第一部分：绪论(新)

1、 检测技术与仪表检测技术与仪表讲授内容讲授内容:第一部分：绪论第一部分：绪论检测技术的基础知识检测技术的基础知识第二部分：温度测量第二部分：温度测量第三部分：压力、压差测量第三部分：压力、压差测量第四部分：流量测量第四部分：流量测量第五部分：物位测量第五部分：物位测量第六部分：过程成分分析仪器第六部分：过程成分分析仪器第七部分：机械量测量第七部分：机械量测量第八部分：显示仪表介绍第八部分：显示仪表介绍讲讲 授：许晓平授：许晓平昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系昆明理工大学信息工程与自动化学院自动化系第一部分：绪论第一部分：绪论检测技术的基础知识检测技术的基础知识检测技术和测量仪器的重要作

2、用检测技术和测量仪器的重要作用典型控制系统典型控制系统生产现场情况生产现场情况检测技术与仪表的理论基础检测技术与仪表的理论基础 关于测量与仪表的相关概念和定义；关于测量与仪表的相关概念和定义； 一、测量及测量方法一、测量及测量方法 二、测量误差及其处理方法二、测量误差及其处理方法 三、测量仪表的质量指标三、测量仪表的质量指标热工检测系统简介热工检测系统简介仪表的防爆和防护的有关知识。仪表的防爆和防护的有关知识。计算举例计算举例 检测技术与仪表检测技术与仪表第一部分：绪论第一部分：绪论仪器仪表是现代信息链中的源头技术仪器仪表是现代信息链中的源头技术仪器仪表的功能仪器仪表的功能:是利用物理、化学和

3、生物的方是利用物理、化学和生物的方法来获取被测对象的组分、状态、运动和变法来获取被测对象的组分、状态、运动和变化的信息，通过转换和处理，使这些信息成化的信息，通过转换和处理，使这些信息成为易于人们阅读和识别的量化形式。为易于人们阅读和识别的量化形式。 新技术革命的关键是新技术革命的关键是信息技术信息技术; ; 信息技术由测量技术、计算机技术和通信技信息技术由测量技术、计算机技术和通信技术三部分组成，术三部分组成，测量技术则是关键和基础。测量技术则是关键和基础。 1.1 1.1 序序 言言检测技术及仪器仪表的重要作用检测技术及仪器仪表的重要作用“仪器仪表是人们认识世界的工具。仪器仪表是人们认识世

4、界的工具。” 科研工作是对未知进行探索，必然要借助科研工作是对未知进行探索，必然要借助实验方法实验方法和仪器设备；和仪器设备； 科研的创新工作都是科研的创新工作都是从研究新的测试方法和实验仪从研究新的测试方法和实验仪器开始的；器开始的； 检测技术和仪器仪表的发展检测技术和仪器仪表的发展代表着科技进步的前沿，代表着科技进步的前沿，是科技发展的支柱。是科技发展的支柱。在工农业生产、环境保护和能源节约中都发挥着重要在工农业生产、环境保护和能源节约中都发挥着重要的作用的作用 担负着对生产过程的担负着对生产过程的监测监测和和控制；控制； 是保证生产连续、高效、安全和无污染运行的关键。是保证生产连续、高效

5、、安全和无污染运行的关键。在产品质量评估、计量标准实施中在产品质量评估、计量标准实施中起着技术监督的起着技术监督的“物质物质法官法官”的作用。的作用。1.1 1.1 序序 言言检测技术及仪器仪表的重要作用检测技术及仪器仪表的重要作用1.1 1.1 序序 言言检测技术及仪器仪表的重要作用检测技术及仪器仪表的重要作用检测技术及仪器仪表的研制、生产和应用将推动企业检测技术及仪器仪表的研制、生产和应用将推动企业信息化进程信息化进程 企业信息化企业信息化就是利用现代的就是利用现代的信息获取技术信息获取技术（传（传感器、检测方法）、感器、检测方法）、信息处理技术信息处理技术（计算机、数据处（计算机、数据处

6、理方法）和理方法）和信息传输技术信息传输技术（网络总线技术）（网络总线技术）对企业进对企业进行行全方位、多角度、高速全方位、多角度、高速安全的检测和控制安全的检测和控制，实现以，实现以信息流控制物质流和资金流。信息流控制物质流和资金流。通过信息资源的开发和有效利用来提高企业的生产通过信息资源的开发和有效利用来提高企业的生产能力和经营管理水平；能力和经营管理水平；建立：以生产过程为核心的建立：以生产过程为核心的自动化系统；自动化系统；以财务成以财务成本管理为核心的本管理为核心的企业管理信息系统企业管理信息系统和以电子商务为核和以电子商务为核心的心的发展决策支持和现代营销系统发展决策支持和现代营销

7、系统。 1.1 1.1 序序 言言检测技术及仪器仪表的重要作用检测技术及仪器仪表的重要作用检测技术和仪器仪表发展：检测技术和仪器仪表发展：向光、机、电向光、机、电一体；一体；综合多种学科发展的高新技术领域；综合多种学科发展的高新技术领域；向向微型化、智能化、集成化和网络化微型化、智能化、集成化和网络化方向发展；方向发展；采用微机电子技术（采用微机电子技术（MEMSMEMS）、纳米技术、功能）、纳米技术、功能材料、仿生学技术和网络通信技术领域中的最新材料、仿生学技术和网络通信技术领域中的最新成果已成为检测技术和仪器仪表的发展方向。成果已成为检测技术和仪器仪表的发展方向。 企业信息化企业信息化内涵

