《現(xiàn)代檢測技術(shù)及儀表》課件第3章 檢測儀表基礎(chǔ)知識

1.按被測參數(shù)分類2.按對被測參數(shù)的響應(yīng)形式分類3.按儀表使用的能源和主要信息類型分類4.按是否具有遠傳功能分類5.按信號的輸出（顯示）形式分類6.按使用的場所分類7.按儀表的結(jié)構(gòu)方式分類

3.2測量誤差

測量過程就是將被測物理量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)角、位移、能量等的過程，而檢測儀表就是實現(xiàn)這一過程的工具。由儀表讀得的被測值和被測量真值之間，總是存在一定的差距，這就是測量誤差。

測量誤差通常有兩種表示方法，即絕對誤差和相對誤差。3.2.1絕對誤差

絕對誤差是指儀表指示值與公認的約定真值之差，即

（3-1）式中Δ—絕對誤差；

—示值，被校表的讀數(shù)值；

—約定真值，標準表的讀數(shù)值。絕對誤差又可簡稱為誤差。絕對誤差是可正可負的，而不是誤差的絕對值，當(dāng)誤差為正時表示儀表的示值偏大，反之偏小。絕對誤差還有量綱，它的單位與被測量的單位相同。

儀表在其測量范圍內(nèi)各點讀數(shù)絕對誤差的最大值稱為最大絕對誤差，即

（3-2）

3.2.2相對誤差

為了能夠反映測量工作的精細程度，常用測量誤差除以被測量的真值，即用相對誤差來表示。相對誤差也具有正負號，但無量綱，用百分數(shù)表示。由于真值不能確定，實際上是用約定真值。即相對誤差

（3-3）

3.2.3基本誤差與附加誤差

儀表應(yīng)用時應(yīng)嚴格按規(guī)定的環(huán)境條件即參比工作條件進行測量，此時獲得的誤差稱為基本誤差。在非參比工作條件下測量所得的誤差，除基本誤差外，還會包含額外的誤差，稱為附加誤差，即誤差=基本誤差+附加誤差

（3-4）

以上討論都是針對儀表的靜態(tài)誤差，即儀表靜止?fàn)顟B(tài)時的誤差，或變化量十分緩慢時所呈現(xiàn)的誤差，此時不考慮儀表的慣性因素。儀表還有動態(tài)誤差，動態(tài)誤差是指儀表因慣性延遲所引起的附加誤差，或變化過程中的誤差。

3.3檢測儀表基本概念及性能指標

測量范圍就是指儀表按規(guī)定的精度進行測量的被測量的范圍。測量范圍的最大值稱為測量上限值，簡稱上限。測量范圍的最小值稱為測量下限值，簡稱下限。儀表的量程可以用來表示其測量范圍的大小，是其測量上限值與下限值的代數(shù)差，即量程=測量上限值－測量下限值（3-5）3.3.1測量范圍、上下限及量程例3-1一臺溫度檢測儀表的測量上限值是500℃，下限值是－100℃，則其測量范圍和量程各為多少？解：該儀表的測量范圍為－100～500℃。量程=測量上限值－測量下限值=500℃－（－100℃）=600℃儀表的量程在檢測儀表中是一個非常重要的概念，它與儀表的精度、精度等級及儀表的選用都有關(guān)。

儀表測量范圍的另一種表示方法是給出儀表的零點及量程。儀表的零點即儀表的測量下限值。這是一種更為常用的表示方法。例3-2一臺溫度檢測儀表的零點是－50℃，量程是300℃，則其測量范圍為多少？解：零點是－50℃，說明其測量下限值為－50℃。由量程=測量上限值－測量下限值有測量上限值=量程+測量下限值=300℃+（－50℃）=250℃

這臺溫度檢測儀表的測量范圍為－50～250℃。

3.3.2零點遷移和量程遷移

零點的變化稱為零點遷移，量程的變化稱為量程遷移。假設(shè)儀表的特性曲線是線性的，如圖3-1中線段1所示。圖3-1零點遷移和量程遷移示意圖

單純零點遷移情況如圖3-1中線段2所示。此時儀表量程不變，其斜率亦保持不變，線段2只是線段1的平移，理論上零點遷移到了原輸入值的－25%，上限值遷移到了原輸入值的75%，而量程則仍為100%。單純量程遷移情況如圖3-1中線段3所示。此時儀表零點不變，線段仍通過坐標系原點，但斜率發(fā)生了變化，上限值遷移到了原輸入值的140%，量程變?yōu)?40%。3.3.3靈敏度、分辨率及分辨力1.靈敏度靈敏度S是表示儀表對被測量變化的靈敏程度，常以在被測量改變時，經(jīng)過足夠時間儀表指示值達到穩(wěn)定狀態(tài)后，儀表輸出的變化量與引起此變化的輸入變化量之比，即（3-6）

