《過程檢測(cè)基礎(chǔ)》PPT課件

第1章過程檢測(cè)基礎(chǔ) 本章內(nèi)容 一 檢測(cè)技術(shù)的基本概念二 檢測(cè)儀表的基本概念三 檢測(cè)儀表的基本性能指標(biāo)四 檢測(cè)的基本方法五 測(cè)量誤差及其分類六 測(cè)量系統(tǒng)的基本特性 學(xué)習(xí)目標(biāo) 一 理解 檢測(cè) 與 測(cè)量 二 理解檢測(cè)儀表的性能指標(biāo)含義三 掌握檢測(cè)儀表的基本組成四 掌握檢測(cè)的基本方法五 掌握測(cè)量誤差及其分類六 掌握測(cè)量系統(tǒng)的基本特性 第1節(jié)檢測(cè)技術(shù)的基本概念 檢測(cè) 什么是檢測(cè) 檢測(cè)就是去認(rèn)識(shí) 檢測(cè)是認(rèn)識(shí)自然界的主要手段 W Von Siemens 從信息論角度講 檢測(cè)就是獲得信息的過程 在科研 生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域 檢測(cè)是必不可少的過程 通常所講的檢測(cè)是指使用專門的工具 通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算 進(jìn)行比較 找出被測(cè)參數(shù)的量值或判定被測(cè)參數(shù)的有無 檢測(cè)的過程就是用敏感元件將被測(cè)參數(shù)的信息轉(zhuǎn)換成另一種形式的信息 通過顯示或其它形式被人們所認(rèn)知 第2節(jié)檢測(cè)儀表的基本概念 一 檢測(cè)儀表 用敏感元件將被測(cè)參數(shù)的信息轉(zhuǎn)換成另一種形式的信息 通過信息的處理 傳輸 顯示等形式被人們所認(rèn)識(shí) 測(cè)量過程的兩個(gè)階段 信號(hào)轉(zhuǎn)換 將被測(cè)信息轉(zhuǎn)換為易于測(cè)量的信息 如機(jī)械位移 電壓 電流等 定標(biāo)將被測(cè)參數(shù)與單位信號(hào)比較 確定具體數(shù)值 傳感器 儀表 二 檢測(cè)系統(tǒng) 由若干個(gè)檢測(cè)儀表或傳感器組成實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的或多個(gè)參數(shù)的測(cè)量例 電參數(shù)測(cè)量儀 電壓 電流 功率 敏感元件 sensor 感受被測(cè)參數(shù)并將其變化轉(zhuǎn)換成另一種物理量的變化 傳感器 transducer 直接感受被測(cè)參數(shù) 并將其變化轉(zhuǎn)換成易于傳送的物理量 變送器 transmitter 一種特殊的傳感器 使用統(tǒng)一動(dòng)力源 輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 被測(cè)參數(shù) measured 用敏感元件直接感受的測(cè)量參數(shù) 待測(cè)參數(shù) parametertobemeasured 需要獲取的測(cè)量參數(shù) 直接測(cè)量 directmeasurement 不必測(cè)量與待測(cè)參數(shù)有關(guān)系的其它量 而直接得到待測(cè)量的量值 間接測(cè)量 indirectmeasurement 通過測(cè)量與待測(cè)參數(shù)有關(guān)系的其它量 經(jīng)一定數(shù)學(xué)處理得到待測(cè)量的量值 三 一些重要術(shù)語 檢測(cè)與測(cè)量的關(guān)系 測(cè)量確定被測(cè)對(duì)象量值 檢測(cè)可能是確定量值 也可以是判定被測(cè)參數(shù)的 有 或 無 也可以是一種預(yù)報(bào) 故障分析 被測(cè)參數(shù)與待測(cè)參數(shù)的關(guān)系 直接測(cè)量中 被測(cè)參數(shù)待測(cè)參數(shù) 間接測(cè)量中 被測(cè)參數(shù)待測(cè)參數(shù) 就是 一般不是 檢測(cè)儀表的分類 溫度檢測(cè)儀表壓力檢測(cè)儀表流量檢測(cè)儀表物位檢測(cè)儀表 連續(xù)式檢測(cè)儀表開關(guān)式檢測(cè)儀表 機(jī)械式儀表電式儀表氣式儀表光式儀表 就地顯示儀表遠(yuǎn)傳式儀表 模擬式儀表數(shù)字式儀表 普通型隔爆型本安型 民用工業(yè)用軍事用 