材料工程測(cè)試技術(shù)

如何利用誤差理論減少誤差測(cè)量是一種認(rèn)識(shí)過程，就是用實(shí)驗(yàn)方法,將被測(cè)的物理量與所選用作為單位的同類量進(jìn)行比較，從而確定其間的比值。根據(jù)適當(dāng)定義而規(guī)定的數(shù)值為1的物理量稱之為單位,以它作為對(duì)同類物理量測(cè)量的基礎(chǔ)。由誤差公理可知：一切測(cè)量皆有誤差。1.1誤差1.1.1誤差的概念絕對(duì)誤差在一定條件下，某一物理量所具有的客觀大小稱為真值。測(cè)量的目的就是力圖得到真值。但由于受測(cè)量方法、測(cè)量?jī)x器、測(cè)量條件以及觀測(cè)者水平等多種因素的限制，測(cè)量結(jié)果與真值之間總有一定的差異，即總存在測(cè)量誤差。設(shè)測(cè)量值為 X，相應(yīng)的真值為X0，測(cè)量值與真值之差 XX＝X－X0稱為測(cè)量誤差，又稱為絕對(duì)誤差，簡(jiǎn)稱誤差。誤差存在于一切測(cè)量之中，測(cè)量與誤差形影不離，分析測(cè)量過程中產(chǎn)生的誤差，將影響降低到最低程度，并對(duì)測(cè)量結(jié)果中未能消除的誤差做出估計(jì)，是實(shí)驗(yàn)測(cè)量中不可缺少的一項(xiàng)重要工作。相對(duì)誤差絕對(duì)誤差與真值之比的百分?jǐn)?shù)叫做相對(duì)誤差。用 X0表示：X0X100%X0由于真值無(wú)法知道，所以計(jì)算相對(duì)誤差時(shí)常用 X代替X0。在這種情況下，X可能是公認(rèn)值，或高一級(jí)精密儀器的測(cè)量值，或測(cè)量值的平均值。相對(duì)誤差用來(lái)表示測(cè)量的相對(duì)精確度，相對(duì)誤差用百分?jǐn)?shù)表示，保留兩位有效數(shù)字。1.1.2誤差的分類根據(jù)誤差的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因，誤差可分為三類：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。系統(tǒng)誤差是指在同一條件（指方法、儀器、環(huán)境、人員）下多次測(cè)量同一物理量時(shí)，結(jié)果總是向一個(gè)方向偏離，其數(shù)值一定或按一定規(guī)律變化。系統(tǒng)誤差的特征是具有一定的規(guī)律性。系統(tǒng)誤差的來(lái)源具有以下幾個(gè)方面：（1）儀器誤差它是由于儀器本身的缺陷或沒有按規(guī)定條件使用儀器而造成的誤差。如螺旋測(cè)徑器的零點(diǎn)不準(zhǔn)，天平不等臂等。（2）理論誤差它是由于測(cè)量所依據(jù)的理論公式本身的近似性，或?qū)嶒?yàn)條件不能達(dá)到理論公式所規(guī)定的要求，或測(cè)量方法不當(dāng)?shù)人鸬恼`差。如實(shí)驗(yàn)中忽略了摩擦、熱、電表的內(nèi)阻、單擺的周期公式T2l的成立條件等。g3）個(gè)人誤差它是由于觀測(cè)者本人生理或心理特點(diǎn)造成的誤差。如有人用秒表測(cè)時(shí)間時(shí)，總是使之過快。4）環(huán)境誤差是外界環(huán)境性質(zhì)（如光照、溫度、濕度、電磁場(chǎng)等）的影響而差生的誤差。如環(huán)境溫度升高或降低，使測(cè)量值按一定規(guī)律變化。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因通常是可以被發(fā)現(xiàn)的，原則上可以通過修正、改進(jìn)加以排除或減小。分析、排除和修正系統(tǒng)誤差要求測(cè)量者有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這方面的知識(shí)和技能在我們以后的實(shí)驗(yàn)中會(huì)逐步地學(xué)習(xí)，并要很好地掌握。隨機(jī)誤差在相同測(cè)量條件下，多次測(cè)量同一物理量時(shí)，誤差的絕對(duì)值符號(hào)的變化，時(shí)大時(shí)小、時(shí)正時(shí)負(fù)，以不可預(yù)定方式變化著的誤差稱為隨機(jī)誤差，有時(shí)也叫偶然誤差。