建筑环境与能源测试技术 第4版 课件 第1章 测量及测量仪表的基本知识

建筑环境与能源测试技术

第4版2026/8/152第1章测量及测量仪表的基本知识LET'SEMBARKONTODAY'SSHARINGJOURNEYTOGETHER学习目标通过本章内容的学习，让学生了解测量在专业内容中的重要性，逐步储备工程知识。学习要求掌握测量的定义、基本概念，测量方法的分类，测量误差的种类与测量精度，测量仪表的类型、功能及主要性能指标，了解和测量系统的基本组成。重点难点重点：测量常用方法和测量仪表的基本性能难点：测量误差的定义、分类及其数学表达与计算。本章导航测量的定义及测量方法1.1测量系统的结构及基本功能2测量误差与测量精度的基本内容目录1.21.4测量仪表的种类及其基本性能1.5智能化测量系统概述1.3MEASUREMENTFUNDAMENTALS一、测量的本质与核心方程测量的定义测量就是用实验的方法，把被测量（参数）与同性质的标准量进行比较，确定两者的比值，从而得到被测量的值。用来进行比较的标准量应该是国际上或国家所公认的，且性能稳定进行比较所用的方法和仪器必须经过验证测量的基本方程X=aUX被测量U标准量(测量单位)a数字比值被测量（参数）

