第一章_过程检测技术基础
01第一章 检测技术基本概念
B 1 若 则可能含有变化的系统误差。 1 2A n
3.粗大误差
在对重复测量所得一组测量值进行数据处理之前, 首先应将 具有粗大误差的可疑数据找出来加以剔除。但绝对不能凭主观意 愿对数据任意进行取舍, 而是要有一定的根据。因此要对测量数 据进行必要的检验。
完整描述应包括：估计值（比值+误差）、测量单位、 不确定度等。
二、 测量方法
测量方法：实现被测量与标准量比较得出比值的方法。
测量方法分类
根据获得途径可分为直接测量、间接测量、组合测量； 根据测量方式可分为偏差式测量、零位法测量、微差法测量； 根据被测量变化快慢可分为静态测量、动态测量； 根据测量的精度因素情况可分为等精度测量、非等精度测量；
3）准则检查法：
马利科夫判据：将残余误差前后各半分两组，若“Σ vi
前”与“Σ vi后”之差明显不为零，则可能含有线性系
统误差。
阿贝检验法则：检查残余误差是否偏离正态分布，若偏 离，则可能存在变化的系统误差。将测量值的残余误差 按测量顺序排列，设 A v 2 v 2 v 2 1 2 n
检测技术的基本概念
本章学习测量的基本概念、测量方 法、误差分类、测量结果的数据统计处
理，传感器的基本特性等。他们是检测
与转换技术的理论基础。
第一节 一、测量
测量的基本概念及方法
测量：以确定被测量值为目的的一系列操作。 将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测 量对标准量的倍数的一系列操作。
x n u
特点：可以获得比较高的测量精度, 但测量过程比较复杂, 费 时较长, 不适用于测量迅速变化的信号。
第一章 传感器与检测技术基础思考题答案
第1章传感器与检测技术基础思考题答案l.检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。
答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。
显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量。
此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U 来讲为一小量。
如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U0的要求，因此对△U，这个小量造成的U0的变化就很难测准。
测量原理如下图所示：图中使用了高灵敏度电压表——毫伏表和电位差计，R r和E分别表示稳压电源的内阻和电动势，凡表示稳压电源的负载，E1、R1和R w表示电位差计的参数。
在测量前调整R1使电位差计工作电流I1为标准值。
然后，使稳压电源负载电阻R1为额定值。
调整RP的活动触点，使毫伏表指示为零，这相当于事先用零位式测量出额定输出电压U。
正式测量开始后，只需增加或减小负载电阻R L的值，负载变动所引起的稳压电源输出电压U0的微小波动值ΔU，即可由毫伏表指示出来。
检测技术基础知识
第1章 检测技术基础知识
2. 按测量方式分类
1）
在测量过程中，用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量的 测量方法，称为偏差式测量法。应用这种方法进行测量时标准 量具不装在仪表内，而是事先用标准量具对仪表刻度进行校准。 在测量时，输入被测量，按照仪表指针在标尺上的示值， 决 定被测量的数值。它以直接方式实现被测量与标准量的比较， 测量过程比较简单、迅速，但是测量结果的精度较低。这种测 量方法广泛用于工程测量中。
第1章 检测技术基础知识 3）
在应用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过求解联立 方程组才能得到最后结果，则称这样的测量为联立测量(也称 为组合测量)。在进行联立测量时，一般需要改变测试条件， 才能获得一组联立方程所需要的数据。
联立测量的操作手续很复杂，花费时间很长，是一种特殊 的精密测量方法。它多适用于科学实验或特殊场合。
第1章 检测技术基础知识 1.2.2
1.
