熱工儀表 PPT課件

1、1課程特點課程內容涵面廣自動控制原理原理檢測技術檢測技術控制儀表及裝置控制儀表及裝置過程計算機控制過程計算機控制化工過程控制工程化工過程控制工程集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)內容以敘述性為主，理論推導較少內容以敘述性為主，理論推導較少學習方法：學習方法：一、抓住物理概念二、重視實驗環(huán)節(jié)一、抓住物理概念二、重視實驗環(huán)節(jié) 三、三、聯(lián)系實際，多看參考書聯(lián)系實際，多看參考書 第1頁/共94頁2現(xiàn)代過程控制第2頁/共94頁第第1 1章章 檢測技術基礎知識檢測技術基礎知識Fundamentals of Test & Measurement Technology第3頁/共94頁4目錄 1.1 1.1 概述

2、 1.61.6隨機誤差及其估算 1.2 1.2 檢測儀表的分類與組成 1.71.7誤差的綜合 1.3 1.3 檢測儀表的品質指標 1.81.8測量結果的數(shù)據(jù)理 1.4 1.4 測量誤差及誤差分析 思考與練習題 1.5 1.5 系統(tǒng)誤差的消除方法 第4頁/共94頁5歷史時代：歷史時代：手工化手工化機械化機械化自動化自動化信息化信息化生產(chǎn)方式：生產(chǎn)方式：人與簡人與簡單工具單工具動力機動力機與機械與機械自動測自動測量控制量控制智能機智能機械裝置械裝置1.11.1概述概述一、檢測的地位和作用1. 信息化是科學技術發(fā)展的必然第5頁/共94頁6 人與機器的機能對應關系人與機器的機能對應關系：一、檢測的地位

3、和作用第6頁/共94頁7 2. 信息流是客觀世界的一個主流 物料流物料流 能流能流 信息流信息流客觀世界客觀世界一、檢測的地位和作用第7頁/共94頁8信息流組成信息流組成信息流信息流獲取傳輸處理控制信息獲取是信息流的一環(huán)信息獲取是信息流的一環(huán)一、檢測的地位和作用第8頁/共94頁9 獲取信息獲取信息是儀器科學的基本任務是儀器科學的基本任務 儀器儀表是信息產(chǎn)業(yè)的儀器儀表是信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分重要組成部分 儀器儀表是信息工業(yè)的儀器儀表是信息工業(yè)的源頭源頭一、檢測的地位和作用第9頁/共94頁10 3 檢測儀器儀表的作用一、檢測的地位和作用 工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn) 倍增器倍增器 科學研究科學研究 先行官先行

4、官 社社 會會 物化法官物化法官 軍軍 事事 戰(zhàn)斗力戰(zhàn)斗力第10頁/共94頁11一、檢測的地位和作用 工業(yè)生產(chǎn)倍增器檢測技術是帶動國民經(jīng)濟增長的一個檢測技術是帶動國民經(jīng)濟增長的一個 關鍵領域關鍵領域在美國：檢測技術占在美國：檢測技術占4%，拉動經(jīng)濟增長，拉動經(jīng)濟增長66%第11頁/共94頁12檢測技術在工業(yè)生產(chǎn)領域的應用檢測技術在工業(yè)生產(chǎn)領域的應用一、檢測的地位和作用在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位.第12頁/共94頁13一、檢測技術的作用和地位檢測技術在工業(yè)生產(chǎn)領域的應用離線檢測：零件參數(shù)、 尺寸與形位公差、 品質參數(shù)作 用：現(xiàn)代工程裝備中， 檢測

5、環(huán)節(jié)的成本約占 5070%第13頁/共94頁14檢測技術在汽車中的應用日新月異檢測技術在汽車中的應用日新月異一、檢測技術的作用和地位發(fā)動機：發(fā)動機：向發(fā)動機的電子控制單元（向發(fā)動機的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機的工作狀況信息，）提供發(fā)動機的工作狀況信息， 對發(fā)動機工作狀況進行精確控制對發(fā)動機工作狀況進行精確控制 溫度、壓力、位置、轉速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等溫度、壓力、位置、轉速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等 汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關鍵部件，核心技術內容 普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器， 豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達二百余只。 底底 盤：盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)

6、、動力轉向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等 車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機轉速、水溫、油溫車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機轉速、水溫、油溫 車車 身：身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度、濕度、風量、日照、加速度、車速、測距、圖象等溫度、濕度、風量、日照、加速度、車速、測距、圖象等 第14頁/共94頁15第15頁/共94頁16檢測技術在日常生活中的應用與日俱增檢測技術在日常生活中的應用與日俱增一、檢測技術的作用和地位 家用電器：數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機：自動對焦-紅外測距傳感器數(shù)字體溫計：接觸式數(shù)字體溫計

7、：接觸式-熱敏電阻，非接觸式熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器紅外傳感器自動感應燈：亮度檢測-光敏電阻空調、冰箱、電飯煲：溫度檢測-熱敏電阻、熱電偶電話、麥克風：話音轉換-駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管辦公商務：可視對講、可視電話：圖像獲取-面陣CCDCCD掃描儀：文檔掃描-線陣CCDCCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計：血壓檢測 - - 壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀 - - 離子傳感器第16頁/共94頁17一、檢測技術的作用和地位 科學研究的先行官科學研究的先行官 諾貝爾獎獲得者諾貝爾獎獲得者R. R. Ernst說說“現(xiàn)代科學

