第一章-過程檢測技術(shù)基礎(chǔ)

第一章自動檢測技術(shù)基礎(chǔ)本章介紹自動檢測技術(shù)、儀表的基本概念與有關(guān)測量誤差及處理的基本原理與方法。第一節(jié)自動檢測的基本概念第二節(jié)測量誤差及處理方法第三節(jié)測量不確定度檢測技術(shù)是實驗科學(xué)的一部分,主要研究各種物理量的測量原理和測量信號分析處理方法。

檢測技術(shù)是進行各種科學(xué)實驗研究和生產(chǎn)過程參數(shù)測量必不可少的手段,起著人的感官作用。第1章自動檢測技術(shù)基礎(chǔ)1.1自動檢測的基本概念1.1.1檢測測量:將被測未知量與同性質(zhì)的標準量進行比較,確定被測量對標準量的倍數(shù),并用數(shù)字表示這個倍數(shù)的過程。檢測:用專門的技術(shù)工具,依靠實驗和計算找到被測量值的過程。分類(2)按測量手段:直接測量.間接測量.組合測量;(3)按測量值的獲得方式:偏差式.零位式.微差式測量;

(1)按傳感器與被測對象是否直接接觸:接觸式測量.

非接觸式測量;

(4)根據(jù)對象變化的特點:靜態(tài)測量.動態(tài)測量。檢測方法是指被測量與其單位進行比較的實驗方法。1.1.2檢測的基本方法(1)接觸式測量.非接觸式測量接觸式測量:檢測元件與被測對象直接接觸,感受被測參數(shù)的作用或變化,從而獲得測量信號,并檢測其大小的方法。非接觸式測量:檢測元件不能直接接觸被測對象,而是間接感受被測參數(shù)的作用或變化,達到檢測目的的方法。直接測量:用測量儀表直接讀取被測量的方法。尺子----物體長度、天平----物體重量

自變量目標變量

負載電阻功率=電壓電流（關(guān)系）（直接測量）1.1.2檢測的基本方法(2)直接測量.間接測量與組合測量間接測量:先對與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的量進行測量,再經(jīng)過函數(shù)計算得到被測量的方法。組合測量:為了同時確定多個未知量,將各個未知量組合成不同函數(shù)形式,用直接測量或間接測量方法獲得一組數(shù)據(jù),通過方程組的求解得到被測量的方法。3、偏差式.零位式與微差式測量1.1.2檢測的基本方法偏差式測量:利用儀表指針相對于刻度線的位移來直接指示被測量的大小的測量方法。零位式測量:通過被測量與已知標準量比較,當兩者達到完全平衡時,從而得到被測量大小的測量方法。微差式測量:通過被測量與已知標準量比較,得到差值,再用偏差法測此差值。特點:直觀.簡單.迅速,但測量精度低。特點:測量精度高,但復(fù)雜.慢。特點:直觀.簡單.迅速,測量精度高。適用與在線檢測。1.1.3檢測儀表的組成信息獲取轉(zhuǎn)換顯示和處理（信號檢出部分）（信號變換部分）（分析處理部分.通信接口及總線）傳感器變送器顯示記錄傳感器:將被測物理量(如溫度)檢出并轉(zhuǎn)換為電量。變送器:將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為易于處理.傳輸及測量的標準信號。顯示儀表:將測量結(jié)果顯示出來,提供給觀察者或其它自動控制裝置。1.1.3檢測儀表的組成對傳感器的要求:輸入與輸出關(guān)系為單值函數(shù)關(guān)系,且不隨時間和溫度變化,抗干擾性和復(fù)現(xiàn)性好,靈敏度高。傳輸通道:是儀表各環(huán)節(jié)的輸入.輸出信號的連接部分。包括電線.光導(dǎo)纖維和管路等。1.1.4檢測儀表的分類(1)按被測參數(shù)性質(zhì)分類電氣參數(shù):電能.電流.電壓.頻率等；機械參數(shù):位移.速度與加速度.重量.振動.轉(zhuǎn)速等;過程參數(shù):主要指熱工參數(shù),包括溫度.壓力.流量.物位等。(2)按使用性質(zhì)分類實用型:用于實際測量,包括工業(yè)用表與實驗用表；范型:用于復(fù)現(xiàn)和保持計量單位,或用于對實用儀表進行校準和刻度；標準型:具有更高準確度的范型儀表,用以保持和傳遞國家計量標準,并用于對范型儀表的定期檢定。按工作原理分類;按功能分類等。(3)其他分類方式1測量范圍:在正常工作條件下,檢測系統(tǒng)或儀表能測量的被測量值的總范圍,用下限值至上限值表示ymin~ymax