傳遞函數(shù) 相對(duì)誤差 傳遞函數(shù) 相對(duì)誤差 開環(huán) 閉環(huán) 環(huán)節(jié)越多 誤差越大 精心制作反饋通道可獲得較高的準(zhǔn)確度和靈敏度 檢測(cè)元件 閉環(huán)儀表無法克服或減小檢測(cè)元件的任何誤差 反饋通道的相對(duì)誤差 測(cè)量范圍和量程輸入 輸出特性穩(wěn)定性重復(fù)性與再現(xiàn)性可靠性誤差準(zhǔn)確度與準(zhǔn)確度等級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 第3節(jié)檢測(cè)儀表的基本性能指標(biāo) 測(cè)量范圍和量程 測(cè)量范圍 測(cè)量下限 測(cè)量上限 量程 測(cè)量上限值 測(cè)量下限值 量程還與準(zhǔn)確度及儀表選用有關(guān) 輸入 輸出特性 靈敏度 Const 死區(qū) 不靈敏區(qū) 輸入變化不致引起輸出可察覺變化的區(qū)間 靈敏度為零 起因 電路偏置不當(dāng) 機(jī)械傳動(dòng)中的摩擦和間隙 有時(shí)故意將死區(qū)調(diào)大 防止輸出隨輸入變化過快 回差 變差 滯環(huán) 輸入值 輸出值 正行程 反行程 同一被測(cè)量在上升和下降時(shí)輸出值間的最大差 輸入值 輸出值 理論 實(shí)際 線性度 輸入 輸出特性曲線對(duì)相應(yīng)直線的偏離程度 以下三個(gè)量的關(guān)系如何 再現(xiàn)性 回差 重復(fù)性 在相同條件下 按同一方向多次測(cè)量同一被測(cè)量時(shí) 儀表提供相近輸出的能力 再現(xiàn)性 在相同條件下 在規(guī)定的較長時(shí)間內(nèi) 對(duì)同一被測(cè)量從兩個(gè)方向測(cè)量時(shí) 儀表輸出值的一致程度 主要指標(biāo) 保險(xiǎn)期 儀表使用后能有效完成任務(wù)的期限 有效性 儀表在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能正常工作的概率 狹義可靠性 結(jié)構(gòu)可靠性 工作時(shí)不出故障的概率 性能可靠性 滿足原定要求的概率 可靠性 可靠度R t 規(guī)定時(shí)間內(nèi)無故障的概率 故障率 儀表工作到t時(shí)刻時(shí)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率 平均無故障工作時(shí)間 MeanTimeBetweenFailure 儀表在相鄰兩次故障間隔內(nèi)有效工作的平均時(shí)間 平均工作時(shí)間 MeanTimeToFailure 不可修復(fù)產(chǎn)品從開始工作到發(fā)生故障前的平均時(shí)間 平均壽命 平均故障修復(fù)時(shí)間 MeanTimeToRepair 儀表出現(xiàn)故障到恢復(fù)工作時(shí)的平均時(shí)間 例題 故障率 2 1000h 100臺(tái)表在1000小時(shí)內(nèi)故障2臺(tái) 可靠度R t exp 0 02 1000 t T 100 R 99 8 T 1000 R 98 t 10000 R 82 平均壽命 1000 0 02 50000h 相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差 引用誤差 儀表基本誤差 儀表滿刻度相對(duì)誤差 允許誤差 標(biāo)準(zhǔn)條件下 儀表全量程范圍內(nèi)各輸出值誤差中絕對(duì)值最大者 誤 制造單位為保證儀表不超過基本誤差而設(shè)的限值 一般希望被測(cè)量接近儀表上限值 故多用引用誤差 判定儀表測(cè)量精確性 準(zhǔn)確度與準(zhǔn)確度等級(jí) 先用滿刻度相對(duì)誤差略去百分號(hào)作為儀表的準(zhǔn)確度 再選數(shù)值上與它最接近又比它大的等級(jí)作為該儀表的準(zhǔn)確度等級(jí) 儀表基本誤差越小 準(zhǔn)確度越高 基本誤差不變時(shí) 量程越大 準(zhǔn)確度越高 準(zhǔn)確度等級(jí) 0 05 0 1 0 25 0 35 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 例 儀表基本誤差 2 3 量程 200儀表滿刻度相對(duì)誤差 1 15 準(zhǔn)確度等級(jí) 1 5 1 0 