CD以及AC、BD、AD各段尺寸，設(shè)直接測得的尺寸為：AB=a1BC=

a2CD=a3

AC=a4

BD=a5

AD=a6

又設(shè)六次測量的測量值和實(shí)際值之間的誤差是

根據(jù)上述直接測量的結(jié)果，可以列出如下方程組

(7-1)本題即可轉(zhuǎn)化為求解X、y、Z，使得目標(biāo)函數(shù)

取得最小值。將式7-1條件代入目標(biāo)函數(shù)，對目標(biāo)函數(shù)F分別求對X、Y、Z的偏導(dǎo)，并令其都等于零，即可解出各變量的值如下：

測量誤差幾個概念：（1）真值：在一定的時間及空間條件下，被測量所具有的真實(shí)數(shù)值稱之為真值。在實(shí)際工作中通常引入相對真值來代替真值。（2）誤差：誤差是指儀表指示值減去被測量的真值或相對真值。絕對誤差：絕對誤差等于測量結(jié)果減去被測量的約定真值或相對真值。

式中，X表示測量結(jié)果或稱測量值、示值；Xo表示真值；

△X表示絕對誤差，它是一個有

符號和單位的量。相對誤差：相對誤差是指絕對誤差除以被測的真值，用百分?jǐn)?shù)表示。

引用誤差：引用誤差是指絕對誤差除以規(guī)定值，這一規(guī)定值常稱引用值，

故稱引用誤差，用百分?jǐn)?shù)表示。儀表中，引用值常用儀表的量程。式中，Xmax表示儀表量程的上限值；Xmin表示儀表量程的下限值。（3）基本誤差與附加誤差儀表的基本誤差是指儀表在參比條件下的示值誤差?；菊`差的最大允許值稱為基本誤差限。儀表的附加誤差是指儀表偏離參比條件工作時，允許增加的額外誤差。（4）隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差隨機(jī)誤差：在對同一被測量的多次測量過程中，其變化是不可預(yù)計(jì)的。系統(tǒng)誤差：在對同一被測量的多次測量過程中誤差保持常數(shù)或其變化是可預(yù)計(jì)的。粗大誤差：一般都是由于測量者粗心大意造成的，如測量時操作的錯誤、讀數(shù)錯誤、計(jì)數(shù)錯誤或計(jì)算出現(xiàn)的錯誤等。測量數(shù)據(jù)的讀取1.數(shù)據(jù)的有效數(shù)字（1）有效數(shù)字：為了保證測量數(shù)據(jù)的有效性，記錄的測量數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)由準(zhǔn)確數(shù)字、估計(jì)數(shù)字和單位三部分組成。其中，“準(zhǔn)確數(shù)字”和“欠準(zhǔn)數(shù)字”兩部分合起來稱為有效數(shù)字。（2）表示方法：記錄測量數(shù)據(jù)時，只允許保留一位欠準(zhǔn)數(shù)字。在第一個非零數(shù)字前的“0”不是有效數(shù)字。大數(shù)值與小數(shù)值要用冪的乘積形式來表示。當(dāng)有效數(shù)字位數(shù)確定以后，多余的位數(shù)應(yīng)一律按四舍五入的規(guī)則舍去，稱為有效數(shù)字的修約。表示常數(shù)的數(shù)字可認(rèn)為它的有效數(shù)字位數(shù)無限制，可按需要取任意位。（3）有效數(shù)字的運(yùn)算規(guī)則：當(dāng)測量結(jié)果需要進(jìn)行中間運(yùn)算時，有效數(shù)字的取舍，原則上取決于參與運(yùn)算的各數(shù)中精度最差的那一個數(shù)的有效數(shù)字位數(shù)。2.數(shù)字式儀表讀數(shù)的讀取數(shù)字式儀表可直接讀出被測量的量值，讀出值即可作為測量結(jié)果予以記錄而無需再經(jīng)換算。需注意的是：對數(shù)字式儀表而言，若測量時量程選擇不當(dāng)，則會丟失有效數(shù)字，因此應(yīng)合理地選擇數(shù)字式儀表的量程。3.指針式儀表測量數(shù)據(jù)的讀取使用指針式儀表之前，應(yīng)使儀表的指針指到零的位置（調(diào)零！）指針式儀表在讀數(shù)時，應(yīng)使視線與儀表標(biāo)尺平面垂直，并瀆取足夠的位數(shù)，以減小和消除視覺誤差。為減少測量誤差，一般應(yīng)采取多次測量取平均值。一般需經(jīng)過換算才可得到所需的測量結(jié)果數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理是從獲得數(shù)據(jù)到得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的加工過程。常用的數(shù)據(jù)處理方法有：列表法和作圖法。列表法：數(shù)據(jù)處理中最常用的一種方法，它將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照某種規(guī)則、次序列成表格，根據(jù)數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，我們就能容易地看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的某種規(guī)律以及實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題。應(yīng)遵循的原則：(1)表格上方應(yīng)注明表格名稱，表內(nèi)標(biāo)題欄應(yīng)有物理量的中文名稱、英文名稱和單位。(2)表格要簡單明了，分類清楚，便于查閱、分析和歸納。(3)表格中的數(shù)據(jù)要用正確的有效數(shù)字表示。作圖法：將兩個物理量的一系列對應(yīng)測量值用坐標(biāo)紙描繪出來，以幾何圖線直觀地反映物理量之間的某種對應(yīng)關(guān)系。具體要求如下：(1)作圖要求用坐標(biāo)紙，而且坐標(biāo)紙的大小以不降低測量數(shù)據(jù)的有效數(shù)位為原則。(2)必須標(biāo)出坐標(biāo)軸的名稱、方向、分度值、單位和圖的名稱。(3)描點(diǎn)前，所有數(shù)據(jù)應(yīng)先用列表法列成表格，再根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)依次從小到大逐個描點(diǎn)，用“+”(或“×”、“○”)等符號標(biāo)出數(shù)據(jù)點(diǎn)。(4)連線一般用光滑曲線與折線。(5)標(biāo)明圖名和實(shí)驗(yàn)者姓名，必要時還要加上附加說明。7.2