1）
在使用仪表进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算， 就能直接表示测量所需要的结果，称为直接测量。例如，用磁 电式电流表测量电路的支路电流，用弹簧管式压力表测量锅炉 压力等就为直接测量。直接测量的优点是测量过程简单而迅速， 缺点是测量精度通常较低。这种测量方法是工程上大量采用的 方法。
第1章 检测技术基础知识 3. 网络化检测系统
总线和虚拟仪器的应用，使得组建集中和分布式测控系统 比较方便，可满足局部或分系统的测控要求，但仍然满足不了 远程和范围较大的检测与监控的需要。近十年来，随着网络技 术的高速发展，网络化检测技术与具有网络通信功能的现代网 络检测系统应运而生。例如，基于现场总线技术的网络化检测 系统，由于其组态灵活、综合功能强、运行可靠性高，已逐步 取代相对封闭的集中和分散相结合的集散检测系统。又如，面 向Internet的网络化检测系统，利用Internet丰富的硬件和软 件资源，实现远程数据采集与控制、高档智能仪器的远程实时 调用及远程监测系统的故障诊断等功能；
检测技术—第一章
① 真值； ② 标称值 ③ 示值 ④ 精度 ⑤ 重复性 ⑥ 误差公理
1、真值：被测量的真实数值，真值是真实存在的， 但不可测量。
1）理论真值。如：一大气压下水的沸点为100℃
2）约定真值。如：米、千克、安培
米的定义：光在真空中，在1/299792458秒时间 间隔内所行路径的长度。
系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真 值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者， 均属于系统误差。
系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方 法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测 量仪表的有关部件予以消除。
说明: (1) 系统误差估算：无限多次测量结果 的平均值减去该被测量的真值。
2 1 2 3
3
x0
x
图 正态分布曲线
2、标准偏差及其估计
标准偏差表示测量值的分散程度。标准偏差越小，表示 测得值的离散性小，也即小误差出现的机会越多，而大误差 出现的机会少，这意味着测量精度高；反之，标准偏差大， 曲线平坦，表示所测得值分散。
当测量次数无穷大时，标准偏差可表示如下
lim N
产生粗大误差的一个例子
第三节 随机误差的分析与处理
在测量中, 对测量数据进行处理时, 首先判断测 量数据中是否含有粗大误差, 如有, 则必须加以剔除。 再看数据中是否存在系统误差, 对系统误差可设法消 除或加以修正。 对排除了系统误差和粗大误差的测 量数据, 则利用随机误差性质进行处理。
一.随机误差及其分布
（3）理论计算或按经验公式计算
2、变值系统误差的判别法
（1）观察法
根据测量数据的各个残差大小和符号的变化规律，直接 由误差数据或误差曲线图形来判断有无系统误差。这种方法 主要适用于发现变值系差。通常将测量列的残差做散点图：
检测技术的基本概念讲解
分压比电路的计算公式如下：
对圆盘式电位器来说，Uo 与滑动臂的旋转角度成正比：
Uo
360 Ui
直滑电位器式传感器
的输出电压Uo与滑动触点C 的位移量x成正比：
Uo
x L Ui
二、传感器分类
传感器的种类名目繁多，分类不尽相 同。常用的分类方法有：
１）按被测量分类：可分为位移、力、 力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、 流量、流速等传感器。
第一章 检测技术的基本概念
本章学习测量的基本概念、测量方法、 误差分类、测量结果的数据统计处理、测量 不确定度，以及传感器的基本特性等，是检 测技术的理论基础。
第一节 检测技术的基本概念及方法
静态测量
对缓慢变化的对 象进行测量亦属于静 态测量。
最高、最低 温度计
动态测量
地震测量 振动波形
便携式仪表
可以显示波形的 手持示波器
直接测量
电子卡尺
间接测量
对多个被测量进行测量，经过计算求得 被测量。
（阿基米德测量皇冠的比重）
接触式测量
非接触式测量
例：雷达测速
车载电子警察
离线测量
产品质量检验
在线测量
在流水线上，边加工， 边检验，可提高产品的一致 性和加工精度。
第二节 测量误差及分类
绝对误差：
2）按测量原理分类：可分为电阻、电 容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、 红外、光导纤维等传感器。
本教材采用哪一种分类法？
三、传感器基本特性
传感器的特性一般指输入、输出特性， 包括：灵敏度、分辨力、分辨率、线性度、
稳定度、电磁兼容性、可靠性等。
灵敏度 ：
灵敏度是指传感器在稳态下输出变 化值与输入变化值之比，用K 来表示：
第一章检测技术的基本概念..
产生粗大误差的一个例子 雷电产生尖峰干扰
2.系统误差
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，称为系统误差。 凡误差的数值固定或按一定规律变化 者，均属于系统误差。
系统误差是有规律性的，因此可 以通过实验的方法或引入修正值的方 法计算修正，也可以重新调整测量仪 表的有关部件予以消除。