。被測量一般在儀表量程的1/3----2/3~3/4之間。1.1.5

檢測儀表的主要性能指標量程(yFS):yFS=ymax-ymin。2精度(準確度):表示測量結(jié)果與真值之間的一致程度。

它是反映測量質(zhì)量好壞的重要指標之一。精度低,誤差大;精度高,誤差小。國產(chǎn)儀表的精度等級(K)

：0.005,0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。一般表示符號為：

精度:重點解：例1:某壓力表的量程為10MPa,測量值的最大絕對誤差為0.03MPa,則儀表的準確度等級為多少？儀表的準確度等級應(yīng)為0.5級。儀表線性度示意圖1-實測曲線;2-理想曲線1.1.5

檢測儀表的主要性能指標3線性度:儀表實測輸入輸出特性曲線與理想輸入輸出特性曲線的偏離程度。用實測與理想輸入輸出特性曲線間最大偏差值Δm與量程yFS之比百分數(shù)來表示,如圖。4變差:外界條件不變的情況下,用同一儀表對被測量進行正、反行程測量時,其中二者之間的最大差值與儀表量程之比的百分數(shù)表示。最大變差最大變差≤K%1.1.5

檢測儀表的主要性能指標重點設(shè)儀表的測溫范圍為100~200℃被校表(℃)120.0180.0標準表(℃)（正行程）121.21179.83標準表(℃)（反行程）120.94179.96X正-X負變差變差計算方法:0.27-0.130.27%5重復(fù)性:測量裝置在同一工作環(huán)境,被測量不變的條件下,輸入量按同一方向做多次(三次以上)全量程變化時,輸入輸出特性曲線的一致程度。XyFSxyDR01.1.5

檢測儀表的主要性能指標用輸入輸出特性曲線間最大偏差值ΔR與量程yFS之比百分數(shù)來表示,如圖。儀表最低量程的分辨力稱為該表的最高分辨力。通常以最高分辨力作為儀表的分辨力指標。

如某儀表顯示值為：□□□.□℃

則

分辨力為

0.1℃1.1.5

檢測儀表的主要性能指標6數(shù)字式儀表的分辨力:檢測儀表能檢出被測信號的最小變化量。即儀表最后一位所表示的數(shù)值。不同量程的分辨力是不同的。分辨率:分辨力除以儀表的滿量程。例如,3?位表的最大示值為1999,則分辨率為：

1/1999≈0.05%即萬分之五。-指針的線位移或角位移指針式儀表的靈敏度(S):

儀表指針的線位移或角位移,與引起這個位移的被測參數(shù)變化量之比值。指針式儀表的靈敏限:引起儀表示值發(fā)生變化的被測參數(shù)的最小變化量。它應(yīng)不大于儀表允許誤差絕對值的一半。-引起所需的被測參數(shù)變化量1.1.5

檢測儀表的主要性能指標1.2測量誤差及處理方法1.2.1測量誤差測量誤差:測量結(jié)果與真值之間總存在一定的差值,這個差值就是測量誤差。Δ=xi

－xo(1)絕對誤差:被測量的測量值(xi)與真值(xo)之差。真值一般無法得到,所以用實際值x代替xo。測量誤差產(chǎn)生原因:測量方法的不同,測量工具不夠準確,觀測者的主觀性,環(huán)境因素的影響等等。Δ=xi

