检测技术及仪表 第2版 课件1.3 检测技术基础

1.3检测技术基础1.3.1检测的基本概念一．测量的一般概念所谓测量的概念一般是指用专门的技术工具，靠实验和计算找到被测量的值。一般说来，其检测的目的是希望能在限度的时间内尽可能正确地收集被测对象的未知信息，以便能掌握被测对象的参数，进而控制和管理生产过程。二．测量过程

1.能量形式的一次或多次转换过程。2.

将被测参数与相应的测量单位进行比较的过程。对此可用框图概述如下图1-1所示。图1-1测量过程示意图

水银是敏感元件，

玻璃上的标准刻度即为显示装置。这个检测过程包括两个阶段。一是水银受热，水银柱升高，从而将感知的热能转换成水银柱位能的过程。这就是能量形式的一次转换。

二是温度读数，是拿水银柱高度与玻璃上标准温度刻度进行比较的过程，这也就是测量的第二过程。

Note:

以上举例是在一个测量装置中同时包含了两个测量过程和几个测量部分的实例，但在工业实际中，更多的还是应用几个独立的测量部分，构成一个测量系统，来实现对某一过程参数的检测。一个测量系统的两个过程和传感器、显示装置两个部分是不可缺少的。举例：1.玻璃水银温度计测量水温。1．传感器（即敏感元件）传感器是任何一个测量系统所必须的，它的主要功能是：（1）变换功能：将被测量转换成便于传输和处理的物理量。（2）选择功能：能有效的选择有用信号，抑制无用噪声，如金属热电电阻，金属越纯，对温度越敏感。（3）信号输出：将有用信号输出。（显然这一功能一般要靠辅助电路完成）2．变送器：（有时与传感器融为一体）变送器的作用主要是将传感器送入的弱信号做滤波、线性化等必要处理后，经功率放大，变成标准信号输出。如0－10mA，4－20mA电流。Note：变送器有时独立存在，有产品，如温度变送器，有时与传感器同为一体，如压力变送器，有时与显示仪表同为一体。3．显示仪表：将变送器来的标准信号进行显示。有模拟式显示，如动圈表。有数字显示仪表还有数字、模拟兼而有之的，如CRT。

三．测量系统的基本构成图1-2测量系统框图4．记录仪表：将变送器来的标准信号进行记录。有模拟式记录：有数字式记录：打印机。

测量系统框图如图1-2所示Note：一个完整的测量系统一般可由这样四个独立的仪表部分组成。如用孔板测量流量。传感器－孔板。变送器（差压）。流量显示。流量记录。（亦可举热偶测温系统）当然根据需要，有时这四个仪表部分实际组合在一体，如压力表。

最后强调，一次表和二次表的定义和区别。四、测量方法的分类按测量值获得的方法分类：1、直接测量法。米尺测长度。2、间接测量法。测功率。3、组合测量法：测金属材料的热膨胀系数。

按测量工具分类：a）偏差法。指针式仪表。b）零位法。天平。c）微差法1.按被测对象分：（1）机械量检测：力、加速度、转速、振动、厚度……等（2）过程参量检测：压力、温度、流量、物位、成分……（3）电子测量：频率、噪声、示波器。（波形）（4）电磁量检测：电流、电压、电功率、功率因数。2.按仪表的功能分：(1)传感器。（一次表）(2)变送器。（一次表）(3)显示、记录仪表。（二次表）3.按使用性质分：有标准表、实验室用表、工业用表五：测量仪表的分类4.按测量方式分：有直读式仪表和比较式仪表直读式仪表：温度计、压力表比较式仪表：天平、电位差计5.就构成方式分：基地式、单元组合式、组件组装式、集中分散式6.就仪表安装使用的方式分：现场安装型、盘后架装型、盘装式、台式、携带式。7.就防爆能力分：普通型、隔爆型、安全火花型。8.就显示、记录方式分：模拟式、数字式。9.就信号传输方式分：电动仪表、气动仪表。五：测量仪表的分类（续）1.3.2测量系统或仪表的基本技术性能和术语1.静态性能准确度，稳定性，线性度，变差，灵敏度（1）测量范围和量程测量范围是指测量仪表按规定的准确度进行测量的被测变量的范围。量程=测量上限值-测量下限值。（2）准确度（精确度）仪表的示值与真值之间的一致。任何检测过程都存在着误差，因此在用检测仪表对过程参数进行检测时，不仅需要知道仪表的指示值，还应该知道该指示值接近参数真实值的准确程度，以便估计该仪表示值的误差大小。所以我们就用仪表精度这个参量来描述仪表示值接近真值的准确程度。