技术
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采用计算机技术，使检测技术智能化
智能机械手
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采用计算机技术，使检测技术智能化
单片机芯片
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6.发展网络化传感器及检测系统
区域网与上位机
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传感器的数字化和网络化结构
传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数 字化、集成化、智能化和网络化的发展趋势。将 在第十三章检测系统的综合应用详细学习。
二、误差产生的性质：
1.粗大误差 明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失 误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及 电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如 测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的 误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条 件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。
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2、相对误差及精度等级
几个重要公式： 绝对误差 示值相对误差 满度相对误差 准确度(精度) Δ = A x –Ａ 0
100% Ax
x
m 100% Am
S Δm 100 Am
3、仪表的准确度等级和基本误差表
等级
0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0
检测技术基础
1.2.2 检测仪表的分类
(1) 按参数分类：如：温度 压力 流量 液位
(2) 按响应形式分类： 连续式：水银温度计、压力表等。 开关式：电饭煲温度计
(3) 按使用的能源分类：机械式、电式、气式、光式 (4) 按是否具有远传功能分类：就地式、远传式
(5) 按信号的输出形式分类：模拟式、数字式、 数模混合式
因为 0.5<0.7<1.0
所以应选0.5级的仪表。
例3：某仪表厂生产测温范围为200～700℃测温仪 表,校验时得到的最大绝对误差为±4℃,最 大变差为-6℃,试确定该仪表的精度等级。
解：该表的最大相对百分误差为：
4 100% 0.8%
700 200
0.5—1.0
去掉“±”与“％”号,其数值为0.8。等级中无0.8 级，而最大引用误差又超过了0.5级仪表的允许 误差(±0.5％),则该仪表的精度等级应为1.0级。
被测参数（measured parameter ）（也称被测量）
敏感元件直接感受的参数。
待测参数（parameter to be measured） 需要获取的测量参数。
直接测量（direct measurement） 被测参数 直接测量 待测参数 此时待测参数就是被侧参数
间接测量（indirect measurement） 直接测量多个参数 运算 待测参数
0.005；0.02；0.05；
（Ⅰ级标准表）
0.1；0.2；0.25；0.4；0.5；（Ⅱ级标准表）
1.0 ；1.5；2.5；
（工业用表）
③ 准确度等级的确定 确定方法： 计算仪表满刻度相对误差，去掉“±”与“％”号, 便可以确定仪表的精度等级。
根据国家统一划分的准确度等级，选其中数值上 最为接近又比准确度大的准确度等级作为该仪表的 准确度等级。 仪表的精度等级一般用不同的符号标志在仪表面板上。
1检测技术基础知识-概述
主要测量被测量随时间的变化规律。
2.频域测量（稳态测量）
主要目的是获取待测量与频率之间的关系。
3.数据域测量（逻辑量测量）
主要是用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑状
态进行测量。
4.随机测量（统计测量）
主要是对各类噪声信号进行动态测量和统计分析。
1.5 xm m xm 100 1.5V 100
可见：同一量程内，测得值越小，示值相对误差 越大。因此测量中所用仪表的准确度并不是测量 结果的准确度，一般测得值的准确度是低于仪表 的准确度，在示值和满度值相等时两者才相等。 例2：某1.0级电流表，满度值Xm=100uA，求测量值 测量时，为减小误差，示值应尽量接近满度值， 一般也不小于满度值的2/3为宜。 X1=100uA，X2=80uA，X3=20uA时的绝对误差和示值
小依次划分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七级。 如某电压 表S=0.5，即表明它的准确度等级为0.5级，也就是它的满度相对 误差不超过0.5%，即 m 0.5% ，习惯上写成 m 0.5%。