8、：内涵：生产过程自动化生产过程自动化、管理网络化管理网络化和和决策智能化决策智能化三者的结合，而三者的结合，而生产过程自动化生产过程自动化是是信息化的基础和前提。信息化的基础和前提。1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统自动化控制系统经历了四个发展阶段：自动化控制系统经历了四个发展阶段：仪表控制系统；仪表控制系统；数字直接控制系统数字直接控制系统（DDCDDC，Direct Digital Direct Digital ControlControl）；）；分布式控制系统分布式控制系统（DCSDCS，Distributed Control Distributed Control SystemS

9、ystem）；）；现场总线控制系统现场总线控制系统（FCS, Field busFCS, Field bus Control Control SystemSystem）。）。一、仪表控制系统一、仪表控制系统用用单元组合仪表单元组合仪表构成的控制系统。构成的控制系统。例：精馏塔仪表控制系统组成。例：精馏塔仪表控制系统组成。 1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统 精馏精馏是（化工、炼油生产中广泛）用来使液是（化工、炼油生产中广泛）用来使液体混合物体混合物组分分离并提纯的工艺手段组分分离并提纯的工艺手段。 利用了利用了各组分挥发难易程度不同各组分挥发难易程度不同的原理。的原理。 典型设备是典型设

10、备是精馏塔精馏塔。如图如图1.11.1所示。所示。P3P31.2 1.2 典型控制系统典型控制系统混合组分1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统 塔顶管线上压力调节回路：塔顶管线上压力调节回路：v 维持塔压的恒定；维持塔压的恒定；v 调节阀调节阀改变制冷剂的流量改变制冷剂的流量 改变顶回流改变顶回流所携带热量的大小所携带热量的大小 改变塔顶的压力值。改变塔顶的压力值。v 控制原理框图如下控制原理框图如下压力调节调节阀制冷剂流量对象塔顶压力对象压力测量压力给定SP +-测量值PV偏差e干扰1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统进料量采用了流量定值调节：进料量采用了流量定值调节：v 减少进料对

11、塔平衡工况的影响；减少进料对塔平衡工况的影响；v控制原理框图如下控制原理框图如下流量调节调节阀流量对象流量测量流量给定SP +-测量值PV偏差e干扰1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统 液位调节系统：液位调节系统：v 防止塔底液面和冷凝储罐内物料液面产生大防止塔底液面和冷凝储罐内物料液面产生大的波动。的波动。v 控制原理框图如下控制原理框图如下液位调节调节阀液位对象液位测量液位给定SP +-测量值PV偏差e干扰1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统 温度控制：温度控制：v 提高精馏新产品纯度和提高生产效率；提高精馏新产品纯度和提高生产效率；v 调节阀调节阀改变加热器加热介质量改变加热器加

12、热介质量 控制塔内控制塔内温度值。温度值。v 控制原理框图如下控制原理框图如下温度调节调节阀加热介质流量对象塔顶底温度对象温度测量温度给定SP +-测量值PV偏差e干扰1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统 塔顶轻组分流量定值调节系统：塔顶轻组分流量定值调节系统：v 建立稳定的操作条件；建立稳定的操作条件；v 采用轻组分部分回流。采用轻组分部分回流。 精馏塔的精馏塔的6 6个典型单回路控制系统中包括了温个典型单回路控制系统中包括了温度、压力、流量和液位控制系统，它们都是度、压力、流量和液位控制系统，它们都是由传由传感器、变送器、调节器和执行器四大仪表单元组感器、变送器、调节器和执行器四大仪表

13、单元组成的成的。测量变送器送出的信号可同时送给显示记录单元，测量变送器送出的信号可同时送给显示记录单元，对被测量进行实时显示和曲线记录。对被测量进行实时显示和曲线记录。1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统 单回路控制系统可用信号传递方块图表示单回路控制系统可用信号传递方块图表示如图如图1.21.2所示。所示。调节器执行器被控对象测量变送给定值SP +-测量值PV偏差e 单元仪表也可以组成复杂调节系统，但需单元仪表也可以组成复杂调节系统，但需要更多的仪表和连线。要更多的仪表和连线。 1.2 单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图干扰二、数字直接控制系统二、数字直接控制系统由：由：工业控制计

14、算机、工业控制计算机、I/OI/O功能卡、信号调理模块以及传功能卡、信号调理模块以及传感器、变送器和执行器共同组成；感器、变送器和执行器共同组成；一套一套DDCDDC装置可以构成多回路控制系统；装置可以构成多回路控制系统；精馏塔的精馏塔的6 6个控制回路可用一套个控制回路可用一套DDCDDC装置进行控制；装置进行控制；系统方块图如图系统方块图如图1.31.3所示。所示。1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统信号调理模块：信号调理模块：对对P P、T T、L L、F F信号进行放大、修信号进行放大、修正、补偿或输出信号转变成电流、电压信号；正、补偿或输出信号转变成电流、电压信号；I/OI/O卡