在量綱相同的情況下，儀表靈敏度的數(shù)值越大，說明儀表越靈敏。靈敏度即為圖3-1中的斜率，零點遷移靈敏度不變，而量程遷移則意味著靈敏度的改變。2.分辨率分辨率又稱靈敏限，是儀表輸出能響應(yīng)和分辨的最小輸入變化量。分辨率是靈敏度的一種反映，一般說儀表的靈敏度高，其分辨率也高。在實際應(yīng)用中，希望提高儀表的靈敏度，從而保證其有較高的分辨率。3.分辨力

對于數(shù)字式儀表而言，分辨力是指該表的最末位數(shù)字間隔所代表的被測參數(shù)變化量。

3.3.4線性度

線性度（又稱為非線性誤差，或非線性度）是衡量實際特性偏離線性程度的指標。其定義為：

儀表輸出—輸入校準曲線與理論擬合直線之間的絕對誤差的最大值與儀表的量程之比的百分數(shù)，即非線性誤差=

（3-7）

輸出

輸入

實際

理論

圖3-2線性度示意圖3.3.5精度和精度等級

儀表的精確程度（準確程度）不僅與儀表的絕對誤差有關(guān)，還與儀表的測量范圍有關(guān)，因此不能采用絕對誤差來衡量儀表的準確度。通常用引用誤差來衡量儀表的準確性能。1.引用誤差

引用誤差又稱為相對百分誤差，用儀表的絕對誤差與儀表量程之比的百分數(shù)來表示，即

（3-8）

2.最大引用誤差

儀表在其測量范圍內(nèi)的最大絕對誤差與儀表量程之比的百分數(shù)來表示，即

3.允許的最大引用誤差

儀表允許誤差與儀表量程之比的百分數(shù)表示就是儀表允許的最大引用誤差，即

（3-9）（3-10）4.精度精度又稱為精確度或準確度，是指測量結(jié)果和實際值一致的程度，是用儀表誤差的大小來說明其指示值與被測量真值之間的符合程度。通常用允許的最大引用誤差去掉正負號（±）號和百分號（%）號后，剩下的數(shù)字來衡量。其數(shù)值越大，表示儀表的精度越低，數(shù)值越小，表示儀表的精度越高。

5.精度等級

按照儀表工業(yè)的規(guī)定，儀表的精度劃分為若干等級，稱精度等級。

我國常用的精度等級有：

0.005，0.01，0.02，0.05，

0.1，0.2，0.5

1.0，1.5，2.5，Ⅰ級標準表Ⅱ級標準表工業(yè)用表所謂1.0級儀表，即該儀表允許的最大相對百分誤差為，其余類推。

儀表精度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標之一。精度等級的數(shù)字越小，儀表的精度等級就越高，也說明該儀表的精度高。儀表精度等級一般可用不同符號形式標志在儀表面板或銘牌上，如1.0級儀表表示為、或等。例3-3有兩臺測溫儀表，測溫范圍分別為0～100℃和100～300℃，校驗時得到它們的最大絕對誤差均為±2℃，試確定這兩臺儀表的精度等級。解：去掉正負號和百分號，分別為2和1。因為精度等級中沒有2級儀表，而該表的誤差又超過了1級表所允許的最大誤差，取2對應(yīng)低等級數(shù)上接近值2.5級，所以這臺儀表的精度等級是2.5級，另一臺為1級。最大絕對誤差相同時，量程大的儀表精度高。

例3-4某臺測溫儀表的工作范圍為0～500℃，工藝要求測溫時的最大絕對誤差不允許超過±4℃，試問如何選擇儀表的精度等級才能滿足要求？解：根據(jù)工藝要求

0.8介于0.5于1.0之間，若選用1.0級儀表，則最大誤差為±5℃，超過工藝允許值。為滿足工藝要求，應(yīng)取0.8對應(yīng)高等級數(shù)上接近值0.5級。故應(yīng)選擇0.5級表才能滿足要求。

由以上例子可看出，根據(jù)儀表的校驗數(shù)據(jù)來確定儀表的精度等級和根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級，要求是不同的。（1）根據(jù)儀表的校驗數(shù)據(jù)來確定儀表的精度等級時，儀表允許的最大引用誤差要大于或等于儀表校驗時所得到的最大引用誤差。（2）根據(jù)工藝要求來選擇儀表的精度等級時，儀表允許的最大引用誤差要小于或等于工藝上所允許的最大引用誤差。3.3.6死區(qū)、滯環(huán)和回差

