第1章 自动检测技术基础

原因：装置误差、环境误差、使用误差 处理：统计分析、计算处理→ 减小
当测量次数足 够多时，其算 术平均值趋于0
(3) 粗大误差( abnormal error )： 指由于错误的读取示值，错误的测量方法 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。
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。
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(2)随机误差(random error)：指在实际条件下多 次测量同一个量时，如果误差的绝对值和符号以 不可预定方式变化的误差，它反映了测量结果的 分散性，可用“精密度”的概念来表征。
性质： 对称性 正态分布 单峰性 有界性 抵偿性
准确度
Δ 仪表的允许误差 100% max 100% 仪表的量程 yFS
设计高温实验炉为例，采用S分度号热电偶， 最大允许误差2℃， yFS=ymax-ymin =1750-0=1750℃， 准确度=(2/1750)×100%=0.11%，需要0.2级仪 表 刘玉长
0.03/10×100%=0.3% 因为我国的自动化仪表精度等级中不推荐 采用0.3级仪表。 往较大级别取值，所以仪表的准确度等级应为 0.5级。 刘玉长
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
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成 分 分 析 仪 表
显 示 仪 表
新 型 检 测 技 术 与 仪 表
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第一节 自动检测的基本概念
一、检测
检测即测量，是为准确获取表征被测对象 特征的某些参数的定量信息，利用专门的技术工 具，运用适当的实验方法，将被测量与同种性质 的标准量(即单位量)进行比较，确定被测量对标 准量的倍数，找到被测量数值大小的过程。 获取被测对象定量信息并和标准值比较。
(二) 误差分类
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: 1、按误差出现规律分 分为系统误差、随机误差和粗大误差。 (1)系统误差(system error)： 指在偏离测量规定条件时或由于测量方法引入的 因素所引起的、按某确定规律变化的误差，它反映了测 量结果对真值的偏离程度，可用“正确度”的概念来表 征。性质：有规律，可再现，可以预测。
Δmax—仪表所允许的误差界限，即允许误差；
yFS —仪表量程。 通常用准确度(精度)等级来表示仪表的准 确度，其值为准确度去掉“±符号”及“%”后 的数字再经过圆整取较大的约定值。
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例1：某压力表的量程为10MPa，测量值的允许 误差为0.03MPa，则仪表的准确度等级为？ 解：
准确度 Δ 仪表的允许误差 100% max 100% 仪表的量程 yFS
(三) 线性度
仪表实测输入输出特性 曲线与理想线性输入输出特 性曲线的偏离程度(如图)。用 实际输入输出特性曲线与理 想输入输出特性曲线间最大 偏差值Δ m与量程yFS之比百 分数来表示，如图。
线性度
m 100% yFS
(四)变差
变差也称回差或迟滞误差，在外界条件不 变的前提下，使用同一仪表对某一参数进行正反 行程(即逐渐由小到大和逐渐由大到小)测量，两 示值之差为变差，变差反映仪表检验时所得的上 升曲线与下降曲线经常出现不重合的现象。 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。
ΔR R 100% yFS
R
(六)分辨力
分辨力是指仪器能检出和显示被测信号的 最小变化量，是有量纲的数。分辨率是指仪器分 辨力除以仪表的量程。 对数字仪表而言，如果没有其他附加说明， 一般认为该表的最后一位所表示的数值就是它的 分辨力。分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。 而最大示值的倒数为数字表的分辨率。例如， 3½位表的最大示值为1999，分辨力是1，则分辨 率为： 1/1999≈1/2000=0.0005= 0.05% 即万分之五。 刘玉长
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显示(记录)仪表
四、检测仪表的分类
按被测参数性质分： 过程参数(温度、压力、流量、物位、成份 )； 电气参数(电能、电流、电压等)； 机械量(位移、速度、振动等)；
数字式显示
显示屏显示
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压力表 过程 刘玉长
电流电压表 电气
振动分析 机械量
检测仪表的分类
按使用性质分类：实用型、范型和标准型； 接触比较多的是实用性。 其他分类方式：工作原理不同，分为模拟式、 数字式和图像式等；按仪表功能的不同，可分 为指示仪、记录仪、积算仪等；按仪表系统的 组成方式的不同，分为基地式仪表和单元组合 式仪表；按仪表结构的不同，分为开环式仪表 与闭环式(反馈式)仪表。 刘玉长
《自动检测和过程控制》 (第4版) 电子课件
王水波
手机 13012385365 Email：422696783@qq.com 地址：A区综合实验大楼 336房间
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参考教材
自动检测和过程控制 刘玉长 第四版 冶金工业出版社
分为两个部分
上篇：自动检测 下篇：过程控制 共计15章
(一)测量范围与量程
测量范围:指在正常工作条件下，检测系统或仪 表能够测量的被测量值的总范围，测量范围用 下限值ymin至上限值ymax来表示，即ymin～ ymax。 测量量程:为测量范围上限与下限的代数差，即 yFS=ymax-ymin FS：Full Scale S分度号热电偶 0 ～ 1750 ℃，测量范围，和根 据需要确定 测量量程：yFS=ymax-ymin =1750-0=1750℃ B分度号热电偶 500 ～ 1800℃ yFS=ymax-ymin =1800-500=1300℃
仪表线性度示意图
1-实测曲线;2-理想曲线
变差
y上行 y下行 max yFS Hmax 100% yFS
100%
模拟时代这个问题比较突出，数字化轻松解决 刘玉长
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(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 最大偏差值ΔR与量程yFS之比百分数来表示，如 图。