例1：某电压表S=1.5，试标出它在0-100V量程中的最
大绝对误差。 解：该表在0-100V量程内上限值（仪表满度值）为 Xm=100V，而S=1.5，所以
第三节 误差理论
3.1 测量误差的基本概念
误差公理 真值 指定真值（约定真值） 实际值（相对真值） 标称值 示值（测量值）
3.2 测量误差的分析
1.按表示方法分析 （1）绝对误差：示值AX与被测量真值A0之间的差值。
Δ A=AX-A0 式中： Δ A为绝对误差，AX为示值（测量值）， A0为被测量的真值，但该值一般很难得到，所以 一般用实际值A来代替被测量的真值。即绝对误差一般表 示为Δ X=AX-A 修正值：实际值A与示值AX之间的差值。 C=A-AX C为修正值，其绝对值和绝对误差Δ X相等，但符号相反。 即： C= -Δ X =A-AX
第1章过程检测技术基础-误差分析基础
常州大学信息学院
过程检测技术及仪表
误差与随机误差的处理方式
1、系统误差的处理
➢系统误差的综合 ➢系统误差的分配
误差分析基础
Changzhou University
常州大学信息学院
过程检测技术及仪表
误差分析基础
例2：某仪表的技术说明指出：当仪表在环境温度20℃+5℃、电源电 压200V+5%、湿度<80%时的基本误差为2.5%。若环境温度超出该范围， 则将产生0.2%/℃误差；电源电压变化±10%时，则将产生±2%的附加 误差；湿度>80%时也将产生1%的附加误差，现在35℃时使用该表，湿 度>80%，电源电压为220 V,试估计测量误差。
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误差分析基础
具有这样特性的事件称之为服从正态分布（高斯分布），正 态分布的概率密度：
f
x
1
2
exp
xu
2 2
2
1
2
exp
2
2 2
测量值分布中心可用求算术平均值的方法求得：
1 N
u B x N i1 Xi
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过程检测技术及仪表
例4：有一电位差计如图所示，现假定检流计G的误差忽略不计， 且R1=10Ω, R2=10Ω, Rp=5Ω, R3=490Ω, R4=235Ω,当随机误差不考 虑时，问个电阻的误差如何分配，才能保证其测量误差小于1%。
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过程检测技术及仪表
误差分析基础
例如，温度、气压等环境条件的变化和仪表电池 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。
第一章 检测技术与检测系统理论基础
静态特性指标
• 1）测量范围(measuring range) • 检测系统所能测量到的最小输入量xmin与最 大输入量xmax之间的范围称为传感器的测量范 围。 • 2) 量程(span) • 检测系统测量范围的上限值 xmax与下限值的代 数差xmax-xmin，称为量程。 • 3) 精度(accuracy) • 检测系统的精度是指测量结果的可靠程度，是 测量中各类误差的综合反映
2、误差的性质
• (2) 随机误差(简称随差，又称偶然误差) (Random error) • 由大量偶然因素的影响而引起的测量误差称为 随机误差。 • 对同一被测量进行多次重复测量时，随机误差 的绝对值和符号将不可预知地随机变化，但总 体上服从一定的统计规律。 • 随机误差决定了测量的精密度。 • 随机误差不能用简单的修正值法来修正，只 能通过概率和数理统计的方法去估计它出现的 可能性。
ห้องสมุดไป่ตู้ • (3) 工具误差和方法误差
• 工具误差是指由于测量工具本身不完善引 起的误差。 • 方法误差也称理论误差，是指测量方法不 精确、理论依据不严密及对被测量定义不 明确等因素所产生的误差。
2、误差的性质
• (1) 系统误差(简称系差)(System error) • 在一定的条件下，对同一被测量进行多次重复测 量，如果误差按照一定的规律变化，则把这种误差 称为系统误差。 • 系统误差由特定原因引起，具有一定的因果关系并 按确定规律产生；无论是由装置引起的、环境变化 引起的、动力源变化引起的还是人为因素造成的， 只要有规律可循，这类误差均属系统误差。 • 系统误差具有再现性，它形成测量值的偏差 （Deviation）。对于系统误差，可以在作一定的理 论分析和实验验证，掌握其产生的原因和规律后， 采取妥善的办法使之减少或消除。
(完整版)自动检测题库(最终版)
第一章检测技术的基础知识一、填空题1．检测技术是一门以研究自动检测系统中的信息提取、信息变换以及信息办理的理论和技术为主要内容的应用技术学科。
2．一个完好的检测系统或检测装置往常由传感器、丈量电路和输出单元及显示装置等部分构成。
3．传感器一般由敏感元件、变换元件和变换电路三部分构成，此中敏感元件是必不行少的。
4．在采纳仪表时，最好能使其工作在不小于满刻度值2/3 的地区。
5．正确度表征系统偏差的大小程度，精细度表征随机偏差的大小程度，而精准度则指正确度和精细度的综合结果。
6．仪表正确度等级是由系统偏差中的基本偏差决定的，而精细度是由随机偏差和系统偏差中的附带偏差决定的。
7．若已知某直流电压的大概范围，选择丈量仪表时，应尽可能采纳那些其量程大于被测电压而又小于被测电压倍的电压表。