電工測量儀表電工測量儀表種類繁多，如家用的電能表、IC卡電能表；實(shí)驗(yàn)室用的歐姆表、萬用表；工廠供配電系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備常用的指針式電流表、電壓表等等。如下所示為常用的電工測量儀表：1.電工測量儀表的分類（1）按被測量可分為（2）按測量原理可分為（3）按測量方法分為（4）按測量電路種類分為電流表電壓表電阻表功率表電能表磁電式電磁式電動式感應(yīng)式直讀式比較式直流儀表交流儀表交直流兩用儀表（5）按儀表的準(zhǔn)確度分為：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七個等級。（6）按使用方法分為2.電流的測量（1）直流電流的測量：磁電式儀表。（2）交流電流的測量：電磁式儀表。當(dāng)被測電流大于電流表量程時，可借用電流互感器來擴(kuò)大儀表的量程。面板式便攜式臺式（3）電流表的選用方法：在測量電流時，要根據(jù)電流的種類和大小來選擇儀表，一般在測量直流電時選用磁電式儀表，而在測量交流電時選用電磁式儀表。要根據(jù)檢測電流的大小選擇適當(dāng)量程的電流表。3.電壓的測量（1）直流電壓的測量：電壓表并聯(lián)在被測電路中。（2）交流電壓的測量：電壓表并聯(lián)在被測電路中，測量高電壓時，需借用電壓互感器擴(kuò)大

電壓表的量程。4.電阻的測量7.3傳感器傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號的器件或裝置。在某些研究領(lǐng)域，傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉(zhuǎn)換器等。幾種常用的傳感器為：1.傳感器的組成：敏感元件和轉(zhuǎn)換元件2.傳感器的分類（1）按被測物理量分類：位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等。（2）按工作原理分類：電阻式、電感式、電容式、磁電式、壓電式、熱電式、電化學(xué)式和核輻射式等。（3）按能量的傳遞方式分類：能量控制型（即無源傳感器）、能量變換型（即有源傳感器）和能量傳遞型（間接傳感器）（4）

按輸出信號的性質(zhì)分類：模擬傳感器和數(shù)字傳感器兩類。敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路輔助電源被測量非電量電量標(biāo)準(zhǔn)電信號3.傳感器的基本特性基本特性是指輸出（電量）與輸入（被測物理量）之間的關(guān)系，通常用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述：（1）傳感器的靜態(tài)特性：被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)的輸入輸出關(guān)系。（2）

傳感器的動態(tài)特性：傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。4.溫度傳感器常用的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器等。7.4非電量測量儀表非電量種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于電量，因此，非電量檢測儀表比電工檢測儀表更為常見，也更具有普遍性。下圖為幾種常用非電物理量檢測儀表：1.檢測儀表的組成檢測儀表種類繁多，但其構(gòu)成環(huán)節(jié)基本相同，主要由傳感器、信號調(diào)理電路、顯示器和傳輸通道組成。其方框圖如下圖所示：2.檢測儀表的分類（1）按被測量分類：壓力檢測儀表，流量檢測儀表，液位檢測儀表，溫度檢測類儀表，成分檢測儀表，重量檢測儀表等。（2）按使用性質(zhì)分類：標(biāo)準(zhǔn)表、實(shí)驗(yàn)室表和工業(yè)用表三類。傳感器信號調(diào)理電路顯示器對象檢測儀表的方框圖3.檢測儀表的基本性能指標(biāo)（1）儀表的精確度：儀表的指示值與被測量（約定）真值的一致程度。精確度包括兩個方面，即精密和正確的程度。儀表按精確度高低來劃分等級，簡稱為精確等級，由國家統(tǒng)一規(guī)定，工業(yè)儀表常見的精確等級有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和5級。該數(shù)字反映了儀表允許基本誤差的極限。例如某儀表為0.5級，即表示該表允許的最大引用誤差0.5%。（2）

測量范圍與量程測量范圍：被測變量可按規(guī)定精確度進(jìn)行測量的范圍。量

程：指范圍的上限值與下限值之差。

量程=Xmax-Xmin

式中：Xmax—范圍的上限值；Xmin—范圍的下限值。（3）靈敏度：反映儀表的被測參數(shù)變化的靈敏程度。靈敏度K用儀表的輸出變化值

△y除以相應(yīng)的輸入變化值△x

表示即：