华北理工自动检测技术讲义第1章 绪论

第1章绪论§1-1检测的概念教学目的、要求：让学生熟悉掌握检测的基本概念，了解检测的主要分类方法，为学习后续内容打基础。主要内容：检测基本概念、常见的检测分类方法。思考及作业：①检测的概念是什么？②检测有哪些分类方法？教学设计：首先举出日常生活中检测的实际例子，如：用电压表测量电源电压是否正常、用温度计测量一个病人的体温是否正常，等等。引发学生兴趣，然后总结、提炼出检测的概念，再引出检测的方法和分类。一、检测的定义1．检测：检测是人们借助于专门设备，通过一定的技术手段和方法，对被测对象收集信息、取得数量概念的过程。2．检测过程包括：比较、平衡、读数或变换。3．检测目的：求取被检测量的真值（即在一定的客观条件下，某物理量确切存在的真实值）。二、检测的方法1．检测的分类方法（1）按检测过程分类（2）按检测方式分类（3）按接触关系分类（4）按被测量的变化快慢分类（5）按检测系统是否施加能量分类2．按检测过程分类（1）直接法：不需要经过任何运算，就能得到所需要的检测结果，称为直接法。如:天平----物体重量（2）间接法：先对与被测量有确定关系的量进行检测，然后再经过计算得到所需要的结果，这种方法称为间接法。如:散射光式光电烟雾传感器。检测室内也装有发光器件和受光器件。在正常情况下，受光器件是接收不到发光器件发出的光的，因而不产生光电流。在发生火灾时，当烟雾进入检测室时，由于烟粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了烟雾信号转变为电信号的功能（3）联立法（或组合法）：先检测出若干个中间量，再经过联立方程组求解后才能得到所需要的结果，这种方法称为联立法。对联立测量，其操作手续很复杂，花费时间长，是一种特殊的测量方法。它只适用于科学实验或特殊场合。3．按检测方式分类（1）偏差式：在检测过程中，用仪表指针的位移（即偏差）确定被测物理量数值的方法称为偏差法。（2）零位式（又称补偿式或平衡式）：在检测过程中，用指零仪表的零位指示检测系统的平衡状态，当检测系统达到平衡时，用已知的基准量确定被测未知量的方法，称为零位式检测法。（3）微差式：将被测量与已知的标准量进行比较，并取得差值后，用偏差法测得被测值。偏差式测量法的优点是简单迅速，但精度不高，多用于工程测量；零位式测量法测量精度高，但比较费时，因此不适合快速变化信号的测量，普遍用于工程实际和实验室测量；微差式测量法结合了偏差式和零位式的优点，精度高、反应快，在工程实际中得到了广泛的应用，适合在线参数测量。4．按接触关系分类（1）接触式：将仪表的敏感元件与被测对象相接触进行检测，称为接触式检测。（2）非接触式：检测仪表的敏感元件与被测对象之间无机械接触，当被测参数变化或被测物体的能量变化时，检测仪表辐射能量随之变化，根据仪表辐射能量变化的大小检测出被测物理量的值。5．按被测量的变化快慢分类（１）静态检测：被测信号相对于仪表的动态特性变化缓慢，这种检测称为静态检测。（２）动态检测：被测信号相对于仪表的动态特性变化快速，这种检测称为动态检测。6．按检测系统是否施加能量分类（１）主动式：在检测过程中，需要外加辅助能源的检测称为主动式。（２）被动式：在检测过程中，检测系统的输出只与被测量有关，即只从被测对象中获取能量，不需要加入辅助能源，故称其为被动式检测。§1-2测量误差及处理教学目的、要求：让学生熟悉掌握检测误差的基本概念，了解检测误差的主要分类。主要内容：检测误差基本概念、误差的分类及消除方法。思考及作业：①什么是误差？误差产生的原因是什么？教学设计：通过日常生活中的实例引出误差的概念，再介绍误差产生原因、类型及消除方法。精度:表征测量结果质量的指标。准确度：表征测量结果接近真值的程度---系统误差大小的反映。精密度：反映测量结果的分散程度（针对重复测量而言）--表示随机误差的大小。精确度：表征测量结果与真值之间的一致性---系统误差和随机误差的综合反映。误差分为：（1）绝对误差；（2）相对误差；(3)引用误差一、误差的概念1．误差：检测结果偏离真值的大小称为检测误差。2．