（因为 U≥2/3Umax）8．有一温度计，它的量程范围为0～ 200℃，精度等级为0.5 级。
该表可能出现的最大偏差为1℃，当丈量100℃时的示值相对偏差为1%。
9．传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它的作用是将非电量变换成与之拥有必定关系的电量。
10．传感器一般由敏感元件和变换元件两部分构成。
11．某位移传感器，当输入量变化5mm 时，输出电压变化300mv ，其敏捷度为60 mv/mm。
二、选择题1．在一个完好的检测系统中，达成信息收集和信息变换主要依赖A。
A ．传感器B ．丈量电路C．输出单元2．构成一个传感觉器必不行少的部分是B。
A ．变换元件B ．敏感元件C．变换电路D．嵌入式微办理器3．有四台量程均为0-600 ℃的丈量仪表。
今要测一约为500℃的温度，要求相对偏差≤ 2.5%，采纳精度为D的最为合理。
A ．5.0 级B．2.5 级C．2.0 级D． 1.5 级4．有四台量程不一样，但精度等级均为 1.0 级的测温仪表。
今欲测250℃的温度，采纳量程为C的最为合理。
A ．0～ 1000℃B． 300～ 500℃C． 0～300℃ D ． 0～ 500℃5．某采买员分别在三家商铺购置100kg 大米、 10kg 苹果、 1kg 巧克力，发现缺乏约，但该采买员对卖巧克力的商铺建议最大，在这个例子中，产生此心理作用的主要要素是Ｂ。
自动检测技术题库
第一章检测技术的基础知识一、填空题1．检测技术是一门以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的应用技术学科。
2．一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器、测量电路和输出单元及显示装置等部分组成。
3．传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成，其中敏感元件是必不可少的。
4．在选用仪表时，最好能使其工作在不小于满刻度值2/3 的区域。
5．准确度表征系统误差的大小程度，精密度表征随机误差的大小程度，而精确度则指准确度和精密度的综合结果。
6．仪表准确度等级是由系统误差中的基本误差决定的，而精密度是由随机误差和系统误差中的附加误差决定的。
7、若已知某直流电压的大致范围，选择测量仪表时，应尽可能选用那些其量程大于被测电压而又小于被测电压1.5倍的电压表。
（因为U≥2/3Umax）二、选择题1．在一个完整的检测系统中，完成信息采集和信息转换主要依靠 A 。
A．传感器 B. 测量电路 C. 输出单元2．构成一个传感受器必不可少的部分是 B 。
A．转换元件B．敏感元件C．转换电路D．嵌入式微处理器3．有四台量程均为0-600℃的测量仪表。
今要测一约为500℃的温度，要求相对误差≤2.5%，选用精度为 D 的最为合理。
A．5.0级B．2.5级C．2.0级D．1.5级4．有四台量程不同，但精度等级均为1.0级的测温仪表。
今欲测250℃的温度，选用量程为 C 的最为合理。
A．0～1000℃B．300～500℃C．0～300℃D．0～500℃5．某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，在这个例子中，产生此心理作用的主要因素是Ｂ。
A．绝对误差B．示值相对误差C．满度相对误差D．精度等级6．在选购线性仪器时，必须在同一系列的仪表中选择适当的量程。
这时必须考虑到应尽量使选购的仪表量程为欲测量的Ｃ左右为宜。
自动检测技术及应用-检测技术的基本概念精选全文
n
xi / m
解：6个测量值中，2.90m明显是“坏
1
2.2000
值”，给予剔除，将剩下5个带有随机 2
2.2001
误差的测量值求算术平均值x=2.2000m 。 3
可以认为激光干涉测长仪的测量值为 4
相对真值A0=2.204m。
5 6
2.2002 2.1999 2.1998 2.9000
则算术平均值与真值x0之间的误差为系统误差,为负的 0.004m。因此必须在上述校验后,将该磁栅的基准向左调
零位式测量例3：自动平衡电桥
1－滑线电阻 2－电刷 3－指针 4－刻度尺 5－丝杆螺母传动 6－检零放大器 7－伺服电动机
零位式测量例4：
自动平衡电位差计式记录仪表
平衡时间： 小于1s
匀速走纸
微差式测量
微差式测量法是综合了偏位式测量法速度快 和零位式测量法准确度高的优点的一种测量方 法。这种方法预先使被测量与测量装置内部的 标准量取得平衡。当被测量有微小变化时，测 量装置失去平衡。用偏位式仪表指示出其变化 部分的数值。
接触式测量
非接触式测量
例：雷达测速
车载电子警察
离线测量
产品质量的 手工检验
离线测量
产品质量检验
电路板焊接质量检验
.
在线测量
在流水线上， 边加工，边检 测，可提高产 品的一致性和 加工准确度。
例：安装有直 线光栅的数控 机床，一边加 工一边测量直 径和螺纹,到 达设定值时自 动退刀。
防护罩内为测量行程的传感器
2）可能出现的最大绝对误差Δm为多少千帕？ 3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大 示值相对误差γx。
解: 1）可能出现的最大满度相对误差可以从