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(二)准确度
定义：准确度也称精确度，是指测量结果与实际值
相一致的程度，是测量的一个基本特征。
准确度 Δ 仪表的允许误差 100% max 100% 仪表的量程 yFS
准确度等级(精度等级)
国际法制计量组织(OIML)建议书No.34推荐， 仪表的准确度等级采用以下数字： (1,1.5,1.6,2,2.5,3,4,5,6)×10n ,n=1,0,-1,-2,-3等 上述数列中禁止在一个系列中同时选用 1.5×10n和1.6×10n，3×10n也只有证明必要和合 理时才采用。 我国自动化仪表精度等级【GB/T13283-2008】 有0.01、0.02、(0.03)、(0.05)、0.1、0.2、0.25、 (0.3)、(0.4)、0.5、1.0、1.5、(2.0)、2.5、4.0、5.0 等级别(括号内的精确度等级不推荐采用)。 一般科学实验用的仪表精度等级在0.05级以 上；工业检测用仪表多在0.1~5.0级，其中校验用 的标准表多为0.1或0.2级，现场用多为0.5~5.0级。 刘玉长
绝对值相等的正负误差出现的次数相等 绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多
偶然误差绝对值不会超过一定程度
刘玉长
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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。
较为随机时 系统 误差 有规律时 随机 误差
2、按仪表工作条件分
按仪表工作条件，误差可分为基本误差与 附加误差两类： (1)基本误差:仪表在规定的正常工作条件下(例如 电源电压和频率、环境温度和湿度等)所具有的 误差。通常在正常工作条件下的示值误差就是指 基本误差。仪表的精确度等级通常是由基本误差 所决定。 (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。 刘玉长
五、检测仪表的主要性能指标
静态性能指标: 不必考虑仪表输入量与输出量之间的动态 关系而只需考虑静态关系，联系输入量与输出量 之间的关系式中不含有时间变量。 动态性能指标: 是测量仪表在动态工作过程中所呈现出的 特性，其反映测量仪表对随时间变化的被测量所 响应的性能，通常采用时域特性与频域特性等来 表征。 以下仅介绍静态性能指标。 刘玉长
yFS
y
x 0 X
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第二节 测量误差及处理方法
在测量过程中，由于测量方法的差异性， 测量工具准确性，观测者的主观性、外界条件的 变化及某些偶然因素等的影响，使得被测量的测 量结果与客观真值之间总存在一定的差值，这种 差值称为测量误差。
一、测量误差
(一) 测量误差的表示方法
1、绝对误差Δ 被测量的测量值(xi)与真值(x0)之差。即 Δ = xi - x0
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→检 定。 0.2级表可以校正 0.5级
标准仪器的测量标准差< 1/3 测量系统标准差
2、相对误差
相对误差是指被测量的绝对误差与约定值的 百分比，通常有三种表示方式： (1)实际相对误差：约定值为被测量的真值。 δ 实=Δ/x0 ×100% 真值x0， Delta（大写Δ，小写δ (2)给出值相对误差：约定值可选“测量值”、 “标称值”、“实验值”、“示值”、“刻度值” 等。 δ给=Δ/x ×100% (3)引用误差：约定值为仪表量程yFS。 δ引=Δ/ yFS ×100% 刘玉长
真值 x0是指被测量的客观真实值，有以下几种取法：
理论真值：理论上存在、计算推导出来，如三角形内角和 180°。 约定真值：国际上公认的最高基准值。如：基准米 ,定义米是 1／ 299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。 相对真值：利用高一等级精度的仪器或装置的测量结果作为近似真值
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炼钢现场 钢水温度检测
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测钢水温度专用一次性热电偶
二、检测的基本方法
检测方法是实现检测过程所采用的具体方 法。根据检测仪表与被测对象的特点，检测方法 主要有以下几种分类： (1)接触式与非接触式（检测对象是否和传感器 接触）;
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检测方法分类
(2)直接、间接与组合测量； 直接测量 仪表直接读取被测量值，压力 温度； 间接测量 测定几个量，代入函数计算； 组合测量，测量一组数据，方程组求的多个未知 量 (3)偏差式、零位式与微差式测量。 还有其他的分类(如根据物理量、检测原理)。 刘玉长
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上篇 自动检测
自动检测技术主要介绍工业过程控制中温度、 压力、流量、物位、成分、机械量等的检测原 理、方法与检测仪表。内容如下：
检 测 技 术 基 础 刘玉长 温 度 检 测 与 仪 表 压 力 检 测 与 仪 表 流 量 测 量 与 仪 表 物 位 检 测 仪 表
机 械 量 测 量 与 仪 表
传感器 电量
变送器
电量/数字量
检测仪表的组成框图
刘玉长
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(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 热电偶
温度传感器
压力传感器
刘玉长
研华变送模块
(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。
接触式 刘玉长
非接触式
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三、检测仪表的组成
检测仪表是实现检测过程的物质手段，是 测量方法的具体化，它将被测量经过一次或多次 的信号或能量形式的转换，再由仪表指针、数字 或图像等显示出量值，从而实现被测量的检测。
被测 对象 物理量 显示、记 录装置
(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)。