15、：卡：A/DA/D、D/AD/A转换；转换；计算机：计算机：6 6路信号分别与给定值进行比较路信号分别与给定值进行比较 得偏差得偏差e e 按调节规律（按调节规律（PIDPID（比例、积分、微分）运（比例、积分、微分）运算后输出控制量算后输出控制量 I/OI/O卡经卡经D/AD/A变换变换输出信号调输出信号调理模块理模块 转变成电流信号转变成电流信号分别控制分别控制6 6个调节阀完个调节阀完成控制任务。成控制任务。 DDCDDC控制系统完成复杂控制不需要增加硬件设控制系统完成复杂控制不需要增加硬件设备。备。1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统三、分布式控制系统三、分布式控制系统 分布式控制

16、系统（分布式控制系统（DCSDCS），也称为集散控制系），也称为集散控制系统；统； 把把分散控制和集中管理分散控制和集中管理有机地结合起来。有机地结合起来。可分成三层可分成三层： 最底层是最底层是I/OI/O单元，它与现场的变送器、执行单元，它与现场的变送器、执行器相连接，完成信号调理和数据转换的工作；器相连接，完成信号调理和数据转换的工作； 第二层是操作监控层，它完成实时操作，系第二层是操作监控层，它完成实时操作，系统组态，过程监控的任务；统组态，过程监控的任务； 第三层为调度决策层，它负责数据采集、专第三层为调度决策层，它负责数据采集、专家决策、效益分析、生产调度等工作。家决策、效益分析、

17、生产调度等工作。1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统DCSDCS系统方块图如图系统方块图如图1.41.4所示。所示。四、现场总线控制系统四、现场总线控制系统所有仪器都是智能化仪表（带有所有仪器都是智能化仪表（带有CPUCPU微处理微处理器）；器）；完成数据采集、控制运算、故障诊断等功能；完成数据采集、控制运算、故障诊断等功能；并具有数字通信接口；并具有数字通信接口；实现了全数字通信；实现了全数字通信；系统的所有功能都由网络中的节点即智能仪表系统的所有功能都由网络中的节点即智能仪表独立运行完成；独立运行完成；任何节点故障只会影响自己而不会危及全局；任何

18、节点故障只会影响自己而不会危及全局；提高了系统的可靠性，简化了系统的结构，减提高了系统的可靠性，简化了系统的结构，减少了安装和连线的费用。少了安装和连线的费用。1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统FCSFCS控制系统方块图如图控制系统方块图如图1.51.5所示。所示。 从以上控制系统发展中可以看到：从以上控制系统发展中可以看到：传感器、变送器和执行器是控制系统的基础；传感器、变送器和执行器是控制系统的基础；完成生产过程信息的获取和改变工艺的操作；完成生产过程信息的获取和改变工艺的操作；控制系统的升级和发展，只是控制系统的升级和发展，只是改变了信息的改

19、变了信息的传输、加工和有效利用的手段传输、加工和有效利用的手段。 因此，因此，检测技术、仪器仪表技术检测技术、仪器仪表技术在自动化在自动化技术中占有重要的地位，在实际控制系统中发技术中占有重要的地位，在实际控制系统中发挥着重要的作用。挥着重要的作用。1.2 1.2 典型控制系统典型控制系统检测技术与仪表检测技术与仪表生产现场生产现场生产现场情况生产现场情况企业信息中心企业信息中心检测技术与仪表检测技术与仪表参数集中监控系统参数集中监控系统检测技术与仪表检测技术与仪表现场参数的检测现场参数的检测检测技术与仪表检测技术与仪表现场参数的检测现场参数的检测检测技术与仪表检测技术与仪表现场参数检测与显示

20、现场参数检测与显示检测技术与仪表检测技术与仪表现场参数检测现场参数检测检测技术与仪表检测技术与仪表现场参数检测现场参数检测检测技术与仪表检测技术与仪表现场执行机构现场执行机构检测技术与仪表检测技术与仪表I/OI/O控制站控制站检测技术与仪表检测技术与仪表系统操作站系统操作站工艺流程及参数显示工艺流程及参数显示工艺流程及参数显示工艺流程及参数显示工艺流程及参数显示工艺流程及参数显示1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础一、测量及测量方法一、测量及测量方法 测量是以确定量值为目的的一组操作。测量是以确定量值为目的的一组操作。包括包括: :手工或按程序自动进行的操作；手工或按程序自动进行的

21、操作；结果结果: :得到被测量的最终结果值；得到被测量的最终结果值；它的不确定度的估计值；它的不确定度的估计值；全部的数据处理过程。全部的数据处理过程。 或测量是利用某种工具并以实验或计算的或测量是利用某种工具并以实验或计算的方法获取被测参数数值的过程。方法获取被测参数数值的过程。即，指被测参即，指被测参数与预先确定的被测参数的数与预先确定的被测参数的“单位单位”进行比较，进行比较，并获取比值的过程。并获取比值的过程。1 1、测、测 量量测量过程三要素：测量过程三要素： 测量单位：测量单位：预先被确定，并以实物加以复现；预先被确定，并以实物加以复现； 测量方法：测量方法：将被测量与其单位进行比

22、较的方法；将被测量与其单位进行比较的方法； 测量工具：测量工具：测量过程的具体体现与实施者；测量过程的具体体现与实施者；（为求取比值而实际使用的）一些仪器仪表与设备。（为求取比值而实际使用的）一些仪器仪表与设备。可由下式表示：可由下式表示：1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础uxnnux(1-1) (1-2) x被测量值；被测量值； u标准量，即测量单位；标准量，即测量单位； n比值（纯数），含有测量误差。比值（纯数），含有测量误差。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础测量结果：测量结果：由测量所获得的被测量的量值。由测量所获得的被测量的量值。可用：一定的数值表示；可用