第1章 检测技术基础
第1章检测技术基础1.1 检测仪表的基本概念1.1.1 检测仪表的定义检测技术是研究如何获取被测参数信息的一门科学，涉及到数学、物理学、化学、生物学、材料学，机械学、电子学、信息学和计算机科学等很多学科。
因此，这些学科的发展都会不同程度地推进检测技术的发展。
检测的过程就是利用敏感元件将被测参数的信息转换成另一种形式的信息，通过显示或其他形式被人们所认识。
检测仪表通常包括两个过程（如图）：一是能量（信息）形式一次或多次的转换，这一过程的目的是将人们无法感受的被测信息转换成可以被人直接感受（或利用已有成熟的仪表可以感受）的信息（如机械位移、电压、电流等），它一般包括敏感元件、信号变换、信号传输和信号处理等四个部分；二是根据规则将被测参数与相应的单位进行比较，通过合适的形式给出被测参数的具体信息，如数值显示、带刻度的指针显示、声音的变化等，这个过程包括显示装置和与显示装置配套的相关测量电路。
在检测过程中的检测仪表要完成的主要任务有：物理量的变换、信号的放大传输和处理、测量结果的显示等。
任何一个检测仪表必须要有敏感元件和显示装置，其余环节视测量的要求和敏感元件的性能等不同而已。
主要名称术语①敏感元件（sensor）敏感元件也称检测元件，是一种能够灵敏地感受被测参数并将被测参数的变化转换成另一种物理量的变化的元件。
例如，用铜丝绕制而成的铜电阻能感受其周围温度的升降而引起电阻值的增减，所以铜电阻是一种敏感元件。
又由于它能感受温度的变化，故称这种铜电阻为温度敏感元件。
②传感器（transducer）传感器它能直接感受被测参数，并将被测参数的变化转换成一种易于传送的物理量。
很显然，有些传感器就是一个简单的敏感元件，例如，上面提到的铜电阻。
由于很多敏感元件对被测参数的响应输出不便于远传，因此，需要对敏感元件的输出进行信号变换，使之能具有远传功能。
这种信号变换可以是机械式的、气动式的，更多的是电动式的。
例如，作为检测压力常用的膜片是一种压力敏感元件，虽然它能感受压力的变化并引起膜片的形变（位移），但由于该位移量非常小（一般为微米级），不便于向远方传送，所以它只是一个敏感元件，不是传感器。
第1章 检测技术与检测系统概述
图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数 包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力 及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试， 工程师可以了解产品质量。
汽车扭距测量
第1章 检测技术与检测系统概述
5、检测技术在日常生活中的应用与日俱增
在家电产品和办公自动化产品设计中，大量的应用了传感器和测试技术 来提高产品性能和质量。
测量原理：实现测量所依据的物理、化学、生物等现象及有 关定律的总体。
测量方法：是指测量原理确定后，根据测量任务的具体要求 所采用的不同策略。
测试系统：包含对被测量进行检出、变换、传输、分析、处 理、判断和显示等不同功能环节所构成的一个总体。
简单的测试系统可以只有一个模块， 如玻璃管温度计。它直接将被温度变 化转化液面示值。
第1章 检测技术与检测系统概述
1.2 检测技术的作用与地位
1、检测技术的出现是人类社会发展的必然
社会发展历程：手工化
机械化
自动化 信息化
…
对应生产方式：人单与工简具
动力机 与机械
自动测 量控制
智能机 电装置
…
检测技术是 应人类文明 生活的需求 而产生，起 着人类的感 官的作用。
第1章 检测技术与检测系统概述
➢ 2003年伊拉克战争
90%
航天测控网是完成运载火箭、航天器跟踪测轨、遥测信号接收与处理、
遥控信号发送任务的综合电子系统。
“阿波罗10”： 火箭部分---2077个传感器 飞船部分---1218个传感器
神州5号：185套科学仪器
第1章 检测技术与检测系统概述
4. 检测技术在工业生产领域的应用 4.1 工业过程监测
1、发现和应用新的测量原理，从事相应传感器的开发 研究； 2、选择合适的测量原理，确定测量方法； 电测法和非电测法、直接测量与间接测量、绝对测量 与相对测量、开环测量与闭环测量等。 3、设计或选用各类装置组成测试系统； 4、测量数据的分析处理，得出符合客观实际的结论。
《自动检测和过程控制》上 自动检测技术基础、温度、压力、流量和机械量检测与仪表
(二) 变送器
其作用是将敏感元件输出信号变换成既保 存原始信号全部信息又更易于处理、传输及测量 的变量，因此要求变换器能准确稳定的实现信号 的传输、放大和转化。
刘玉长
(三) 显示(记录)仪表
也称二次仪表，其将测量信息转变成人感 官所能接受的形式，是实现人机对话的主要环节。 显示仪表可实现瞬时或累积量显示，越限和极限 报警，测量信息记录，数据自动处理，甚至参量 调节功能。一般有模拟显示、数字显示与屏幕显 示三种形式。
原因：检测装置中的弹性元件、机械传动 中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞。
刘玉长
变差 y上行 y下行 max 100% yFS
Hmax 100% yFS
(五)重复性
重复性指在测量装置在同一工作环境，被
测对象参量不变的条件下，输入量按同一方向
做多次（三次以上）全量程变化时，输入输出