引起隨機(jī)誤差的原因也很多，與儀器精密度和觀察者感官靈敏度有關(guān)。如無(wú)規(guī)則的溫度變化，氣壓的起伏，電磁場(chǎng)的干擾，電源電壓的波動(dòng)等，引起測(cè)量值的變化。這些因素不可控制又無(wú)法預(yù)測(cè)和消除。當(dāng)測(cè)量次數(shù)很多時(shí)，隨機(jī)誤差就顯示出明顯的規(guī)律性。實(shí)踐和理論都已證明，隨機(jī)誤差服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律（正態(tài)分布），其特點(diǎn)表現(xiàn)為：?jiǎn)畏逍越^對(duì)值小的誤差出現(xiàn)的概率比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的概率大；②對(duì)稱性絕對(duì)值相等的正負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相同；③有界性絕對(duì)值很大的誤差出現(xiàn)的概率趨于零；④抵償性誤差的算術(shù)平均值隨著測(cè)量次數(shù)的增加而趨于零。因此，增加測(cè)量次數(shù)可以減小隨機(jī)誤差，但不能完全消除。粗大誤差由于測(cè)量者過失，如實(shí)驗(yàn)方法不合理，用錯(cuò)儀器，操作不當(dāng)，讀錯(cuò)數(shù)值或記錯(cuò)數(shù)據(jù)等引起的誤差，是一種人為的過失誤差，不屬于測(cè)量誤差，只要測(cè)量者采用嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度，過失誤差是可以避免的。在數(shù)據(jù)處理中要把含有粗大誤差的異常數(shù)據(jù)加以剔除。剔除的準(zhǔn)則一般為 3σ準(zhǔn)則或肖維勒準(zhǔn)則。1.1.3測(cè)量的精密度、準(zhǔn)確度和精確度測(cè)量的精密度、準(zhǔn)確度和精確度都是評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果的術(shù)語(yǔ)，但目前使用時(shí)其涵義并不盡一致，以下介紹較為普遍采用的說(shuō)法。精密度表示的是在同樣測(cè)量條件下，對(duì)同一物理量進(jìn)行多次測(cè)量，所得結(jié)果彼此間相互接近的程度，即測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性、測(cè)量數(shù)據(jù)的彌散程度，因而測(cè)量精密度是測(cè)量偶然誤差的反映。測(cè)量精密度高，偶然誤差小，但系統(tǒng)誤差的大小不明確。準(zhǔn)確度表示的是測(cè)量結(jié)果與真值接近的程度，因而它是系統(tǒng)誤差的反映。測(cè)量準(zhǔn)確度高，則測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值偏離真值較小，測(cè)量的系統(tǒng)誤差小，但數(shù)據(jù)較分散，偶然誤差的大小不確定。精確度表示的則是對(duì)測(cè)量的偶然誤差及系統(tǒng)誤差的綜合評(píng)定。精確度高，測(cè)量數(shù)據(jù)較集中在真值附近，測(cè)量的偶然誤差及系統(tǒng)誤差都比較小。1.1.4隨機(jī)誤差的估計(jì)對(duì)某一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，其測(cè)量結(jié)果服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，也就是正態(tài)分布（或高斯分布）。我們用描述高斯分布的兩個(gè)參量（x和σ）來(lái)估計(jì)隨機(jī)誤差。設(shè)在一組測(cè)量值中， n次測(cè)量的值分別為：x1,x2, xn1．算術(shù)平均值根據(jù)最小二乘法原理證明，多次測(cè)量的算術(shù)平均值x

