仪表基础的检测及误差

仪表的测量及误差检测系统检测：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。

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： (1)接触式与非接触式; (2)直接、间接与组合测量； (3)偏差式、零位式与微差式测量。

(4)还有其他的分类(如根据物理量、检测原理)。

理想的检测系统：检测系统希望具有良好的频率特性、适当高的灵敏度、快速响应和较小的时间滞后，实现输出波形无失真的复现输入波形。

其中，线性系统最为理想。

检测系统的基本特性：测量系统的基本特性：指测量系统的输出与输入的关系，分为静态特性和动态特性。

测量系统的静态特性：指测量系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，测量系统的输入与输出之间的关系。

衡量指标：灵敏度、线性度、滞后度。

1.1 灵敏度和分辨率：灵敏度是检测系统静态特性的一个基本参数。

它表示检测系统对输入信号变化的一种反应能力，其定义是输出增量⊿y 与引起输出增量⊿y 的相应输入增量⊿x 之比。

dy dx1.2 线性度：线性度是度量测试系统输出、输入间线性程度的指标。

测量系统输入和输出之间的关系曲线称为定度曲线。

定度曲线和理想曲线的最大偏差B 与测试系统标称全量程输出范围A 之比称为系统的线性度。

线性度=B/A×100%Y+_图1.5 定度曲线线性度的求取方法：最小二乘直线法、两点连线法、最大偏差比较法。

dxdys x y s =∆∆=或y max max1.3 滞后度：滞后度也称为回程误差或变差，用来评价实际测试系统的特性与理想测试系统特性差别的一项指标。

定义：在全量程范围内，当输入量由小增大和由大减小时，对于同一个输入量所得到的两个数字不同的输出量之差的最大值为滞后量，它与全量程A 的比值称为滞后度。

Y maxΔY max 0 X max1.4 精确度：精确度是反映检测系统误差和随机误差的综合评定指标。

与精确度有关的指标有：精密度、准确度和精度。

1.5 稳定性和漂移：稳定性是表示检测系统在规定条件下保持其检测特性固定不变的能力。

检测系统输入量不变，输出量随时间的变化而发生缓慢变化的情况称漂移。

漂移受仪器自身结构参数和周围环境的影响。

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。

1.1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)。

1.2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。

1.3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。

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)与机械量(位移、速度、振动等)；按使用性质分类：实用型、范型和标准型；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。

%100Aax y ⨯∆=m 滞后度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。

1.1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y min 至上限值y max 来表示，即y min ～ y max 。

测量量程:为测量范围上限与下限的代数差，即y FS =y max -y min1.2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。

Δmax—仪表所允许的误差界限，即允许误差；y FS —仪表量程。

通常用准确度(精度)等级表示仪表的准确度，其值为准确度去掉“±”及“%”的数字再经过圆整取较大的约定值。

1.3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。

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：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，所以仪表的准确度等级应为0.5级。

1.4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Δm 与量程y FS 之比百分数来表示，如图。

仪表线性度示意图1-实测曲线;2-理想曲线max FS100%100%Δy =⨯=⨯仪表的允许误差准确度仪表的量程FS100%my δ∆=⨯线性度1.5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。

1.6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y FS 之比百分数来表示，如图。

Y ESΔR0 X1.7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，则分辨率为：1/1999≈1/2000=0.0005= 0.05% 即万分之五。

测量误差及处理方法精度:表征测量结果质量的指标。

准确度：表征测量结果接近真值的程度--- 系统误差大小的反映。

精密度：反映测量结果的分散程度（针对重复测量而言）--表示随机误差的大小。

精确度：表征测量结果与真值之间的一致性---系统误差和随机误差的综合反映。

1、误差分为：（1）绝对误差；（2）相对误差；(3)引用误差2、按使用时工作条件分maxFSHmaxFS100%100%y y y y -=⨯∆=⨯上行下行变差FSΔ100%R Ry δ=⨯（1）基本误差：指仪表在规定的正常工作条件下所产生的误差。

（2）附加误差：指仪表使用时偏离规定的正常工作条件所产生的误差。

误差=基本误差+附加误差3、按误差出现的规律分（1）系统误差；（2）随机误差（偶然误差）；（3）粗大误差（疏忽误差）测量误差在测量过程中，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。

误差：测量值与真实值之差。

即ΔX =测量值 X –真实值 X0（误差不可避免，但是可以减少。

仪表中的真实值是用高精度仪表所测的数值。

）1、绝对误差ΔX （反映个点的准确度）被测量的测量值(x i)与真值(x0)之差。

即ΔX =∣X–X 0∣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标准仪器的测量标准差< 1/3 测量系统标准差→ 检定。

2、相对误差相对误差是指被测量的绝对误差与约定值（即真实值）的百分比，用来说明测量精度的高低。

δ=ΔX /X 0×100%3、相对百分误差（即引用误差）绝对误差与测量范围的上限值或是量程的百分比。

用相对百分误差来衡量仪表的准确度。

δ‘=ΔX /(X max -X min)×100%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。

（I）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。

定义：在多次等精度测量同一量时，误差的绝对值和符号保持不变（即误差固定不变或按照一定规律变化），或当条件改变时按某种规律变化的误差，简称系差。

表明了测量结果偏离真值的程度，系统误差越小，测量就越准确。

性质：有规律，可再现，可以预测。

原因：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差。