632 T 響應(yīng)時(shí)間 時(shí)間穩(wěn)定性工作條件恒定時(shí) 輸出在一段時(shí)間內(nèi)隨機(jī)變動(dòng)量的大小 使用條件變化穩(wěn)定性在規(guī)定的使用條件內(nèi) 某個(gè)條件的變化對(duì)輸出的影響 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 T越短 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性越好 穩(wěn)定性 一 按測(cè)量手續(xù)分類 1 直接測(cè)量 2 間接測(cè)量 用標(biāo)定的儀器 儀表進(jìn)行測(cè)量 從而直接測(cè)得到測(cè)量的數(shù)值 這種方法是工程上廣泛采用的方法 被測(cè)量本身不易直接測(cè)量 但可以通過與被測(cè)量有一定有關(guān)系的其他量 一個(gè)或幾個(gè) 來求出被測(cè)量的數(shù)值 優(yōu)點(diǎn) 測(cè)量過程簡單迅速 缺點(diǎn) 測(cè)量精度不高 例如測(cè)量某固體的密度時(shí) 可以通過稱重 量出其幾何尺寸 計(jì)算出體積 再計(jì)算密度 第4節(jié)檢測(cè)的基本方法 3 組合測(cè)量 如果有多個(gè)被測(cè)量 而且被測(cè)量又與某些可以通過直接和間接測(cè)量方法測(cè)量結(jié)果存在一定的函數(shù)關(guān)系 則可先測(cè)這幾個(gè)量 再求解函數(shù)關(guān)系組成的聯(lián)立方程組 從而求得多個(gè)被測(cè)量的數(shù)值 顯然這種方法是一種監(jiān)用直接測(cè)量和間接測(cè)量的方式 以上三種測(cè)量方法中 直接測(cè)量快捷簡便 間接測(cè)量和組合測(cè)量相對(duì)復(fù)雜 間接測(cè)量和組合測(cè)量多用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和一些特殊的場(chǎng)合 二 按測(cè)量方式分類 1 偏差式測(cè)量 直接在經(jīng)過校準(zhǔn)的儀器儀表上讀取數(shù)值 特點(diǎn) 它是以間接的方式實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量 校準(zhǔn)結(jié)果 的比較 例如用電磁式儀表 測(cè)量電路中的電流 電壓 就屬于偏差式測(cè)量 這種測(cè)量方法過程比較簡單 迅速 因此廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量 2 零位式測(cè)量 在測(cè)量過程中 用指零儀表 如檢流計(jì) 的零位指示測(cè)量系統(tǒng)的平衡狀態(tài) 用已知的基準(zhǔn)量決定被測(cè)量 只要零指示器的靈敏度足夠高 零位式測(cè)量的準(zhǔn)確度幾乎等同于標(biāo)準(zhǔn)量的準(zhǔn)確度 因而測(cè)量準(zhǔn)確度很高 例如用惠斯登電橋測(cè)量電阻 天平稱重也是這個(gè)道理 是常用于在實(shí)驗(yàn)室和做精密測(cè)量的一種方法 平衡狀態(tài) 需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié) 即使采用一些自動(dòng)平衡技術(shù) 檢測(cè)速度仍然較慢 不足 3 微差式測(cè)量 偏差式測(cè)量法和零位式測(cè)量法相結(jié)合 它通過測(cè)量被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量之差 通常這個(gè)差值很小 來測(cè)得被測(cè)量的值 時(shí)域測(cè)量主要測(cè)量被測(cè)量隨時(shí)間的變化規(guī)律 例 使用示波器觀察脈沖信號(hào)的上升沿 下降沿以及動(dòng)態(tài)電路的暫態(tài)過程等 三 按被測(cè)量的性質(zhì)的分類 1 時(shí)域測(cè)量也稱為瞬時(shí)測(cè)量 2 頻域測(cè)量也稱為穩(wěn)態(tài)測(cè)量 主要目的是獲得被測(cè)量與頻率之間的關(guān)系 如頻譜分析儀分析信號(hào)的頻譜 測(cè)量放大器的幅頻特性 相頻特性等 主要是對(duì)各類噪聲信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析 