1n

nxi（1—1）i 1是待測(cè)量真值 x0的最佳估計(jì)值。稱 x為近似真實(shí)值，以后我們將用 x來(lái)表示多次測(cè)量的近似真實(shí)值。2．標(biāo)準(zhǔn)偏差根據(jù)隨機(jī)誤差的高斯理論可以證明，在有限次測(cè)量情況下，單次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：n2Sxxi1xix（貝塞爾公式）（1—2）n1通常稱vixix為偏差，或殘差。sx表示測(cè)量列的標(biāo)準(zhǔn)偏差，它表征對(duì)同一被測(cè)量在同一條件下作 n次（在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，通常取5n10）有限測(cè)量時(shí)，其結(jié)果的分散程度。其相應(yīng)的置信概率 p(sx)接近于58.3%。其意義是 n次測(cè)量中任一次測(cè)量值的誤差（或偏差）落在（

x ）區(qū)間的可能性約為

68.3%，也就是真值落在（x

x,x

x）范圍的概率為

68.3%。標(biāo)準(zhǔn)偏差

x小表示測(cè)量值密集，即測(cè)量的精密度高；標(biāo)準(zhǔn)偏差 x大表示測(cè)量值分散，即測(cè)量的精密度低。算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差當(dāng)測(cè)量次數(shù)n有限，其算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為n2xix（1—3）xi1xnn1n其意義是測(cè)量平均值的隨機(jī)誤差在 x~ x之間的概率為 68.3%?；蛘哒f(shuō)，待測(cè)量的真值在 x x ~x x 范圍內(nèi)的概率為 68.3％。因此 x反映了平均值接近真值的程度。1.1.5異常數(shù)據(jù)的剔除剔除測(cè)量列中異常數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)有幾種，有 3x準(zhǔn)則、拉依達(dá)準(zhǔn)則、肖維準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則等。1．3 x準(zhǔn)則統(tǒng)計(jì)理論表明，測(cè)量值的偏差超過 3x的概率已小于 1％。因此，可以認(rèn)為偏差超過 3x的測(cè)量值是其他因素或過失造成的，為異常數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)剔除。剔除的方法是將多次測(cè)量所得的一系列數(shù)據(jù)，算出各測(cè)量值的偏差 xi和標(biāo)準(zhǔn)偏差 x，把其中最大的 xj與3 x比較，若 xj＞3 x，則認(rèn)為第j個(gè)測(cè)量值是異常數(shù)據(jù)，舍去不計(jì)。剔除xj后，對(duì)余下的各測(cè)量值重新計(jì)算偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差，并繼續(xù)審查，直到各個(gè)偏差均小于 3x為止。拉依達(dá)準(zhǔn)則設(shè)對(duì)某量等精度獨(dú)立測(cè)量得值算出平均值及殘差：（ i=1，2，...,n）,算術(shù)樣本標(biāo)準(zhǔn)差 S，若某個(gè)測(cè)量值滿足下式 :Vd 3S則認(rèn)為是含有粗差的"壞值"，應(yīng)予剔除。3.格拉布斯(Grubbs)準(zhǔn)則設(shè)對(duì)某量等精度獨(dú)立測(cè)量得值算出平均值及殘差：（ i=1，2，...,n）,算術(shù)樣本標(biāo)準(zhǔn)差 S，若某個(gè)測(cè)量值滿足下式 :Vd ( ,n)則認(rèn)為為“壞值”，應(yīng)予剔除。t檢驗(yàn)準(zhǔn)則條件同上，設(shè)不包含可疑測(cè)量值在內(nèi)計(jì)算出均值X和標(biāo)準(zhǔn)偏差S,則當(dāng)：VdK(,n)S時(shí)，剔除壞值，式中：K(,n)t(n1)[n11)]2(n式中t(n 1)為t分布的置信系數(shù)。拉依達(dá)方法簡(jiǎn)單，無(wú)須查表，用起來(lái)方便，測(cè)量次數(shù)較多(19次以上)或要求不高時(shí)采用。拉依達(dá)準(zhǔn)則和格拉布斯準(zhǔn)則在判別前先計(jì)算及S值,計(jì)算時(shí)包括可疑值在內(nèi) ,判別過后才剔除壞值,重算及S。而t檢驗(yàn)準(zhǔn)則是在去掉可疑值后計(jì)算和 S,再進(jìn)行判別。幾個(gè)可疑數(shù)據(jù)同時(shí)超過判別準(zhǔn)則，不可將它們一起剔除，而要先剔除其最大者，然后繼續(xù)判別對(duì)兩個(gè)相同的壞值，也不可一起剔除，只能先剔除其中的一個(gè)，然后再繼續(xù)剔除?？梢蓴?shù)據(jù)應(yīng)為少數(shù)，如數(shù)目太多，則應(yīng)考慮測(cè)量系統(tǒng)的工作是否正常，很可能該系統(tǒng)不具備精密測(cè)量條件,需排除故障后重新測(cè)量。如何在測(cè)試中選擇傳感器現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。傳感器選用原則。選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面的問題。