8、的進現(xiàn)代科學的進步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展步越來越依靠尖端儀器的發(fā)展” 俄國化學家門捷列夫指出俄國化學家門捷列夫指出“科學是從測量開始科學是從測量開始的的” 近近80年來，與科學儀器密切相關的諾貝爾獎獲得年來，與科學儀器密切相關的諾貝爾獎獲得者達者達38人人第17頁/共94頁18一、檢測技術的作用和地位 軍事戰(zhàn)斗力軍事戰(zhàn)斗力 1991年海灣戰(zhàn)爭年海灣戰(zhàn)爭 精確制導炸彈和導彈占精確制導炸彈和導彈占8% 2003年伊拉克戰(zhàn)爭年伊拉克戰(zhàn)爭 90% 1994年美國防部建立自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局年美國防部建立自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局立體作戰(zhàn)立體作戰(zhàn)第18頁/共94頁19一、檢測技術的作用和地位檢測技術在軍事上的應

9、用美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器-OICW 夜視瞄準機系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術激光測距儀：可精確的定位目標。在發(fā)射2020毫米高爆彈時，激光測距儀可將目標的距離信息自動傳輸至高爆彈的爆炸引信，以便精確的設定引爆時間。第19頁/共94頁20美國國家導彈防御計劃美國國家導彈防御計劃-NMD一、檢測技術的作用和地位檢測技術在國防領域的應用1.地基攔截器2.早期預警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達）4.管理與控制系統(tǒng)5. 衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng) 監(jiān)測系統(tǒng): 探測和發(fā)現(xiàn)敵人導彈的發(fā)射并追蹤導彈的飛行軌道； 攔截器：能識別真假彈頭，敵友方第20頁/共94頁21檢測技術在航天領域舉足輕重檢測技術

10、在航天領域舉足輕重一、檢測技術的作用和地位飛行器測控飛行器測控 - 檢測飛行器姿態(tài)、發(fā)電機工況，控制與操縱檢測飛行器姿態(tài)、發(fā)電機工況，控制與操縱 火箭測控火箭測控 - 檢測火箭狀況、姿態(tài)、軌跡檢測火箭狀況、姿態(tài)、軌跡 第21頁/共94頁22一、檢測技術的作用和地位“阿波羅10”：火箭部分-2077個傳感器飛船部分-1218個傳感器，檢測參數(shù)-加速度、溫度、壓力、 振動、流量、應變、 聲學、神州飛船：神州飛船：185臺（套）儀器裝置臺（套）儀器裝置第22頁/共94頁23一、檢測技術的作用和地位 “物化法官” 檢查產(chǎn)品質量檢查產(chǎn)品質量 監(jiān)測環(huán)境污染監(jiān)測環(huán)境污染 識別指紋假鈔識別指紋假鈔 查服違禁藥

11、物查服違禁藥物 偵破刑事案件偵破刑事案件第23頁/共94頁24一、檢測技術的作用和地位教學實驗、氣象預報、大地測教學實驗、氣象預報、大地測繪、災情預報、交通指揮、繪、災情預報、交通指揮、涵蓋涵蓋 吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空吃穿用、農(nóng)輕重、海陸空第24頁/共94頁25定義定義：被測信息被測信息：傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)全部操作全部操作：檢測過程：檢測過程：檢測是指在各類生產(chǎn)、科研、試驗及服務等各個領域為及時獲得被測、被控對象的有關信息而實時或非實時地對一些參量進行定性檢查和定量測量。（全部操作）二、檢測的基本概念信號采集、信號處理、信號顯示、信號輸出物

12、理量（光、電、力、熱、磁、聲、）被測對象被測對象：宇宙萬物（固液氣體、動物、植物、天體 ）檢測器具：檢測器具：化學量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖、） 第25頁/共94頁26例：空調機測量控制室溫例：空調機測量控制室溫二、檢測的基本概念空氣被測對象被測對象：被測信息被測信息：檢測器具檢測器具：操作過程操作過程：室內空氣溫度溫度傳感器 - 熱電阻、熱電偶 熱敏電阻 電信號 處理 顯示空調機第26頁/共94頁27三、檢測系統(tǒng)的構成接接口口總總線線存儲存儲顯示顯示分析分析監(jiān)控監(jiān)控判斷判斷決策決策一般構成：一般構成：信號檢出信號檢出信號檢出信號檢出信號檢出信號檢出信號轉換信號轉換信號轉換信號轉換信號

13、轉換信號轉換處理顯示處理顯示處理顯示處理顯示處理顯示處理顯示信號檢出：功能 - 將被測信號的轉換為電信號的變化（detection）器件 - 傳感器（sensor, transducer）信號轉換：功能 - 將傳感器的輸出信號轉換為便于處理的形式（conversion）器件 - 信號調理電路（signal conditioning circuit）處理顯示：功能 - 分析（analysis）、處理（processing）、顯示（display）通訊接口/總線接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、 ) 其它環(huán)節(jié)：存儲、監(jiān)控、決策 第27頁/共94頁28檢測系統(tǒng)構成力力位移位移 速度速度

14、 加速度加速度 壓力壓力流量流量溫度溫度電阻式電阻式電容式電容式電感式電感式 壓電式壓電式熱電式熱電式 光電式光電式磁電式磁電式電橋電橋 放大器放大器濾波器濾波器調制器調制器解調器解調器運算器運算器 阻抗變換器阻抗變換器 筆式記錄儀筆式記錄儀光線示波器光線示波器 磁帶記錄儀磁帶記錄儀 電子示波器電子示波器 半導體存儲器半導體存儲器 顯示器顯示器 磁卡磁卡 數(shù)據(jù)處理器數(shù)據(jù)處理器 頻譜分析儀頻譜分析儀 FFT 實時信號分析儀實時信號分析儀 電子計算機電子計算機 被測對象被測對象 傳感器傳感器 中間變換中間變換測量裝置測量裝置 顯示及顯示及 記錄裝置記錄裝置 實驗結果實驗結果處理裝置處理裝置 激發(fā)裝

