檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)

檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日學(xué)時：40教材：檢測技術(shù)及儀表.王建國主編.中國電力出版社.2007參考書：自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng).張寶芬主編.化學(xué)工業(yè)出版社，2000控制儀表及裝置.吳勤勤主編.化學(xué)工業(yè)出版社，2002（第二版）傳感器與自動檢測技術(shù).余成波主編.高等教育出版社，2004過程檢測技術(shù)及儀表.杜維等主編.化學(xué)工業(yè)出版社，1999檢測技術(shù)及儀表.馬宏忠.中國電力出版社，2010.1第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日第一章檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)第二章傳感器技術(shù)基礎(chǔ)第三章溫度的測量第四章壓力的測量第五章流量的測量第六章物位的測量第七章物質(zhì)成分分析與物性檢測第八章機(jī)械量的測量第九章變送器第十章執(zhí)行器第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日第一章檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)緒言一、檢測的基本知識

測量：對被測量進(jìn)行檢測、變換、分析處理、判斷、控制的綜合認(rèn)識過程。計量：指用精度等級較高的標(biāo)準(zhǔn)量具或儀器對被測樣機(jī)、樣品或儀表進(jìn)行考核性質(zhì)的測量；檢測：指生產(chǎn)、實驗現(xiàn)場利用某種合適的檢測儀器或系統(tǒng)對被測對象進(jìn)行在線實時的測量；測試：指試驗與測量的整個過程．檢測技術(shù)含義：尋找與自然信息具有對應(yīng)關(guān)系的種種表現(xiàn)形式的信號，確定被測量與顯示量兩者間的定性、定量關(guān)系，并為進(jìn)一步提高測量精度、改進(jìn)實驗方法及測量裝置性能提供可行依據(jù)的整個過程。測量的結(jié)果：包括數(shù)值大小和測量單位兩部分。數(shù)值的大小可以用數(shù)字表示，也可以是曲線或者圖形。無淪表現(xiàn)形式如何，在測量結(jié)果中必須注明單位，否則測量結(jié)果是沒有意義的。測量過程：測量過程的核心是比較，但被測量能直接與標(biāo)準(zhǔn)量比較的場合并不多，在大多數(shù)情況下，是將被測量和標(biāo)準(zhǔn)量變換成雙方易于比較的某個中間變量來進(jìn)行比較的第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、被測參數(shù)的分類以被測參數(shù)主要有電工量、熱工量、機(jī)械量、物性和成分量、狀態(tài)量等。電工量：電壓、電流、電功率、電阻，電感、電容、頻率、磁場強(qiáng)度、磁通密度等被測量；熱工量：溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布，壓力、壓差、真空度，流量、流速、風(fēng)速，物位、液位、界面等被測量；機(jī)械量：位移、形狀，力、應(yīng)力、力矩，，重量、質(zhì)量，轉(zhuǎn)速、線速度，振動、加速度、噪聲等被測量；物性和成分量：氣體成分，液體成分、固體成分，酸堿度、鹽度、濃度、粘度、密度等被測量；狀態(tài)量：顏色、、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄漏、表面粗糙度等樁測量。非電量：工業(yè)生產(chǎn)過程中需要測控的大多是非電量，其種類和數(shù)量遠(yuǎn)多于電量。非電量電測法：首先通過傳感器將其轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，進(jìn)而使用電子測量手段對傳感器輸出的電信號進(jìn)行各種處理和顯示記錄。非電學(xué)量電測法便于對被測量進(jìn)行連續(xù)測量、記錄和遠(yuǎn)距離集中控制；便于實現(xiàn)測量過程的自動化。第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日三、檢測設(shè)備的基本性能評價檢測設(shè)備性能的指標(biāo)主要有以下幾個方面：精度：日常描述精確度的指標(biāo)有精密度、準(zhǔn)確度和精確度。于渤等譯，國際通用計量學(xué)基本名詞，計量出版社，1985年杜荷聰?shù)?，計量單位及其換算，計量出版社，1982年國家試行標(biāo)準(zhǔn)JJG1001-82，常用計量名詞術(shù)語及定義，國家計量總局頒布，1982年精密度：描述儀表和設(shè)備指示值的分散性；準(zhǔn)確度：描述檢測設(shè)備指示值與真值的偏離程度；精確度：是精密度和準(zhǔn)確度的綜合反映，通常以測量誤差的相對值表示。第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日穩(wěn)定性：檢測設(shè)備的穩(wěn)定性指標(biāo)有兩個：穩(wěn)定度指設(shè)備指示值隨時間的穩(wěn)定性；影響量值設(shè)備外部環(huán)境和工作條件變化（如溫度、濕度、氣壓、振動、電源波動）影響到設(shè)備指示值的穩(wěn)定性，說明影響量時必須將影響量與示值偏差同時表示。輸入輸出特性：檢測設(shè)備的輸入與輸出特性有靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩大類：靜態(tài)特性：指檢測設(shè)備的輸入量（被測參數(shù)）不隨時間變化或隨時間變化很緩慢時輸出與輸入的關(guān)系。動態(tài)特性：指當(dāng)輸入量隨時間快速變化時檢測設(shè)備輸出與輸入的關(guān)系，此時的關(guān)系式是含有時間變量的微分方程。第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)測量與誤差一、測量、量值、約定值