1、靈敏度一般說(shuō)來(lái)，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問題。a)靈敏度過高引起的干擾問題；b)量程范圍。c)交叉靈敏度問題。2、響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性是指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測(cè)量條件。實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。3、線性范圍任何傳感器都有一定線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件。4、穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。5、精確度傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。6、測(cè)量方式傳感器工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破壞性測(cè)量、在線與非在線測(cè)量等。對(duì)傳感器的分類有助于人們從總體上認(rèn)識(shí)和掌握傳感器的原理。通常有兩種分類方法：按輸出量和按被測(cè)量。觸點(diǎn)型傳感器是在自動(dòng)檢測(cè)、控制中應(yīng)用最早的一種傳感器，這類傳感器處理的信號(hào)功率很大，可以直接控制較小功率的電機(jī)、電磁繼電器和指示燈，且不易受干擾。電阻式傳感器是將被測(cè)量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。熱電阻測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。壓力傳感器引是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。電容式物位傳感器適用于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中進(jìn)行測(cè)量和控制生產(chǎn)過程，主要用作類導(dǎo)電與非導(dǎo)電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測(cè)量和指示。電容式液位傳感器由電容式傳感器與電子模塊電路組成，它以兩線制4～20mA恒定電流輸出為基型，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可以用三線或四線方式輸出，輸出信號(hào)形成為1～5V、0～5V、0～10mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電容傳感器由絕緣電極和裝有測(cè)量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當(dāng)料位上升時(shí)，因非導(dǎo)電物料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù)，所以電容量隨著物料高度的變化而變化。傳感器的模塊電路由基準(zhǔn)源、脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換、恒流放大、反饋和限流等單元組成。采用脈寬調(diào)特原理進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是頻率較低，對(duì)周圍元射頻干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無(wú)明顯溫度漂移等。光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽(yáng)能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、 CCD和CMOS圖像傳感器等。它的敏感波長(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動(dòng)控制和非電量電測(cè)技術(shù)引中占有非常重要的地位。最簡(jiǎn)單的光敏傳感器是光敏電阻，當(dāng)光子沖擊接合處就會(huì)產(chǎn)生電流。如何在測(cè)試中選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程的參數(shù)集中檢測(cè)、數(shù)字顯示、越限報(bào)警和打印記錄，這種裝置就叫數(shù)據(jù)采集裝置。將數(shù)據(jù)送至微機(jī)中進(jìn)行顯示、處理和記錄，相應(yīng)地稱之為微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：1）測(cè)試過程由程序來(lái)實(shí)現(xiàn),靈活性和通用性更強(qiáng)；2）硬件軟件化，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性；3）具有數(shù)據(jù)處理能力；4）利用自校和重復(fù)測(cè)試求均值等方法進(jìn)一步減小系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，提高測(cè)試精度；5）利用微機(jī)的隨機(jī)存貯器大量存貯測(cè)試結(jié)果和中間結(jié)果，有利于實(shí)現(xiàn)快速多路測(cè)量；6）只要配備相應(yīng)的接口與外圍設(shè)備，其它計(jì)算機(jī)相連；可實(shí)現(xiàn)多種形式的數(shù)據(jù)存貯和顯示虛擬儀器也可定義為這樣一種儀器，它的全部功能都可由軟件來(lái)完成(配以一定的硬件)，用戶只要提出所需要的系統(tǒng)框圖、儀器面板控制和希望在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)現(xiàn)的輸出顯示等即可。