15、置激發(fā)裝置 第28頁/共94頁29四、檢測方法分類 1、直接測量與間接測量 直接測量：直接將直接測量：直接將被測量被測量與與標準量標準量進行比較進行比較標準量標準量標準計量單位（如米尺、光柵尺、標準計量單位（如米尺、光柵尺、激光、激光、） 絕對測量絕對測量定值標準量（如某一固定尺寸）定值標準量（如某一固定尺寸） 相對測量相對測量第29頁/共94頁30四、檢測方法分類- 絕對測量：絕對測量：采用儀器、設備、手段測量被測量，直接得到測量值采用儀器、設備、手段測量被測量，直接得到測量值測量結果：測量結果：20.1 mm- 相對測量：相對測量：將被測量直接與基準量比較，得到偏差值將被測量直接與基準量比

16、較，得到偏差值特點：特點：簡單、直觀、明了；簡單、直觀、明了； 測量精度不高測量精度不高基準量：基準量：20.00 mm測量值：測量值：+0.08 mm結結 果：果：20.08 mm特點：特點：精度高；復雜、成本高、要求高精度高；復雜、成本高、要求高第30頁/共94頁31四、檢測方法分類 間接測量間接測量如測導線的導電率如測導線的導電率：測量與被測量有一定函數(shù)關系的參量，被測量由計算獲得Rdl24第31頁/共94頁32四、檢測方法分類 2、開環(huán)測量與閉環(huán)測量開環(huán)測量：開環(huán)測量：反饋測量：反饋測量：特點特點：簡單、直觀、明了；：簡單、直觀、明了； 測量精度不高測量精度不高特點特點：精度高；復雜、

17、成本高、要求高：精度高；復雜、成本高、要求高傳感器傳感器輸入量輸入量x輸出量輸出量y傳感器傳感器輸入量輸入量x輸出量輸出量y放大放大反向傳感器反向傳感器第32頁/共94頁33四、檢測方法分類 3、偏差法、零位法和微差法偏差法：偏差法：零位法：零位法：利用測量儀表的指針相對于刻度的偏差位移直接表示測量的數(shù)值利用測量儀表的指針相對于刻度的偏差位移直接表示測量的數(shù)值利用指零機構的作用，使用被測量和已知標準量兩者達到平衡，利用指零機構的作用，使用被測量和已知標準量兩者達到平衡，根據(jù)指零機構示值為零來確定被測量等于標準量值根據(jù)指零機構示值為零來確定被測量等于標準量值微差法：微差法：偏差法和零位法的結合偏

18、差法和零位法的結合被測量余數(shù)被測量余數(shù)被測量大值與標準量大體平衡被測量大值與標準量大體平衡第33頁/共94頁34四、檢測方法分類 思考：桿秤、磅秤和天平分別屬于何種檢測方法？桿秤、磅秤和天平分別屬于何種檢測方法？第34頁/共94頁35五、現(xiàn)代檢測技術發(fā)展趨勢智能化虛擬化網(wǎng)絡化微型化軟測量技術第35頁/共94頁36第36頁/共94頁37第37頁/共94頁38第38頁/共94頁39第39頁/共94頁40六、測量單位被測量被測量 基準量基準量單位單位測量：測量：比較比較倍數(shù)（結果）倍數(shù)（結果）第40頁/共94頁41避免混亂避免混亂 - 國際單位制（國際單位制（SI）：）：長度長度 質量質量 時間時間

19、 電流電流 熱力學溫度熱力學溫度 物質的量物質的量 光量光量實物單位實物單位-千克標準原器千克標準原器-光在真空中光在真空中1s時間內傳播距離的時間內傳播距離的1/299792485能量（能量（J）=力力 距離距離大得多大得多/小得多小得多-詞頭：詞頭：mm、 m、nm（10-9m）；）； kHz、MHz（106Hz）、）、GHz（109Hz）SI 基本單位：基本單位：SI 組合單位：組合單位：七個物理量單位七個物理量單位 - 相互獨立相互獨立由基本單位導出由基本單位導出 =質量質量 加速度加速度 距離距離J = kg（m/s2）m = m2kg/s2（m）（kg）（s）（A）（K）（mol）

20、（cd） （科學家）（科學家）能量能量 - 焦（耳）：長度、質量、時間焦（耳）：長度、質量、時間第41頁/共94頁421.21.2檢測儀表的分類與組成檢測儀表的分類與組成一、檢測儀表的定義 能確定所感受的被測變量大小的儀表。二、儀表的分類 1.按被測量分類:溫度、壓力、流量、物位等 2.按測量原理分類：電容式、壓電式、光電式、超聲波式等 3.按輸出信號分類：模擬和數(shù)字式 4.按結構和功能特點分類：含微處理器、不含微處理器第42頁/共94頁431.21.2檢測儀表的分類與組成檢測儀表的分類與組成三、儀表的組成 一般有敏感環(huán)節(jié)、變量轉換與控制環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)、顯示環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)等組成。三、檢