（一）測量方法及分類

測量以確定被測物屬性量值為目的的一組操作；測量操作是一個比較過程，是將被測參數(shù)的量值與同性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，比出的倍數(shù)即為測量的結(jié)果。測量單位、測量方法、測量儀器與設(shè)備是測量的“三要素”。測量方法分類：按測量方式分類有：直接測量、間接測量、聯(lián)立測量；按測量方法分類有：偏差式測量法、零位式測量法和微差式測量法；按被測參量變化快慢分類有：靜態(tài)測量、動態(tài)測量；按被測量在變化過程中被測情況分類有：在線測量、離線測量；按測量敏感元件是否與被測介質(zhì)接觸分類有：接觸式和非接觸式測量。按測量的方式分類直接測量用預(yù)先按已標(biāo)定的測量儀器對某一未知量進(jìn)行測量，測量結(jié)果可以直接從實驗數(shù)據(jù)獲得的方法稱為直接測量。間接測量通過與被測量有確切函數(shù)關(guān)系的量的直接測量結(jié)果，運(yùn)用函數(shù)解析式、函數(shù)曲線或表格求出該被測量值的方法。第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日聯(lián)立測量又稱組合測量。在測量中，使各個未知量以不同的組合形式出現(xiàn)（或改變測量條件來獲得不同的組合），根據(jù)直接測量和間接測量所得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過聯(lián)立方程而求解出未知量的數(shù)值，此方法稱為聯(lián)立測量。第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日按測量的方法分類偏差式測量法測量過程中，用儀表指針的位移（偏差）表示被測量的測量方法。該方法是事先采用標(biāo)準(zhǔn)量具對儀表刻度進(jìn)行校準(zhǔn)，然后以間接方式實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的比較。工程上廣泛使用偏差式測量，它的測量準(zhǔn)確度較低，但過程簡單、迅速。零位式測量法：又稱平衡法或零值法，它采用指零儀表的零位來檢測測量系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)。應(yīng)用時標(biāo)準(zhǔn)量具裝在儀表內(nèi)，測量過程中標(biāo)準(zhǔn)量直接與被測量相比較，并不停地進(jìn)行調(diào)整（平衡操作），直到指零儀表回零。微差式測量法在零位式測量法中，標(biāo)準(zhǔn)量不可能都是連續(xù)可調(diào)的，因而難以與被測量完全平衡，實際測量時必定存在著差值。微差式測量法只要求標(biāo)準(zhǔn)量與被測量相近，而用指示儀表測量標(biāo)準(zhǔn)量和被測量的差值。微差式測量的標(biāo)準(zhǔn)量具裝在儀表內(nèi)并直接參與比較，不需要調(diào)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)量，它綜合了偏差式和零位式測量的優(yōu)點；反應(yīng)快、測量精度高，適合于在線控制參數(shù)的測量。第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日（二）量值的概念

量和量值量是指物體和物質(zhì)可以定性區(qū)分和定量確定的一種屬性。由一個數(shù)和合適的計量單位表示的量稱為量值。例如：體溫37℃，蒸汽壓0.69MPa等，是由數(shù)值和計量單位兩部分組成的量值。真值、約定真值和實際值真值：在理想情況下表征一個物理量真實的值。約定真值：按照國際公認(rèn)的單位定義，利用科技發(fā)展的最高水平所復(fù)現(xiàn)的單位基準(zhǔn)約定，與真值相近似并可供使用的值。相對真值：也稱實際值，是在滿足規(guī)定準(zhǔn)確度時用以代替真值使用的值。標(biāo)稱值和指示值標(biāo)稱值：計量或測量器具上標(biāo)注的量值，如標(biāo)準(zhǔn)砝碼上標(biāo)出的1kg。指示值：測量儀表或量具給出或提供的量值，也稱測量值。第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、誤差的性質(zhì)與分類