23、：一定的数值表示； 一条曲线或某种图形表示；一条曲线或某种图形表示；包括：包括：比值和测量单位比值和测量单位。注意：测量结果只是被测量的最佳估计值，并非真值注意：测量结果只是被测量的最佳估计值，并非真值。如何评价如何评价测量结果的质量测量结果的质量呢？呢？ 可信程度可信程度1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础可信程度：可信程度：它表征测量值的分散程度，用测量不它表征测量值的分散程度，用测量不确定度表示确定度表示。因此，因此，测量结果的完整表述应包括：测量结果的完整表述应包括：估计值；估计值； 测量单位；测量单位；测量不确定度。测量不确定度。测量过程：测量过程：传感器从被测对象获取被

24、测量的信息，传感器从被测对象获取被测量的信息， 测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得测量信号，经过变换、传输、处理，从而获得被测量量值的过程。被测量量值的过程。 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础 测量过程的信息测量过程的信息包括被测量值和比值等包括被测量值和比值等依依托于物质托于物质在空间和时间上进行传递。在空间和时间上进行传递。 当被测量作用到实际物体上当被测量作用到实际物体上某些某些参数参数发生发生变化，参数承载了信息而成为变化，参数承载了信息而成为信号信号 选择其中适选择其中适当的参数作为当的参数作为测量信号测量信号。例如，热电偶温度传感器参数例如，热电偶温度传感器参

25、数热电势；热电势；差压流量传感器中的孔板参数差压流量传感器中的孔板参数差压差压p p。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础 2 2、测量方法、测量方法 实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称实现被测量与标准量比较得出比值的方法，称为测量方法。为测量方法。 分类分类根据获得测量值的方法分：根据获得测量值的方法分：直接测量、间接测量直接测量、间接测量和组合测量；和组合测量；根据测量方式分：根据测量方式分：偏差式测量、零位式测量与微偏差式测量、零位式测量与微差式测量；差式测量；根据测量条件不同分：根据测量条件不同分：等精度测量与不等精度测等精度测量与不等精度测量量；1.3 1.3 检测

26、技术理论基础检测技术理论基础根据被测量变化快慢分：根据被测量变化快慢分：静态测量与动态测量；静态测量与动态测量；根据测量敏感元件是否与被测介质接触分：根据测量敏感元件是否与被测介质接触分：接触接触式测量与非接触式测量；式测量与非接触式测量；根据测量系统是否向被测对象施加能量分：根据测量系统是否向被测对象施加能量分：主动主动式测量与被动式测量等。式测量与被动式测量等。（ 1）直接测量、）直接测量、 间接测量与组合测量间接测量与组合测量直接测量：直接测量：测量时，测得值直接与标准量进行比较，测量时，测得值直接与标准量进行比较，不需要经过任何运算，直接得到被测量的数值。不需要经过任何运算，直接得到被

27、测量的数值。 表示：表示：y = x (1 - 3) y被测量的值；被测量的值； x直接测得值。直接测得值。 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础 例如，用电流表测量电流；用弹簧管压力表测例如，用电流表测量电流；用弹簧管压力表测量压力等。量压力等。优点：测量过程简单而又迅速。优点：测量过程简单而又迅速。缺点：测量精度不容易达到很高缺点：测量精度不容易达到很高。间接测量：间接测量：测量时，首先对与被测量有确定函数关测量时，首先对与被测量有确定函数关系的几个量进行直接测量，将直接测得值代入函数系的几个量进行直接测量，将直接测得值代入函数关系式，关系式， 经过计算得到所需要的结果。经过计

28、算得到所需要的结果。表示：表示： y=f(x)或或y=f(x1,x2, ,xn) (1-4) (1-5) 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础区别：区别：被测量被测量y不能直接测量求得；不能直接测量求得；必须由测得值必须由测得值x或或xi（i=1，2， n）经函数关）经函数关系计算确定。系计算确定。如：直接测量电压值如：直接测量电压值U和电阻值和电阻值R，根据式，根据式P=U2/R求电功率求电功率P。间接测量手续较多，间接测量手续较多， 花费时间较长。花费时间较长。 组合测量：组合测量：被测量必须经过求解联立方程组求被测量必须经过求解联立方程组求得，方程组中方程的个数得，方程组中方

29、程的个数n要大于被测量要大于被测量y的个的个数数m，用最小二乘法求出被测量的数值。，用最小二乘法求出被测量的数值。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础如：有被测量如：有被测量y1，y2，ym，直接测得值为，直接测得值为x1, x2, , xn，列被测量与测得值之间的函数，列被测量与测得值之间的函数关系方程组，即关系方程组，即),(),(),(2121222111mnnmmyyyfxyyyfxyyyfx(1 - 6) 优点：精密测量方法。缺点：复杂；时间长。优点：精密测量方法。缺点：复杂；时间长。应用：科学实验或特殊场合。应用：科学实验或特殊场合。1.3 1.3 检测技术理论基础检测