21、測儀表組成三、檢測儀表組成檢測環(huán)節(jié)檢測環(huán)節(jié):是檢出元件或傳感器，直接感受被測變量，并是檢出元件或傳感器，直接感受被測變量，并將它變換成適于測量的信號形式將它變換成適于測量的信號形式。轉換放大環(huán)節(jié)轉換放大環(huán)節(jié):對信號進行轉換、放大等處理，并傳送給顯示部分進行 指示或記錄。顯示部分顯示部分:就地指示型儀表、單元組合型儀表、數(shù)字式顯示儀表就地指示型儀表、單元組合型儀表、數(shù)字式顯示儀表 一般有敏感環(huán)節(jié)、變量轉換與控制環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)、顯示環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)等組成。第43頁/共94頁441.31.3檢測儀表的品質指標檢測儀表的品質指標一、 線性度 在靜態(tài)標準條件下，利用一定精度等級的校準設備，測得的特

22、性曲線稱為系統(tǒng)的靜態(tài)校準曲線。系統(tǒng)的校準曲線與選定的擬合直線的偏離程度稱為系統(tǒng)的線性度，又稱為非線性誤差。如圖所示，用y ymaxmax表示校準曲線與擬合直線的最大偏差，用y yF.S.F.S.表示系統(tǒng)的滿量程輸出值（F.S.F.S.是full full scalescale的縮寫），則線性度L L可表示為 %100.F.SmaxyyL第44頁/共94頁45第45頁/共94頁46二、 靈敏度靈敏度是指系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出改變量與引起此變化的輸入改變量之比。常用S Sn n表示靈敏度， 其表達式為: :xySddn 顯然，非線性系統(tǒng)的靈敏度各處不一樣，如圖（a）所示。只有線性系統(tǒng)的靈敏度才為

23、常數(shù)，如圖（b）所示，這時: xySn第46頁/共94頁47靈敏度的定義 (a) 非線性特性； (b) 線性特性 第47頁/共94頁48三、 遲滯（遲環(huán)）在相同工作條件下作全量程范圍校準時，正行程（輸入量由小到大）和反行程（輸入量由大到小）所得輸出輸入特性曲線往往不重合。 也就是說，對應于同一大小的輸入信號，系統(tǒng)正、 反行程的輸出信號大小不相等，此即遲滯現(xiàn)象。遲滯（或稱遲環(huán)）正是用來描述系統(tǒng)在正、反行程期間特性曲線不重合程度的，如圖所示。遲滯的大小常用正、反行程最大輸出差值y ymaxmax對滿量程輸出y yF.S.F.S.的百分比來表示，其表達式為 %100F.S.maxhyye第48頁/共

24、94頁49第49頁/共94頁50四、重復性重復性是指在相同工作條件下，輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得系統(tǒng)特性曲線不一致性的程度，如圖所示。重復性的計算方法有多種。比較簡單的方法是先求出正行程的最大偏差y ymax1max1和反行程的最大偏差y ymax2max2，再取這兩個偏差中的較大者為y ymaxmax，然后用y ymaxmax與滿量程輸出y yF.S.F.S.的百分比表示，即 %100F.S.maxryye第50頁/共94頁51第51頁/共94頁52因重復性誤差屬隨機誤差，故按標準偏差來計算重復性指標更合適，用maxmax表示各校準點標準偏差中的最大值，則 %100F.S.ma

25、xrye式中，為置信概率系數(shù)，通常取23。取2時，置信概率為95.4%；取3時，置信概率為99.7%。 第52頁/共94頁53五、 閾值和分辨力 當系統(tǒng)的輸入從零開始緩慢增加時，只有在達到了某一值后，輸出才發(fā)生可觀測的變化，這個值說明了系統(tǒng)可測出的最小輸入量，稱之為系統(tǒng)的閾值。 當系統(tǒng)的輸入從非零的任意值緩慢增加時，只有在超過某一輸入增量后，輸出才發(fā)生可觀測的變化，這個輸入增量稱為系統(tǒng)的分辨力。有時用該值相對于滿量程輸入值的百分數(shù)表示， 則稱為分辨率。分辨力說明了系統(tǒng)可測出的最小輸入改變量。 對數(shù)字式系統(tǒng)，分辨力指能引起數(shù)字輸出的末位數(shù)發(fā)生改變所對應的輸入增量。 第53頁/共94頁54六、 穩(wěn)

26、定性 穩(wěn)定性表示系統(tǒng)在較長時間內保持其性能參數(shù)的能力， 故又稱長期穩(wěn)定性。一般以室溫條件下經(jīng)過一個規(guī)定的時間后， 系統(tǒng)的輸出與標定時輸出的差異程度來表示其穩(wěn)定性。穩(wěn)定性可用相對誤差或絕對誤差來表示。表示方式如：x x個月不超過y y% %滿量程輸出。有時也采用給出標定的有效期來表示其穩(wěn)定性。七、動態(tài)特性 第54頁/共94頁551.41.4測量誤差及誤差分析測量誤差及誤差分析二、 誤差的概念在檢測過程中，由于檢測系統(tǒng)的精確度有限、測量方法不完善、環(huán)境中存在各種干擾因素，以及檢測技術水平的限制等原因，必然使測量值和真實值之間存在著一定的差值，這個差值稱為測量誤差。測量誤差的表示方法有多種，含義各異