研究误差的意义：误差反映了检测结果的好坏，即检测精度的高低。研究误差的目的就是要研究误差产生的原因，认识误差的性质和特点，以便制定合理的检测方案，科学组织实验，正确选择检测方法和测量仪器设备，采取有效措施减小误差，提高检测的精确度，保证产品或研究课题的质量。二、测量误差的来源1．模型误差用数学方法解决一个具体的实际问题，首先要建立数学模型，这就要对实际问题进行抽象、简化，因而数学模型本身总含有误差，这种误差叫做模型误差。数学模型是指利用数学语言模拟现实而建立起来的有关量的描述。2．观测误差数学模型中的参数和原始数据，是由观测和实验得到的。由于测量工具的精度、观测方法或客观条件的限制，使数据含有测量误差，这类误差叫做观测误差或测量误差。数值方法中需要了解观测误差，以便选择合理的数值方法与之相适应。3．截断误差用近似公式计算时所引起的误差。有些情况下舍掉高次项，则截断误差的大小直接影响测量结果的精度和计算工作量，是数值计算中必须考虑的一类误差。4．舍入误差在数值计算中只能对有限位字长的数值进行运算，需要对参数、中间结果、最终结果作有限位字长的处理。用有限位数字代替精确数的误差，是数值计算中必须考虑的一类误差。三、测量误差的表示方法1．绝对误差绝对误差Δ就是示值Ax与公认的约定真值A0之差，即Δ＝Ax-A0绝对误差通常可简称为误差。2．相对误差(1)实际相对误差：绝对误差Δ与被检测实际值(即真值)A0的百分数，即=(2)示值(标称)相对误差:绝对误差Δ与示值Ax的百分数，即=（3）满度相对误差绝对误差Δ与检测仪表量程的满度值Am的百分数，即×100%四、测量误差的分类误差产生的原因很多，表现形式也是多种多样，可从不同角度对测量误差进行分类。按误差出现规律，分为系统误差、随机误差和粗大误差。1．系统误差（1）系统误差定义在相同的条件下多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。性质：有规律，可再现，可以预测。原因：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差。处理：理论分析、实验验证→修正。系统误差常见的变化规律综合误差分布特征 产生系统误差的主要原因：测量仪器设计原理及制作上的缺陷采用近似的测量方法或近似的计算公式等例如温度、湿度，电磁场变化测量环境条件与仪器使用要求不一致等测量人员读数习惯等造成的误差例如仪表刻度的读取对于仪器系统误差可以采用一些方法避免：特定的测量应当选择适当的仪器；确定仪器误差的大小后应用修正系数；用一个标准仪器对仪器进行校准。（2）特点:具有一定的规律性，可以消除或是减小（3）种类：恒值系差：其误差的数值和符号不变。变值系差周期性累进性例如，某仪表刻度盘分度不准确，就会造成读数偏大或偏小，从而产生恒值系统误差。 ——调整零点，消除误差例如，温度、气压等环境条件变化和仪表电池电压随使用时间的增长而逐渐下降，则可能产生变值系统误差。 ——进行适当的补偿，减小误差残余误差观察法：这种方法是根据测量值的残余误差的大小和符号的变化规律，直接由误差数据或误差曲线图形判断有无变化的系统误差。下图中把残余误差按测量值先后顺序排列，图（a）的残余误差排列后有递减的变值系统误差，图（b）则可能有周期性系统误差。残余误差变化规律2．随机误差（1）随机误差在相同的条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号均以不可预定的方式变化的误差称为随机误差，又称为偶然误差。随机误差没有规律，不可预定，不能控制，也不能用实验的方法加以消除。产生的原因许多独立的、微小的，偶然的因素引起的综合结果。噪声、零部件配合的不稳定、摩擦、抵触不良等。温度及电源电压的无规则波动，电磁干扰，地基振动等。测量人员感觉器官的无规则变化而造成的读数不稳定等。（2）特点：有界性，对称性，相消性，单峰性。有界性：随机误差的绝对值不会超过一定界限。对称性：绝对值相等的正负误差出现的机会几乎相同。相消性：随机误差有相互抵消的特性。单峰性：绝对值小的误差出现的机会多（概率密度大）f(ΔN)

