自動(dòng)顯示技術(shù)與儀表課件

1、第1章模擬顯示技術(shù)及儀表1.1模擬顯示儀表的基本概1.2動(dòng)圈式顯示儀表1.3自動(dòng)平衡式顯示儀表1.4自動(dòng)平衡式直流電子電位差計(jì)1.5自動(dòng)平衡式直流電子平衡電橋1.6自動(dòng)平衡式顯示儀表的放大器1.7光柱式顯示儀表思考與練習(xí)題第1章模擬顯示技術(shù)及儀表1.1模擬顯示儀表的基本概1.1 模擬顯示儀表的基本概念1.1.1 模擬顯示儀表概述 1. 模擬顯示儀表的基本構(gòu)成形式模擬顯示儀表實(shí)際上是一個(gè)將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于操作人員觀察、 讀數(shù)或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的另一物理量(輸出信號(hào))的信號(hào)變換裝置。 一般模擬顯示儀表對(duì)信號(hào)的變換是多級(jí)的， 被測(cè)量x在轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)y(指針或記錄筆的位移)之前要經(jīng)過(guò)一系列的中間變換。

2、1.1 模擬顯示儀表的基本概念1.1.1 按照信號(hào)變換方式的不同， 模擬顯示儀表的基本構(gòu)成形式分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種， 如圖1-1所示。 圖1-1(a)為各環(huán)節(jié)串聯(lián)所構(gòu)成的開(kāi)環(huán)式儀表， 圖1-1(b)為各環(huán)節(jié)并聯(lián)組成的開(kāi)環(huán)式儀表。 閉環(huán)式儀表是指具有反饋回路的儀表， 如圖1-1(c)所示， 儀表中大多采用負(fù)反饋， 反饋回路的引入是為了改善儀表的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。 在實(shí)際的反饋式儀表中， 主回路和反饋回路經(jīng)常包含多個(gè)環(huán)節(jié)。按照信號(hào)變換方式的不同， 模擬顯示儀表的基本構(gòu)成形式分為圖1-1 模擬顯示儀表的基本構(gòu)成形式（a） 串聯(lián)式開(kāi)環(huán)儀表； (b) 并聯(lián)式開(kāi)環(huán)儀表； (c) 閉環(huán)儀表圖1-1 模擬顯示儀表

3、的基本構(gòu)成形式2. 模擬顯示儀表的類(lèi)型模擬顯示儀表通常由測(cè)量線路和顯示裝置兩部分組成， 其中測(cè)量線路用以接收傳感器或變送器送來(lái)的電勢(shì)、 電流、 電阻、 電容等信號(hào)； 顯示裝置是將測(cè)量線路的處理結(jié)果顯示出來(lái)， 以便用戶(hù)直接讀取。 測(cè)量線路是模擬顯示儀表的關(guān)鍵部件， 它的優(yōu)劣直接關(guān)系到模擬顯示儀表的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 根據(jù)模擬顯示儀表的測(cè)量線路， 通常可將它分為直接變換式儀表和平衡式顯示儀表兩類(lèi)。 從顯示特征上又可分為指針式顯示儀表和色帶式指示儀表兩類(lèi)。2. 模擬顯示儀表的類(lèi)型模擬顯示儀表通常由測(cè)量線路1） 直接變換式儀表直接變換式儀表是由傳感器或變送器與直接變換式儀表組成的檢測(cè)系統(tǒng)， 如圖1-2所示

4、。 其中T為傳感器或變送器， M為測(cè)量線路， D為顯示裝置， x為被測(cè)變量， y為儀表示值。 圖1-2 直接變換式儀表組成的檢測(cè)系統(tǒng)1） 直接變換式儀表直接變換式儀表是由傳感器或變送動(dòng)圈式顯示儀表是一種發(fā)展較早的直接變換式儀表， 它可以對(duì)直流毫伏信號(hào)進(jìn)行顯示， 也可以對(duì)那些能轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)的非電參量進(jìn)行顯示。 直接變換式儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、 重量輕、 尺寸小、 價(jià)格便宜， 目前仍有一定的應(yīng)用。 動(dòng)圈式顯示儀表是一種發(fā)展較早的直接變換式儀表， 它可以對(duì)直接變換式儀表是開(kāi)環(huán)串聯(lián)系統(tǒng)， 系統(tǒng)的靈敏度等于各組成環(huán)節(jié)靈敏度的積， 所以只有組成儀表的每個(gè)環(huán)節(jié)的靈敏度均為常數(shù)， 或幾個(gè)環(huán)節(jié)的非線性互相補(bǔ)償，

5、才能保證儀表的線性。 直接變換式儀表的系統(tǒng)相對(duì)誤差等于各組成環(huán)節(jié)相對(duì)誤差的和， 所以必須盡量減少組成環(huán)節(jié)的數(shù)目或減少每個(gè)環(huán)節(jié)的誤差才能減少系統(tǒng)的誤差。 直接變換式儀表是開(kāi)環(huán)串聯(lián)系統(tǒng)， 系統(tǒng)的靈敏度等于各組成環(huán)2） 平衡式顯示儀表 平衡式顯示儀表是由閉環(huán)結(jié)構(gòu)的平衡式測(cè)量線路構(gòu)成的儀表。 圖1-3所示為自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖。 圖中T為傳感器件或變送器， C為比較器， A為放大器， M為可逆電機(jī)， R為記錄機(jī)構(gòu)， F為反饋部件， x為被測(cè)變量， y為儀表示值。 平衡式儀表較直接變換式儀表結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 但具有線性好、 反應(yīng)速度快、 精度高等特點(diǎn)。不過(guò)由于是閉環(huán)系統(tǒng)， 就有可能產(chǎn)生自激振蕩，

6、 故會(huì)使穩(wěn)定性差， 靈敏度降低(可用放大器補(bǔ)救)。 2） 平衡式顯示儀表 平衡式顯示儀表是由閉環(huán)結(jié)構(gòu)的圖1-3 自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖圖1-3 自動(dòng)平衡式電子電位差計(jì)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖3） 指針式顯示儀表指針式顯示儀表是利用儀表指針的線位移（或角位移）與被測(cè)量的變化構(gòu)成確定的函數(shù)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示的。 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 顯示直觀、 便于判斷被測(cè)量的變化趨勢(shì)； 其缺點(diǎn)是精度不高， 易產(chǎn)生示讀誤差， 造成讀數(shù)的非單值性， 其原因主要是操作者的視差和刻度標(biāo)尺的分度值選擇的不恰當(dāng)。 3） 指針式顯示儀表指針式顯示儀表是利用儀表指針的為了提高儀表示值的精度， 當(dāng)儀表的外形尺寸一定時(shí)， 往往要求盡量增長(zhǎng)

7、刻度標(biāo)尺的長(zhǎng)度，因而出現(xiàn)了圓形刻度標(biāo)尺和指示機(jī)構(gòu)。 大多數(shù)儀表的標(biāo)尺是固定的， 由指針的位移或轉(zhuǎn)角來(lái)指示讀數(shù)， 但也有指針不動(dòng)而標(biāo)尺旋轉(zhuǎn)的儀表， 如轉(zhuǎn)鼓式刻度指示機(jī)構(gòu)。 模擬顯示儀表的指示機(jī)構(gòu)類(lèi)型如圖1-4所示。 為了提高儀表示值的精度， 當(dāng)儀表的外形尺寸一定時(shí)， 往往圖1-4 模擬顯示儀表的指示機(jī)構(gòu)類(lèi)型(a) 條型指示機(jī)構(gòu)； (b) 圓弧形刻度指示機(jī)構(gòu)； (c) 反光鏡式刻度指示機(jī)構(gòu)； (d) 圓形指示機(jī)構(gòu)； (e) 轉(zhuǎn)鼓式指示機(jī)構(gòu)； (f) 色帶指示機(jī)構(gòu)圖1-4 模擬顯示儀表的指示機(jī)構(gòu)類(lèi)型要注意的是， 并不是刻度標(biāo)尺的分格數(shù)越多， 測(cè)量的精度就越高， 而是刻度標(biāo)尺的分格數(shù)要合理選取， 即應(yīng)