－x1.2.1.1測量誤差的表示方法約定值m有如下三種取法：相對誤差:被測量的絕對誤差(Δ)與約定值(m)的百分比。m取被測量的真值xo時,δ稱為實際相對誤差；m取被測量的給出值xi時,δ稱為給出值相對誤差；給出值可是:“測量值”.“標稱值”.“示值”.“刻度值”等。

m取儀表量程(yFS)時,δ稱為引用誤差。1.2.1.1測量誤差的表示方法最大引用誤差:儀表最大引用誤差即為儀表的準確度。精度等級(K):將儀表最大引用誤差去掉“±”和“%”號后數(shù)值,便可確定儀表的精度等級。

校驗儀表時,校驗中各點的誤差(即引用誤差)不能大于儀表精度等級所允許的誤差。

|δ允儀|≤K%特別注意：選表時,儀表在使用過程中儀表的精度等級不能大于現(xiàn)場的引用誤差。

K%≤|δ允現(xiàn)|

1.2.1.1測量誤差的表示方法根據(jù)校驗結(jié)果確定儀表精度等級(校驗儀表時)例1:某臺測溫儀的測溫范圍為200~700℃,校驗時得到的最大誤差為±4℃,確定該儀表的精度等級。

由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級的儀表,因|δ允儀|≤K%,則該儀表的精度等級為1.0級。該儀表的精度等級為1.0級。解：根據(jù)工藝要求選擇儀表精度等級(選表時)例2:某臺測溫儀的測溫范圍為0-1000℃。根據(jù)工藝要求,溫度指示值的誤差不允許超過±7℃。試問應(yīng)如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？

解:根據(jù)工藝要求,引用誤差為因K%≤|δ允現(xiàn)|,故應(yīng)選的0.5級儀表。應(yīng)選的0.5級儀表。1.某測溫儀表的精度等級為1.0級,絕對誤差為±1℃,測量下限為負值(下限的絕對值為測量范圍的10％),試確定該表的測量上限值、下限值和量程。（+90℃，-10℃，100℃）2.用測量范圍為-50~150kPa的壓力表測量140kPa壓力時,儀表示值為142kPa,求該示值的絕對誤差.相對誤差和引用誤差。（+2kPa，+1.43%，+1.0%）3.有2.5級.2.0級.1.5級三塊測溫儀表,對應(yīng)的測量范圍分別為-100~+500℃.-50~550℃.0~1000℃,現(xiàn)要測量500℃的溫度,其測量值的相對誤差不超過2.5%,問選用哪塊表最合適？解:測量值的最大絕對誤差:

因:K%≤|δ允現(xiàn)|

則選用2.0級測量范圍為-50~550℃測溫儀表。>K%4.溫度計(0～500oC)出廠前校驗合格,結(jié)果如下表。1.求最大絕對誤差;2.確定允許誤差及精度等級;3.使用一段時間后重新校驗,最大絕對誤差為±8oC,問該儀表是否合格？被校表讀數(shù)/oC0100200300400500標準表讀數(shù)/oC0103198303406495解:

1.-6oC;1.5級則不合格。>K%1.2.1.2誤差分類反映測量結(jié)果對真值的偏離程度,用“正確度”表示。(1)按規(guī)律分類1)系統(tǒng)誤差:在偏離測量規(guī)定條件時或由測量方法引入的因素所引起的、按某確定規(guī)律變化的誤差。2)隨機誤差:在實際測量條件下,對同一被測量進行多次測量,大小和符號沒有一定規(guī)律的測量誤差。反映測量結(jié)果對真值的分散程度,用“精密度”表示。它無法修正,可用統(tǒng)計方法估計其對測量結(jié)果影響。3)粗大誤差:由于錯誤的讀數(shù),錯誤的測量方法等所造成,明顯地歪曲了測量結(jié)果的誤差。對粗大誤差加以判斷后剔除。1.2.1.2誤差分類基本誤差決定儀表的精度等級。(2)按工作條件分類1)基本誤差:儀表在規(guī)定的正常條件下所產(chǎn)生的誤差。2)附加誤差:儀表偏離規(guī)定的正常工作條件時所產(chǎn)生的與偏離量有關(guān)的誤差。注意安裝和使用條件,否則引入較大的附加誤差。1.2.2誤差的分析及處理1.2.2.1系統(tǒng)誤差的分析及處理A系統(tǒng)誤差的分類整個測量過程中誤差符號(方向)和數(shù)值大小均恒定不變。a定值系統(tǒng)誤差如標準表的誤差.儀表零點不準等都會引起定值系統(tǒng)誤差。是按照一定的規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差。b變值系統(tǒng)誤差①累積系統(tǒng)誤差:在測量中,隨著時間的延伸,誤差逐漸增大或減小的系統(tǒng)誤差。如元件老化等因素引起。②周期系統(tǒng)誤差:在測量中誤差大小和符號按一定周期發(fā)生變化的系統(tǒng)誤差。如冷端為室溫的熱電偶溫度計。③復(fù)雜系統(tǒng)誤差:誤差的變化規(guī)律比較復(fù)雜。如刻度分劃不規(guī)則的示值誤差。減少系統(tǒng)誤差應(yīng)注意下面幾個方面：a采用的測量方法及原理是否正確。b選用的儀表類型是否正確,精度是否滿足要求。c測量儀表是否定期檢定。d工作條件是否正常,盡量采用數(shù)顯儀器。e測量前是否調(diào)零,是否按操作規(guī)程正確使用。f操作人員的操作水平及技能是否滿足要求。1.2.2誤差的分析及處理1.2.2.1系統(tǒng)誤差的分析及處理B系統(tǒng)誤差的減少或消除1.2.2.1系統(tǒng)誤差的分析及處理減少系統(tǒng)誤差的方法(1)檢定修正法:測量前對儀器檢定,獲取修正值。在測量過程中對測量值進行修正,可大大削減系統(tǒng)誤差。(2)直接比較法(零位式法):將被測量與標準量直接比較,兩者相等時系統(tǒng)達到平衡,即指零儀指零。誤差取決于標準量器的誤差,可減小測量誤差。(3)置換法(替代法):標準量具代替被測量接入測量儀表中,使儀表的指示值與被測量接入時相同,則標準量具的示值就是被測量。(4)差值法(微差法):被測量與其相近的標準量相減,再對二者的差值進行測量。(5)交換比較法:將測量中某些條件進行互換,使產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因?qū)y量結(jié)果起相反的作用,從而抵消系統(tǒng)誤差。1.2.2誤差的分析及處理1.2.2.2粗大誤差(1)對由于寫錯.記錯.誤操作等或外界條件突變產(chǎn)生的壞值,可剔除。(2)如不能確定為壞值,采用統(tǒng)計方法判別。統(tǒng)計方法:萊以達準則(3σ準則).肖維準則.格拉布斯準則。在等精密度多次測量中,有時會發(fā)現(xiàn)個別值明顯偏離該列算術(shù)平均值,該值可能是粗大誤差,也可能是隨機誤差,不能隨便剔除。處理方法：正態(tài)分布的隨機誤差,落在[-3σ,+3σ]的概率為99.73%。3σ準則:如果一組測量數(shù)據(jù)中某個測量值的殘余誤差的絕對值|vi|>3σ時,則該測量值為可疑值(壞值),應(yīng)剔除。1.2.2誤差的分析及處理1.2.2.3隨機誤差的分析及處理A隨機誤差的特性對單次測量,隨機誤差沒有規(guī)律,但測量次數(shù)足夠多時,則服從正態(tài)分布規(guī)律。隨機誤差標準誤差隨機誤差出現(xiàn)的幾率f(x-a)

x-a1.2.2.3隨機誤差的分析及處理A隨機誤差的特性隨機誤差的特點:單峰性.對稱性.抵償性.有界性。f(x-a)x-a單峰性:誤差越小,出現(xiàn)密度越大,誤差越大,出現(xiàn)密度越小。對稱性:正負誤差出現(xiàn)的概率相等。抵償性:當測量次數(shù)n→∞時,誤差算術(shù)平均值趨近于零。有界性:誤差落[-3,3]的概率為99.73%;3也稱為極限誤差。1.2.2.3隨機誤差的分析及處理B

隨機誤差的統(tǒng)計處理a算術(shù)平均值對被測量x進行等精度n次測量的測量值x1,x2,x3,…,xn,則n個測量值的算術(shù)平均值為：當n→∞時,算術(shù)平均值等于被測量真值,即：b殘差:測量值與算術(shù)平均值之差。即:對上式兩邊求和得：則n次測量的殘差和為0。B