30、技术理论基础 (2)(2)偏差式测量、偏差式测量、 零位式测量与微差式测量零位式测量与微差式测量偏差式测量：偏差式测量：用仪表指针的位移（即偏差）决定被测用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的量值。量的量值。优点：简单、迅速；缺点：精度较低。优点：简单、迅速；缺点：精度较低。零位式测量：零位式测量：用指零仪表的零位反映测量系统的平衡用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值。量的量值。特点：特点：已知标准量直接与被测量比较；已知标准量直接与被测量比较；已知标准量应连续可调；已知标准量应连续可调；指零仪表

31、指零时，被测量与已知标准量相等。指零仪表指零时，被测量与已知标准量相等。优点优点：可以获得比较高的测量精度。：可以获得比较高的测量精度。缺点：缺点：复杂，费时；不适用于测量变化迅速的信号。复杂，费时；不适用于测量变化迅速的信号。 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础微差式测量：微差式测量：它将被测量与已知的标准量相它将被测量与已知的标准量相比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。比较，取得差值后，再用偏差法测得此差值。设：设：N为标准量，为标准量，x为被测量，为被测量，为二者之差，为二者之差，则则x=N+。特点：特点：综合了偏差式与零位式测量的优点；综合了偏差式与零位式测量的优点；

32、不需要调整标准量不需要调整标准量N ，误差小；，误差小；可用高灵敏度的偏差式仪表测量可用高灵敏度的偏差式仪表测量；即使测量即使测量的精度不高，但的精度不高，但x仍很小仍很小，故总，故总的测量精度仍很高。的测量精度仍很高。优点：优点：反应快；精度高。反应快；精度高。应用：应用：适用于在线控制参数的测量。适用于在线控制参数的测量。 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础 （3 3）等精度测量与不等精度测量）等精度测量与不等精度测量等精度测量：等精度测量：在整个测量过程中，若影响和决在整个测量过程中，若影响和决定误差大小的全部因素（条件）始终保持不变定误差大小的全部因素（条件）始终保持不变

33、（如由同一个测量者，用同一台仪器，用同样（如由同一个测量者，用同一台仪器，用同样的方法，的方法， 在同样的环境条件下）在同样的环境条件下），对同一被，对同一被测量进行多次重复测量。测量进行多次重复测量。不等精度测量：不等精度测量：在不同的测量条件下，用不同在不同的测量条件下，用不同精度的仪表，不同的测量方法，不同的测量次精度的仪表，不同的测量方法，不同的测量次数以及不同的测量者进行测量和对比，这种测数以及不同的测量者进行测量和对比，这种测量称为量称为1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础 （4 4）静态测量与动态测量）静态测量与动态测量 被测量在测量过程中认为是固定不变的，对被测量在

34、测量过程中认为是固定不变的，对这种被测量进行的测量称为这种被测量进行的测量称为静态测量静态测量。特点：特点：不需要考虑不需要考虑时间因素时间因素对测量的影响。对测量的影响。 若被测量在测量过程中是随时间不断变化若被测量在测量过程中是随时间不断变化的，对这种被测量进行的测量称为的，对这种被测量进行的测量称为动态测量。动态测量。 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础功能：功能：对被测对象的特征量进行检测、传输、对被测对象的特征量进行检测、传输、处理及显示等。处理及显示等。构成：构成：传感器、变送器（变换器）和其它变换传感器、变送器（变换器）和其它变换装置等。装置等。图图1.61.6测量

35、系统组成框图。测量系统组成框图。 3 3、测量系统、测量系统（1 1）测量系统构成）测量系统构成图图1.6 1.6 测量系统组成框图测量系统组成框图 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础传感器：传感器：感受被测量（物理量、化学量、生物量感受被测量（物理量、化学量、生物量等）的变化，等）的变化， 并输出相对应的信号（一般多为电量）并输出相对应的信号（一般多为电量）的器件或装置。的器件或装置。变送器：变送器：将传感器输出的信号变换成便于传输和将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号。处理的信号。 传输通道：传输通道：将测量系统各环节间的输入、输出信将测量系统各环节间的输入、输出信号

36、连接起来。（用电缆或光纤连接）号连接起来。（用电缆或光纤连接）信号处理环节：信号处理环节：将传感器输出信号进行处理和变将传感器输出信号进行处理和变换。（对信号进行放大、运算、线性化、数换。（对信号进行放大、运算、线性化、数模或模或模模数转换），使其输出信号便于显示、数转换），使其输出信号便于显示、 记录。记录。显示装置：显示装置：将被测量信息变成人的感官能接受的将被测量信息变成人的感官能接受的形式，以完成监视、控制或分析的目的。形式，以完成监视、控制或分析的目的。 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础 （2）开环测量系统与闭环测量系统）开环测量系统与闭环测量系统开环测量系统开环测量

37、系统 开环测量系统全部信息变换只沿着一个方向进开环测量系统全部信息变换只沿着一个方向进行行，如图，如图1- 2所示。输入输出关系表示如下：所示。输入输出关系表示如下： y=k1k2k3x (1-7) 图图1.7 开环测量系统框图开环测量系统框图1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础特点：特点：多个环节串联而成的；多个环节串联而成的；系统的相对误差等于各环节相对误差之和。即系统的相对误差等于各环节相对误差之和。即 niin121(1-8) 式中，式中，系统的相对误差；系统的相对误差； i各环节的相对误差。各环节的相对误差。优点：优点：结构较简单。结构较简单。缺点：缺点：各环节特性的变化