8、以分度值不小于儀表允許的基本誤差為好。 例如儀表為2.0級(jí)， 儀表的基本誤差為測(cè)量范圍的2.0%， 刻度分成50格即可。 為了讀數(shù)方便， 分度值最好取成1、 2、 5的倍數(shù)。 要注意的是， 并不是刻度標(biāo)尺的分格數(shù)越多， 測(cè)量的精度就凡刻度標(biāo)尺具有相等的分格間距或分度值相等者稱(chēng)為線性刻度標(biāo)尺； 否則稱(chēng)為非線性刻度標(biāo)尺。 標(biāo)尺上標(biāo)志著“0”數(shù)字的分度標(biāo)記叫做零分度標(biāo)記。 這個(gè)零分度標(biāo)記處于刻度標(biāo)尺始點(diǎn)或終點(diǎn)的標(biāo)尺叫做單向標(biāo)尺； 若零分度標(biāo)記處在標(biāo)尺中間某一位置， 則叫做雙向標(biāo)尺； 如在整個(gè)標(biāo)尺上根本沒(méi)有零分度標(biāo)記， 則叫做無(wú)零標(biāo)尺。 標(biāo)尺的始點(diǎn)和終點(diǎn)分度標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的被測(cè)值叫做標(biāo)尺始點(diǎn)值和標(biāo)尺終點(diǎn)值

9、， 由這兩個(gè)值所限定的被測(cè)值范圍叫做標(biāo)尺刻度范圍， 它表示儀表的量程。 凡刻度標(biāo)尺具有相等的分格間距或分度值相等者稱(chēng)為線性刻度標(biāo)4） 色帶式指示儀表色帶式指示儀表是用帶色的液體或氣體柱（或光照）的高度指示被測(cè)值（見(jiàn)圖1.4(f)）的， 是常用的一種顯示儀表， 具有顯示鮮明， 便于遠(yuǎn)距離觀察的特點(diǎn)。色帶式指示儀表對(duì)于液位顯示更具有形象化的特征， 因而廣泛應(yīng)用在液位測(cè)量中， 也可用于壓力、壓差和閥位的顯示。 4） 色帶式指示儀表色帶式指示儀表是用帶色的液體或3. 模擬顯示儀表的記錄方法模擬顯示儀表的記錄方法一般可分為連續(xù)記錄和斷續(xù)記錄兩種。 1） 連續(xù)記錄(1) 用墨水和筆記錄。 這種記錄方法在工

10、業(yè)自動(dòng)化儀表中最為多見(jiàn)， 記錄曲線描繪在長(zhǎng)圖或圓圖記錄紙上。 長(zhǎng)圖記錄紙一般卷成筒狀或?yàn)檎郫B狀， 寬度為250 mm和120 mm， 其橫坐標(biāo)代表被測(cè)量， 縱坐標(biāo)代表時(shí)間。 記錄紙的走紙速度一般為3012 000 mm/h， 紙帶兩邊有孔， 由銷(xiāo)釘輥筒進(jìn)行定位和傳動(dòng)，由于紙帶寬度和傳動(dòng)速度的變化而引起的記錄誤差可達(dá)1%。圓圖形記錄紙一般印有弧形坐標(biāo)，走紙速度為1周/24 h。3. 模擬顯示儀表的記錄方法模擬顯示儀表的記錄方法記錄筆應(yīng)精心制造， 采用不受墨水腐蝕的材料， 如鎳、 貴金屬或玻璃， 在長(zhǎng)期不維修的情況下， 仍能繪出筆畫(huà)寬度為0.20.4 mm的清晰線條。 根據(jù)使用要求的不同， 記錄筆

11、有各種類(lèi)型結(jié)構(gòu)。 記錄用的墨水應(yīng)在敞露的容器中不易干涸， 同時(shí)繪出的線條應(yīng)能迅速干燥， 以免在記錄紙通過(guò)卷繞時(shí)擦掉和污損。 墨水的主要成分是甘油和水的混合物， 其配比與環(huán)境的干燥和潮濕的程度有關(guān)， 如果稍加一點(diǎn)酒精， 可改善其干燥性質(zhì)。 記錄筆應(yīng)精心制造， 采用不受墨水腐蝕的材料， 如鎳、 貴(2) 電記錄。 電記錄有兩種方式， 一種方式是采用一種浸炭導(dǎo)電的黑色紙作為墊料， 上面敷以感電靈敏的白色表層， 底面鍍以薄金屬層。 電流從貼在紙面上的金屬記錄筆尖流向金屬底層， 在有電流經(jīng)過(guò)的地方紙就變黑， 變黑的原因是紙面的白色表層是由一種電敏或熱敏化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成的， 在電能或熱能作用下會(huì)改變顏色。 (

12、2) 電記錄。 電記錄有兩種方式， 一種方式是采用一種另一種方式是記錄筆尖不貼在紙面上， 筆尖產(chǎn)生的電火花將紙表面的白色層擊穿， 這種方法既適用于直流電， 也適用于交流電， 特別適用于高頻電流。 近年來(lái)， 適用于各種記錄用的金屬紙已被廣泛應(yīng)用， 所施加的直流電壓也只有1824 V。耗用電流與記錄速度無(wú)關(guān)。 例如， 當(dāng)記錄紙的傳動(dòng)速度為20 mm/h時(shí)約為2 A， 耗電極微。 金屬記錄紙既適于低速， 也適于高速， 在特殊情況下甚至可達(dá)50 m/s的記錄速度。 另一種方式是記錄筆尖不貼在紙面上， 筆尖產(chǎn)生的電火花將紙(3) 磁帶記錄。 在儀器儀表中已廣泛用磁帶記錄， 就像在磁帶上錄制和重放音樂(lè)一樣

13、。磁帶是由一條細(xì)塑料薄帶制成的，表面涂有一種磁性涂料。 儀表的記錄頭是一個(gè)小型電磁鐵，將要記錄的電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電磁場(chǎng)， 磁帶運(yùn)動(dòng)穿過(guò)磁場(chǎng)， 磁性材料的磁粒被磁化而將信號(hào)記錄于磁帶上。 重放時(shí)使磁帶在放送頭下通過(guò)， 放送頭將磁帶上記錄的磁信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即是被記錄信號(hào)的再現(xiàn)。顯而易見(jiàn)，磁帶記錄尤其適用于記錄動(dòng)態(tài)信號(hào)(交變電流、脈沖、 振動(dòng)信號(hào)等)。 此外， 還有利用壓敏變色紙、 光線和電子射線等方法進(jìn)行記錄。 (3) 磁帶記錄。 在儀器儀表中已廣泛用磁帶記錄， 就像2） 斷續(xù)記錄在坐標(biāo)紙上用圖解法表示一個(gè)函數(shù)時(shí)， 通常是用許多點(diǎn)來(lái)描述的， 如果這些點(diǎn)足夠密集， 就能得出曲線的形狀，

14、斷續(xù)記錄就是采用這種打點(diǎn)記錄方法。 如果被測(cè)參數(shù)是脈沖， 并且恰好處在相鄰兩點(diǎn)之間， 就有可能被遺漏。 因此， 斷續(xù)記錄法主要應(yīng)用在信號(hào)變化較慢的系統(tǒng)中。 (1) 多點(diǎn)打印記錄。 多點(diǎn)打印記錄在工業(yè)自動(dòng)化儀表中最為典型的是自動(dòng)平衡式多點(diǎn)記錄儀。它由打印機(jī)構(gòu)、 信號(hào)切換開(kāi)關(guān)和間歇機(jī)構(gòu)等部分組成， 可用圓點(diǎn)“”和 “”標(biāo)志符號(hào)， 并用不同顏色加以區(qū)分。2） 斷續(xù)記錄在坐標(biāo)紙上用圖解法表示一個(gè)函數(shù)時(shí)， (2) 照相記錄。 為了對(duì)儀表所顯示的值提供客觀憑證， 有時(shí)應(yīng)用照相的方法進(jìn)行攝影。例如在被拍攝的顯示儀表旁邊放一只鐘表， 這樣就能毫無(wú)差錯(cuò)地將顯示值及所對(duì)應(yīng)的時(shí)間拍攝成連續(xù)的照片。 這種方法特別適用

15、于比較在儀表屏上各顯示儀表的示值， 或在儀表成批校驗(yàn)時(shí)供各儀表的分析比較之用， 但在生產(chǎn)過(guò)程的長(zhǎng)期運(yùn)行中， 因費(fèi)用太高， 這種方法不宜采用。 (2) 照相記錄。 為了對(duì)儀表所顯示的值提供客觀憑證， 4. 模擬顯示儀表的記錄機(jī)構(gòu)記錄機(jī)構(gòu)對(duì)儀表的設(shè)計(jì)制造和性能起著重要的作用。 對(duì)記錄機(jī)構(gòu)而言， 描述其一般結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)有記錄紙的形式、 記錄機(jī)構(gòu)的自由度、 連續(xù)記錄或斷續(xù)記錄、 記錄要素和坐標(biāo)間的關(guān)系等， 它們對(duì)記錄儀表的結(jié)構(gòu)都有很大影響。 1） 單筆記錄機(jī)構(gòu)單筆記錄機(jī)構(gòu)一般用于記錄各種被測(cè)參數(shù)對(duì)時(shí)間的函數(shù)關(guān)系x=f(T)，但有時(shí)也用于記錄兩個(gè)變量間的函數(shù)關(guān)系x2=f(x1)。 皆為連續(xù)記錄， 可以