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量，依賴于各種類型的傳感器。傳感器的輸出信號(hào)可分為三類：（ a）開關(guān)信號(hào)：兩個(gè)狀態(tài)的信號(hào)。如電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停車；開關(guān)的合與斷；以及各種開關(guān)型傳感器的輸出信號(hào)等。開關(guān)信號(hào)只用一位二進(jìn)制表示。因此 8位機(jī)可以同時(shí)處理 8個(gè)開關(guān)信號(hào)。（b）數(shù)字信號(hào)：用二進(jìn)制數(shù)形式表示的數(shù)。數(shù)字信號(hào)可以是數(shù)字電壓表、鍵盤、數(shù)字輸出的裝置輸出的信息，也可以是頻率輸出型傳感器的輸出信息。微機(jī)可以直接接收數(shù)字信號(hào)。 8位微機(jī)一次只能接收8位二進(jìn)制表示的數(shù)字量，超過8位時(shí)，必須分幾次來(lái)接收。（c）模擬信號(hào)，指在連續(xù)時(shí)間內(nèi)，對(duì)信號(hào)的幅值可以在某范圍內(nèi)連續(xù)任意取值。我們所討論的微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要處理的即是這一類信號(hào)。模擬信號(hào)微機(jī)不能直接接收和處理，常要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬量轉(zhuǎn)換成微機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集中的一些問題 :量化噪聲、采樣頻率的選取、孔徑時(shí)間、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度與特性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)的過程中產(chǎn)生了量化噪聲。在實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)的碼位擴(kuò)展是有限的，因此就必須允許有一定的誤差，即量化過程必然要引入這種不定因素。這種不定因素的引入所帶來(lái)的誤差，通常稱為量化噪聲。采樣定理指出 :信號(hào)本身的頻帶是有限的，而采樣頻率又大于等于兩倍信號(hào)所包含的最高頻率，則在理論上可以根據(jù)其離散采樣值完全恢復(fù)出原始信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能是將一個(gè)數(shù)字量轉(zhuǎn)化為一個(gè)模擬電壓，電流值。DAC的指標(biāo)很多，其中關(guān)鍵的有：分辨率，用滿度信號(hào)可以分的級(jí)數(shù)，滿度值的百分?jǐn)?shù)（%FSR）等多種方式表示。精度，這一概念易與分辨率混淆。指DAC實(shí)際輸出值與理論計(jì)算輸出值之差， DAC器件精度由生產(chǎn)廠家給出，通常在+Q/2和+Q（Q為量化電平）范圍內(nèi)。建立時(shí)間，由輸入數(shù)字量變化至輸出模擬量穩(wěn)定到最終值的+LSB/2（LSB指最底有效位）內(nèi)的時(shí)間。當(dāng)DAC的輸入數(shù)碼由全0變?yōu)槿?時(shí)，是要求建立時(shí)間最長(zhǎng)的一種情況。DAC在電流輸出時(shí)建立時(shí)間為50~500μs，電壓輸出時(shí)建立時(shí)間1~10μs，主要受輸出放大器限制。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的任務(wù)是將一個(gè)模擬輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，能接受的一個(gè) n位二進(jìn)制數(shù)。ADC的特性參數(shù)與 DAC特性參數(shù)類似，不同點(diǎn)在于ADC輸出的是數(shù)字碼，因此分辨率，精度等參數(shù)均應(yīng)隨之改變。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，同時(shí)使用多個(gè)傳感器的場(chǎng)合中，常使用公共的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。即采用分時(shí)占用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用模擬多路開關(guān)，輪流切換各被采集的傳感器信號(hào)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的通路。開關(guān)特性： a、可靠性高、平均壽命長(zhǎng)；