1.死區(qū)儀表輸入在小到一定范圍內(nèi)不足以引起輸出的任何變化，這一范圍稱為死區(qū)，在這個范圍內(nèi)，儀表的靈敏度為零。

死區(qū)也稱不靈敏區(qū)，它會導(dǎo)致被測參數(shù)的有限變化不易被檢測到，要求輸入值大于某一限度才能引起輸出變化，它使得儀表的上升曲線和下降曲線不重合，如圖3-3所示。死區(qū)一般以儀表量程的百分數(shù)來表示。

2.滯環(huán)（滯環(huán)誤差）由于儀表內(nèi)部的某些元件具有儲能效應(yīng)，使得儀表校驗所得的實際上升（上行程）曲線和實際下降（下行程）曲線不重合，儀表的特性曲線成環(huán)狀，如圖3-4所示。

輸入

輸出

上升曲線

下降曲線

圖3-3死區(qū)效應(yīng)示意圖輸入

輸出

下降曲線

上升曲線

圖3-4滯環(huán)效應(yīng)示意圖

滯環(huán)誤差為對應(yīng)于同一輸入值下上升曲線和下降曲線之間的最大差值，一般用儀表量程的百分數(shù)表示。

3.回差

回差又稱變差或來回差，是指在相同條件下，使用同一儀表對某一參數(shù)在整個測量范圍內(nèi)進行正、反（上、下）行程測量時，所得到的在同一被測值下正行程和反行程的最大絕對差值,如圖4-5所示。回差一般用上升曲線與下降曲線在同一被測值下的最大差值與量程之比的百分數(shù)，即

（3-11）

回差是滯環(huán)和死區(qū)效應(yīng)的綜合效應(yīng)。造成儀表回差的原因很多，如傳動機構(gòu)的間隙，運動部件的摩擦，彈性元件的彈性滯后等。一個儀表的回差越小，其輸出的重復(fù)性和穩(wěn)定性越好。一般情況下，儀表的回差不能超出儀表的允許誤差。

輸入

輸出

上升曲線

下降曲線

回差

圖3-5死區(qū)和滯環(huán)綜合效應(yīng)示意圖3.3.7反應(yīng)時間

當(dāng)用儀表對被測量進行測量時，被測量突然變化后，儀表指示值總是要經(jīng)過一段時間以后才能準確的顯示出來。反應(yīng)時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出被測量變化的指標。

儀表的反應(yīng)時間有不同的表示方法。儀表的輸出信號（指示值）由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的63.2%所用的時間，可用來表示反應(yīng)時間。也有用變化到新穩(wěn)態(tài)值的95%所用時間來表示反應(yīng)時間的。

3.3.8重復(fù)性和再現(xiàn)性

重復(fù)性是衡量儀表不受隨機因素影響的能力，再現(xiàn)性是儀表性能穩(wěn)定的一種標志。

1.重復(fù)性

在相同測量條件下，對同一被測量，按同一方向（由小到大或由大到小）連續(xù)多次測量時，所得到的多個輸出值之間相互一致的程度稱為儀表的重復(fù)性，它不包括滯環(huán)和死區(qū)。

儀表的重復(fù)性一般用上升和下降曲線的最大離散程度中的最大值與量程之比的百分數(shù)來表示，如圖3-6所示。

輸出

重復(fù)性

再現(xiàn)性

輸入

圖3-6重復(fù)性和再現(xiàn)性示意圖

2.再現(xiàn)性

儀表的再現(xiàn)性是指在相同的測量條件下，在規(guī)定的相對較長的時間內(nèi)，對同一被測量從兩個方向上重復(fù)測量時，儀表實際上升和下降曲線之間離散程度的表示。常用兩種曲線之間離散程度的最大值與量程之比的百分數(shù)來表示，如圖4-6所示。它包括了滯環(huán)和死區(qū)，也包括了重復(fù)性。在評價儀表的性能時，常常同時要求其重復(fù)性和再現(xiàn)性。重復(fù)性和再現(xiàn)性的數(shù)值越小，儀表的質(zhì)量越高。

那么重復(fù)性和再現(xiàn)性與儀表的精度有什么關(guān)系呢？我們用打靶的例子來進行說明。A、B和C三人的打靶結(jié)果如圖3-7（a）、(b)和（c）所示。

重復(fù)性不好重復(fù)性好重復(fù)性好精度不高精度不高精度高

(a)

(b)(c)

圖3-7重復(fù)性和精度關(guān)系示意圖

重復(fù)性和再現(xiàn)性優(yōu)良的儀表并不一定精度高，但高精度的優(yōu)質(zhì)儀表一定有很好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。重復(fù)性和再現(xiàn)性的優(yōu)良只是保證儀表準確度的必要條件。3.3.9可靠性

可靠性是反映儀表在規(guī)定的條件下和