（一）誤差的概念

一切測量都具有誤差，誤差自始至終存在于所有科學(xué)實驗的過程之中。誤差理論研究的目的是通過研究誤差的來源、性質(zhì)和傳遞規(guī)律，掌握如何消除、減小、固定和估計誤差對測量結(jié)果的影響，得到可靠的、真實反映事物本質(zhì)的結(jié)果。（二）誤差的表示

絕對誤差：被檢測參數(shù)的測量值x與真值xo的差值稱為絕對誤差Δx，其表示式為由于真值的不可知性，常用約定真值或相對真值代替。在實際測量中，常用多次測量的平均值代替真值xo。絕對誤差是一個有符號、大小、量綱的物理量。絕對誤差一般只適用標(biāo)準(zhǔn)量具或標(biāo)準(zhǔn)儀表的校準(zhǔn)。相對誤差：相對誤差為絕對誤差Δx與真值xo之比的百分?jǐn)?shù)表示第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日示值相對誤差：允許誤差：研制部門根據(jù)設(shè)計和制造等情況，對所生產(chǎn)的儀器儀表要保證其基本誤差不超過某個一定的數(shù)值，此數(shù)值稱為允許誤差。附加誤差：當(dāng)環(huán)境條件偏離標(biāo)準(zhǔn)條件時，儀器的誤差就會增大，這就是說出現(xiàn)了附加誤差，即超出儀表使用條件而造成的誤差?；菊`差：在規(guī)定的使用條件下，儀表全量程的各示值的誤差（絕對誤差）中，絕對值最大者叫做儀表的基本誤差。引用誤差（折合誤差、滿刻度相對誤差）：為儀表示值誤差與測量器具測量范圍（量程）的百分比最大引用誤差第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日最大引用誤差是為了評價測量儀表的精確度等級而引入的，用于客觀、正確地反映測量儀表的精確度高低。

國標(biāo)規(guī)定：工業(yè)儀表準(zhǔn)確度等級的國家標(biāo)準(zhǔn)系列有七個等級：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5例：一測量范圍為0——10MPa的彈簧管壓力計，經(jīng)校驗，在其量程上各點處最大示值絕對誤差，則該表的最大引用誤差，若該表的準(zhǔn)確度等級為1.5級，則該表的允許誤差為±0.15MPa（±1.5%）。因該表的基本誤差未超過允許誤差，故認(rèn)為該表的準(zhǔn)確度合格。

第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日測量中的示值相對誤差，不僅與儀表的等級有關(guān)，與所選儀表量程有關(guān)。被測量值與量程Xm相差越小，則測量精確度越高。選量程時應(yīng)盡可能將測量值接近儀表滿刻度值，一般不小于滿刻度值的2/3（線性刻度儀表）。第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日（三）誤差的分類

在解決實際測量任務(wù)時，辨別清楚誤差的規(guī)律、性質(zhì)及其特點十分重要。測量的誤差按其規(guī)律性分，有以下幾種：系統(tǒng)誤差：值在一定的條件下，其數(shù)值遵循某一確切函數(shù)規(guī)律的誤差。在相同條件下多次測量同一物理量時，其誤差的絕對值和符號保持恒定，當(dāng)條件改變時，又按某一確定的規(guī)律變化的誤差。系統(tǒng)誤差按變化規(guī)律分為：定值系統(tǒng)誤差與變值系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)和處理、歸納和總結(jié)，一般屬于技術(shù)上的問題。由于其涉及具體測量對象及原理的分析，能否處理得當(dāng)則取決于測量人員的經(jīng)驗、學(xué)識和技巧。第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日隨機(jī)誤差：在消除或改正一切明顯的系統(tǒng)誤差的因素之后，相同條件下多次重復(fù)測量同一物理量時，測量結(jié)果仍出現(xiàn)一些時大時小、雜亂變化的誤差，這種隨機(jī)性的無規(guī)律變化歸因于隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差表現(xiàn)上是無規(guī)律性的。然而隨機(jī)誤差服從統(tǒng)計規(guī)律，如正態(tài)分布、均勻分布、離散雙值分布等，因此隨機(jī)誤差可以通過概率論的理論和統(tǒng)計學(xué)的一些方法來發(fā)現(xiàn)和處理。粗大誤差：顯然與事實不符、無規(guī)律的誤差，也稱粗差。往往是由外界重大干擾或儀器故障、不正確的操作等造成的。對這類誤差采取剔除的方法。三類誤差的關(guān)系：