16、是長(zhǎng)圖記錄， 也可以是圓圖記錄。 記錄機(jī)構(gòu)有兩個(gè)自由度， 走紙機(jī)構(gòu)可以是機(jī)械鐘表機(jī)構(gòu)， 也可以用同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 4. 模擬顯示儀表的記錄機(jī)構(gòu)記錄機(jī)構(gòu)對(duì)儀表的設(shè)計(jì)制2） 多點(diǎn)記錄機(jī)構(gòu)多點(diǎn)記錄機(jī)構(gòu)可同時(shí)記錄幾個(gè)被測(cè)參數(shù)相對(duì)于時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。 如果被測(cè)參數(shù)皆為電信號(hào)， 且量程相近， 則記錄儀中可用同一只測(cè)量機(jī)構(gòu)加上輸入信號(hào)切換開(kāi)關(guān)組成。 如果量程相差很遠(yuǎn)， 就需要采用幾個(gè)相應(yīng)的測(cè)量機(jī)構(gòu)。 總之， 記錄機(jī)構(gòu)的不同特點(diǎn)都是根據(jù)對(duì)顯示的不同要求而設(shè)計(jì)的， 記錄機(jī)構(gòu)不但要求能明顯、清晰地記錄被測(cè)量， 并且結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單可靠， 便于制造和維修。 2） 多點(diǎn)記錄機(jī)構(gòu)多點(diǎn)記錄機(jī)構(gòu)可同時(shí)記錄幾個(gè)被測(cè)參1.1.2 顯示

17、儀表的質(zhì)量指標(biāo)儀表的質(zhì)量指標(biāo)是衡量?jī)x表質(zhì)量的定量表現(xiàn)， 它不僅包括通常的儀表靜態(tài)或動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)， 而且包括運(yùn)行性能指標(biāo)、 功能與參數(shù)、 人機(jī)關(guān)系、 經(jīng)濟(jì)性和可靠性等。 1. 基本性能指標(biāo) 儀表的基本性能指標(biāo)一般包括誤差、 準(zhǔn)確度等級(jí)、 靈敏度、 死區(qū)、 滯環(huán)和回差、 重復(fù)性和再現(xiàn)性、 分辨力等靜態(tài)性能指標(biāo)以及時(shí)間常數(shù)、 時(shí)滯等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。1.1.2 顯示儀表的質(zhì)量指標(biāo)儀表的質(zhì)量指標(biāo)是衡2. 運(yùn)行性能指標(biāo) 運(yùn)行性能指標(biāo)用于表征儀表在運(yùn)行時(shí)所能經(jīng)受工作條件變化的能力和抗各種外界干擾的能力。 其中包括儀表的工作條件、 參比工作條件、 電磁場(chǎng)干擾、 串模和共模干擾、 電源或氣源的波動(dòng)、 電功耗和耗氣

18、量等方面。 （1） 儀表的工作條件： 儀表工作時(shí)所經(jīng)受的環(huán)境條件。 例如， 環(huán)境溫度、 環(huán)境濕度、 環(huán)境壓力、 電磁場(chǎng)、 重力場(chǎng)、 安裝位置、 沖擊和振動(dòng)等。 2. 運(yùn)行性能指標(biāo) （2） 參比工作條件： 為儀表性能試驗(yàn)或保證測(cè)量結(jié)果能有效地相互對(duì)比而規(guī)定的工作條件。 它確定儀表參比性能的工作條件范圍， 在此范圍內(nèi)參比工作條件對(duì)儀表的影響可以忽略不計(jì)。 （3） 電磁場(chǎng)干擾： 外界電磁場(chǎng)對(duì)儀表電路、 磁路或元件產(chǎn)生的寄生效應(yīng)。 （4） 串模干擾： 由串模干擾電壓(由外界干擾疊加在儀表輸入信號(hào)上的那部分非所希望的輸入電壓信號(hào))所引起的儀表示值或輸出信號(hào)的變化。 （2） 參比工作條件： 為儀表性能試驗(yàn)

19、或保證測(cè)量結(jié)果能有（5） 共模干擾： 由共模干擾電壓(由外界干擾存在于儀表兩個(gè)輸入端與公共端(地端)之間的干擾輸入電壓)所引起的儀表示值或輸出信號(hào)的變化。 （6） 電源或氣源波動(dòng)： 由儀表電源電壓和頻率的波動(dòng)或氣源的氣壓波動(dòng)所引起的儀表示值或輸出信號(hào)的變化。 （7） 電功耗或耗氣量： 儀表在正常工作情況下所需用的最大電功率消耗量或儀表所消耗空氣的最大流量。 （5） 共模干擾： 由共模干擾電壓(由外界干擾存在于儀表 3. 功能與參數(shù) 功能與參數(shù)是指儀表在功用方面所具有的能力以及有關(guān)參數(shù)的定量表述， 一般包括如下幾項(xiàng)： （1） 測(cè)量范圍。 測(cè)量范圍是指被測(cè)變量可按規(guī)定準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)量的范圍。 測(cè)量范

20、圍上限值與下限值的代數(shù)差稱(chēng)為儀表的量程。 如某個(gè)溫度儀表的測(cè)量范圍為40100， 其下限值為40， 上限值為100， 儀表的量程為140。 3. 功能與參數(shù) 功能與參數(shù)是指儀表在功用方（2） 零點(diǎn)和量程遷移。 在實(shí)際使用中， 由于測(cè)量要求或測(cè)量條件的變化， 需要改變儀表的零點(diǎn)或量程， 為此可以對(duì)儀表進(jìn)行零點(diǎn)和量程的調(diào)整。 通常將零點(diǎn)的變化稱(chēng)為零點(diǎn)遷移，而量程的變化則稱(chēng)為量程遷移。 例如， 對(duì)熱電偶冷端溫度補(bǔ)償， 在精度要求不高時(shí)， 可將儀表的零點(diǎn)調(diào)整到室溫， 即是零點(diǎn)遷移。 零點(diǎn)遷移和量程遷移可以擴(kuò)大儀表的通用性。 但是， 在何種條件下可以進(jìn)行遷移， 以及能夠有多大的遷移量， 還要視具體儀表的

21、原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能而定。 （2） 零點(diǎn)和量程遷移。 在實(shí)際使用中， 由于測(cè)量要求（3） 采樣周期。 在周期性采樣的檢測(cè)儀表中， 被測(cè)變量每?jī)纱尾蓸又g的時(shí)間間隔稱(chēng)為采樣周期。 （4） 其它功能。 除上面列舉的功能之外， 儀表還可能具有通信、 遠(yuǎn)傳、 報(bào)警、 調(diào)節(jié)等其它功能和性能參數(shù)。 4. 人機(jī)關(guān)系 在操作人員、 硬件和軟件所組成的人機(jī)交互系統(tǒng)中， 人是主動(dòng)者， 是主體， 是在有意識(shí)地操縱儀表； 儀表是被動(dòng)者， 是工具， 它被人控制而執(zhí)行人的意志。 （3） 采樣周期。 在周期性采樣的檢測(cè)儀表中， 被測(cè)變應(yīng)使儀表適合人的生理和心理特征。 例如， 要適當(dāng)選擇儀表的造型和顏色， 才能使操作人員對(duì)儀表

22、的示值看得更清楚、 讀得準(zhǔn)、 讀得快、 操作方便以及使人感到舒適等， 儀表的人機(jī)關(guān)系一般是從讀數(shù)方式、 難易性、 外觀造型、 色澤、 工作噪聲、 安裝和操作方便等方面考慮。 儀表的造型、 原理與功能都與人機(jī)交互系統(tǒng)的性能有密切關(guān)系。 性能良好的硬件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的先進(jìn)程度直接影響人機(jī)交互系統(tǒng)的性能。 應(yīng)使儀表適合人的生理和心理特征。 例如， 要適當(dāng)選擇儀表 5. 經(jīng)濟(jì)性 儀器儀表的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)一般用產(chǎn)品的直接成本(包括材料、 設(shè)計(jì)制造工時(shí)、 設(shè)備費(fèi)及管理費(fèi)等)、 安裝維護(hù)和調(diào)試成本、 配套費(fèi)用、 培訓(xùn)費(fèi)用及運(yùn)行費(fèi)用等來(lái)衡量， 有時(shí)還用性能價(jià)格比來(lái)衡量。 儀表的性能價(jià)格比愈高， 儀表的質(zhì)量和

