冶金过程检测及控制-第1章测量及测量误差

1、1 冶金过程检测与控制 第一篇 第一章 测量及测量误差 2021/7/42 1.测量定义（三要素） n所谓测量,就是利用测量工具,通过实验的方法 将被测量与同性质的标准量（即测量单位） 进行比较,以确定出被测量是标准量多少倍数 的过程。所得到的倍数就是被测量的值,即 L=x/b 式中x被测量 b标准量（测量单位） L被测量的值。 第一节第一节 测量的定义及方法测量的定义及方法 第一章 测量及测量误差 2021/7/43 测量测量 将被测参数与其相应的测量单位进行比较并获得量 值的过程。测量仪表就是实现测量过程的工具。狭义的 概念 检测检测 利用敏感元件与被测物体或生产过程直接或间接接 触,获得

2、反映被测量大小的相关物理、化学、电学、热学、 力学等信号,在经过必要的转换或传递后,通过显示器进行 显示参数的过程。广义的概念 2021/7/44 测量单位 nSI规定了7个基本单位,2个辅助单位(弧度,球 面度),19个具有专门名称的导出单位。 n7个基本单位名称量的名称、单位名称,单位符 号。 长度(米,m)、时间(秒,s)、质量（千 克,kg）、温度（开尔文,K）、电流(安培,A)、 物质的量(摩尔,mol)、发光强度(坎德拉,cd) 导出单位:例1N=1Kg.m/s2 2021/7/45 2.测量方法（1） 根据获得测量结果的程序不同,测量可分为: （1）直接测量。就是将被测量直接与所

3、选用的标 准量进行比较,或者用预先标定好的测量仪表进行 测量,从而直接得出测量值的方法。如用尺测长度, 用玻璃管水位计测水位等。 （2）间接测量。通过直接测量于被测量有确定函 数关系的其他各个变量,然后将所得的数值代入函 数进行计算,从而求得被测量值的方法称为间接测 量。例如,用平衡容器测量汽包水位;通过测量导 线电阻、长度及直径求电阻率等。 （3）组合测量。组合测量是在测量出几组具有一 定函数关系的量值基础上,通过解联立方程来取被 测量的方法。 2021/7/46 什么是直接测量和间接测量什么是直接测量和间接测量? ? 电子卡尺电子卡尺 2021/7/47 间接测量间接测量 对多个被测量进行

4、测量对多个被测量进行测量,经过计算求经过计算求 得被测量。得被测量。 （阿基米德测量皇冠的比重）（阿基米德测量皇冠的比重） 2021/7/48 n称量皇冠的难题 n 国王在前不久,叫一个工匠替他打造一顶金皇冠。国王给了工 匠他所需要的数量的黄金。工匠的手艺非常高明,制做的皇冠精巧 别致,而且重量跟当初国王所给的黄金一样重。可是,有人向国王报 告说:“工匠制造皇冠时,私下吞没了一部分黄金,把同样重的银子 掺了进去。”国王听后,也怀疑起来,就把阿基米德找来,要他想法测 定,金皇冠里掺没掺银子,工匠是否私吞黄金了。 n在澡堂洗澡的时候,他注意到,当他的身体在浴盆里沉下去的时候,就 有一部分水从浴盆边

5、溢出来。同时,他觉得入水愈深,则他的体量愈 轻。进皇宫后,阿基米德将与皇冠一样重的金子、一块银子和皇冠, 分别一一放在水盆里,看金块排出的水量比银块排出的水量少,而皇 冠排出的水量比金块排出的水量多。 阿基米德对国王说:“皇冠掺 了银子!” n金密度大,银密度小,同样重的金和银,银子的体积大于金子的体积。 皇冠排出的水量比金块多,说明皇冠的密度比金块的密度小,这就证 明皇冠不是用纯金制造的。”阿基米德有条理的讲述,使国王信服 了。实验结果证明,那个工匠私吞了黄金。 2021/7/49 2.测量方法（2） n根据检测装置动作原理不同,测量可分为: n(1)直读法。被测量作用于仪表比较装着,使比较