b、開關(guān)特性好，接通時(shí)電阻

Ron,斷開電阻Roff

比值大；

c、可承受高電壓沖擊。采樣保持電路

SHA

實(shí)際的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬量化的過程需要一定的時(shí)間，在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)保持采樣點(diǎn)的數(shù)值不變才能保證轉(zhuǎn)換精度，對(duì)于動(dòng)態(tài)信號(hào)要做到采樣值不變，需要使用采樣保持電路SHA，特別是逐次比較式ADC。SHA最主要的參數(shù)SHA的孔徑時(shí)間。即SHA實(shí)際從采樣到轉(zhuǎn)入保持狀態(tài)所需要的時(shí)間。 SHA的另一個(gè)重要參數(shù)是輸出電壓的下降率，這個(gè)參數(shù)描述了 SHA的保持性能。要求孔徑時(shí)間小，保持性能就必然下降。 SHA在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的配置方法要根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)選擇。采集速度低的時(shí)候，將 SHA放在模擬開關(guān)與 ADC中間成為公用，這種方法最經(jīng)濟(jì)。每個(gè)通道采集時(shí)間由多路開關(guān)的開關(guān)時(shí)間，SHA的采集時(shí)間、放大器建立時(shí)間和 ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間決定。采集速度要求高時(shí)可考慮每個(gè)模擬信號(hào)使用一個(gè) SHA，速度更高時(shí)還可一個(gè)模擬信號(hào)使用一個(gè) ADC。溫度測(cè)試方式1.1溫度溫度是衡量其冷熱程度的物理量,微觀上來(lái)講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義。對(duì)于個(gè)別分子來(lái)說(shuō)，溫度是沒有意義的。測(cè)溫方法按照熱傳導(dǎo)分類可分為接觸測(cè)溫和非接觸測(cè)溫。接觸測(cè)溫：傳感器與被測(cè)對(duì)象接觸，依靠?jī)烧咧g的熱傳導(dǎo)和（或）對(duì)流換熱達(dá)到熱平衡來(lái)測(cè)量溫度。特點(diǎn)：定位準(zhǔn)確，干擾對(duì)象，材料極限。非接觸測(cè)溫：傳感器接受被測(cè)對(duì)象的熱輻射或被測(cè)對(duì)象的其他熱物理性能。特點(diǎn)：不干擾對(duì)象，無(wú)材料極限，定位不準(zhǔn)1.2接觸式測(cè)溫1.2.1固體內(nèi)部溫度測(cè)量1）導(dǎo)熱性能好的固體在被測(cè)物體上鉆個(gè)能插入傳感器的孔，使傳感器與被測(cè)物體接觸良好，可在孔內(nèi)注入適當(dāng)?shù)囊后w效果更好2）導(dǎo)熱性能不好的固體測(cè)導(dǎo)熱性能較差的耐火磚溫度，敷設(shè)熱電偶，則原來(lái)的等溫線將被破壞。為了減少這種誤差，可按沿等溫線敷設(shè)或采用與被測(cè)對(duì)象熱導(dǎo)率相同的材質(zhì)制作傳感器1.2.2固體表面溫度測(cè)量固體表面的溫度，受與它接觸的物體溫度的影響較大，很容易改變表面的熱狀態(tài)1.2.3流動(dòng)介質(zhì)溫度測(cè)量流體測(cè)溫中主要討論測(cè)溫的傳熱誤差。從傳熱看，液體時(shí)的測(cè)溫精度應(yīng)高于氣體?！办o溫”來(lái)表示氣流分子的無(wú)序平均動(dòng)能，用“動(dòng)溫”表示氣流分子的有向動(dòng)能。兩者之和稱為“總溫”，又稱“滯止溫度”。流動(dòng)氣體或火焰并非靜態(tài)，測(cè)定的熱平衡溫度與熱力學(xué)的靜態(tài)溫度不同。流體溫度測(cè)量誤差分析：考慮熱交換（傳導(dǎo)，對(duì)流，輻射）透明體和火焰測(cè)量須專門討論1）實(shí)際流體不是理想流體所導(dǎo)致的測(cè)量誤差外，2）測(cè)溫傳感器插到流體中干擾原有的流動(dòng)狀態(tài)和換熱狀態(tài)，當(dāng)時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)生變化導(dǎo)致測(cè)量誤差。1.2.4組裝熱電偶誤差：探頭的溫度不能平衡在氣流的靜溫。思路：幾支不同直徑的熱電偶構(gòu)成組裝熱電偶，獲得較多的參量，根據(jù)已有理論知識(shí)，較充分的計(jì)算能量轉(zhuǎn)移特性，校正氣流溫度。1.2.5抽氣熱電偶目的：增大對(duì)流換熱，減少傳導(dǎo)與輻射熱損。