27、， 如表所示。 一、對測量誤差進行研究主要基于如下目的： （1 1） 研究測量誤差的性質，分析產(chǎn)生誤差的原因，以尋求最大限度地消除或減小測量誤差的途徑。 （2 2） 尋求正確處理測量數(shù)據(jù)的理論和方法，以便在同樣條件下能獲得最精確、最可靠地反映真實值的測量結果。 第55頁/共94頁56分類 誤差 定義 系統(tǒng)誤差 在同一條件下，多次重復測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變或按一定規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。 隨機誤差 在同一條件下，多次重復測量同一量時，大小相符號均作無規(guī)律變化的誤差稱為隨機誤差。 按誤差的基本性質和特點和分類 粗大誤差 明顯歪曲測量結果的誤差稱為粗大誤差。 工具誤差 由于測

28、量儀表或儀表組成元件本身不完善引起的誤差 按誤差產(chǎn)生的來源分類 方法誤差 由于測量儀表原理不完善引起的誤差。 絕對誤差 測量值和真值的差值，和被測量具有相同的量綱。 相對誤差 絕對誤差和被測量的實際值（或示值）的比值，通常以百分數(shù)來表示。是無量綱量。 按誤差的量綱分類 引用誤差 絕對誤差和儀表滿量程的比值，一般以百分數(shù)來表示。通常以最大引用誤差來確定儀表的精確度等級。 基本誤差 儀表在規(guī)定的標準條件下所具有的誤差。 按儀表的工作條件分類 附加誤差 儀表在偏離規(guī)定的標準條件工作時除基本誤差外又附加產(chǎn)生的誤差。 靜態(tài)誤差 在被測量穩(wěn)定不變條件下進行測量時所產(chǎn)生的誤差。 按被測量隨時間變化的速度分類

29、 動態(tài)誤差 在被測量隨時間變化的過程中進行測量時所產(chǎn)生的附加誤差。 第56頁/共94頁57三、誤差的表示方法：三、誤差的表示方法： 絕對誤差絕對誤差：檢測系統(tǒng)的測量值檢測系統(tǒng)的測量值(即示值即示值) 與被測量的真與被測量的真值值 之間的代數(shù)差值之間的代數(shù)差值 稱為檢測系統(tǒng)測量值的絕對誤差：稱為檢測系統(tǒng)測量值的絕對誤差： 相對誤差相對誤差：檢測系統(tǒng)的測量值檢測系統(tǒng)的測量值(即示值即示值)的絕對誤差的絕對誤差 與與被測參量真值被測參量真值 的比值，稱為檢測系統(tǒng)測量的比值，稱為檢測系統(tǒng)測量(示值示值)的相對誤的相對誤差差，常用百分數(shù)表示。，常用百分數(shù)表示。 0XXx100%XX-X100%X000

30、xx0X0X 工程上，用多次測量的平均值代替相對真值。一般來說相對誤差值小，測量精度高。X第57頁/共94頁58引用誤差 檢測系統(tǒng)測量值的絕對誤差 與系統(tǒng)量程L L的比值，稱為檢測系統(tǒng)測量值的引用誤差 ，常用百分數(shù)表示。100%Lxx 同一檢測系統(tǒng)，其測量范圍內的不同示值處的引用誤差也不一定相同，通常取引用誤差的最大值。第58頁/共94頁59最大引用誤差（或滿度最大引用誤差） 在檢測系統(tǒng)全量程所有測量值引用誤差（絕對值）的最大者；或所有測量值中最大絕對誤差（絕對值）與量程的比值的百分數(shù)，稱為該系統(tǒng)的最大引用誤差。 最大引用誤差是檢測系統(tǒng)基本誤差的主要形式，常稱為檢測系統(tǒng)的基本誤差。最大引用誤差

31、又稱為滿度（引用）相對誤差，是儀表基本誤差的主要形式，故也常稱之為儀表的基本誤差，精度等級規(guī)定取一系列標準值，我國目前規(guī)定的精度等級有：0.005、0.01、0.02、0.04、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0等級別。100%Lmaxmaxx第59頁/共94頁60n例例1 1 有兩臺測溫儀表，它們的測溫范圍分別為有兩臺測溫儀表，它們的測溫范圍分別為01000100和和100300100300，校驗表時得到它們的最大絕對誤差均為，校驗表時得到它們的最大絕對誤差均為22，試確定，試確定這兩臺儀表的精度等級。這兩臺儀表的精度等級。%1%1001003002%2

32、%1000100221解解 這兩臺儀表的最大引用誤差分別為這兩臺儀表的最大引用誤差分別為一臺儀表的精度等級為一臺儀表的精度等級為2.52.5級，而另一臺儀表的精度等級為級，而另一臺儀表的精度等級為1 1級。級。第60頁/共94頁 【例2】現(xiàn)有0.5級的0300和1.0級的0100的兩個溫度計，欲測量80的溫度，試問選用哪一個溫度計好？為什么？ 解：0.5級溫度計測量時可能出現(xiàn)的最大絕對誤差、測量80可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差分別為: 1.0級溫度計測量時可能出現(xiàn)的最大絕對誤差、測量80時可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差分別為:5 .10300%5 .0|111mmmx%875. 1%100805 .