6、装着 的某种参数按已知关系随被测量发生变化,由于这种变化 关系已在仪表上直接刻度,故直接可由仪表刻度尺读出测 量结果。例如,用玻璃管水银温度计测量温度时,可直接有 水银柱高度读出温度值。 n(2)零值法（平衡法）。将被测量与一个已知量进行 比较,当二者达到平衡时,仪表平衡指示器零,这时已知量就 是被测量值。例如,用天平测量物体的质量,用电位差计测 量电势都是采用了零法。 n(3)微差法。当被测量尚未完全与已知量相平衡时,读 取它们之间的差值,由已知量和差值可求出被测量值。用 不平衡电桥测量电阻就是用微差法测量的例子。零值法和 微差法测量对减小测量系统的误差很有利,因此测量准确 度高,应用较为广

7、泛。 2021/7/410 2.测量方法（3） n根据仪表是否与被测对象接触,测量可分为: （1）接触测量法。仪表的一部分与被测对象接 触,受到被测对象的作用才能得出测量结果的 测量方法。例如用玻璃管水银温度计测量温度 时,温度计的温包应该置于被测介质之中,以感 受温度高度。 （2）非接触测量法。仪表的任何部分都不必与 被测对象直接接触就能得到测量结果的测量方 法。例如用光学高温计测温,是通过被测量对 象说产生的热辐射对仪表的作用而实现测温的, 因此仪表不必与对象直接接触。 2021/7/411 什么是接触式测量什么是接触式测量? ? 2021/7/412 非接触式测量非接触式测量 例例: :

8、雷达测速雷达测速 利用红外线辐射测量供利用红外线辐射测量供 电变压器的表面温度、电变压器的表面温度、 车载雷达测速车载雷达测速 2021/7/413 航空摄影、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、航空摄影、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、 自动门、生物探测器自动门、生物探测器 2021/7/414 对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。 根据测量对象是否随时间变化分为根据测量对象是否随时间变化分为:静静 态和动态态和动态测量。测量。 最高、最低最高、最低 温度计温度计 2.测量方法（4） 2021/7/415 什么是什么是动态动态 测量测量? 地震

9、测量地震测量 振动波形振动波形 2021/7/416 什么是在线什么是在线 测量测量 ? ? 在流水线上在流水线上,边加工边加工,边检边检 验验,可提高产品的一致性和可提高产品的一致性和 加工精度。加工精度。 2.测量方法（5） 根据对测量对象是否在线分为根据对测量对象是否在线分为: :在线和离线在线和离线测量。测量。 2021/7/417 离线测量离线测量 批量产品的质量批量产品的质量“人工人工”离线测量离线测量 2021/7/418 第二节 测量误差 n由于仪器、实验条件、环境等因素的限制, 测量不可能无限精确,物理量的测量值与客 观存在的真实值之间总会存在着一定的差异, 这种差异就是测量

10、误差。 n测量值与真值之差异称为误差。 n误差与错误不同,错误是应该而且可以避免 的,而误差是不可能绝对避免的。 2021/7/419 误差影响因素 1. 1. 人为因素人为因素: : 由于人为因素所造成的误差,包括误读、误算和 视差等。 2. 2. 量具因素量具因素:由于量具因素所造成的误差,包括刻度误差、磨耗 误差及使用前未经校正等因素。刻度分划是否准确,必须经由 较精密的仪器来校正与追溯。量具使用一段时间后会产生相 当程度磨耗,因此必须经校正或送修方能再使用。 3. 3. 力量因素力量因素:由于测量时所使用接触力或接触所造成挠曲的误 差。依据虎克定律,测量尺寸时,如果以一定测量力使测轴与

11、 机件接触,则测轴与机件皆会局部或全面产生弹性变形,为防 止此种弹性变形,测轴与机件应用相同材料制成。 4. 4. 测量因素测量因素:测量时,因仪器设计或摆置不良等原因所造成的误 差,包括余弦误差、阿贝误差等。 阿贝原则:在设计计量仪器或测量工件时,应该将被测长度与仪器的基准 长度安置在同一条直线上.测量中不遵守阿贝原则而引起的误差（阿贝误 差）。 5. 5. 环境因素环境因素:测量时受环境或场地之不同,可能造成的误差有热 变形误差和随机误差。 2021/7/420 一.误差的表示方法 n1.绝对误差 n2.相对误差 绝对误差可以表示一个测量结果的可靠程 度,而相对误差则可以比较不同测量结果的