在测量的过程当中，通常就把需要检测的物理量称为被测参数或被测量。如温度、压力、湿度、噪声、有害物浓度…在整个测量过程中数值大小始终保持"不变"的参数，即参数值不随时间的改变而变化。例如：周围环境的大气压力、制冷压缩机稳定工况下的转速等。静态参数(常量)动态参数随时间不断改变数值的被测量称为动态参数。例如：空调设备刚刚开启时，空调房间内的温度、湿度等。这些参数随时间变化的函数可以是周期函数、随机函数等。MEASUREMENTPROCESS二、测量步骤与测量变换01调零调节天平至平衡状态02对比被测物与标准量并置03示差指针偏转判别差值04调平衡调整至平衡状态05读数获取测量数值能直接将被测量与标准量进行比较的物理量并不多，大多数的被测量和标准量都要变换到双方都便于比较的某个中间量，才能进行直接比较，这种变换称为测量变换。测量变换示例：用水银温度计测量温度时，温度值被变换成毛细玻璃管内水银柱热膨胀后的直线长度，而温度的标准量变换为玻璃管上的直线刻度，这样，被测量和标准量都变换到直线长度这样的一个中间量，再进行比较并得到其比较值的大小。核心结论变换是测量的核心。测量变换是指把被测量按一定规律变换成另一种物理量的过程，实现这种变换过程的元件称为变换元件。多个变换元件的有机组合可构成变换器或测量仪表。弹簧压力表测量过程1被测压力作用于弹簧管使其受压变形2压力信号转换成弹簧管变形的位移(机械能)3通过杠杆传动机构的传递和放大4变成压力表指针的偏转5通过比较而显示出被测压力的数值1利用热电偶的热电效应2把被测温度转换成热电势信号(电能)3把热电势信号转换成毫伏表上的指针偏转(机械能)4与温度标尺相比较而显示出被测温度的数值热电偶测量温度过程MEASUREMENTMETHODS测量方法的分类体系1按测量结果产生的方式分类直接测量法使被测量直接与选用的标准量进行比较，或者用预先标定好的测量仪器进行测量直读法：能直接从测量仪器上读取被测量的结果比较法：零值法、差值法、代替法间接测量法通过直接测量与被测量有某种确定函数关系的其他各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系式进行计算组合测量法使各个未知量以不同的组合形式出现，通过解联立方程组以求得未知量的数值方法特点示例直接测量法直接求得被测量数值直尺测长度、电流表测电流间接测量法通过函数关系计算得到测电压电流求功率组合测量法解联立方程组求得铂电阻温度计测温度三种测量方法的比较2按测量条件分类等精度测量影响测量误差的各因素保持不变非等精度测量测量条件有变化，结果可靠程度不同3按接触方式分类接触测量仪表的某一部分必须接触被测对象非接触测量仪表的任何部分都不与被测对象接触4按被测量变化快慢分类静态测量被测量不随时间变化的测量。实际上，变化速度相对于测量速度十分缓慢的被测量按静态测量处理。动态测量被测量随时间变化而变化的测量。动态测量往往是一个复杂的过程。5按数据是否需要实时处理分类在线测量测量、数据存储、数据处理及数据应用是在同一个采样周期内完成。离线测量测量及存储数据在每个采样周期内进行，数据处理及应用在未来某一时间进行。测量的定义及测量方法1.1测量系统的结构及基本功能2测量误差与测量精度的基本内容目录1.21.4测量仪表的种类及其基本性能1.5智能化测量系统概述1.3MEASUREMENTSYSTEM测量系统的四大核心环节传感器敏感元件/一次仪表接收来自被测量的信号后，按一定的规律转换成便于处理和传输的另外一种量的输出信号变换器或变送器将传感器输出的信号变换成显示装置易于接收的信号，包括物理性质和数值上的变换显示装置显示仪表将测量结果变成能为人们的感官所识别的形式，向观测者指出被测参数的数值传输通道连接部分把信号从一个环节送到另一个环节，实现各环节间输入、输出信号的连接变换器或变送器的功能信号物理性质的变换如通过测量电桥将电阻信号变成电压信号信号数值上的变换如通过放大器将微小的信号放大变送器：将传感器输出信号变换到标准信号的器件传感器的理想特性敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系应该只对被测量的变化敏感，而对其他一切可能的输入信号(包括噪声信号)不敏感在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态显示装置的三种类型模拟式显示仪表以指示器与标尺的相对位置来连续指示被测参数的值，也称指针式仪表。结构简单、价格低廉，但容易产生视差。数字式显示仪表直接以数字形式给出被测参数的值，不会产生视差。但直观性差，且有量化误差。屏幕式显示仪表既可按模拟方式给出指示，也可直接以数字形式给出被测参数的值，或者两者同时显示，是目前最先进的显示方式。传输通道的重要性传输通道是各环节间输入、输出信号的连接部分，它分为电线、光导纤维和管路等。传输通道一般较为简单，容易被忽视。应按规定进行选择和布置，否则会造成信息损失、信号失真或引入干扰。环节功能别称传感器接收被测量信号并转换敏感元件、一次仪表变换器/变送器变换信号便于显示装置接收二次仪表显示装置向观测者指示测量值显示仪表传输通道连接各环节，传递信号连接部分四环节及其功能测量的定义及测量方法1.1测量系统的结构及基本功能2测量误差与测量精度的基本内容目录1.21.4测量仪表的种类及其基本性能1.5智能化测量系统概述1.3INTELLIGENTMEASUREMENT智能化测量系统的发展历程与分类1950s指针式仪表基于电磁测量原理，用指针来显示最终的测量值，如万用表、电压表等1960s数字式仪表基于模拟信号的测量转化为数字信号测量，以数字显示或打印最终结果1970s智能仪表计算机技术与测量仪器相结合的产物，含有微处理器的测量控制一体化系统里程碑事件：1984年我国仪器学会成立"自动测试与智能仪器专业学组"；1986年IMEKO以"智能仪器"为主题召开讨论会；1988年IFAC确定"智能元件及仪器"为其系列学术委员会之一智能化测量的发展阶段•原始人工数据采集和计算阶段•基于电子仪器的人工抄表与计算阶段•自动测试系统阶段•计算机数据采集阶段•现场总线阶段•虚拟仪器系统阶段•网络化检测系统阶段智能控制的定义智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策的控制方式，是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。按系统组成分类集中式智能化测量系统分布式智能化测量系统智能化测量系统分类按智能层次分类特点：适用于规模较小的工业过程，测量点数应在100点以内，传输距离一般在百米以内层次特征和功能现状初级智能化数据自动采集、存储、简单处理基础应用中级智能化自动校正、自补偿、自诊断、自学习大部分智能仪表高级智能化知识处理、多维检测、自适应、网络通信发展方向由主机、智能仪表、数据采集器、各类传感器等组成。整个系统中一个主机，只使用一份数据。由主机、智能仪表及通信系统组成。特点：灵活性、远程性、实时性、可靠性。某一台分机出现故障不影响整个系统的运行SYSTEMCOMPOSITION&FEATURES智能化测量系统的组成与特点主要组成部分：智能仪表智能仪表是智能检测系统的信息来源，是能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。硬件部分主机电路、过程输入/输出通道、人机联系部件及接口电路等软件部分监控程序及实现各种算法的功能模块数据采集器接收和采集来自智能仪表的各种信号和信息，经过计算分析和判断处理，输出相应信号给计算机。一体式数据采集器数据采集器自带传感器组合式数据采集器传感器和数据采集器是分离的，可分为单通道和多通道智能仪表的两种基本结构：微机内嵌式：仪器内部采用总线结构微机扩展式：以个人计算机为核心软件算法机器学习算法贝叶斯推理、随机森林等，通过分析大量数据来识别模式深度学习框架TensorFlow和PyTorch，用于图像和语音识别数据预处理技术数据清洗、归一化，确保算法有效运行算法优化策略提升响应速度和准确率系统集成方案硬件集成传感器、执行器与控制单元的连接与优化配置软件集成数据处理算法、用户界面和系统管理软件的整合网络通信设备间的网络通信协议，保证数据实时传输安全机制加密、认证，保护检测数据和系统免受外部威胁优点：与传统测量系统相比：可编程性、可记忆性数据处理功能强大多功能化、灵活性强自动记录、维修控制可追溯学习、适应、组织功能智能化测量系统的特点具体特点：1、测量过程软件控制2、智能化数据处理3、测量高精度及高灵活性4、实现多参数检测与信息融合5、测量速度快智能化数据处理优势