33、 1%100|11xxmx10100%0 . 1|222mmmx%25. 1%100801%100|22xxmx 計算結果，顯然用1.0級溫度計比0.5級溫度計測量時，示值相對誤差反而小。因此在選用儀表時，不能單純追求高精度，而是應兼顧精度等級和量程，一般最好使測量值落在儀表滿度值的2/3以上區(qū)域內。 第61頁/共94頁62四、準確度、精密度和精確度四、準確度、精密度和精確度測量結果與真值吻合程度定性概念不精密（隨機誤差大）不精密（隨機誤差大） 準確（系統(tǒng)誤差?。蚀_（系統(tǒng)誤差?。?精密（隨機誤差小）精密（隨機誤差?。┎粶蚀_（系統(tǒng)誤差大不準確（系統(tǒng)誤差大）不精密（隨機誤差大）不精密（隨機誤差大

34、）不準確（系統(tǒng)誤差大）不準確（系統(tǒng)誤差大）精密（隨機誤差?。┚埽S機誤差小）準確（系統(tǒng)誤差?。蚀_（系統(tǒng)誤差?。┑?2頁/共94頁631.51.5系統(tǒng)誤差的消除方法系統(tǒng)誤差的消除方法一、系統(tǒng)誤差的特點. .系統(tǒng)誤差是一個恒定不變的值或是確定的函數(shù)值。. .多次重復測量，系統(tǒng)誤差不能消除或減少。 . .系統(tǒng)誤差具有可控制性或修正性。二、系統(tǒng)誤差的處理. .消除系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的根源：測量儀器、測量方法、環(huán)境因素. . 對測量結果引入修正值：已定系統(tǒng)誤差：必須修正例如電表、螺旋測微計的零位誤差； 未定系統(tǒng)誤差：要估計出分布范圍 如：螺旋測微計制造時的螺紋公差等。. .采用典型測量技術消除系統(tǒng)誤差：選

35、擇適當?shù)臏y量方法，使系統(tǒng)誤差能夠抵消而不會帶入測量值中。恒系差：如零示法、代替法和交換法等。變值系差：等時距對稱觀測法，半周期偶數(shù)觀測法。第63頁/共94頁641.61.6隨機誤差及其估算隨機誤差及其估算一、隨機誤差的定義和產(chǎn)生原因 隨機誤差是不可預測和不可避免的，隨機誤差是許多因素造成的很多微小誤差的總和。如測量儀器元器件產(chǎn)生噪聲帶來的誤差，或電源電壓波動帶來的誤差等。 二、隨機誤差的分布規(guī)律和統(tǒng)計特性 大量的隨機誤差服從正態(tài)分布. .在多次測量中，絕對值小的誤差出現(xiàn)的次數(shù)比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多，即具有單峰性。第64頁/共94頁65. .在多次測量中，絕對值相等的正誤差與負誤差出現(xiàn)的概

36、率相同，即具有對稱性。. .測量次數(shù)一定時，誤差的絕對值不會超過一定的界限，即具有有界性。. .進行等精度測量時，隨機誤差的算術平均值的誤差隨著測量次數(shù)的增加而趨近于零，即正負誤差具有抵償性。小小大大P022221)(efy第65頁/共94頁66標準誤差標準誤差的計算方法的計算方法國內外廣泛采用標準誤差國內外廣泛采用標準誤差( (均方根誤差均方根誤差) )來評定測量列隨機誤差的大來評定測量列隨機誤差的大小。標準誤差的計算方法一般有標準法、絕對差法和極差法幾種。其中標小。標準誤差的計算方法一般有標準法、絕對差法和極差法幾種。其中標準法精度高，應用廣泛。下面介紹應用標準法準法精度高，應用廣泛。下面

37、介紹應用標準法( (貝塞爾公式貝塞爾公式) )的計算過程。的計算過程。 設設n n次等精度測量所測得的值為次等精度測量所測得的值為x x1 1, , x x2 2, , ，x xn n。 (1) (1) 計算測得值的算術平均值：計算測得值的算術平均值： niixnx11三、測量值的算術平均值與標準偏差第66頁/共94頁67(2) (2) 計算各測得值計算各測得值x xi i的剩余誤差的剩余誤差( (殘差殘差) )v vi i： xxvii(3) (3) 計算標準誤差計算標準誤差： 12nvi(4) (4) 算術平均值的標準誤差算術平均值的標準誤差x x：設有：設有m m組測量數(shù)據(jù)，每組有組測量

38、數(shù)據(jù)，每組有n n次等精度測量，次等精度測量，m m組的算術平均值分別為組的算術平均值分別為x x1 1, , x x2 2 , ,， x xm m， 其標準誤差分別為其標準誤差分別為1 1, ,2 2,，m m，且有，且有1 12 2m m，經(jīng)證明可得算術平均值的標準誤差，經(jīng)證明可得算術平均值的標準誤差x x為為 ) 1(2nnvnix第67頁/共94頁68四、置信區(qū)間和置信概率 置信概率（或稱置信度） 用來描述測量結果在數(shù)學期望附近某一確定范圍內的可能性有多大，一般用百分數(shù)表示。這個確定的范圍稱為置信區(qū)間，即是極限誤差的范圍。 極限誤差 定義為一個隨機誤差的極限值。通常用標準差的若干倍表示

39、。顯然，對于同一測量結果，所取置信區(qū)間愈寬，則置信概率愈大，反之愈小。 第68頁/共94頁69 范 圍 置信概率（真值落在確定范圍內的概率） 68.3% 95.4% 99.7%通常將 稱為隨機誤差的極限誤差。3NN2N2N3N3N第69頁/共94頁70粗大誤差 a.a.定義：明顯超出規(guī)定條件下預期的誤差。 b.b.產(chǎn)生原因：錯誤讀數(shù)、儀器有缺陷、環(huán)境干擾等。 c.c.應避免出現(xiàn)粗大誤差。如出現(xiàn)粗大誤差，應分析粗大誤差產(chǎn)生的原因。處理數(shù)據(jù)時，剔除異常數(shù)據(jù)。第70頁/共94頁71. .誤差的綜合誤差的綜合一、誤差傳遞公式絕對誤差傳遞公式為 2211xxfxxfyimiixxfy1第71頁/共94頁