三種誤差之間是辯證統(tǒng)一關(guān)系，在一定的條件下，它們的性質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)化。隨著人們對誤差來源及其變化規(guī)律的認(rèn)識的加深，有可能把以往認(rèn)識不到、把握不住而歸為隨機(jī)誤差的某項誤差予以澄清，從而明確為系統(tǒng)誤差。當(dāng)認(rèn)識不足或雖有所認(rèn)識，但由于其規(guī)律性過分復(fù)雜時，也常會把這樣的一些系統(tǒng)誤差當(dāng)作隨機(jī)誤差，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析加以處理。第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日三、測量誤差的來源

按產(chǎn)生誤差的原因，測量誤差可分為：原理性誤差：又稱方法誤差，是由于測量原理、方法的不完善（如多變量因素的影響沒有考慮周到等）或?qū)碚撎匦苑匠讨械哪承﹨?shù)做了近似引起的誤差等。構(gòu)造誤差：又稱設(shè)備誤差，是儀器儀表制造、調(diào)試、計量定標(biāo)時已限定的精度。要取得可靠有效、高精度的數(shù)據(jù)，必須綜合考慮上述兩者。環(huán)境誤差：設(shè)備外部環(huán)境和工作條件變化（如溫度、濕度、振動、電源波動）引起的誤差。人員誤差：人員的心理素質(zhì)、固有習(xí)慣、工作責(zé)任心以及測量的技術(shù)水平等引起的誤差第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)測量誤差的處理一、系統(tǒng)誤差的處理

系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日

系統(tǒng)誤差的一般處理原則消除或減弱系統(tǒng)誤差的典型測量技術(shù)如下：替代法在測量條件不變的情況下，選擇一個同種的已知量（通常為可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)量）代替被測量，并通過調(diào)節(jié)使兩者對測量儀器的效應(yīng)相同的方法。由于測量裝置的狀態(tài)和示值在替換前后保持不變，測量裝置只起辨別兩者有無差異的作用，所以測量裝置本身的誤差和其他造成系統(tǒng)誤差的因素對測量結(jié)果基本上沒有影響。如圖所示為替代法測量電阻的原理圖。其中直流電橋測量裝置的誤差基本上不影響對電阻的測量精度。第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日零位式測量法

又稱平衡測量方法。測量時，將被測量X與同種的已知標(biāo)準(zhǔn)量A進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量使兩者的效應(yīng)互相抵消。在總效應(yīng)為零時，系統(tǒng)達(dá)到平衡，此時A-X=0，因而獲得被測量值X=A，此測量方法可用于消除因指示儀表不準(zhǔn)確而造成的誤差。如圖所示為用零位式方法測量電壓Ux的電路，圖中Un為標(biāo)準(zhǔn)電池，測量過程中只需判斷檢流計是否指向零，而不需要讀數(shù)。當(dāng)指零儀指零時，Ux=Un，電路的內(nèi)阻對測量結(jié)果無影響。測量結(jié)果只取決于Un的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和檢流計（指零儀）的靈敏度。第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日差值法（微差法）在零位式測量法中，標(biāo)準(zhǔn)量A不可能都是連續(xù)可調(diào)，因而難以完全補(bǔ)償被測量X，實際測量時必定存在著差值α。微差法只要求標(biāo)準(zhǔn)量A與被測量相近，而用指示儀表測量標(biāo)準(zhǔn)量和被測量的差值α。被測量可通過X=A+α得到。如圖所示為差值法測量某電池電勢Ex的原理圖。令它與另一標(biāo)準(zhǔn)電池電勢En相比較，并用直流電位差計測量其差值ΔU，則得到Ex=En+ΔU。差值法的誤差分析：根據(jù)X=A+α，因此有下式式中ΔA/A為標(biāo)準(zhǔn)量具的相對誤差；Δα/α為測量差值的相對誤差，且Δα/α以α/X為倍數(shù)影響測量結(jié)果。X與A差值越小，測量差值的誤差帶給測量結(jié)果的影響越小。課件使用微差法測量，指示儀表的誤差對測量結(jié)果的影響會大大減弱。第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日補(bǔ)償法