智能化数据处理是智能测量系统最突出的特点，计算机可以方便、快捷地实现各种算法：★线性化处理

★算术平均值处理★数据融合计算

★快速傅立叶变换(FFT)★相关分析优势体现：可以对测量结果进行再加工，获得并提供更多更可靠的高质量信息。智能化测量系统的发展趋势主要发展方向：性能方面：高精度、高效率、高性能、智能化功能方面：小型化、轻型化、多功能层次方面：系统化、复合集成化未来智能化测量系统将具有：数据采集、监测、记忆、监控、执行、反馈、自适应等多种功能神经系统功能，实现整个生产系统的最佳化和智能化智能化测量系统的功能及影响因素常用智能化功能：非线性自校正：补偿系统非线性误差自校零与自校准：自动校正零点和增益漂移量程自动切换：自动选择合适增益自补偿：消除干扰因素影响温度对智能化测量系统的影响：传感器材料线胀系数半导体器件工作点、增益变化电阻、电容性能变化智能检测技术的应用智能检测技术包括：光学传感与自动图像检测技术声学传感与声发射检测技术近红外光谱与高光谱成像技术气敏传感器与电子鼻技术电化学与生物传感器技术数据信息获取与计算机接口技术视觉检测技术应用：机器视觉系统：产品缺陷检测图像识别技术：人脸识别、车牌识别深度学习算法：自动检测和分类产品品质智能检测技术应用领域主要应用领域：数据中心能效管理：优化冷却策略，实现节能工业自动化检测：生产线监控，产品质量控制医疗健康监测：智能可穿戴设备，远程监护智能交通管理：交通流量监控，违章行为识别环境监测网络：空气质量、噪音水平监测智能电网监控：确保电力供应稳定性和效率智能检测技术发展趋势智能检测技术发展中面临的挑战主要发展趋势：1、人工智能融合深度学习在检测中的应用物联网与智能检测的结合人工智能在制造业中的应用2、云平台与大数据云平台在智能检测中的应用大数据分析提高检测准确性数据安全与隐私保护强化3、智能化升级路径集成人工智能算法物联网技术融合边缘计算应用面临的主要挑战：1、技术创新难点数据隐私保护算法偏见与公平性实时处理能力2、数据安全与隐私加密技术的应用隐私保护法规遵守数据泄露应对策略3、标准化与规范化制定统一标准建立行业规范质量控制流程测量的定义及测量方法1.1测量系统的结构及基本功能2测量误差与测量精度的基本内容目录1.21.4测量仪表的种类及其基本性能1.5智能化测量系统概述1.31.4.1真值、测量值、测量误差和测量不确定度概念真值X₀需要进行测量的物理量，在一定条件下所呈现的客观大小或真实数值实际测量中无法测得，常用高精度测量值或平均值代表测量值X通过测量仪表检测得到的结果，包括数值和单位测量误差ΔX测量结果与被测量真值之间的差值，ΔX=X-X₀测量不确定度表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数1.4.2测量误差的分类按误差数值的表示方法分类：示值绝对误差Δx：测量值与真值的代数差值示值相对误差δ：绝对误差与真值之比引用误差δy：