40、72二、系統(tǒng)誤差的綜合二、系統(tǒng)誤差的綜合1. 1. 一般公式一般公式設各直接測量參數(shù)為設各直接測量參數(shù)為x x1 1，x x2 2，x xm m，間接測量值為，間接測量值為y y，二者間的函數(shù)關，二者間的函數(shù)關系式為系式為 y=f(x1，x2，xm) 若各直接測量參數(shù)的誤差為若各直接測量參數(shù)的誤差為x x1 1，x x2 2，x xm m，間接測量值的誤差為，間接測量值的誤差為y y，則結果的相對誤差為則結果的相對誤差為 nnyxxfxxfxxfyylnlnln2211第72頁/共94頁73n若測量中各種隨機誤差可以忽略，則總合的系統(tǒng)誤差可由各分項系統(tǒng)誤差合成。jmjjyxf12211xyxf

41、xyxfymiiiyxyxf1第73頁/共94頁74補充：補充： 系統(tǒng)誤差的合成系統(tǒng)誤差的合成1) 1) 恒定系差的合成恒定系差的合成 當被測量受到當被測量受到p p個獨立的恒定系差因素的影響，且它們的大小和符號個獨立的恒定系差因素的影響，且它們的大小和符號都已知時，則各個已知恒定系差可按代數(shù)和法合成。都已知時，則各個已知恒定系差可按代數(shù)和法合成。 當誤差項數(shù)較多時，當誤差項數(shù)較多時，一般按方和根法合成較好，即一般按方和根法合成較好，即 miip1222221式中，式中，1 1，2 2，p p為來自各個方面的獨立的恒定系差；為來自各個方面的獨立的恒定系差； 為合成后為合成后總的恒定系差?？偟暮?/p>

42、定系差。 第74頁/共94頁752) 2) 未定系差的合成未定系差的合成 在一定的測量條件下，存在的未定系統(tǒng)誤差在一定的測量條件下，存在的未定系統(tǒng)誤差i i必定落在所估計的誤差必定落在所估計的誤差區(qū)間區(qū)間(- (- l li i，l li i) )內，內， 則稱這個則稱這個l li i為未定系統(tǒng)的誤差限或系統(tǒng)不確定度，為未定系統(tǒng)的誤差限或系統(tǒng)不確定度， 可可表示為表示為 iiiKl式中，式中，i i為未定系統(tǒng)誤差的標準誤差；為未定系統(tǒng)誤差的標準誤差；K Ki i為對應系統(tǒng)誤差概率分布的為對應系統(tǒng)誤差概率分布的置信系數(shù)。置信系數(shù)。 第75頁/共94頁76設有設有n n個未定系差分量個未定系差分量

43、i i ( (i i1 1n n) )，相應有，相應有n n個系統(tǒng)不確定度個系統(tǒng)不確定度l li i( (i i=1=1n n) )， 可采用絕對值法或方和根法合成?？刹捎媒^對值法或方和根法合成。 絕對值法簡便，絕對值法簡便， 但估計但估計值偏大。方和根法與上述方法相同，即值偏大。方和根法與上述方法相同，即 niinlllll1222221 如果各未定系統(tǒng)誤差具有不同的概率分布，如果各未定系統(tǒng)誤差具有不同的概率分布， 則各未定系差分量的置則各未定系差分量的置信系數(shù)不同，信系數(shù)不同， 那么可采用廣義方和根法。那么可采用廣義方和根法。 由于準確計算非常困難，由于準確計算非常困難， 只要只要各誤差分

44、量的分布差別不大，各誤差分量的分布差別不大， 一般就按正態(tài)分布處理。當給定的置信概率一般就按正態(tài)分布處理。當給定的置信概率為為0.950.95時，時， 都可按式處理。都可按式處理。 第76頁/共94頁77三、三、 隨機誤差的合成隨機誤差的合成設有來自幾方面的、彼此獨立的隨機誤差因素，它們的標準誤差為設有來自幾方面的、彼此獨立的隨機誤差因素，它們的標準誤差為1 1，2 2，m m，則按方和根法，可得其合成后的標準誤差為，則按方和根法，可得其合成后的標準誤差為 miim1222221如果各獨立的隨機誤差的隨機不確定度或極限誤差為如果各獨立的隨機誤差的隨機不確定度或極限誤差為1 1，2 2，m m，

45、則也可按方和根法合成之，則也可按方和根法合成之， 合成后總的隨機不確定度為合成后總的隨機不確定度為 miim1222221第77頁/共94頁78n若各分項的系統(tǒng)誤差為零，則總合的隨機誤差為jmjjyxf1第78頁/共94頁79四、總不確定度四、總不確定度 它是對測量結果可信賴程度的評定。它是對測量結果可信賴程度的評定。它表示了被測量的真值以一定概它表示了被測量的真值以一定概率落在某個量值范圍內。率落在某個量值范圍內。一般取隨機誤差的隨機不確定度一般取隨機誤差的隨機不確定度和系統(tǒng)誤差的系統(tǒng)不確定度和系統(tǒng)誤差的系統(tǒng)不確定度l l進行進行合成，合成， 可得被測量的總不確定度，可得被測量的總不確定度，