特性曲线的一致程度。用输入输出特性曲线间
等所造成，明显歪曲了测量结果的误差。这种测 量值一般称为坏值或异常值，应根据一定的规则 加以判断后剔除。
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。
刘玉长
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。
系统 误差
较为随机时 有规律时
检测仪表的组成框图
(一) 传感器
传感器也称敏感元件，一次元件，其作用 是感受被测量的变化并产生一个与被测量呈某种 函数关系的输出信号。
传感器分类：根据被测量性质分为机械量 传感器、热工量传感器、化学量传感器及生物量 传感器等；根据输出量性质分为无源电参量型传 感器(如电阻式传感器、电容式传感器、电感式 传感器等)与发电型传感器(如热电偶传感器、光 电传感器、压电传感器等)。
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1.2 测量误差及处理方法 1.2.1 测量误差 1.2.1.1 测量误差的表示方法 测量误差:测量结果与真值之间总存在一定的差值, 这个差值就是测量误差。 测量误差产生原因:测量方法的不同,测量工具不够准确, 观测者的主观性,环境因素的影响等等。 (1) 绝对误差:被测量的测量值(xi)与真值(xo)之差。 Δ = xi － xo 真值一般无法得到,所以用实际值x代替xo。 Δ = xi － x
1.1.2 检测的基本方法 检测方法是指被测量与其单位进行比较的实验方法。 分 (1) 按传感器与被测对象是否直接接触:接触式测量. 非接触式测量; 类 (2) 按测量手段:直接测量.间接测量.组合测量; (3) 按测量值的获得方式:偏差式.零位式.微差式测量; (4) 根据对象变化的特点:静态测量.动态测量。 (1) 接触式测量.非接触式测量
（+2kPa，+1.43%，+1.0% ）
3.有2.5级.2.0级.1.5级三块测温仪表,对应的测量范围分别 为-100~+500℃.-50~550℃.0~1000℃,现要测量500℃的温度, 其测量值的相对误差不超过2.5%,问选用哪块表最合适？
解:测量值的最大绝对误差: 100% 2.5% xi max 12.5 允1 100% 100% 2.08% yFS 500 ( 100)
1.2.1.1 测量误差的表示方法 (2)相对误差:被测量的绝对误差(Δ)与约定值(m)的百分比。
100% m
约定值m有如下三种取法：
m取被测量的真值xo时,δ 称为实际相对误差；
实
100% x0
m取被测量的给出值xi时,δ 称为给出值相对误差； 给出值可是:“测量值”. “标称值”. “示值”. “刻度值”等。
传感器:将被测物理量(如温度) 检出并转换为电量。 对传感器的要求:输入与输出关系为单值函数关系,且不 随时间和温度变化,抗干扰性和复现性好,灵敏度高。 变送器:将传感器的输出信号转换为易于处理.传输及 测量的标准信号。 显示仪表:将测量结果显示出来,提供给观察者或其它 自动控制装置。 传输通道:是仪表各环节的输入.输出信号的连接部分。 包括电线.光导纤维和管路等。
根据校验结果确定仪表精度等级(校验仪表时) 例1:某台测温仪的测温范围为200~700℃,校验时得到的 最大误差为±4℃,确定该仪表的精度等级。 解：
max 4 允 100% 100% 0.8% yFS 700 200
该仪表的精度等级为1.0级。
由于国家规定的精度等级中没有0.8级的仪表, 因|δ允仪|≤K%,则该仪表的精度等级为1.0级。
根据工艺要求选择仪表精度等级(选表时) 例2:某台测温仪的测温范围为0-1000℃。根据工艺要求, 温度指示值的误差不允许超过±7℃。试问应如何选择 仪表的精度等级才能满足以上要求？ 解:根据工艺要求, 引用误差为 max 7 允 100% 100% 0.7% N 1000 0 应选的0.5级仪表。 因K%≤|δ允现|,故应选的0.5级仪表。
1.2.1.2 误差分类 (1) 按规律分类 1) 系统误差:在偏离测量规定条件时或由测量方法引入 的因素所引起的、按某确定规律变化的误差。 反映测量结果对真值的偏离程度,用“正确度”表示。 2) 随机误差:在实际测量条件下,对同一被测量进行多次 测量,大小和符号没有一定规律的测量误差。 反映测量结果对真值的分散程度 , 用“精密度”表示。 它无法修正,可用统计方法估计其对测量结果影响。 3) 粗大误差:由于错误的读数,错误的测量方法等所造成, 明显地歪曲了测量结果的误差。 对粗大误差加以判断后剔除。
1.2.1.2 误差分类 (2) 按工作条件分类 1) 基本误差:仪表在规定的正常条件下所产生的误差。
基本误差决定仪表的精度等级。
2) 附加误差:仪表偏离规定的正常工作条件时所产生的与 偏离量有关的误差。 注意安装和使用条件,否则引入较大的附加误差。
负载电阻功率 = 电压 电流 （直接测量） 目标变量 （关系） 自变量
组合测量:为了同时确定多个未知量,将各个未知量组合成 不同函数形式,用直接测量或间接测量方法获得一组数据, 通过方程组的求解得到被测量的方法。
1.1.2 检测的基本方法 3、偏差式.零位式与微差式测量 偏差式测量:利用仪表指针相对于刻度线的位移来直接指 示被测量的大小的测量方法。 特点:直观.简单.迅速,但测量精度低。 零位式测量:通过被测量与已知标准量比较,当两者达到完 全平衡时,从而得到被测量大小的测量方法。