補(bǔ)償法是替代法的一種特殊形式，其測量原理如圖所示。在兩次測量中，第一次令標(biāo)準(zhǔn)器的量值RN與被測量Rx相加。在RN+Rx的作用下，儀器給出一個示值；第二次去掉被測量，并改變標(biāo)準(zhǔn)器的量值為R’N，使儀器的示值與第一次相同。于是得到Rx=R’N-RN。引入修正值法

如果測量儀表經(jīng)過校正，已經(jīng)獲得了儀表的修正值，則將測量結(jié)果的指示值加上修正值，就得到被測量的實際值。其他方法

對稱觀測法：在測量時設(shè)法獲得對稱數(shù)據(jù)，并利用測量數(shù)據(jù)的對稱關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)處理，從而消除系統(tǒng)誤差的方法。

正負(fù)誤差補(bǔ)償法：在不同的實驗條件下進(jìn)行兩次測量，使系統(tǒng)誤差對讀數(shù)的影響一次為正、一次為負(fù)，則兩次讀數(shù)的平均值可將系統(tǒng)誤差消除。第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日例如，用電流表測電流時，考慮到外磁場對讀數(shù)的影響，可以把電流表放置的位置轉(zhuǎn)動180°，分別進(jìn)行兩次測量。兩次測量中，必然出現(xiàn)一次讀數(shù)偏大而另一次讀數(shù)偏小的情況，取兩次讀數(shù)的平均值，作為測量結(jié)果，其正、負(fù)誤差抵消，可以有效地消除外磁場對測量結(jié)果的影響。例如一只靈敏電流計零點隨時間有線性漂移，在測量讀數(shù)前記下一次零點值，測量讀數(shù)后再記一次零點值，取兩次零點值的平均來修正測量值。又如，測電阻溫度系數(shù)的實驗，測電阻前記錄一次溫度，測電阻后再記錄一次溫度，取兩次平均值作為該點溫度值等。第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日例：電位差計測電阻，將一已知電阻R0與待測電阻Rx串聯(lián)，用電位差計分別測出R0和Rx兩端的電壓，便可計算出待測電阻Rx的阻值：但實際上電流是隨時間變化的，在t1時測Ux，在t2時測U0則可得到如下兩式：第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日而 綜合此三式得：與 比較相差一個數(shù)值對稱觀測法測量：在時間t1，測Rx上的電壓降：在時間t2，測R0上的電壓降：在時間t3，測Rx上的電壓降：求 又因為綜上得：第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、隨機(jī)誤差的處理

（一）隨機(jī)誤差的正態(tài)分布特性

大量的實際統(tǒng)計表明：隨機(jī)因素對測量結(jié)果的綜合影響所構(gòu)成的隨機(jī)誤差遵循正態(tài)分布規(guī)律。所以絕大多數(shù)隨機(jī)誤差及在隨機(jī)誤差影響下的測量數(shù)據(jù)都可以用正態(tài)分布來描述。正態(tài)分布函數(shù)：設(shè)在一定條件下對一個量（真值為X0）進(jìn)行N次等精度測量，得到一組測量值X1、X2、X3……Xn。則各值出現(xiàn)的概率密度分布為上式也叫高斯曲線方程。X0和σ為分布曲線的兩個特征參數(shù)，其中X0表示測得值分布的集中位置，稱為位置特征。設(shè)隨機(jī)誤差為δ=X-X0，則隨機(jī)誤差的概率密度分布函數(shù)為：第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日標(biāo)準(zhǔn)偏差σ表征測量數(shù)據(jù)的分散程度，稱為離散特性。

σ改變，曲線位置不變，但形狀改變。

σ越小，曲線越尖銳，表示測得值的離散性小。

σ越大，曲線越平坦，表示測得值分散。

對正態(tài)分布規(guī)律分析可知，隨機(jī)誤差具有如下特性：集中性：大量重復(fù)測量時得到的數(shù)值，均集中在其平均值附近。有界性：很大的誤差出現(xiàn)的概率近于零，即使在有限次測量中，誤差的絕對值不超過一定的范圍。對稱性：當(dāng)測量次數(shù)足夠多時，符號相反、絕對值相等的誤差出現(xiàn)的概率大致相同。抵償性：從對稱性可以推論，當(dāng)測量次數(shù)趨于無窮多時，測量的隨機(jī)誤差的代數(shù)和趨于零。第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日置信度置信區(qū)間表測量數(shù)據(jù)Xn在數(shù)學(xué)期望（真