氣動(dòng)法測(cè)溫:1）當(dāng)測(cè)量高溫氣體介質(zhì)的溫度時(shí)，介質(zhì)溫度常常接近和超過熱電偶的允許溫度，直接測(cè)量法已無(wú)法采用，或是因?yàn)檩椛湔`差過大需要采用抽氣熱偶時(shí)，可以采用間接測(cè)量的方式。氣動(dòng)高溫計(jì)是最常用的間接測(cè)量方法2）氣動(dòng)高溫計(jì)是將測(cè)量高溫氣體冷卻，根據(jù)冷卻前后氣體的溫度的比值和重度的比值，可以確定氣體的實(shí)際溫度。1.2.6瞬態(tài)測(cè)溫與動(dòng)態(tài)熱電偶1）一階溫度檢測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)特性2）階躍響應(yīng),當(dāng)四倍時(shí)間常數(shù)時(shí)，將保持在誤差0.02內(nèi)3）斜坡響應(yīng),同樣的速率上升，延遲一段時(shí)長(zhǎng)為時(shí)間常數(shù)動(dòng)態(tài)熱電偶,提高測(cè)溫極限——由插入時(shí)間內(nèi)熱電偶的溫升曲線推算出被測(cè)高溫氣體的溫度。1.3輻射式測(cè)溫1.3.1光學(xué)高溫計(jì)固定一個(gè)波長(zhǎng)（單波長(zhǎng)濾光）測(cè)亮度。1.3.2全輻射高溫計(jì)1）測(cè)量被測(cè)物體的全部波長(zhǎng)輻射能（無(wú)濾光）2）輻射溫度：溫度為T的灰體，其輻射強(qiáng)度S，如果等于溫度為的黑體的輻射強(qiáng)度S0，則稱為此物體的輻射溫度。3）誤差較大：各波長(zhǎng)的黑度不統(tǒng)一，無(wú)法有效校正。4）建立人工黑體：安裝細(xì)長(zhǎng)陶瓷管，陶瓷管的底部可認(rèn)為是黑體1.3.3比色高溫計(jì)1）目前最理想的輻射測(cè)溫2）為減少黑度的影響，考慮物體發(fā)射率的比值變化較小。測(cè)量?jī)蓚€(gè)波長(zhǎng)輻射亮度的比值3）比色溫度1.4物質(zhì)的熔融點(diǎn)和顏色1.4.1用物質(zhì)的熔融點(diǎn)測(cè)溫度蠟筆型。油漆型；紙片型。彈九型，不可逆。1.4.2根據(jù)物質(zhì)的顏色來(lái)測(cè)量溫度1）當(dāng)溫度變化時(shí)，這些物質(zhì)的化學(xué)成分發(fā)生相應(yīng)的變化，不可逆。2）物理原理做成的以顏色指示溫度的物質(zhì)，這一類物質(zhì)顏色的變化過程是可逆的。流體壓力測(cè)量流體的壓力是單位面積上所承受的垂直方向的表面力。靜止流體不存在切向力，故這個(gè)表面力和所取面積的方向無(wú)關(guān)，該壓力稱靜壓（力）。運(yùn)動(dòng)的流體靜壓是指相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)上的壓力，可以用與運(yùn)動(dòng)方向平行的單位面積上的表面力來(lái)衡量；總壓是指流體內(nèi)某點(diǎn)上速度在等熵的情況下滯止到零時(shí)所達(dá)到的壓力，又稱為滯止壓力?？倝号c靜壓之差稱為該點(diǎn)的動(dòng)壓（力）。壓力在空間的分布稱為壓力場(chǎng)，壓力是個(gè)標(biāo)量，因此壓力場(chǎng)是個(gè)標(biāo)量場(chǎng)。壓力測(cè)量?jī)x表的分類：（a）液柱式壓力計(jì)；（b）彈性式壓力計(jì)；（c）電氣式壓力計(jì)；（d）活塞式壓力計(jì)。1.液柱式壓力計(jì)分為：1）U型管壓力計(jì)特點(diǎn)：依靠液柱平衡測(cè)壓。雙液柱測(cè)差壓，簡(jiǎn)單，可靠，讀數(shù)精度為5Pa，測(cè)量指示一體，價(jià)格低廉。量程： 1000-10000Pa。2）單管壓力計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，準(zhǔn)確度比較高，常用于測(cè)量低壓、負(fù)壓、差壓。缺點(diǎn)：體積大，讀數(shù)不方便，玻璃管易損壞。3）斜管式微壓計(jì)特點(diǎn)：主要用于測(cè)量微小的壓力、負(fù)壓和壓差。為了減少讀數(shù)的相對(duì)誤差，拉長(zhǎng)液柱，將測(cè)量管傾斜放置。2.彈性式壓力計(jì)原理：彈性壓力表是利用各種不同形狀彈性感壓元件在被測(cè)壓力的作用下，產(chǎn)生彈性變形制成的測(cè)壓儀表。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固可靠、測(cè)壓范圍廣、使用方便、造價(jià)低廉、有足夠的精度，可遠(yuǎn)傳。常用彈性壓力表： 1.彈簧管式2.膜片（盒）式3.波紋管式3.電氣式壓力檢測(cè)電氣式壓力計(jì)又稱電學(xué)壓力計(jì)。將壓力直接或間接地轉(zhuǎn)換成與壓力有一定關(guān)系的各種電量，再由電量的測(cè)量而測(cè)得壓力值。