12、可 靠性。 n3.引用误差 仪表某一刻度点读数的绝对误差比 上仪表量程上限Am ,并用百分数表示。 2021/7/421 误差的表示方法误差的表示方法: :绝对误差、相对误差绝对误差、相对误差 绝对误差绝对误差:测量值与真实值之间的差值。测量值与真实值之间的差值。 =Ax0 某采购员分别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100kg100kg大大 米、米、10kg10kg苹果、苹果、1kg1kg巧克力巧克力, ,发现均缺少约发现均缺少约0.5kg0.5kg, 但该采购员对卖巧克力的商店意见最大但该采购员对卖巧克力的商店意见最大,是何原是何原 因因? ? 2021/7/422 (1) 绝对误

13、差 n绝对误差是测量值（示值）与被测量真值之间的差值。 设被测量的真值为A0,器具的标称值或示值为x,则绝对 误差为 n由于一般无法求得真值A0,在实际应用时常用精度高 一级的标准器具的示值,即实际值A代替真值A0。x与A 之差称为测量器具的示值误差,记为 通常以此值来代表绝对误差。 0 xx A xxA 2021/7/423 修正值绝对误差的相反数 n 为了消除系统误差用代数法加到测量结果上 的值称为修正值,常用C表示。将测得示值加上 修正值后可得到真值的近似值,即 A0= x+C 由此可得: C =A0-x n 在实际工作中,可以用实际值A近似真值A0, 则:C =A-x=- x n 修正

14、值与误差值大小相等、符号相反, 测得值加修正值可以消除该误差的影响 2021/7/424 (2) 相对误差 n相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。 相对误差有以下表现形式: 实际相对误差。 示值相对误差。 满度相对（引用）误差。 100% A x A 100% x x x 100% n n x r x 2021/7/425 相对误差及精度等级相对误差及精度等级 几个重要公式几个重要公式: 示值相对误差示值相对误差 满度相对误差满度相对误差 （引用误差）（引用误差） 准确度（精度）准确度（精度） 2021/7/426 max maxmin 100% xx 最大绝对误差 量程 2021/7/4

15、27 1.51.5 1.01.0 2021/7/428 5 *100%1.25% 4000 0.5 *100%1.25% 400 工艺要求的允许误差工艺要求的允许误差 仪表的允许误差仪表的允许误差 校验所得到的相对百分误差校验所得到的相对百分误差 即量程相同时即量程相同时: : 工艺要求的最大绝对误差工艺要求的最大绝对误差 仪表允许的最大绝对误差仪表允许的最大绝对误差 实际的最大绝对误差实际的最大绝对误差 结论结论: : 根据仪表校验数据确定仪表精度等级和根据工艺要求选择仪表精度等级根据仪表校验数据确定仪表精度等级和根据工艺要求选择仪表精度等级, ,情况不一样。情况不一样。 2021/7/42

16、9 注意注意:仪表使用前后要检查精度。选用仪表仪表使用前后要检查精度。选用仪表:按工艺要求按工艺要求; ;判断仪表判断仪表:由测量数据由测量数据 2021/7/430 例例:用同一台磅秤测量三个不同重量物体的示值相对误差的比用同一台磅秤测量三个不同重量物体的示值相对误差的比 较较,请得出结论请得出结论! 满度相对误差相等满度相对误差相等, ,示值相对误差的差别很大示值相对误差的差别很大 2021/7/431 仪表的准确度等级和基本误差仪表的准确度等级和基本误差 例例:某指针式电压表的准确度为某指针式电压表的准确度为2.5级级,用用 它来测量电压时可能产生的最大满度相对它来测量电压时可能产生的最

17、大满度相对 误差为误差为2.5% 。 某公司生产测量温度的仪表某公司生产测量温度的仪表, ,满度误满度误 差均在差均在1.11.61.11.6之间之间,该系列产品属于哪一该系列产品属于哪一 级温度表级温度表? ? 2021/7/432 【例】有一台测温仪表,测量范围为-200+800度, 准确度为0.5级。现用它测量500C的温度,求仪 表引起的绝对误差和实际相对误差。 n解:准确度为0.5级的仪表,就是最大量程时误差 为:(800+200)0.5%=5 测量500温度时,绝对误差就是5。相对误差=5/500=1 【例例】 某台测温仪表的量程是6001100,仪表 的最大绝对误差为士4 ,试确

18、定该仪表的精度 等级。 由于国家规定的精度等级中没有0.8 级仪表, 而该仪表超过了0.5 级仪表的允许误差,所以这台 仪表的精度等级应定为1.0 级。 2021/7/433 例例: :用指针式万用用指针式万用 表的表的10V量程测量量程测量 一只一只1.5V干电池的干电池的 电压电压,示值如图所示示值如图所示, 问问:选择该量程合理选择该量程合理 吗吗? 2021/7/434 用用2.5V量量 程测量同一只程测量同一只 1.5V干电池的干电池的 电压电压,与上图比与上图比 较较,问示值相对问示值相对 误差哪一个大误差哪一个大? 2021/7/435 二. 误差的分类 A.按误差的来源分:装置