1.1.5 检测仪表的主要性能指标
指针式仪表的灵敏度(S): 仪表指针的线位移或角位移, 与引起这个位移的被测参数变化量之比值。
S x
-指针的线位移或角位移 x -引起 所需的被测参数变化量
指针式仪表的灵敏限:引起仪表示值发生变化的被测参数 的最小变化量。
它应不大于仪表允许误差绝对值的一半。
特点:测量精度高,但复杂.慢。
微差式测量:通过被测量与已知标准量比较,得到差值,再 用偏差法测此差值。 特点:直观.简单.迅速,测量精度高。适用与在线检测。
1.1.3 检测仪表的组成
显示记录
变送器 传感器
信息获取
（信号检出部分）
转换
（信号变换部分）
显示和处理
（分析处理部分.通信接口及总线）
1.1.3 检测仪表的组成
1.1.5 检测仪表的主要性能指标 1测量范围:在正常工作条件下,检测系统或仪表能测量的 被测量值的总范围,用下限值至上限值表示ymin~ymax 。 量程(yFS):yFS=ymax-ymin。 被测量一般在仪表量程的1/3----2/3~ 3/4之间。 2精度(准确度):表示测量结果与真值之间的一致程度。 它是反映测量质量好坏的重要指标之一。 精度低,误差大;精度高,误差小。 精度: 允
max 允2 100% 2.08% >K% yFS
12.5
max 允3 100δ允现|
则选用2.0级测量范围为-50~550℃测温仪表。
4.温度计(0～500º C)出厂前校验合格,结果如下表。1.求最 大绝对误差; 2.确定允许误差及精度等级;3.使用一段时间 后重新校验,最大绝对误差为±8º C,问该仪表是否合格？
最大变差≤K%
重点
变差计算方法:
设仪表的测温范围为100~200℃
被校表(℃) 标准表(℃) （正行程） 标准表(℃) （反行程） X正-X负 变差 120.0 180.0
121.21
120.94 0.27
179.83
179.96 -0.13 0.27%
1.1.5 检测仪表的主要性能指标 5重复性:测量装置在同一工作环境,被测量不变的条件下, 输入量按同一方向做多次(三次以上)全量程变化时,输入 输出特性曲线的一致程度。 用输入输出特性曲线间最大偏差值ΔR与量程yFS之比百 分数来表示,如图。 y ΔR y FS 重复性 100%
1.某测温仪表的精度等级为1.0级,绝对误差为±1℃,测量 下限为负值(下限的绝对值为测量范围的10％),试确定该 表的测量上限值、下限值和量程。
（+90℃，-10℃， 100℃ ）
2.用测量范围为-50~150kPa的压力表测量140kPa压力时, 仪表示值为142kPa,求该示值的绝对误差.相对误差和 引用误差。
接触式测量:检测元件与被测对象直接接触,感受被测参数 的作用或变化,从而获得测量信号,并检测其大小的方法。
非接触式测量:检测元件不能直接接触被测对象,而是间接 感受被测参数的作用或变化,达到检测目的的方法。
1.1.2 检测的基本方法 (2) 直接测量.间接测量与组合测量 直接测量:用测量仪表直接读取被测量的方法。 尺子 ---- 物体长度、天平 ---- 物体重量 间接测量:先对与被测量有确定函数关系的量进行测量,再 经过函数计算得到被测量的方法。
max 0.03 解： 允 y 100% 10 100% 0.3% FS
仪表的准确度等级应为0.5级。
1.1.5 检测仪表的主要性能指标 3线性度:仪表实测输入输出特性曲线与理想输入输出特 性曲线的偏离程度。 用实测与理想输入输出特性曲线间最大偏差值Δm与量程 yFS之比百分数来表示,如图。
y FS
R
0
x X
1.1.5 检测仪表的主要性能指标 6数字式仪表的分辨力:检测仪表能检出被测信号的最小 变化量。即仪表最后一位所表示的数值。 不同量程的分辨力是不同的。 仪表最低量程的分辨力称为该表的最高分辨力。 通常以最高分辨力作为仪表的分辨力指标。 如某仪表显示值为：□□□.□ ℃ 则 分辨力为 0.1 ℃ 分辨率:分辨力除以仪表的满量程。 例如,3½位表的最大示值为1999,则分辨率为： 1/1999≈0.05% 即万分之五。
第一章 自动检测技术基础
本章介绍自动检测技术、仪表的基本概念与有关测量 误差及处理的基本原理与方法。 第一节 自动检测的基本概念 第二节 测量误差及处理方法 第三节 测量不确定度
第1章 自动检测技术基础 1.1 自动检测的基本概念 1.1.1 检测
检测技术是实验科学的一部分,主要研究各种物理量的 测量原理和测量信号分析处理方法。 检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量 必不可少的手段,起着人的感官作用。 测量:将被测未知量与同性质的标准量进行比较, 确定被测量对标准量的倍数,并用数字表示这个 倍数的过程。 检测:用专门的技术工具,依靠实验和计算找到 被测量值的过程。
允max yFS 100%
允 K%
国产仪表的精度等级(K) ： 0.005,0.01,0.02,0.05,0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。 一般表示符号为：
重点
例1:某压力表的量程为10MPa,测量值的最大绝对误差为 0.03MPa,则仪表的准确度等级为多少？