3 隨機(jī)測(cè)量 也稱為統(tǒng)計(jì)測(cè)量 按對(duì)測(cè)量精度的要求可分為精密測(cè)量和工程測(cè)量 按測(cè)量時(shí)測(cè)量者對(duì)測(cè)量過程的干預(yù)程度可分為自動(dòng)測(cè)量和非自動(dòng)測(cè)量 按被測(cè)量與測(cè)量結(jié)果獲取地點(diǎn)的關(guān)系可以分為本地測(cè)量和遠(yuǎn)地測(cè)量 遙測(cè) 除上述幾種常見的分類方法還有其他一些分類方法 按被測(cè)量的屬性可以分為電量測(cè)量和非電量的測(cè)量 四 測(cè)量方法的選擇原則 從被測(cè)量本身的特點(diǎn)來考慮 例如按照被測(cè)量的性質(zhì)可以分為時(shí)域測(cè)量 頻域測(cè)量 數(shù)據(jù)域測(cè)量和隨機(jī)測(cè)量 被測(cè)量的性質(zhì)不同 采用的測(cè)量儀器和測(cè)量方法當(dāng)然也不同 從測(cè)量所得到的精確度和靈敏度來考慮 工程測(cè)量和精密測(cè)量對(duì)這兩者的要求有所不同 要注意選儀器 儀表的準(zhǔn)確等級(jí) 還要選擇測(cè)量誤差滿足要求的測(cè)量技術(shù) 考慮測(cè)量環(huán)境是否符合測(cè)量輛設(shè)備和測(cè)量技術(shù)的狀況要求 盡量減少儀器 儀表對(duì)被測(cè)電路狀態(tài)的影響 測(cè)量方法簡單可靠 測(cè)量原理科學(xué) 盡量減少原理型的誤差 在實(shí)際測(cè)量中 由于測(cè)量設(shè)備不準(zhǔn)確 測(cè)量方法不完善 測(cè)量程序不規(guī)范及測(cè)量環(huán)境因素的影響 都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果或多或少地偏離被測(cè)量的真值 測(cè)量本身所具有的真正的值 如三角形的內(nèi)角和等于180度 計(jì)量部門指定的值 如標(biāo)準(zhǔn)法碼的重量 標(biāo)準(zhǔn)尺等 1 誤差公理 2 真值 A0 真值是個(gè)理想的概念 一般是很難知道的 制圖中不允許標(biāo)注 封閉 尺寸 3 指定 約定 真值 A 一切測(cè)量都有存在 誤差自始至終存在于所有科學(xué)實(shí)驗(yàn)中 這就是誤差公理 第5節(jié)測(cè)量誤差及其分類 上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所體現(xiàn)的值當(dāng)作準(zhǔn)確無誤的值 如 標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)儀器 測(cè)試帶 語音 圖象 測(cè)量器具上所標(biāo)定的數(shù)值 燈泡 220V100W 由測(cè)量器具指示的被測(cè)量的值 3 實(shí)際值 相對(duì)真值 A 4 標(biāo)稱值 標(biāo)稱值指并不一定等于他的真值或?qū)嶋H值 5 示值 測(cè)量值 X 測(cè)量誤差的分析 1 按表示方法分析 1 絕對(duì)誤差 另一種表示方法 測(cè)量值 絕對(duì)誤差 如1000 1 測(cè)量值 實(shí)際值 X X A 2 相對(duì)誤差 用來說明測(cè)量精度的高低 A 實(shí)際相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差與實(shí)際值的百分比 準(zhǔn)確度等級(jí)S 就是滿度相對(duì)誤差劃分了7的等級(jí) B 示值相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差與測(cè)量值 示值 的百分比 C 滿度相對(duì)誤差 量程內(nèi)的最大絕對(duì)誤差與測(cè)量儀器滿度值的百分比 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0 如0 5級(jí) 表示它的滿度相對(duì)誤差不超過0 5 即 m 0 5 或 m 0 5 對(duì)于線性刻度 為了減小示值相對(duì)誤差 在進(jìn)行量程選擇時(shí) 應(yīng)盡可能接近滿度值 一般以示值不小于滿度值的2 3為宜 例11 5級(jí)電壓表 量程 0 100V 