隨機誤差的統(tǒng)計處理c總體標準偏差σd實驗標準偏差S(xi)e算術(shù)平均值標準偏差S(x)隨機誤差對測量結(jié)果的影響一般用σ表示,即貝塞爾公式1.2.2.3隨機誤差的分析及處理C置信區(qū)間與置信概率置信區(qū)間:隨機變量取值的范圍。[-z,z],z為置信系數(shù)。置信概率:隨機變量在置信區(qū)間取值的概率。用p表示。對正態(tài)分布函數(shù)y=f(x)在置信區(qū)間[-,]內(nèi),p為：在置信區(qū)間[-2,2]內(nèi),p為：在置信區(qū)間[-3,3]內(nèi),p為：研究隨機誤差的統(tǒng)計規(guī)律,要知道隨機變量取值范圍,還要知道在該范圍內(nèi)取值的概率。(1)在測量前盡可能消除系統(tǒng)誤差,將數(shù)據(jù)列表。1.2.2.4測量結(jié)果數(shù)據(jù)處理的步驟(5)計算vi2列于vi旁邊,用貝塞爾公式計算標準差。(6)按|vi|>3σ原則,剔除壞值,并從(2)重新計算；(7)判斷有無系統(tǒng)誤差,如有系差,查明原因,重新測量。(8)求算術(shù)平均值的均方根誤差：(9)得出最終表達式,即：,并注明置信概率。(3)求殘差,列于表中。(4)檢查的條件是否滿足。

(2)求算術(shù)平均值：確定有效位。A系統(tǒng)誤差的合成a已定系統(tǒng)誤差的合成已定系統(tǒng)誤差:大小和正負都已知的系統(tǒng)誤差。分別為E1,E2,…,Em,總的已定系統(tǒng)誤差:定義:測量系統(tǒng)由若干個單元組成,測量過程中各個環(huán)節(jié)都產(chǎn)生誤差,將每一個環(huán)節(jié)的誤差綜合為整個系統(tǒng)的誤差。1.2.2.5測量系統(tǒng)的誤差合成b未定系統(tǒng)誤差未定系統(tǒng)誤差:難以知道或不能確切掌握大小和方向的系統(tǒng)誤差。分別為e1,e2,…,en,總的未定系統(tǒng)誤差為:B隨機誤差的合成設(shè)測量結(jié)果中有k個彼此獨立的隨機誤差,各單項的均方根誤差分別為σ1,σ2,…,σk,總的均方根誤差：1.2.2.5測量系統(tǒng)的誤差合成C誤差綜合若待測參數(shù)的系統(tǒng)誤差為E(已定)和e(未定),隨機誤差為Δk,且相互獨立,系統(tǒng)總的合成誤差Δy為：例2:用電壓表對某電壓進行16次測量(見下表)。要求給出包括誤差在內(nèi)的測量結(jié)果表達式。序號xi12345678910111213141516205.30204.94205.63205.24206.65204.97205.36205.16205.71204.70204.86205.35205.21205.19205.21205.32解:(1)vi0.00-0.36+0.33-0.06+1.35-0.33+0.06-0.14+0.41-0.60-0.44+0.05-0.09-0.11-0.09+0.02vi’+0.09-0.27+0.42+0.03--0.24+0.15-0.05+0.50-0.51-0.35+0.140.00-0.020.00+0.11(3)由3σ=1.3302知x5=206.65為壞值(1.35>1.3302),剔除。(4)重新求平均值.殘差.標準偏差,并判斷有無壞值：vi’20.00810.07290.17640.0009-0.05760.02250.00250.25000.26010.12250.01960.00000.00040.00000.0121(2)求殘差(5)檢查測量數(shù)據(jù)中是否含有系統(tǒng)誤差【以下用貝塞爾公式與佩捷斯公式求得σ1、σ2之值比較來判斷】。由貝塞爾公式求：由佩捷斯公式求：則測量數(shù)據(jù)中不存在系統(tǒng)誤差。(6)求算術(shù)平均值的標準偏差：(7)得出最終表達式,即：置信概率為99.73%。1.3測量不確定度它是評定測量結(jié)果質(zhì)量的一個重要指標,是建立在概率論和統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)上的新概念。1.3.1基本概念1.3.1.1定義:是表征合理地賦予被測量值的分散性并與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。測量不確定度小,表示測量數(shù)據(jù)集中,測量結(jié)果可信度高;測量不確定度大則相反。(1)誤差是不確定度的基礎(chǔ):先研究誤差的性質(zhì).分布規(guī)律.相互聯(lián)系等,才能正確得到測量結(jié)果的不確定度。1.3.1.2測量誤差與測量不確定度的區(qū)別(3)測量不確定度的內(nèi)容是對經(jīng)典誤差理論的一個補充。(2)用測量不確定度表示測量結(jié)果,易于理解.評定,具有合理性和實用性。評定方法分為A類評定和B類評定。 1.3.2測量不確定度的分類與表達A類評定:對樣本觀測值用統(tǒng)計分析的方法進行評定,用標準偏差來表征。B類評定:用其他方法進行評定,用經(jīng)驗.資料及假設(shè)的概率分布估計的標準偏差表征。常用:標準不確定度、合成不確定度和擴展不確定度。標準不確定度:以標準偏差表示的不確定度,“u”