19、误差、环境误差、方 法误差、人员误差。 B.按对测量误差的掌握程度分:已知误差和未 知误差。 C.按误差的特征规律（性质）分:系统误差、 随机误差、粗大误差。 2021/7/436 n1.系统误差 q定义:在同一测量条件下,多次测量重复同一量时, 测量误差的绝对值和符号都保持不变,或在测量条 件改变时按一定规律变化的误差,称为系统误差。 例如仪器的刻度误差和零位误差,或值随温度变化 的误差。 q系统误差的定量定义是:在重复性条件下,对同一被 测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量 的真值之差。即 0 xA 2021/7/437 n1.系统误差 q产生的主要原因: （1）测量仪器或测量系统

20、本身不够完善,如仪表本 身刻度不准、测量原理不完善。 （2）仪表使用不当,如测量人员操作不当、读数不 准。 （3）测量时外界环境条件变化,如环境温度、湿度、 电磁场影响等。 如果测量系统或测量条件不变,即使增加测量 次数也并不能减少系统误差。 q系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的 程度。系统误差越小,测量就越准确。 2021/7/438 例1:用名义长度为30米而实际长度为30.04米的钢 尺量距。丈量结果见下表5-1: 表5-1 误差符号始终不变误差符号始终不变, ,具有规律性。具有规律性。 误差大小与所量直线成误差大小与所量直线成 正比正比, ,具有累积性。具有累积性。 误差对观

21、测结果的危害性很大。误差对观测结果的危害性很大。 2021/7/439 n2.随机误差 q定义: 在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、 测量技术和测量仪器都相同的条件下）,多次重复测量同 一量值时（等精度测量）,每次测量误差的绝对值和符号 都以不可预知的方式变化的误差,称为随机误差或偶然误 差,简称随差。 q随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量 因素共同造成。这些因素主要是噪声干扰、电磁场微变 、零件的摩擦和配合间隙、热起伏、空气扰动、大地微 震、测量人员感官的无规律变化等。 q多次测量,测量值和随机误差服从概率统计规律。 q可用数理统计的方法,处理测量数据,从而减少随机误差

22、 对测量结果的影响。 2021/7/440 n例2:对一不变的电压在相同情况下,多次测量得 到 1.235V,1.237V,1.234V,1.236V,1.235V,1.237V 。 n单次测量的随差没有规律, 但多次测量的总体却服从统计规律。 n可通过数理统计的方法来处理,即求算术平均值 12 1 1 n n i i xxx xx nn u随机误差定义：测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限随机误差定义：测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限 多次测量所得结果的平均值之差多次测量所得结果的平均值之差 ii xx()n 2021/7/441 随机误差的正态分布概率密度曲线 (

23、(a a) )随随 机机 误误 差差( (b b) ) 测测 量量 数数 据据 0 )( p x x p p( (x x) ) 0 0 图图 3 3 1 1 随随 机机 误误 差差 和和 测测 量量 数数 据据 的的 正正 态态 分分 布布 曲曲 线线 随机误差和测量数据的分布形状相同随机误差和测量数据的分布形状相同, ,因为它们的标准偏差相因为它们的标准偏差相 同同, ,只是横坐标相差只是横坐标相差 随机误差具有随机误差具有: :对称性对称性 单峰性单峰性 有界性有界性 抵偿性抵偿性 2021/7/442 n有界性:一定条件下,绝对值不会超过一定界限 。 n单峰性:绝对值小的误差出现的机会多于绝对 值大的误差。 n对称性:测量次数足够多时,正、负误差出现的 机会相等。 n抵偿性:测量次数无穷大时,正负误差相互抵消 。 2021/7/443 n3.粗大误差: 粗大误差是一种显然与实际值不符 的误差。产生粗差的原因有: q测量操作疏忽和失误 如测错、读错、记错以及 实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等。 q测量方法不当或错误 如用普通万用表电压档直 接测高内阻电源的开路电压 q测量环境条件的突然变化 如电源电压突然增高 或降低,雷电干扰、机械冲击等引起测量仪器示值 的剧烈变化等。 n含有粗差的测量值称为坏值或异常值