38、都会造成测量误差。各环节特性的变化都会造成测量误差。 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础闭环测量系统闭环测量系统 闭环测量系统有两个通道，一为正向通道，闭环测量系统有两个通道，一为正向通道，一为反馈通道，一为反馈通道，其结构如图其结构如图1-3所示。其中所示。其中x为为正向通道的输入量，正向通道的输入量，为反馈环节的传递系数，为反馈环节的传递系数，正向通道的总传递系数正向通道的总传递系数k=k2k3。图图 1 .8 闭环测量系统框图闭环测量系统框图 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础当当k1时，则时，则 11xy(1-9) 系统的输入输出关系为系统的输入输出关系为

39、xkxkkky111(1-10) 显然，显然，整个系统的输入输出关系由反馈环节的特整个系统的输入输出关系由反馈环节的特性决定性决定；中间环节特性的变化不会造成测量误差中间环节特性的变化不会造成测量误差（或（或者说造成的误差很小）。者说造成的误差很小）。 x11.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础二、测量误差及其处理方法二、测量误差及其处理方法1 1、研究误差的意义、研究误差的意义 1 1）正确认识误差的性质，分析误差产生的原因，正确认识误差的性质，分析误差产生的原因，以消除或减小误差。以消除或减小误差。2 2）正确处理测量和实验数据，合理计算所得）正确处理测量和实验数据，合理计算所得

40、结果，以便在一定条件下得到更接近于真值结果，以便在一定条件下得到更接近于真值的数据。的数据。3 3）正确组织实验过程，合理设计仪器或选用）正确组织实验过程，合理设计仪器或选用仪器和测量方法，以便在最经济条件下，得仪器和测量方法，以便在最经济条件下，得到理想的结果。到理想的结果。2 2、误差来源、误差来源 （测量装置、环境、方法、人员误差）测量装置、环境、方法、人员误差）1 1）测量装置误差测量装置误差 标准量具误差标准量具误差：以固定形式复现标准量值的器：以固定形式复现标准量值的器具，称为标准量具。（如标准电池、标准电阻、标具，称为标准量具。（如标准电池、标准电阻、标准砝码等），其本身体现的量

41、值，不可避免地都含准砝码等），其本身体现的量值，不可避免地都含有误差。有误差。 仪器误差仪器误差：用来直接或间接将被测量和已知量：用来直接或间接将被测量和已知量进行比较的器具设备，统称为仪器或仪表。如（压进行比较的器具设备，统称为仪器或仪表。如（压力表、温度计等），它们本身都具有误差。力表、温度计等），它们本身都具有误差。 附件误差附件误差：附件是指仪器的附加器件或附属工：附件是指仪器的附加器件或附属工具等。如测长仪的标准环规，千分尺的调整量棒等具等。如测长仪的标准环规，千分尺的调整量棒等的误差，也会引起测量误差。的误差，也会引起测量误差。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础2 2

42、）环境误差）环境误差 由于各种环境因素与规定的标准状态不一致所由于各种环境因素与规定的标准状态不一致所造成的误差。造成的误差。 如温度、湿度、气压（引起空气各部分的扰如温度、湿度、气压（引起空气各部分的扰动）、振动（外界条件及测量人员引起的振动）、动）、振动（外界条件及测量人员引起的振动）、照明（引起视差）、重力加速度、电磁场等所引起照明（引起视差）、重力加速度、电磁场等所引起的误差。的误差。基本误差：基本误差：仪器仪表在规定的正常工作条件下所具仪器仪表在规定的正常工作条件下所具有的误差。有的误差。附加误差：附加误差：传感器或仪表的使用条件偏离额定条件传感器或仪表的使用条件偏离额定条件下出现的

43、误差。下出现的误差。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础3 3）方法误差）方法误差由于测量方法不完善所引起的误差。由于测量方法不完善所引起的误差。例如用钢卷尺测量大轴的圆周长例如用钢卷尺测量大轴的圆周长S S，在通过计算求出，在通过计算求出大轴的直径大轴的直径D=S/D=S/，因近似数，因近似数取值的不同，将会取值的不同，将会引起误差。引起误差。4 4）人员误差）人员误差测量者自身各种因素所造成的误差。测量者自身各种因素所造成的误差。如测量者受分辨能力的限制；工作疲劳引起的视觉如测量者受分辨能力的限制；工作疲劳引起的视觉器官的生理变化；固有习惯引起的读数误差；以及器官的生理变化；固

44、有习惯引起的读数误差；以及精神上的因素产生的一时疏忽等所引起的误差。精神上的因素产生的一时疏忽等所引起的误差。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础3 3、测量误差的定义及表示方法、测量误差的定义及表示方法误差：误差：是测得值与被测量的真值之间的差。用下式是测得值与被测量的真值之间的差。用下式表示表示 误差误差 = = 测量值测量值 真值真值 例如在长度计量测试中，测量某一尺寸的误差例如在长度计量测试中，测量某一尺寸的误差公式具体形式即为公式具体形式即为 误差误差 = = 测得尺寸测得尺寸 真实尺寸真实尺寸测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值；测量的目的是希望通过测量获取被测量