最大絕對(duì)誤差 例21 0級(jí)電流表 量程100 A 測(cè)量值分別為100 80 20 A 絕對(duì)誤差 示值相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差均認(rèn)為是最大絕對(duì)誤差 誤差的整量化 100 A時(shí) 80 A時(shí) 20 A時(shí) 在同一量程內(nèi) 測(cè)量值越小 示值相對(duì)誤差越大 3 允許誤差 就是滿度相對(duì)誤差 引用誤差 例3要測(cè)量100 的溫度 現(xiàn)有0 5級(jí) 0 300 和1 0級(jí) 0 100 的兩個(gè)溫度計(jì) 示值相對(duì)誤差 0 5級(jí) 1 0級(jí) 應(yīng)選用1 0級(jí)的溫度計(jì) 價(jià)格低 誤差小 2 按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分析 1 系統(tǒng)誤差 2 隨機(jī)誤差 3 粗大誤差 在一定測(cè)量條件下 測(cè)量值中含有不變或按一定規(guī)律變化的誤差 系統(tǒng)誤差越小 測(cè)量就越準(zhǔn)確 有很多復(fù)雜原因的微小變化的總合所引起的誤差 由于人為的原因和環(huán)境干擾等原因使測(cè)量結(jié)果顯著偏立其實(shí)際值所造成的誤差 如果確屬粗大誤差 該值應(yīng)舍去不用 可以用統(tǒng)計(jì)規(guī)律來描述 可以從理論上估計(jì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 如果一個(gè)側(cè)量結(jié)果的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差均很小 則表明該測(cè)量既精密又正確即精確 它表現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的離散性 隨機(jī)誤差說小 精密度越高 3 按誤差來源分析 1 工具誤差 2 方法誤差 由于測(cè)量工具本身不完善引起的誤差 由于測(cè)量方法不完善 所依據(jù)的理論不嚴(yán)密以及對(duì)測(cè)量定義不明確等原因所產(chǎn)生的誤差 也叫理論誤差 4 按被測(cè)量隨時(shí)間變化速度分析 1 靜態(tài)誤差 2 動(dòng)態(tài)誤差 在被測(cè)量隨時(shí)間變化很緩慢和基本不變的過程中產(chǎn)生的誤差 在被測(cè)量隨時(shí)間變化很快的過程中所產(chǎn)生的誤差 一般慣性 滯后等環(huán)節(jié)造成的 5 按使用條件分析 1 基本誤差 2 附加誤差 測(cè)量系統(tǒng)在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下使用時(shí) 所產(chǎn)生的誤差 使用條件偏離規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí) 產(chǎn)生基本誤差以外的誤差 6 按誤差與被測(cè)量分析 1 定值誤差 2 累積誤差 誤差對(duì)被側(cè)量來說是一個(gè)定值 不隨測(cè)量的變化而變化 在同一量程內(nèi)誤差值與被測(cè)量成正比地變化 一般是 零點(diǎn) 偏差造成的 一般是 增益 偏差造成的 1 精確度 1 精密度 精密度說明測(cè)量系統(tǒng)輸出值的分散性 精密度是隨機(jī)誤差大小的標(biāo)志 精密度越高說明隨機(jī)誤差越小 2 準(zhǔn)確度 準(zhǔn)確度說明測(cè)量系統(tǒng)輸出值與真值的偏差程度 3 精度 精度是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和 精度常以滿度相對(duì)誤差 m 來表示 準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差 有規(guī)律的 確定的 大小的標(biāo)志 準(zhǔn)確度越高意味著系統(tǒng)誤差越小 第6節(jié)測(cè)量系統(tǒng)的基本特性 2 穩(wěn)定性 1 穩(wěn)定度 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)量條件不變的情況下 由于系統(tǒng)中隨機(jī)性變動(dòng) 周期性變