23、經(jīng)濟(jì)性愈好。 5. 經(jīng)濟(jì)性 儀器儀表的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)一般用產(chǎn)品6. 可靠性 儀表的可靠性是指儀表或裝置在規(guī)定的條件、 時(shí)間或動(dòng)作次數(shù)內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。 可靠性是衡量?jī)x器儀表產(chǎn)品是否經(jīng)久耐用的一種綜合性質(zhì)量指標(biāo)， 它涉及條件、 時(shí)間、 功能和能力四個(gè)方面。 這里的條件是指產(chǎn)品所處的工作條件、 環(huán)境和維護(hù)條件。 規(guī)定時(shí)間的長(zhǎng)短視具體產(chǎn)品及其使用要求而異， 一般說(shuō)來(lái)， 產(chǎn)品使用的時(shí)間越久， 其可靠性就越低。 功能是針對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo)， 當(dāng)完不成規(guī)定的功能時(shí)就稱(chēng)為“故障”或“失效”。 故障通常是對(duì)可修復(fù)產(chǎn)品而言， 而失效是針對(duì)不可修復(fù)的產(chǎn)品。 某種產(chǎn)品完成其功能的能力大小， 通常以概率來(lái)表示， 概

24、率可從大量數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)而得或用實(shí)驗(yàn)及計(jì)算方法求得。6. 可靠性 儀器儀表產(chǎn)品可靠性的優(yōu)劣由研究、 設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)、 檢驗(yàn)、 保管、 運(yùn)輸、 使用和維護(hù)等各階段所決定。 可靠性分為結(jié)構(gòu)可靠性和性能可靠性。 前者指在內(nèi)外因素作用下， 產(chǎn)品的線路、 元器件、 焊點(diǎn)、 屏蔽狀態(tài)、 材料質(zhì)量、 機(jī)械結(jié)構(gòu)以及制造工藝等方面的可靠性； 后者指在內(nèi)外因素作用下， 產(chǎn)品的準(zhǔn)確度、 線性度等性能指標(biāo)不超出規(guī)定允許范圍的可靠程度。 衡量?jī)x表可靠性的指標(biāo)有以下幾項(xiàng)。 儀器儀表產(chǎn)品可靠性的優(yōu)劣由研究、 設(shè)計(jì)、 生產(chǎn)、 檢驗(yàn)1） 可靠度可靠度是指儀表在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間或動(dòng)作次數(shù)內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。 例如， 如果有10

25、0臺(tái)同樣類(lèi)型的儀表， 工作1000 h后， 有99臺(tái)儀表仍能正常運(yùn)行， 則這批儀表工作1000 h后的可靠度就是99%。 2） 故障率和平均無(wú)故障工作時(shí)間實(shí)際上, 儀表出現(xiàn)的故障大多數(shù)是可以修復(fù)的， 徹底失效(不可修復(fù)的故障)的很少，一般在修復(fù)之后又可以正常運(yùn)行。 但是， 即使是輕微的易于修復(fù)的故障， 也不允許頻繁出現(xiàn)。所以就出現(xiàn)了平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)的指標(biāo)， 它表示相鄰兩次故障間隔時(shí)間的平均值。 1） 可靠度可靠度是指儀表在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間(1-1)這個(gè)平均值的倒數(shù)表示某一單位時(shí)間里儀表可能發(fā)生故障的概率， 稱(chēng)為故障率()。(1-2)(1-)(1-1)這個(gè)平均值的倒數(shù)表示某一

26、單位時(shí)間里儀表可能發(fā)生舉例來(lái)說(shuō)， 如果某種儀表的故障率為0.03%/kh， 就是說(shuō)若有10 000臺(tái)這樣的儀表工作1000 h之后， 只可能有3臺(tái)儀表在這段時(shí)間里出現(xiàn)過(guò)故障， 則平均無(wú)故障工作時(shí)間為3） 平均壽命 產(chǎn)品的無(wú)故障工作時(shí)間稱(chēng)為壽命。 壽命的平均值稱(chēng)為平均壽命。 對(duì)不可修復(fù)產(chǎn)品而言， 平均壽命可用失效前的平均時(shí)間表示； 對(duì)可修復(fù)的產(chǎn)品而言， 平均壽命用平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF表示。 舉例來(lái)說(shuō)， 如果某種儀表的故障率為0.03%/kh， 就4） 平均修復(fù)時(shí)間和可使用性 為了衡量?jī)x表修復(fù)的難易程度， 可采用平均修復(fù)時(shí)間（MTTR)作為指標(biāo)， 它是每次修復(fù)時(shí)間的平均值。 對(duì)于儀表的使用者

27、來(lái)說(shuō)， 當(dāng)然希望儀表的平均無(wú)故障工作時(shí)間盡可能長(zhǎng)， 同時(shí)又希望平均修復(fù)時(shí)間短， 于是就引出一個(gè)綜合性指標(biāo)， 即可使用性(或稱(chēng)有效度)。 其定義為(1-4)4） 平均修復(fù)時(shí)間和可使用性 為了衡量?jī)x表修復(fù)1.1.3 模擬顯示儀表的靜態(tài)特性1. 特性方程在穩(wěn)定工作條件下, 被測(cè)量x和顯示儀表的輸出量y之間的關(guān)系稱(chēng)為顯示儀表的靜態(tài)特性（如圖1-5所示）， 用下面的方程表示： y=f(x) (1-5) 被測(cè)量的最大值xmax和最小值xmin分別稱(chēng)為儀表的測(cè)量上、 下限。 上、 下限之間的區(qū)間稱(chēng)為測(cè)量范圍(或量程)， 表示為 xFS=|xmaxxmin| (1-6) 1.1.3 模擬顯示儀表的靜態(tài)特性1.

28、 特性方程測(cè)量范圍也可用輸出信號(hào)表示為 yFS=|ymaxymin|(1-7) 當(dāng)被測(cè)量x超過(guò)了儀表的測(cè)量范圍時(shí)， 輸出值y由于測(cè)量機(jī)構(gòu)的限制而為常數(shù)。 因?yàn)樵谀M式顯示儀表中輸出量一般為指示、 記錄機(jī)構(gòu)的線位移或角位移， 所以通常也把式(1-5)稱(chēng)為顯示儀表的刻度方程式或儀表的刻度特性。 測(cè)量范圍也可用輸出信號(hào)表示為 圖1-5 儀表的靜態(tài)特性圖1-5 儀表的靜態(tài)特性2. 靜態(tài)特性指標(biāo)1） 誤差儀表由指示記錄機(jī)構(gòu)所顯示的被測(cè)量的值稱(chēng)為示值。 它與被測(cè)量的真值之間的差， 即測(cè)量誤差。 由于真值是一個(gè)理想值， 通常是無(wú)法測(cè)出的， 因此實(shí)際上都用約定真值或測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值來(lái)代替真值。 某個(gè)量的約

29、定真值是用適當(dāng)準(zhǔn)確度等級(jí)的儀表測(cè)出或用特定的方法確定的。 例如， 用經(jīng)過(guò)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局所標(biāo)定過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)儀表校驗(yàn)普通工業(yè)儀表時(shí)， 標(biāo)準(zhǔn)儀表的測(cè)量結(jié)果就作為約定真值。 2. 靜態(tài)特性指標(biāo)1） 誤差儀表由指示記錄機(jī)（1） 絕對(duì)誤差。 示值與約定真值之間的代數(shù)差稱(chēng)為絕對(duì)誤差， 即 絕對(duì)誤差 = 示值約定真值 (1-8) 以被測(cè)量表示的絕對(duì)誤差等于被測(cè)量x的指示值和真實(shí)值之間的差值：x=xx0 (1-9) 以輸出量表示的絕對(duì)誤差為 y=yy0 (1-10)（1） 絕對(duì)誤差。 示值與約定真值之間的代數(shù)差稱(chēng)為絕對(duì)誤（2） 相對(duì)誤差。 絕對(duì)誤差與約定真值之比稱(chēng)為相對(duì)誤差。用相對(duì)誤差來(lái)衡量測(cè)量的準(zhǔn)確度比較合理