那么如何定义仪表的精度呢？一般人们习惯用仪表的基本误差的引用误差作为判断仪表精度等级的尺度。引用误差（又称为相对百分误差）：以仪表的绝对误差与仪表量程之比的百分数表示例如一台仪表的最大引用误差为0.45％，则我们就说该仪表的精度为0.5级。由此可以看到，最大引用误差只能用来作为判断仪表精度的尺度，而不能直接用引用误差的大小来表示仪表的精度，因为仪表的精度等级国家是有统一规定的。例1一台测量仪表，其标尺范围为0－400℃。已知其绝对误差最大值。求其引用误差。例2另一台测量仪表，标尺范围为0－200℃。已知其绝对误差最大值。求其引用误差。以上两例可以看出，相同的绝对误差，其量程大的仪表引用误差小，而量程小的仪表引用误差大。一般我们用仪表最大引用误差的大小来作为判断仪表精度的尺度。

《仪表的精度等级》

国家现行统一规定划分的精度等级有：0.005，0.02,0.05,0.1,0.2，0.5，1，1.5，2.5，4.0……精度等级的表示方法：一级表示为1.0，1.5级表示为1.5。一般都标注在仪表的表盘上。强调指出：前例中的，其仪表精度等级即为1.5级。，其仪表精度等级即为2.5级。1.51.5（精度的表达通常是以仪表最大引用误差去掉分号的数字，向上归整的相应精度等级来表达所谓1级表，即指该表的最大引用误差例3有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0~100℃和100~300℃，校验表时得到它们的最大绝对误差均为2℃，试确定这两台仪表的精度等级。解这两台仪表的最大引用误差分别为:一台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级为1级。例4某台测温仪表的工作范围为0~500℃，工艺要求测温时测量误差不超过±4℃，试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求？解根据工艺要求，仪表的最大引用误差为应选择0.5级的仪表才能满足要求小结：在确定一个仪表的精度等级时，要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差；而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时，仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差。

图1-6非线性误差示意图其中：仪表校验曲线与理论直线之间的最大误差，即称为仪表的非线性误差的绝对误差，一般非线性误差也是用非线性的最大绝对误差与仪表量程范围的百分数表示。非线性误差＝（3）非线性误差：表征仪表的非线性特性偏离仪表理论上的线性特性的程度。对于理论上具有线性刻度特性的仪表，往往由于各种因素的影响，会使仪表的实际特性偏离其理论的线性特性。由此所产生的误差即称为非线性误差。如图1-6所示：（4）死区：仪表的不灵敏区。测量仪表在测量范围的起始点处，输入量的变化不能引起该仪表输出量有任何可察觉的变化的有限区间称为死区。产生死区的原因：仪表内部元件间的摩擦和间隙。在仪表设计中，死区的存在，也有其积极的一面，它可以防止输入量的极微小变化引起响应的变化。图1-7变差示意图即相同的被测参数，在仪表正反行程测量中所得到的示值不等。两者之差则为变差的绝对值。而变差的大小一般也是用其最大绝对误差与仪表量程之比的百分数表示。即：变差＝Note：引起仪表变差的原因多是由于仪表传动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹性元件的弹性滞后等影响因素引起的。故在仪表设计时，应在取材上、加工精度上给以较多考虑，以尽量减少变差。（5）变差（回差）：指仪表在外界条件不变的条件下，其正向特性（即被测参数由小到大变化）和反向特性（即被测参数由大到小变化）不一致的程度。如图1-7所示：（6）灵敏度与灵敏限灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，即

S——仪表的灵敏度

Δy——仪表输出变量的增量

Δx——仪表输入变量的增量显示装置的分辨力的定义是：显示装置能有效辨别的最小的视值差。即，能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量Δxmin，表明测量系统响应与分辨输入量微小变化的能力。一个测量系统的分辨力越高，表示它所能检测出的输入量最小变化量值越小。对于数字测量系统：在最低量程上最末位数字改变一个字时所对应的输入物理量数值，它反映了数字仪表能够检测到的被测参数中最小变化的能力。模拟测量系统：输出指示标尺最小刻度分度值的一半所代表的输入量来表示分辨力。灵敏限:

指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。图1-8举例常用的几个技术指标有：1.上升时间：：从最终示值的5％到所需的95％时间。2.响应时间：：从输入量x开始变化到仪表示值达到规定稳态范围所需的时间。3.过冲量c：指