0ΔN（3）对测量值的影响随机误差总是不可避免的。而且在同一条件下，重复进行的多次测量中，它或大或小，或正或负，既不能用实验方法消除，也不能修正。可以通过多次测量取平均值的办法，来减少随机误差对结果的影响，或用其它数理统计的方法对随机误差加以处理。（4）系统误差与随机误差的处理方式系统误差远大于随机误差的，基本上按纯系统误差处理；系统误差很小或已经修正时，可按纯随机误差处理：系统误差和随机误差影响差不多时，二者均不可忽略，应分别按不同方法处理。3．粗大误差（1）粗大误差：在测量条件一定的情况下，测量值明显偏离实际值所形成的误差称为粗大误差，也称为疏失误差、差错或粗差。性质：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起。原因：装置误差、使用误差。处理：判断、剔除。在实际应用中,系统误差、随机误差、粗大误差三种误差的划分并非一成不变。（2）产生粗大误差的主要原因：主要由人为因素造成的。测量方法不当或错误例如读错、记错等测量操作疏忽或失误等测量条件的突然变化例如雷电干扰、机械冲突等（3）粗大误差处理方法：含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。坏值应从测量结果中剔除。在实际测量工作中，由于粗大误差的误差数值特别大。容易从测量结果中发现，一经发现有粗大误差，可以认为该次测量无效，测量数据应剔除，从而消除它对测量结果的影响。4．精密度、精确度与准确度（1）准确度被测量的测得值与其真值的接近程度。将从根本上取决于系统误差的大小，因而系统误差大小反映了测量可能达到的准确程度。（2）精密度在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致(符合)程度。因此，测量随机误差的大小反映了测量的精密度。（3）精确度精确度是测量的准确度与精密度的总称，在实际测量中，影响精确度的可能主要是系统误差，也可能主要是随机误差，当然也可能两者对测量精确度影响都不可忽略．在某些测量仪器中，常用精度这一概念，实际上包括了系统误差与随机误差两个方面，例如常用的仪表就常以精度划分仪表等级。五、误差的处理1.系统误差的处理交换法在测量过程中，将引起系统误差的某些条件（如被测量对象的位置）相互交换，而保持其他条件不变，使产生误差的因素对测量结果起相反的作用，从而抵消系统误差。上、下读数法仪表测量机构的间隙等因素的影响会造成误差，取上行读数和下行读数的平均值可以消除系统误差。校准法如果测量仪器本身存在恒定系统误差，一般用标准仪表或准确等级高的仪表进行现场检验，也可通过送检的办法进行解决。经过校验的仪表可以得到不同示值下的修正曲线或数表。补偿法在测量过程中，由于某个条件的变化或仪器的某个环节的非线性特性等会引入变化的系统误差。2.粗大误差的处理实际中通常采用统计判别方法(有莱以达准则、肖维勒准则、格拉布斯准则等方法)来判断测量结果中是否存在粗大误差。其中莱以达准则是最常用也是最简单的判别粗大误差的准则，它应用于测量次数充分多的情况。3.随机误差的分析与处理随机误差处理通常采用统计方法：(1)将多次测量的算术平均值作为真值的最佳近似；(2)在对测量结果进行评定时，约定系统误差和粗大误差已经消除、修正或可以忽略，只考虑随机误差，其服从正态分布。§1-3检测仪表的组成教学目的、要求：让学生熟悉掌握检测系统的基本组成，了解检测系统各部分的作用。主要内容：检测系统基本组成、各部分的主要作用。思考及作业：①检测系统由哪几部分组成，各部分的作用是什么？教学设计：首先举出日常生活中检测的实际例子，如：火灾报警系统、室温检测与调节系统，等等。引发学生兴趣，然后总结、提炼出检测系统基本组成框图，再分析、总结各部分的作用。检测仪表的结构因功能和用途各异。通常包括三个基本部分检测传感部分检测传感部分转换传送部分显示部分一、检测部分检测部分一般直接与被测介质相关连，通过它感受被测变量的变化，并变换成便于测量的相应的位移、电量或其它物理量。这部分包括以下两种情况.1.敏感元件敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并作响应的元件。例如弹性膜盒能感受压力的大小而引起形变，因此弹性膜盒是一种压力敏感元件。当然敏感元件的输入输出关系应是稳定的单值函数关系，如能是线性或近似线性更理想。2.传感器传感器不但能感受被测变量并能将其响应传送出去。即传感器是一种以测设为目的、以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于传送处理的另一种物理量的测量器件。_七述弹性膜盒的输出是变形，是一种极小的位移最，不便于向远方传送，如果把膜盒中心的位移转变为电容极板的间隙变化，就成为输出信号是电容量的压力传感器。由于电信号便于传送处理，所以大多数传感器输出信号是电压、电流、电感、电阻、电容、频率等电量。目前利用光导纤维传送信息的传感器也得到发展，它在抗干扰、防爆、传送速度等方面都很突出。另外，某些敏感元件的输出响应本来就可以进行方便传输处理，如热电偶元件，它感受温度后直接转换成电动势，所以有时也称这类敏感元件叫做传感器(如热电偶传感器).二、转换传送部分转换传送部分(也称信号处理器)是把检测部分输出的信号进行放大、转换、滤波、线性化处理，以推动后级显示器工作。转换器是信号处理器的一种.传感器的输出通过转换器把非标准信号转换成标准信号，使之与带有标准信号的输入电路或接门的仪表配套，实现检测或调节功能.所谓标准信号，就是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。如直流电流4-2OmA;直流电压1-5V;空气压力20-l00kPa等都是当前通用的标准信号。有了统一的标准信号，不仅可使同一系列的各类仪表容易构成检侧或控制系统，而且还可以将不同系列的仪表甚至计算机连接起来，构成系统使用，这样兼容性、互换性大为提高，配套方便，从而扩大了仪表应用范围。如频率转换成4-2OmA电流等.另外，不同的标准信号之间通过转换器也可相互转换。如气/电转换器能把20-100kPa的空气压力转换成4-20mA的直流信号.而电/气转换器能把4-2OmA的直流信号转换成20-100kPa的空气压力信号。变送器是传感器与转换器的另一种称呼。凡能直接感受非电的被测变量并将其转换成标准信号输出的传感转换装置，可称为变送器。如差压变送器、浮筒液位变送器、电磁流量变送器等。个别的如温度变送器也可直接接收由热电偶、热电阻输出的非标准电信号。三、显示部分将测量结果用指针、记录笔、数字值、文字符号(或图像)的形式显示出来。显示部分可以和检测部分、信号处理部分共同构成一个整体，成为就地指示型测量仪表，如弹簧管压力表，玻璃管式液位计，水银温度计等;也可以单独工作为一台仪表与各类传感器、变送器等配合使用构成检测、控制系统，如电子电位差计、数字显示表、无纸记录仪等。§1-4检测仪表的分类