30、， 因?yàn)樗硎玖苏`差占被測(cè)值的百分比。 但這也產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題， 同樣的絕對(duì)誤差在儀表的不同刻度處相對(duì)誤差是不同的。 例如， 一個(gè)量程為01000的溫度表， 同樣是10的絕對(duì)誤差， 在測(cè)量100時(shí)， 相對(duì)誤差為10%， 在測(cè)量800時(shí)， 相對(duì)誤差為1.25%。 這就是選用儀表時(shí)多用于測(cè)量接近儀表上限的量的原因。 所以， 用相對(duì)誤差衡量?jī)x表的質(zhì)量評(píng)價(jià)也不是很方便。 （2） 相對(duì)誤差。 絕對(duì)誤差與約定真值之比稱(chēng)為相對(duì)誤差（3） 引用誤差。 儀表的引用誤差為儀表量程范圍內(nèi)示值的絕對(duì)誤差除以規(guī)定值。 這一規(guī)定值常稱(chēng)為引用值， 例如它可以是儀表的量程或測(cè)量范圍的上限值。 通常引用誤差用下式表示： (1-1

31、1) （4） 基本誤差。 儀表按照規(guī)定的參比工作條件下的誤差稱(chēng)為基本誤差。 基本誤差是由儀表的原理、 設(shè)計(jì)制造、 元件、 材料的性能不完善和缺陷等造成的。 （3） 引用誤差。 儀表的引用誤差為儀表量程范圍內(nèi)示（5） 附加誤差。 在不符合正常工作條件下所出現(xiàn)的誤差中， 除了基本誤差之外還包含有附加誤差。 2） 準(zhǔn)確度與準(zhǔn)確度等級(jí)準(zhǔn)確度也稱(chēng)精確度， 是表征儀表指示值接近被測(cè)真值或公認(rèn)約定值程度的質(zhì)量指標(biāo)。 在規(guī)定的條件下按規(guī)定的程序?qū)x表進(jìn)行檢定時(shí)， 儀表實(shí)際的特性曲線與理想的特性曲線的最大正偏差和最大負(fù)偏差可以表征儀表的測(cè)量的準(zhǔn)確度。 （5） 附加誤差。 在不符合正常工作條件下所出現(xiàn)的誤差中如圖

32、1-6所示， 直線OA為理想的輸入/輸出特性曲線， 曲線1和2為實(shí)際的特性曲線， 其中曲線1是在輸入值由下限到上限逐漸加大的正行程時(shí)得到的， 曲線2是在輸入值由上限向下限減小的反行程過(guò)程中得到的。 這兩條曲線和理想的直線OA間存在偏差， 沿縱坐標(biāo)方向可以得到兩個(gè)偏差的最大值， 即最大正偏差和負(fù)偏差。 如圖1-6所示， 直線OA為理想的輸入/輸出特性曲線， 圖1-6 儀表準(zhǔn)確度示意圖圖1-6 儀表準(zhǔn)確度示意圖在直線OA的上、 下各有虛線3和4， 分別代表儀表允許的基本誤差上、 下限。 在規(guī)定的安裝使用條件下， 如果儀表的最大偏差不超出這兩條虛線間的區(qū)域， 就認(rèn)為符合基本誤差的允許范圍。 從圖1-

33、6可知， 曲線1和2愈接近直線OA， 儀表的準(zhǔn)確度愈高。 準(zhǔn)確度等級(jí)是指儀表按國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定根據(jù)準(zhǔn)確度的高低而分成的等級(jí)， 是衡量?jī)x表準(zhǔn)確度的質(zhì)量指標(biāo)。 儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)為在刻度條件下用百分?jǐn)?shù)表示的儀表允許的最大引用基本誤差max的分子， 即 (1-12)在直線OA的上、 下各有虛線3和4， 分別代表儀表允許的最大引用誤差為K=max100% (1-13) 例如， 儀表在刻度條件下允許的最大引用誤差為0.5%， 就用這個(gè)引用誤差百分?jǐn)?shù)的分子作為該儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)， 即該儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)是0.5級(jí)。 因?yàn)閮x表的準(zhǔn)確度等級(jí)是由基本誤差和測(cè)量范圍決定的， 所以?xún)x表準(zhǔn)確度等級(jí)的高低不僅與測(cè)量范圍的基本誤

34、差的大小有關(guān)， 還與量程的大小有關(guān)， 選擇儀表時(shí)必須把兩個(gè)因素同時(shí)考慮。 最大引用誤差為K=max100% 儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13281991， 準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)由下列系數(shù)中選取：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必要時(shí)， 可采用括號(hào)內(nèi)的精度等級(jí)， 其中0.4級(jí)只適用于壓力表； 低于5.0級(jí)的儀表， 其精度等級(jí)可以由各類(lèi)儀表的標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)定。 要注意的是， 準(zhǔn)確度等級(jí)只代表儀表允許的基本誤差的大小， 它決不意味著該儀表實(shí)際測(cè)量的誤差。 儀表準(zhǔn)

35、確度等級(jí)的數(shù)字愈小， 儀表的準(zhǔn)確度就愈高。 儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13281991，3） 靈敏度 儀表在穩(wěn)態(tài)時(shí)， 輸出增量與輸入增量之比稱(chēng)為儀表的靈敏度。 線性?xún)x表的靈敏度是常值， 非線性?xún)x表的靈敏度在不同點(diǎn)上具有不同的值。 儀表的平均靈敏度等于用y和x所表示的測(cè)量范圍絕對(duì)值之比， 即 (1-14) 3） 靈敏度 儀表在穩(wěn)態(tài)時(shí)， 輸出增量與輸入增式中， 為相應(yīng)于測(cè)量上、 下限兩點(diǎn)間連線與x軸的夾角； mx、 my分別為x和y軸的比例尺。 圖1-1(a)所示的串聯(lián)式開(kāi)環(huán)儀表的靈敏度S與各組成環(huán)節(jié)靈敏度Si之間的關(guān)系為(1-15) 圖1-1(b)所示的并聯(lián)式開(kāi)環(huán)儀表靈敏度S與各組成環(huán)

36、節(jié)靈敏度Si之間的關(guān)系為(1-16) 式中， 為相應(yīng)于測(cè)量上、 下限兩點(diǎn)間連線與x軸的夾角； 圖1-1(c)所示的閉環(huán)儀表的靈敏度S與各組成環(huán)節(jié)靈敏度S1和S2之間的關(guān)系為（1-17）式(1-17)中的“”號(hào)相應(yīng)于負(fù)反饋， “”號(hào)相應(yīng)于正反饋。 在顯示儀表中一般都采用負(fù)反饋原理， 自動(dòng)平衡記錄儀就是最常見(jiàn)的一種。 當(dāng)環(huán)節(jié)1的靈敏度為無(wú)窮大時(shí)， 為補(bǔ)償式儀表， 此時(shí)儀表的靈敏度為（1-18）圖1-1(c)所示的閉環(huán)儀表的靈敏度S與各組成環(huán)節(jié)靈敏度4） 分辨力分辨力是指在兩相鄰離散測(cè)值之間能將一個(gè)和另一個(gè)測(cè)值區(qū)別開(kāi)來(lái)的最小間隔值。具有數(shù)字輸出的儀表， 其分辨能力是指能引起數(shù)字輸出變化的模擬輸入信號(hào)

37、的最小變化量。 5） 滯環(huán)、 死區(qū)和回差儀表校驗(yàn)所得的實(shí)際輸入值由下限到上限逐漸加大的正行程時(shí)得到的曲線和輸入值由上限向下限減小的反行程過(guò)程中得到的曲線常出現(xiàn)不重合的現(xiàn)象， 則會(huì)使儀表的特性曲線形成圖1-7(a)所示的環(huán)狀， 叫做滯環(huán)。 產(chǎn)生的原因是由于儀表內(nèi)某些元件有能量的吸收（例如彈性變形的滯后現(xiàn)象、 磁性元件的磁滯現(xiàn)象等）以及元件的磨損和機(jī)構(gòu)中的摩擦等。4） 分辨力分辨力是指在兩相鄰離散測(cè)值之間能將一個(gè)圖1-7 滯環(huán)和死區(qū)的形成(a) 滯環(huán)的形成； (b) 死區(qū)的形成圖1-7 滯環(huán)和死區(qū)的形成所謂死區(qū)， 是指輸入變化小至一定程度之后不足以引起輸出的變化， 因而出現(xiàn)使（如圖1.7（b）所示