示值的绝对误差与该仪表的量程范围lm之比基本误差δj

：示值的最大绝对误差值与该仪表的量程范围之比基本误差去掉%后的数值即为测量仪表的精度等级011.4.2测量误差的分类

注意由于被测量的真值X0实际上是无法得到的，因此，绝对误差△x和相对误差δ也无法求得，所以在实际计算中往往把最优概值作为真值X0的近似值来计算。一般来说，测量仪器在同一量程不同示值处的绝对误差实际上未必处处相等，但对使用者来讲，在没有修正值可利用的情况下，只能按最坏情况来处理，即认为仪器在同一量程各处的绝对误差是个常数且等于△xm，把这种处理叫做误差的整量化。为了减小测量中的示值误差，在进行量程选择时应尽可能使示值能接近满量程值，一般以示值不小于满量程值的2/3为宜。1.4.2测量误差的分类按测量误差的特性分类：02三种主要误差类型：误差类型定义特点产生原因系统误差ε在相同的测量条件下，对同一被测量进行多次测量时，误差的大小和符号或者保持恒定，或者按一定的规律变化大小和符号恒定或按规律变化仪器缺陷、环境条件、近似方法等随机误差x在相同条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号时大时小,时正时负,没有确定的规律,也不可能预知大小和符号无规律，不可预知元器件噪声、环境波动、人为因素粗大误差在一定的测量条件下，测量值明显地偏离实际值所形成的误差明显偏离实际值操作失误、条件突变、方法不当1.4.2测量误差的分类按测量误差产生的来源分类：：03仪表误差：测量仪表本身造成的误差人为误差：测量者感官、技术水平造成的误差（也称操作误差）环境误差：测量环境不符合条件产生的附加误差方法误差：测量方法不完善造成的误差装置误差：设备安装、布置不当造成的误差校验误差：标准表附加误差形成的误差1.4.3测量精度测量精度表示测量值偏离真值的程度：精度类型反映内容关系准确度系统误差的影响程度；对同一被测量进行多次测量时，测量值偏离真值的程度系统误差小，准确度高精密度随机误差对测量值的影响程度；对同一被测量进行多次测量时，测量值的重复一致程度，或者说测量值分布密集的程度。随机误差小，精密度高精确度系统误差和随机误差的综合影响系统误差和随机误差都小，精确度高1.4.3测量精度三者关系要获得理想的结果，应满足三个方面的条件：性能优良的测量仪表、正确的测量方法和正确细心的测量操作。

精密度、准确度、精确度的关系示意图（正确？）精密度......................准确度精确度测量的定义及测量方法1.1测量系统的结构及基本功能2测量误差与测量精度的基本内容目录1.21.4测量仪表的种类及其基本性能1.5智能化测量系统概述1.31.5测量仪表的种类及其基本性能主要分类方法：按显示记录形式及功能：模拟式与数字式仪表按工作原理：机械式、电子式、气动式、液动式按用途：标准仪表、实验室用仪表、工程用仪表按使用方法：固定式和便携式仪表工程用仪表：结构简单、牢固、抗振动、

工作可靠，精度较低实验室用仪表：精度较高，用于科研测

量和校验工程仪表标准仪表：精度最高，用于校验和标定

其他仪表1.5测量仪表的种类及其基本性能主要性能指标：测量范围（量程）：仪表能够测量的最大与最小输入量之间的范围

被测量值落在满量程值的2/3左右精度：测量值接近真值的程度

精度等级序列：0.005,0.01,0.02,...,1.0,1.5,2.5,4.0,5.0稳定性：由稳定度和环境影响系数表示静态特性：灵敏度、灵敏限、线性度、变差动态特性：时间常数，越小越好仪表的测量范围（量程）lm

测量下限、测量上限

问题的提出：

1、如何确定量程？2、为何通常选量程时，考虑被测量值落在满刻度的三分之二？例1

某台0~1000℃的温度显示仪表，工艺上要求指示误差不超过7℃，问如何确定仪表的精度等级？解：δj= ×100%=0.7%

选择精度等级s为0.5级的仪表可满足要求。即根据工艺要求选择仪表精度等级时，s%<δj(至多等于)例2：某台测温仪表的标尺范围0~500℃，精度等级s为1.0级，已知校验时其最大绝对误差值ΔXm为6℃，问该仪表是否合格？解：1、计算该仪表的基本误差：

δj