教学目的、要求：让学生熟悉掌握检测仪表的主要分类。主要内容：检测仪表的分类方式，检测仪表的类别。思考及作业：什么是模拟式仪表和数字式仪表？按被测量不同检测仪表可分哪些类型？教学设计：通过日常生活中的实例引出检测仪表的分类。检测仪表可按下述方法进行分类:

(1)按被测量分类.可分为温度检测仪表、压力检侧仪表、流量检测仪表、物位检测仪表、机械量检测仪表以及过程分析仪表等。

(2)按测量原理分类。可分为电容式、电磁式、压电式、光电式、超声波式、核辐射式检侧仪表等。

(3)按输出信号分类。可分为输出模拟信号的模拟式仪表、输出数字信号的数字式仪表，以及输出开关信号的检侧开关(如振动式物位开关)等。

不同类型检测仪表的构成方式不尽相同，其组成环节也不完全一样。通常，检测仪表由原始敏感环节(传感器或检出元件)、变量转换与控制环节、数据传输环节、显示节、数据处理环节等组成。检侧仪表内各组成环节，可以构成一个开环测量系统，也可以构成闭环测量系统。§1-5检测仪表的性能指标

教学目的、要求：让学生熟悉掌握检测仪表的主要性能指标。主要内容：检测仪表的精度，精度等级，灵敏度，线性度。思考及作业：什么精度和精度等级，如何计算？什么是灵敏度和线性度？教学设计：通过举例分析性能指标的含义。一、精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。1．绝对误差绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，即实际上通常采用多次测量结果的算术平均值或用精度较高的标准表的指示值作为约定真值。则绝对误差可用下式表示：2．引用误差把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，即3．精度等级按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。例1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解这两台仪表的最大引用误差分别为去掉最大引用误差的“%”号，其数值分别为2和1，由于国家规定的精度等级中没有2级仪表，同时该仪表的误差超过了1级仪表所允许的最大误差，所以这台仪表的精度等级为2.5级，而另一台仪表的精度等级正好为1级。由此可见，两台测量范围不同的仪表，即使它们的绝对误差相等，它们的精度等级也不相同，测量范围大的仪表精度等级比测量范围小的高。例2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解根据工艺要求，仪表的最大引用误差为去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，其数值为0.8，介于0.5~1.0之间，若选择精度等级为1.0级的仪表，其最大绝对误差为±5℃，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5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