38、）儀表的靈敏度等于零的某個(gè)范圍。 存在死區(qū)的儀表要求輸入值大于某一限度才能引起輸出變化， 否則儀表靈敏度為零， 所以這個(gè)限度叫做靈敏限。 與之相應(yīng)， 死區(qū)也叫做不靈敏區(qū)。 理想情況下， 不靈敏區(qū)的寬度為靈敏限的兩倍(這里所說(shuō)的寬度是指輸入值的變化量)。 也可能某種儀表既有滯環(huán)又有死區(qū)， 其綜合效果將是以上兩種結(jié)果的結(jié)合。 無(wú)論是滯環(huán)、 死區(qū)或兩者的結(jié)合， 都會(huì)使輸入在整個(gè)量程內(nèi)上升和下降時(shí)， 形成不重合的特性曲線。 這兩線間的輸出最大差值稱(chēng)為回差， 亦稱(chēng)變差。 所謂死區(qū)， 是指輸入變化小至一定程度之后不足以引起輸出的 6） 重復(fù)性和再現(xiàn)性 在同一工作條件下， 對(duì)同一輸入值， 按同一方向連續(xù)多次

39、測(cè)量的輸出值之間相互一致的程度稱(chēng)為重復(fù)性。 在儀器儀表中， 是在多次測(cè)量中選其輸出差別最大的值， 也就是重復(fù)性最差的值， 作為重復(fù)性?xún)?yōu)劣的標(biāo)志。 在圖1-8中畫(huà)出了三條上升曲線和三條下降曲線， 其間有滯環(huán)。 重復(fù)性是指在上升的各曲線間的最大偏離程度和下降的各曲線間的最大偏離程度之中的最大者。 如果在圖1-8中上升和下降曲線之間取其離散程度最大之點(diǎn)， 則稱(chēng)此為再現(xiàn)性。在儀器儀表中也是用再現(xiàn)性的最大值作為再現(xiàn)性的優(yōu)劣標(biāo)志。 6） 重復(fù)性和再現(xiàn)性 在同一工作條件下， 對(duì)圖1-8 重復(fù)性和再現(xiàn)性圖1-8 重復(fù)性和再現(xiàn)性重復(fù)性不包括滯環(huán)和死區(qū)； 再現(xiàn)性包括滯壞和死區(qū)， 也包括重復(fù)性。 重復(fù)性和再現(xiàn)性都用

40、全量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示， 數(shù)字愈小， 儀表的質(zhì)量愈高。 重復(fù)性和再現(xiàn)性?xún)?yōu)良的儀表并不一定精確度高， 但是經(jīng)過(guò)仔細(xì)校驗(yàn)， 得到修正之后， 可以得到準(zhǔn)確度較高的測(cè)量結(jié)果。 重復(fù)性和再現(xiàn)性差的儀表決不可能有較高的準(zhǔn)確度。 因?yàn)樵谕粭l件下多次測(cè)量時(shí)， 得到的數(shù)值很分散， 說(shuō)明儀表性能欠佳。 反之， 高準(zhǔn)確度的優(yōu)質(zhì)儀表一定有很好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。 重復(fù)性不包括滯環(huán)和死區(qū)； 再現(xiàn)性包括滯壞和死區(qū)， 也包表1-1刻度標(biāo)尺各點(diǎn)測(cè)試值 被校表讀數(shù)/0100200300400500標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)/上行程 0103198303406495下行程0101201301404495 （1） 求儀表的最大絕對(duì)誤差； （2）

41、確定儀表的變差(上、 下行程對(duì)應(yīng)點(diǎn)讀數(shù)的差和滿(mǎn)量程的比值)和準(zhǔn)確度等級(jí)； （3） 儀表經(jīng)使用一段時(shí)間之后， 重新校驗(yàn)時(shí)， 儀表最大絕對(duì)誤差為8， 問(wèn)該表是否符合原出廠時(shí)的準(zhǔn)確度等級(jí)。 例 1 某一標(biāo)尺為0500的溫度表， 出廠前經(jīng)校驗(yàn)， 其刻度標(biāo)尺各點(diǎn)測(cè)試值如表1-1所示。 表1-1刻度標(biāo)尺各點(diǎn)測(cè)試值 被校表讀數(shù)/0解 （1） 從數(shù)據(jù)表中可查得， 最大絕對(duì)誤差發(fā)生在400測(cè)溫點(diǎn)處。 max=(400406) =6 (2) 變差的最大值發(fā)生在200測(cè)溫點(diǎn)處。 最大引用誤差 解 （1） 從數(shù)據(jù)表中可查得， 最大絕對(duì)誤差發(fā)生在4確定儀表的精度等級(jí)時(shí)， 儀表的基本誤差應(yīng)小于或等于國(guó)家規(guī)定的允許誤差（準(zhǔn)

42、確度等級(jí)加上%）。 對(duì)照國(guó)家準(zhǔn)確度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)， 該表的準(zhǔn)確度確定為1.5級(jí)。 （3） 使用一段時(shí)間之后， 因?yàn)榇藭r(shí)max=8， 所以最大引用誤差 超過(guò)原定的準(zhǔn)確度等級(jí)， 已不符合出廠時(shí)的要求， 該表的準(zhǔn)確度等級(jí)現(xiàn)在應(yīng)為2.0級(jí)。 確定儀表的精度等級(jí)時(shí)， 儀表的基本誤差應(yīng)小于或等于國(guó)家規(guī)3. 儀表的誤差方程1） 測(cè)量環(huán)節(jié)的誤差方程一只儀表通常是由若干個(gè)環(huán)節(jié)組成的， 一個(gè)環(huán)節(jié)就像一個(gè)變換器。 若某個(gè)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)為x， 輸出信號(hào)為y， 且環(huán)節(jié)的特性是理想的， 則可表示為y0=f0(x) （1-19）在標(biāo)準(zhǔn)情況下， 如果考慮到某些內(nèi)部因素的影響， 如儀表零件的幾何尺寸、 摩擦力及不平衡電勢(shì)等， 則環(huán)節(jié)

43、的計(jì)算特性為yST=f(x, q10, q20, , qm0) （1-20）3. 儀表的誤差方程1） 測(cè)量環(huán)節(jié)的誤差方程在實(shí)際情況下， 環(huán)節(jié)的特性與式（1-20)的區(qū)別在于所取的影響因素q1， q2， ， qm的不同， 除此之外還要考慮一些其它的影響因素， 如環(huán)境參數(shù)及運(yùn)行條件(大氣壓力、 空氣溫度、空氣濕度、 電源波動(dòng)、 外部電磁場(chǎng)、 重力場(chǎng)及設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等)，這些影響因素用qm+1qn表示。所以環(huán)節(jié)的特性為y=f1(x, q1, q2, , qm, qm+1, , qn) （1-21）實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值之間的差值即這個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差y=yyST=f1(x, q1, , qm, qm+1,

44、 , qn)f(x, q10, , qm0) （1-22）在線性近似條件下又可寫(xiě)成（1-23）在實(shí)際情況下， 環(huán)節(jié)的特性與式（1-20)的區(qū)別在于所取2） 儀表總體的誤差方程有了各環(huán)節(jié)的誤差方程后， 通過(guò)分析儀表的結(jié)構(gòu)方框圖， 可以寫(xiě)出儀表總體的誤差方程。 用yi1表示第i級(jí)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，yi表示輸出信號(hào)。 第一級(jí)環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)用x表示，而整個(gè)儀表的輸出為y。 若第i級(jí)環(huán)節(jié)的絕對(duì)誤差為yi， 儀表總體誤差為y。 現(xiàn)在我們求儀表總體誤差y與各環(huán)節(jié)誤差y1， ， yn間的關(guān)系。 假設(shè)儀表各環(huán)節(jié)都是理想的準(zhǔn)確， 在穩(wěn)定的測(cè)量條件下儀表只有一個(gè)自由度， 各環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)y1，yn以及儀表的輸出信號(hào)y

45、都是與輸入信號(hào)x一一對(duì)應(yīng)的，如圖1-9(a)所示。2） 儀表總體的誤差方程有了各環(huán)節(jié)的誤差方程后， 圖1-9 組成儀表環(huán)節(jié)的信號(hào)流程圖(a) 儀表只有1個(gè)自由度； (b) 儀表有（n+1）個(gè)自由度圖1-9 組成儀表環(huán)節(jié)的信號(hào)流程圖在實(shí)際情況下， 各環(huán)節(jié)的誤差對(duì)儀表的輸出都有影響， 因此儀表就具有n+1個(gè)自由度， 如圖1-9(b)所示。 此時(shí)y=f(x, y1, , yn) （1-24）在線性近似情況下， 當(dāng)x為常數(shù)時(shí)， 輸出信號(hào)y的絕對(duì)誤差與儀表各組成環(huán)節(jié)絕對(duì)誤差的關(guān)系為（1-25）式(1-25）是以絕對(duì)誤差形式表示的， 所以是儀表的有量綱誤差方程式， 公式中的偏微分為第i級(jí)環(huán)節(jié)的絕對(duì)誤差對(duì)儀