45、的真实值；真值往往不知道，且难于测得；真值往往不知道，且难于测得；测量中总是存在误差；测量中总是存在误差； 在实际中，有时用约定真值代替真值。在实际中，有时用约定真值代替真值。常用：某量的多次测量结果来确定约定真值；常用：某量的多次测量结果来确定约定真值；或用精度高的仪器示值代替约定真值。或用精度高的仪器示值代替约定真值。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础测量误差的表示方法测量误差的表示方法绝对误差、相对误差及引用误差。绝对误差、相对误差及引用误差。 （1） 绝对误差（简称误差）绝对误差（简称误差） 用下式定义：用下式定义：=x-L

46、式中式中: 绝对误差；绝对误差； x测量值；测量值； L真值。真值。 绝对误差是有正、绝对误差是有正、 负并有量纲（单位）。负并有量纲（单位）。 真值：真值：指在观测一个量时，该量本身所具有的真实大指在观测一个量时，该量本身所具有的真实大小。小。 例如：三角形三个内角之和为例如：三角形三个内角之和为180180；一个整圆；一个整圆周角为周角为360360等。等。一个理想的概念；一个理想的概念；一般是不知道；一般是不知道；常用被测的量的实际值来代替真值。常用被测的量的实际值来代替真值。实际值：实际值：指满足规定精确度，用来代替真值使用的量指满足规定精确度，用来代替真值使用的量值。值。例如，在检定

47、工作中，把高一等级精度的标准所测得例如，在检定工作中，把高一等级精度的标准所测得的量值称为实际值。的量值称为实际值。 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础修正值：修正值：指为消除系统误差用代数法加到测量结果指为消除系统误差用代数法加到测量结果上的值。将测得值加上修正值后可得近似的真值，上的值。将测得值加上修正值后可得近似的真值，即即 真值真值 测得值测得值 + + 修正值修正值由此得由此得 修正值修正值 = = 真值真值 测得值测得值修正值与误差值的大小相等而符号相反；修正值与误差值的大小相等而符号相反；测得值加修正值后可以消除该误差的影响；测得值加修正值后可以消除该误差的影响；修

48、正值本身也有误差；修正值本身也有误差；修正后只能得到较测得值更为准确的结果，而非真修正后只能得到较测得值更为准确的结果，而非真值；值；修正值可以是具体的数值，也可以是一条曲线或公修正值可以是具体的数值，也可以是一条曲线或公式。式。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础绝对误差不能很好说明测量质量的好坏。（例）而绝对误差不能很好说明测量质量的好坏。（例）而相对误差可以比较客观地反映测量的准确性。相对误差可以比较客观地反映测量的准确性。（2 2）相对误差）相对误差绝对误差与被测量的真值之比值的百分数称为相对绝对误差与被测量的真值之比值的百分数称为相对误差（或称为实际相对误差误差（或称为实

49、际相对误差 ）。）。绝对误差与测得值之比值的百分数作为相对误差绝对误差与测得值之比值的百分数作为相对误差（或称为（或称为标称标称相对误差相对误差 ），即），即1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础%100测得值绝对误差%100值绝对误差标称相对误差真实际相对误差相对误差可能为正值或负值；相对误差可能为正值或负值；相对误差是无量纲数；相对误差是无量纲数；通常是以百分数（通常是以百分数（% %）来表示。）来表示。例如，用水银温度计测得某一温度为例如，用水银温度计测得某一温度为20.320.3，该，该温度用高一等级的温度计测得值为温度用高一等级的温度计测得值为20.220.2，因后，因后者

50、精度高。故可认为者精度高。故可认为20.220.2，接近真实温度，而，接近真实温度，而水银温度计测量的绝对误差为水银温度计测量的绝对误差为 绝对误差绝对误差 = = 测得值测得值 - - 真值真值 = 20.3 - 20.2 = 0.1= 20.3 - 20.2 = 0.1其相对误差为其相对误差为 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础%5 . 0%1003 .201 . 0%1002 .201 . 0 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础注意：对于相同的被测量，绝对误差可以评定其测量注意：对于相同的被测量，绝对误差可以评定其测量精度的高低，但对于不同的被测量或不同的物理

51、量，精度的高低，但对于不同的被测量或不同的物理量，绝对误差就难以评定其测量精度的高低，而采用相对绝对误差就难以评定其测量精度的高低，而采用相对误差来评定较为确切。误差来评定较为确切。例如，用两种方法来测量例如，用两种方法来测量L1=100mmL1=100mm的尺寸，其测量误的尺寸，其测量误差分别为差分别为1=1=10m10m， 2=2=8m8m，根据绝对误差，根据绝对误差的大小，可知后者的测量精度高。但是若用第三种方的大小，可知后者的测量精度高。但是若用第三种方法测量法测量L2=80mmL2=80mm的尺寸，其测量误差为的尺寸，其测量误差为3=3=7m7m，此时用绝对误差就难以评定它与前两种方

52、法精度的高此时用绝对误差就难以评定它与前两种方法精度的高低，必须采用相对误差来评定。低，必须采用相对误差来评定。 第一种方法的相对误差为第一种方法的相对误差为第二种方法的相对误差为第二种方法的相对误差为第三种方法的相对误差为第三种方法的相对误差为 由此可知，第一种方法精度最低，第二种方法精由此可知，第一种方法精度最低，第二种方法精度最高。度最高。%01. 0%10010000010%10010010%10011mmmL%008. 0%1001000008%1001008%10021mmmL%009. 0%100800007%100807%10031mmmL1.3 1.3 检测技术理论基础检测技