。合成標準不確定度:不確定度通常由多個分量組成,各分量的標準不確定度的合成,“uc”。擴展不確定度:以合成標準不確定度的倍數(shù)表示的不確定度?！癠或Up”。U=kuc(y)k為包含因子(置信系數(shù)),一般取2~3,取3時應(yīng)說明來源。用標準偏差S及自由度v表示,必要時給出估計協(xié)方差：1.3.3不確定度的評定1.3.3.1標準不確定度的A類評定(1)若測量值的個數(shù)為n,被測量的個數(shù)為t,則自由度v=n-t;若另有r個約束條件,則v=n-r-t。(2)同一條件下對被測量x進行n次等精度測量,測量值為xi(i=1,2,…,n),則標準不確定度uA(算術(shù)平均值標準偏差)：1)B類評定的信息源1.3.3不確定度的評定1.3.3.2標準不確定度的B類評定(1)過去的測量數(shù)據(jù)；(2)校準證書、檢定證書、測試報告及其他證書文件；(3)生產(chǎn)廠家的技術(shù)說明書；(4)引用的手冊、技術(shù)文件、研究論文和實驗報告中給出的參考數(shù)據(jù)及不確定度值等；(5)測量儀器的特性和其他相關(guān)資料等；(6)測量者的經(jīng)驗與知識；(7)假設(shè)的概率分布及其數(shù)字特征。對上述信息進行分析后,得到反映該被測量值的分散大小的數(shù)據(jù)。(1)由先驗信息給出測量結(jié)果概率分布.置信區(qū)間.置信水平,則u(xi)為置信區(qū)間半寬a與置信水平p下包含因子kp的比值,即u(xi)=a/kp；2)標準不確定度[u(xi)]的B類評定方法1.3.3.2標準不確定度的B類評定(2)由先驗信息給出的測量不確定度U為標準差的k倍時,則u(xi)為U與k的比值,即u(xi)=U/k；(3)由先驗信息給出測量結(jié)果的置信區(qū)間.概率分布,則u(xi)為置信區(qū)間半寬b與置信水平接近1的包含因子k1的比值,即u(xi)=b/k1

。合理確定測量分布及在該置信水平下的包含因子是關(guān)鍵。具體可參見表1-1和表1-2。B類不確定度主要采用概率分布:正態(tài)分布.均勻分布.三角分布.反正弦分布.兩點分布等。表1-1正態(tài)分布置信水平p與包含因子kp表1-2非正態(tài)分布置信水平p與包含因子kp

pkppkppkp0.50000.6670.95001.9600.99502.8070.68271.0000.95452.0000.99733.0000.90001.6450.99002.5760.99903.2911.411.411.41反正弦分布

1.001.001.001.00兩點分布

1.902.202.32三角分布

1.651.711.73均勻分布

p=