46、表總體絕對(duì)誤差的影響系數(shù)。 要轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱形式， 可將式(1-25)寫(xiě)成在實(shí)際情況下， 各環(huán)節(jié)的誤差對(duì)儀表的輸出都有影響， 因此（1-26）式中, yi/y為第i級(jí)環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差；y/y為儀表的相對(duì)誤差。 或?qū)懗桑?-27）式中, 為第i級(jí)環(huán)節(jié)的無(wú)量綱影響系數(shù)， 它標(biāo)志著該環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差對(duì)儀表總體相對(duì)誤差的影響程度。 （1-26）式中, yi/y為第i級(jí)環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差；y/3） 無(wú)量綱影響系數(shù)下面具體討論一下環(huán)節(jié)的無(wú)量綱影響系數(shù)的計(jì)算。 儀表的靈敏度S為各組成環(huán)節(jié)靈敏度S1， ， Sn的函數(shù)， 即S=(S1, , Sn) （1-28）函數(shù)(1-28）的形式取決于儀表框圖的形式。 假若各環(huán)節(jié)的靈

47、敏度得到了相互無(wú)關(guān)的增量是S1， ， Sn， 則在線性近似條件下儀表總靈敏度S的增量為（1-29）3） 無(wú)量綱影響系數(shù)下面具體討論一下環(huán)節(jié)的無(wú)量綱影將式（1-29）改寫(xiě)成下面形式:（1-30）假若環(huán)節(jié)具有比例特性(如圖1-10(a)所示)， 則靈敏度的相對(duì)變化S/S和Si/Si可以用信號(hào)的變化來(lái)代替。 設(shè)第i 級(jí)環(huán)節(jié)在理論上要求的特性為 yi=Siyi1 （1-31）將式（1-29）改寫(xiě)成下面形式:（1-30）假若環(huán)節(jié)具有而在實(shí)際上， 由于環(huán)節(jié)靈敏度的變化， 其特性與理論要求的有所差別(如圖1-10(b)所示)， 在A點(diǎn)處產(chǎn)生絕對(duì)誤差yi。 yi+yi=(Si+Si)yi1 （1-32）由式(

48、1-31)和式(1-32)可得到 （1-33） 同理， 可得出儀表的類(lèi)似比值關(guān)系（1-34） 而在實(shí)際上， 由于環(huán)節(jié)靈敏度的變化， 其特性與理論要求的有所圖1-10 求影響系數(shù)公式圖(a) 比例環(huán)節(jié)； (b) 求影響系數(shù)公式圖圖1-10 求影響系數(shù)公式圖將式(1-33)和式(1-34)代入式（1-30）， 可得（1-35）比較式(1-35)和式(1-27）， 可得到框圖中第i個(gè)環(huán)節(jié)的無(wú)量綱影響系數(shù)公式（1-36）由上面的分析可知， 當(dāng)環(huán)節(jié)為比例特性時(shí)， 其無(wú)量綱影響系數(shù)可以按式(1-36)求得。 將式(1-33)和式(1-34)代入式（1-30）， 可得（下面針對(duì)圖1-1中所示的典型框圖， 計(jì)

49、算各環(huán)節(jié)的無(wú)量綱影響系數(shù)。 （1） 串聯(lián)環(huán)節(jié)。 由式（1-15）知， 串聯(lián)結(jié)構(gòu)的儀表靈敏度為由此得 （1-37）下面針對(duì)圖1-1中所示的典型框圖， 計(jì)算各環(huán)節(jié)的無(wú)量綱影將式(1-37)和式(1-15)代入式(1-36)， 得i=1 （1-38）由此得出， 當(dāng)各環(huán)節(jié)串聯(lián)時(shí)， 任何一級(jí)環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差對(duì)儀表輸出的影響都是一樣的，并且影響系數(shù)i=1。 （2） 并聯(lián)環(huán)節(jié)。 對(duì)應(yīng)于式（1-16）， 儀表的靈敏度為（1-39）由此得（1-40）將式(1-37)和式(1-15)代入式(1-36)， 得將式（1-40）和式（1-16）代入式（1-36）， 則（1-41）由上式可知， i1。 所以當(dāng)儀表為并聯(lián)結(jié)構(gòu)

50、時(shí)， 任何一級(jí)環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差對(duì)儀表輸出的影響都減弱了。 （3） 反饋環(huán)節(jié)。 相應(yīng)于式（1-17）， 儀表的靈敏度為將式（1-40）和式（1-16）代入式（1-36）， 則（1式中的“”號(hào)對(duì)應(yīng)負(fù)反饋，而“”號(hào)對(duì)應(yīng)于正反饋。 偏導(dǎo)數(shù)為（1-42）（1-4）將式（1-42）和式（1-17）代入式（1-36）中， 得到主回路環(huán)節(jié)的影響系數(shù)（1-44）式中的“”號(hào)對(duì)應(yīng)負(fù)反饋，而“”號(hào)對(duì)應(yīng)于正反饋。 偏導(dǎo)數(shù)為將式（1-43）和式（1-17）代入式（1-36）中， 得到反饋回路環(huán)節(jié)的影響系數(shù)（1-45）式（1-44）和式（1-45）中的符號(hào)為： 分子中的正號(hào)相應(yīng)于正反饋， 分母中的正號(hào)相應(yīng)于負(fù)反饋。 即當(dāng)為

51、負(fù)反饋時(shí), 將式（1-43）和式（1-17）代入式（1-36）中， 得到可以看出: 環(huán)節(jié)2的誤差對(duì)儀表輸出的影響為負(fù)； 因?yàn)閮蓚€(gè)環(huán)節(jié)的影響系數(shù)符號(hào)相反， 且11， |2|1， 所以?xún)蓚€(gè)環(huán)節(jié)的誤差對(duì)儀表輸出的影響都減弱了； 如果S1， 則影響系數(shù)1=0， 2=1， 此時(shí)儀表的誤差只取決于反饋回路環(huán)節(jié)的誤差， 并且為負(fù)值。 例2 某儀表框圖如圖1-11所示， 若各環(huán)節(jié)的靈敏度分別為S1、 S2、 S3、 S4， 求各環(huán)節(jié)的無(wú)量綱影響系數(shù)。 可以看出: 環(huán)節(jié)2的誤差對(duì)儀表輸出的影響為負(fù)； 圖1-11 混合結(jié)構(gòu)儀表框圖圖1-11 混合結(jié)構(gòu)儀表框圖解 根據(jù)前面所講的理論， 對(duì)由環(huán)節(jié)3、 4(反饋環(huán)節(jié))和

52、比較器組成的負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)A，輸入為y2，輸出為y3, 可得出對(duì)由環(huán)節(jié)2和閉環(huán)系統(tǒng)A組成串聯(lián)系統(tǒng)B， 輸入為x， 輸出為y3, 可得出解 根據(jù)前面所講的理論， 對(duì)由環(huán)節(jié)3、 4(反饋環(huán)對(duì)由環(huán)節(jié)1和串聯(lián)系統(tǒng)B組成并聯(lián)系統(tǒng)即整個(gè)儀表系統(tǒng)， 輸入為x， 輸出為y, 可得出所以（1-46）求偏導(dǎo)數(shù)對(duì)由環(huán)節(jié)1和串聯(lián)系統(tǒng)B組成并聯(lián)系統(tǒng)即整個(gè)儀表系統(tǒng)， 輸入（1-47）（1-47）將式(1-46)和式(1-47)代入式(1-36)中， 可得到各環(huán)節(jié)的無(wú)量綱影響系數(shù)為（1-48）將式(1-46)和式(1-47)代入式(1-36)中， 可得1.1.4 模擬顯示儀表的動(dòng)態(tài)特性1. 動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)1） 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常