46、 用符號用符號g g表示。表示。 合成方法也有絕對值合成方法也有絕對值法、方和根法和廣義方和根法三種。其中，法、方和根法和廣義方和根法三種。其中， 方和根法表示為方和根法表示為 miniiilg1122不確定度小，表示誤差的可能值小，測量的可信賴程度就高；不確定度大，表示誤差的可能值大，測量的可信賴程度降低。第79頁/共94頁8022juNu不確定度的合成（方和根合成法）不確定度的合成（方和根合成法）請記住這一公式請記住這一公式22juNu第80頁/共94頁81n常用被測量的量值和它的不確定度共同表示測量結果，表達式為xxAxx3五、測量結果的表示第81頁/共94頁82至此，至此， 測量結果可

47、表示為測量結果可表示為 gCxx式中，修正值式中，修正值C C等于已定系差等于已定系差0 0的相反數(shù)。若僅存在隨機誤差，則的相反數(shù)。若僅存在隨機誤差，則 xCxx式中，式中，C C為置信系數(shù)。為置信系數(shù)。 第82頁/共94頁83. .測量結果的數(shù)據(jù)處理測量結果的數(shù)據(jù)處理一、有效數(shù)字的處理1. 1. 有效數(shù)字與測量誤差1) 1) 測量數(shù)據(jù)有效數(shù)字的規(guī)定在測量中既然不可避免地存在誤差， 因此數(shù)據(jù)只能是一個近似數(shù)。 當我們用這個數(shù)表示一個量時， 通常規(guī)定誤差不得超過末位單位數(shù)字的一半， 即0.50.5誤差原則。 這種誤差不大于末位單位數(shù)字一半的數(shù)， 從它左邊第一個非零數(shù)字起， 直到右面最后一個數(shù)字為

48、止， 都叫做有效數(shù)字。 有效數(shù)字位數(shù)越多， 精密度越高。 2) 2) 已知有效數(shù)字求誤差例如，0.1080 V0.1080 V表示有四位有效數(shù)字， 其測量誤差不超過0.000 0.000 05 V05 V， 即實際電壓可能是0.107 950.107 950.108 05 V0.108 05 V之間的任一值。 可見，如果知道一個量的有效數(shù)字，便可確定它的誤差大小。 第83頁/共94頁84 3) 3) 已知誤差求有效數(shù)字如果知道一個量的誤差大小，即可確定該量的有效數(shù)字。 例如，fxfx10 000Hz10 000Hz，已知ff= =0.50.5，先求出f f=10 000=10 000( (0.

49、5%)=0.5%)=50Hz50Hz，根據(jù)0.50.5誤差原則可確定有效數(shù)字在百位上。 因此該頻率數(shù)據(jù)應寫成1.001.00104Hz104Hz或10.0kHz10.0kHz， 而不能寫成10kHz10kHz或10 000Hz10 000Hz等。舍去部分與數(shù)字大小有關，用1010的冪表示。 2. 數(shù)字的舍入規(guī)則 當需要n位有效數(shù)字時，對超過n位的數(shù)字要根據(jù)舍入規(guī)則進行處理。目前廣泛采用的是“小于5舍，大于5入，等于5取偶數(shù)”的規(guī)則。設保留n位有效數(shù)字，則觀察第n+1位的數(shù)字：小于5舍去；大于5進1；等于5，若第n位為偶數(shù)或零時舍去， 為奇數(shù)時進1。第84頁/共94頁85 3. 3. 參加中間運

50、算的有效數(shù)字的處理參加中間運算的有效數(shù)字的處理(1) (1) 加法運算：加法運算： 運算結果的有效數(shù)字位數(shù)，應與參與運算各數(shù)中小數(shù)運算結果的有效數(shù)字位數(shù)，應與參與運算各數(shù)中小數(shù)點后面有效位數(shù)最少的相同。點后面有效位數(shù)最少的相同。 (2) (2) 乘除運算：運算結果的有效數(shù)字位數(shù)，乘除運算：運算結果的有效數(shù)字位數(shù)， 應與參與運算各數(shù)中有效應與參與運算各數(shù)中有效位數(shù)最少的相同。位數(shù)最少的相同。 (3) (3) 乘方及開方運算：運算結果的有效數(shù)字比原數(shù)據(jù)多保留乘方及開方運算：運算結果的有效數(shù)字比原數(shù)據(jù)多保留1 1位。位。 (4) (4) 對數(shù)運算：取對數(shù)前后有效數(shù)字位數(shù)應相同。對數(shù)運算：取對數(shù)前后有

51、效數(shù)字位數(shù)應相同。 在運算前可將各數(shù)先行刪減，在運算前可將各數(shù)先行刪減， 原則上可按結果有效位數(shù)多保留原則上可按結果有效位數(shù)多保留1 12 2位位安全數(shù)字。安全數(shù)字。 第85頁/共94頁86 1. 萊特準則定義，在測量數(shù)據(jù)為正態(tài)分布、且測量次數(shù)足夠多時，如果某個測量數(shù)據(jù)的剩余誤差的絕對值滿足條件，就可以認為該測量值是可疑數(shù)據(jù)，應剔除。 xxxii3二、異常測量值的判別與舍棄二、異常測量值的判別與舍棄 2.t2.t檢驗準則第86頁/共94頁【例3】用溫度傳感器對某溫度進行12次等精度測量，測量數(shù)據(jù)（）如下：20.46， 20.52， 20.50， 20.52， 20.48， 20.47， 20.50， 20.49， 20.47， 20.49， 20.51， 20.51 要求對該組數(shù)據(jù)進行分析整理，并寫出最后結果。 數(shù)據(jù)處理步驟如下： （1