有電阻式壓力計(jì)、電容式壓力計(jì)、壓電式壓力計(jì)和壓磁式壓力計(jì)等。常用于測(cè)量變化很快的壓力、高壓或超高壓。4．活塞式壓力計(jì)基于帕斯卡定律及流體靜力學(xué)平衡原理產(chǎn)生的一種高準(zhǔn)確度、高復(fù)現(xiàn)性和高可信度的標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)量?jī)x器。靜壓的測(cè)量與靜壓管流動(dòng)流體中的靜壓是與運(yùn)動(dòng)方向平行的單位面積上的表面力，在不引起流線變形或與流體以同樣速度移動(dòng)的表面所感受的壓力。要真正做到這一點(diǎn)是十分困難的靜壓孔或靜壓管的設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)、安裝及壓力表的位置等，都有很嚴(yán)格的技術(shù)要求。當(dāng)需要測(cè)量流體中某一點(diǎn)處的靜壓時(shí)，應(yīng)采用靜壓管。靜壓管的設(shè)計(jì)應(yīng)使其對(duì)于流場(chǎng)干擾盡可能的小。對(duì)流動(dòng)方向靈感性也要盡量小。低速流動(dòng)時(shí)，常用如圖所示的 L型靜壓管，其頭部一般為半球型或半橢圓形，后部為支桿供傳遞壓力用。測(cè)壓探頭軸線與來(lái)流方向平行，在測(cè)壓管上距頭部3∽8D處沿管周向均勻地開4∽8個(gè)靜壓孔，用以感受靜壓。動(dòng)壓管與氣流速度的測(cè)量總壓是當(dāng)流體按等熵流動(dòng)滯止下來(lái)時(shí)的壓力。測(cè)量流體總壓可應(yīng)用總壓管?？倝汗?測(cè)量探頭軸線與流體流動(dòng)方向一致、而探頭開口正對(duì)著來(lái)流方向的管。在亞音速范圍內(nèi)流體在總壓管頭部的滯止可以認(rèn)為是等熵滯止，如果總壓孔對(duì)準(zhǔn)來(lái)流方向，總壓管孔又準(zhǔn)確制造成光潔的圓形，則總壓管所測(cè)得的壓力可以認(rèn)為就是總壓。氣流的速度是一個(gè)矢量，速度測(cè)量包括速度的大小和方向的測(cè)量。速度的大小可在被測(cè)點(diǎn)上分別測(cè)得總壓和靜壓計(jì)算求得。將總壓管和靜壓管組合在一起，組成所謂動(dòng)壓管（畢托管）來(lái)測(cè)量。畢托管測(cè)量的是空間某點(diǎn)處的平均速度，它的頭部尺寸決定了它的空間分辨率，通常為 8mm，橢球形頭部最佳。高速氣流靜壓管，小錐角細(xì)長(zhǎng)頭部探頭。二元測(cè)壓管與平面氣流方向的測(cè)量流體壓力對(duì)稱性法則：在規(guī)則形狀的物體表面開對(duì)稱的兩個(gè)小孔，氣流如正對(duì)其對(duì)稱軸來(lái)，兩孔感受壓力必相等。如果來(lái)流相對(duì)于對(duì)稱軸有一偏角，則兩孔感受壓力必不等如在方向孔的對(duì)稱軸上再開一測(cè)孔，則此孔感受的壓力即為總壓三個(gè)測(cè)孔的測(cè)壓管可以一次測(cè)出平面氣流的總壓、靜壓、氣流速度的大小和方向，這樣的測(cè)壓管稱為二元復(fù)合測(cè)壓管。流體流量的測(cè)量方法和特殊性流量測(cè)量是研究物質(zhì)量變的科學(xué)，質(zhì)量互變規(guī)律是事物聯(lián)系發(fā)展的基本規(guī)律，測(cè)量對(duì)象已不限于傳統(tǒng)意義上的管道流體，凡需掌握量變的地方都有流量測(cè)量的問題。流量和壓力、溫度并列為三大檢測(cè)參數(shù)。流量測(cè)量的困難可分為流體特性和測(cè)量特性兩方面。流體特性對(duì)測(cè)量的影響分為以下幾類 :臟污流流體骯臟污濁、沉積和堵塞，如人工燃?xì)狻煆U氣、污水等；腐蝕流管道腐蝕嚴(yán)重因而帶來(lái)臟污流，儀表耐蝕要求高；高參數(shù)流高溫、高壓、真空及低溫極端條件下的流星測(cè)量；脈動(dòng)流如發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵出口流體脈動(dòng)，石油天然氣井噴流脈動(dòng)等；大流量管徑達(dá)數(shù) M，液體流量達(dá)108kg/h，氣體流量達(dá) 106kg／h；微流量流量下限極低，液體為 10-2kg/h，氣體為10-4kg／h；高粘性流流體粘度極高，雷諾數(shù)很低，粘度可達(dá)數(shù)帕·秒；混相流如氣液、液固、氣固及氣液固多相流；質(zhì)量流被測(cè)介質(zhì)工作時(shí)狀態(tài)及組分變化很大，體積測(cè)量法無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量；蠕動(dòng)流流速極緩慢，雷諾數(shù)極低．大小口徑皆有，如瀝青、漿液等；以上只是針對(duì)某一方面而言，而實(shí)際測(cè)量對(duì)象往往幾項(xiàng)困難問題湊到一起，如高溫高壓強(qiáng)腐