53、數(shù)是指當(dāng)由階躍輸入引起一階線性系統(tǒng)的飛升輸出時(shí)， 完成總飛升的63.2%所需的時(shí)間， 它是衡量?jī)x表動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)之一。 2） 時(shí)滯 時(shí)滯也是儀表的一種動(dòng)態(tài)特性， 它是指從輸入量產(chǎn)生變化的瞬間開(kāi)始到它所引起的輸出量開(kāi)始變化的瞬間為止的時(shí)間間隔。 顯然， 若儀表的時(shí)滯過(guò)長(zhǎng)， 就不適宜用來(lái)測(cè)量變化頻繁的參數(shù)。 1.1.4 模擬顯示儀表的動(dòng)態(tài)特性1. 動(dòng)態(tài)特性2. 儀表的動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)誤差 一般將儀表是否能及時(shí)準(zhǔn)確地反映被測(cè)信號(hào)變化的性能稱(chēng)為儀表的動(dòng)態(tài)特性。關(guān)于系統(tǒng)(儀表本身也是一個(gè)系統(tǒng))動(dòng)態(tài)特性的研究， 在理論上最常用的研究方法是根據(jù)儀表的微分方程式和傳遞函數(shù)來(lái)分析。 由于實(shí)際的輸入是千變?nèi)f化的，

54、難以一一實(shí)現(xiàn)。 為此，在研究?jī)x表的動(dòng)態(tài)特性時(shí)一般是在儀表的輸入端加一典型擾動(dòng)， 研究輸入和輸出的關(guān)系。 所加的擾動(dòng)一般有三種類(lèi)型： 正弦擾動(dòng)、 階躍擾動(dòng)和等速擾動(dòng)。 因后一種用得較少， 故僅討論前兩種情況。 2. 儀表的動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)誤差 一般將儀表是否1） 正弦擾動(dòng)時(shí)儀表的動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)誤差加不同頻率的正弦擾動(dòng)求得儀表動(dòng)態(tài)特性的方法稱(chēng)為頻率法。 (1) 不失真極限頻率。 在儀表的輸入端加入一正弦信號(hào)， 當(dāng)該信號(hào)的頻率較低時(shí)， 儀表的輸出將不失真地反應(yīng)輸入信號(hào)。 當(dāng)輸入信號(hào)的頻率逐漸增加時(shí)， 由于儀表本身具有一定的慣性， 因而輸出信號(hào)的幅值和相位將開(kāi)始失真而產(chǎn)生誤差。 誤差達(dá)到允許值時(shí)的頻率即

55、儀表的不失真極限頻率(或稱(chēng)為臨界響應(yīng)頻率fcr)。 1） 正弦擾動(dòng)時(shí)儀表的動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)誤差加不同頻率當(dāng)輸入量Ux按正弦規(guī)律變化時(shí)， 其最大幅值為Uxm， 儀表的不失真極限頻率可按下式求出：(1-49)式中, UFS為儀表的滿(mǎn)量程輸入信號(hào)； TL為儀表全行程時(shí)間， 定義為在滿(mǎn)量程階躍信號(hào)作用下儀表指針從標(biāo)尺起始點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)， 并且待指針擺動(dòng)幅度衰減到允許誤差范圍內(nèi)時(shí)這一過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間。 當(dāng)輸入量Ux按正弦規(guī)律變化時(shí)， 其最大幅值為Uxm， 儀對(duì)于某一儀表而言， UFS和TL是確定值。 可見(jiàn)， 不失真極限頻率和被測(cè)量正弦變化幅值Uxm成反比。 如果充分利用記錄紙的有效寬度L， 將被測(cè)信號(hào)幅值選

56、為滿(mǎn)量程信號(hào)UFS的一半， 則式(1-49)可簡(jiǎn)化為(1-50)對(duì)于普通的自動(dòng)平衡式指示記錄儀表， TL=2.5 s， 不難得出當(dāng)被測(cè)信號(hào)變化幅值為量程范圍的一半時(shí)， 記錄曲線不失真的極限頻率只有fcr=0.127 Hz。 對(duì)于某一儀表而言， UFS和TL是確定值。 可見(jiàn)， 不失根據(jù)式(1-48)可知， 被測(cè)信號(hào)變化的幅值Uxm愈小， 不失真極限頻率就愈高。 所以， 當(dāng)受條件限制必須用普通儀表記錄快速變化的信號(hào)時(shí)， 最好先采取適當(dāng)措施將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行衰減或把儀表量程選得大些， 使記錄的曲線幅度減小， 就可能更真實(shí)地把被測(cè)信號(hào)的變化情況記錄下來(lái)。 根據(jù)式(1-48)可知， 被測(cè)信號(hào)變化的幅值Uxm

57、愈小，(2) 儀表的幅頻和相頻特性。 一個(gè)復(fù)雜的高階系統(tǒng)在一般情況下， 可以轉(zhuǎn)化為由若干低階系統(tǒng)（二階或二階以下的系統(tǒng))通過(guò)串、 并聯(lián)組合而成。 所以， 這里僅討論二階系統(tǒng)。 例如， 具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)平衡式指示記錄儀的微分方程即為二階常系數(shù)微分方程， 可表示為 (1-51)(2) 儀表的幅頻和相頻特性。 一個(gè)復(fù)雜的高階系式中， J為儀表可動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；C為阻尼系數(shù)；K為與儀表結(jié)構(gòu)和放大器有關(guān)的常數(shù)。 當(dāng)儀表的輸入信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)， 輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的幅值和相位都存在誤差， 如圖1-12所示。 圖中曲線1表示輸入信號(hào)， 曲線2表示儀表無(wú)動(dòng)態(tài)誤差時(shí)的輸出， 實(shí)際儀表輸出用曲線3表示。 曲線

58、2與曲線3之間存在有幅值和相位誤差， 而且此誤差隨時(shí)間而變化(見(jiàn)圖中影線部分)。 這是由儀表本身具有的慣性和阻尼等因素所造成的動(dòng)態(tài)誤差。 式中， J為儀表可動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；C為阻尼系數(shù)；K為與儀圖1-12 正弦擾動(dòng)下的幅值誤差和相位誤差圖1-12 正弦擾動(dòng)下的幅值誤差和相位誤差儀表的幅頻特性曲線如圖1-13(a)所示， 表達(dá)式為（1-52）式中，Y0為靜態(tài)情況下儀表輸入幅值為X時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出幅值；Y為動(dòng)態(tài)情況下儀表的實(shí)際輸出幅值；0為儀表的固有振蕩頻率；為輸入信號(hào)的頻率； 為阻尼比。 儀表的幅頻特性曲線如圖1-13(a)所示， 表達(dá)式為（1-5圖1-13 幅頻和相頻特性(a) 幅頻特性; (

59、b) 相頻特性圖1-13 幅頻和相頻特性當(dāng)A=1時(shí)， 無(wú)幅值誤差； 當(dāng)A1時(shí)， 則偏大。 最好使在0.7附近， 這樣能保證幅值動(dòng)態(tài)誤差較小。 當(dāng)輸入信號(hào)頻率很高時(shí)， 如20， 不論阻尼比大或小， 幅值動(dòng)態(tài)誤差都將很大(且A1)。 儀表的相頻特性為(1-53) 當(dāng)A=1時(shí)， 無(wú)幅值誤差； 當(dāng)A1時(shí)， 儀表的實(shí)際輸出相位誤差與/0及的關(guān)系如圖1-13(b)所示。 由式(1-53)可以看出： 當(dāng)/01時(shí)， 相位誤差j在90180之間， j總為負(fù)值， 這意味著儀表的輸出滯后輸入。 在0的范圍內(nèi)， 愈小則相位誤差j愈小。 說(shuō)明當(dāng)輸入信號(hào)變化的頻率在這個(gè)范圍內(nèi)， 減小阻尼對(duì)降低相位誤差有利。從另一方面看，

60、 當(dāng)為一定時(shí)， 被測(cè)信號(hào)變化的頻率愈低(即/0愈小)， 相位誤差j也愈小。 相位誤差與/0及的關(guān)系如圖1-13(b)所示。 由 2） 階躍擾動(dòng)下儀表的動(dòng)態(tài)特性和技術(shù)指標(biāo)同樣以具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)平衡式指示記錄儀為例， 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖1-14 所示。 圖1-14 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 2） 階躍擾動(dòng)下儀表的動(dòng)態(tài)特性和技術(shù)指標(biāo)同樣以具當(dāng)儀表的輸入擾動(dòng)為階躍信號(hào)時(shí)， 因?yàn)閮x表有一定的慣性， 所以?xún)x表輸出幅值有過(guò)沖量（01）， 相位有一定的滯后， 要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后才能正確、 穩(wěn)定地顯示被測(cè)信號(hào)，這一段時(shí)間稱(chēng)為過(guò)渡過(guò)程。 根據(jù)儀表阻尼的不同， 過(guò)渡過(guò)程也不同。 當(dāng)=0時(shí)， 為無(wú)阻尼情況，