53、术理论基础（3 3）引用误差）引用误差 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础一般也用百分数表示。一般也用百分数表示。 即即 测量范围下限测量范围上限量程量程%100式中：式中： 引用误差；引用误差； 绝对误差。绝对误差。最大引用误差最大引用误差 ：在规定的条件下，当被测量平稳增：在规定的条件下，当被测量平稳增加或减小时，在仪表全量程内所测得各示值的绝对加或减小时，在仪表全量程内所测得各示值的绝对误差（取绝对值）的最大值与满量程的比值之百分误差（取绝对值）的最大值与满量程的比值之百分数，称为仪表的最大引用误差。数，称为仪表的最大引用误差。 (1 - 16) 最大引用误差是仪表基本误差

54、的主要形式；最大引用误差是仪表基本误差的主要形式；很好表明仪表的测量精确度；很好表明仪表的测量精确度；是仪表最主要的质量指标。是仪表最主要的质量指标。仪表精度等级根据最大引用误差来确定。仪表精度等级根据最大引用误差来确定。例如，例如，0.50.5级表的引用误差的最大值不超过量程的级表的引用误差的最大值不超过量程的0.5%0.5%；1.01.0级表的引用误差的最大值不超过量程级表的引用误差的最大值不超过量程的的1%1%。 1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础%100maxmax测量范围下限测量范围上限1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础 4 4、测量误差的性质、测量误差的

55、性质根据测量数据中的误差所呈现的规律及产生的原因根据测量数据中的误差所呈现的规律及产生的原因可分为可分为系统误差、随机误差和粗大误差系统误差、随机误差和粗大误差。 （1 1）随机误差：在同一测量条件下，对被测量多次）随机误差：在同一测量条件下，对被测量多次测量，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误测量，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。即差称为随机误差。即随机误差是将测量结果与在重随机误差是将测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差。结果的平均值之差。重复性条件包括：重复性条件包括： 相同的测量

56、程序；相同的测量程序；相同的观测者；相同的观测者；在相同的条件下使用相同的测量仪器；在相同的条件下使用相同的测量仪器；相同的地点；相同的地点；在短时间内重复测量。在短时间内重复测量。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础xxi随机误差(1 - 17) nxxxxn21(n) 重复测量实际上只能测量有限次；重复测量实际上只能测量有限次；实用中的随机误差只是一个近似估计值；实用中的随机误差只是一个近似估计值；随机误差服从一定的统计规律；随机误差服从一定的统计规律；可以计算随机误差出现的可能性的大小。可以计算随机误差出现的可能性的大小。 式中：式中： 被测量的某一个测量值；被测量的某一个测

57、量值； 重复性条件下无限多次的测量值的平均重复性条件下无限多次的测量值的平均值，值， 即即ixx表示：表示：1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础 （2 2）系统误差：在同一测量条件下，对被测）系统误差：在同一测量条件下，对被测量多次测量，绝对值和符号保持不变，或在条件量多次测量，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律（如线性、多项式、周期性改变时，按一定规律（如线性、多项式、周期性等函数规律）变化的误差。前者为恒值系统误差，等函数规律）变化的误差。前者为恒值系统误差， 后者为变值系统误差。后者为变值系统误差。 即在重复性条件下对同一被测量进行无限多即在重复性条件下对同一被

58、测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。 表示：表示： 式中式中, , L L为被测量的真值。为被测量的真值。 Lx 系统误差1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础x真值不能通过测量获知；真值不能通过测量获知； 与与L的约定真值近似地得出系统误差（称之为系的约定真值近似地得出系统误差（称之为系统误差的估计）；统误差的估计）；得出的系统误差可对测量结果进行修正；得出的系统误差可对测量结果进行修正；通过修正值对系统误差只能有限程度地补偿。通过修正值对系统误差只能有限程度地补偿。 引起系统误差的原因：引起系统误差的原因：测量方法不完

59、善；测量方法不完善；零点未调整；零点未调整；采用近似的计算公式；采用近似的计算公式；测量者的经验不足等等。测量者的经验不足等等。1.3 1.3 检测技术理论基础检测技术理论基础（3 3）粗大误差：超出规定条件下预期的误差）粗大误差：超出规定条件下预期的误差称为粗大误差，粗大误差又称疏忽误差。称为粗大误差，粗大误差又称疏忽误差。 原因：由于测量者疏忽大意，测错、读错或环原因：由于测量者疏忽大意，测错、读错或环境条件的突然变化等引起的。境条件的突然变化等引起的。 在数据处理时，应当剔除粗大误差，只有系在数据处理时，应当剔除粗大误差，只有系统误差和随机误差两类。统误差和随机误差两类。 1.41.4仪

60、表的质量指标仪表的质量指标主要有：主要有：计量性能、操作性能以及可靠性、经计量性能、操作性能以及可靠性、经济性济性等。等。仪表选用时：仪表选用时：根据具体情况综合考察；根据具体情况综合考察；比较各种仪表的质量指标；比较各种仪表的质量指标；选择最能满足要求的仪表；选择最能满足要求的仪表；避免不分对象及具体测量要求一律追求高性避免不分对象及具体测量要求一律追求高性能仪表的倾向。能仪表的倾向。1.71.7仪表的质量指标仪表的质量指标1 1、仪表的质量指标、仪表的质量指标最关注的是仪表最关注的是仪表计量方面的性能计量方面的性能：能否满足测量要求；能否满足测量要求；给出准确测量结果。给出准确测量结果。1