第1章 监测技术的基本概念

1、绪论检测技术与故障诊断主要教学内容n测量的基本概念及方法测量的基本概念及方法n测量误差及数据处理测量误差及数据处理n传感器及其基本特性传感器及其基本特性第一节 测量的基本概念及方法一、测量的一般概念一、测量的一般概念二、测量方法的分类二、测量方法的分类第一节第一节 检测技术的基本概念及方法检测技术的基本概念及方法 一、测量的一般概念一、测量的一般概念测量是借助专门的技术和仪表设备测量是借助专门的技术和仪表设备, ,采用一定的方法取得某一采用一定的方法取得某一客观事物客观事物定量定量数据资料的过程。数据资料的过程。所谓所谓“定量定量”，就是使用一定准确度等级的测量仪器、仪表，就是使用一定准确度等

2、级的测量仪器、仪表，比较准确地测得被测量的数值。比较准确地测得被测量的数值。测量过程实质上是一个测量过程实质上是一个比较比较的过程，即将被测量与一个同性质的过程，即将被测量与一个同性质的、作为测量单位的的、作为测量单位的标准量标准量进行比较，从而确定被测量是标准量进行比较，从而确定被测量是标准量的若干倍或几分之几的比较过程。的若干倍或几分之几的比较过程。测量结果包含数值（大小和符号）以及单位。有时还要给出误测量结果包含数值（大小和符号）以及单位。有时还要给出误差范围。差范围。二、测量分类二、测量分类根据根据被测量是否随时间变化被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量，可分为静态测量和动态

3、测量 。根据根据测量的手段测量的手段不同，可分为直接测量、间接测量和组合测量。不同，可分为直接测量、间接测量和组合测量。 根据根据测量结果测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。根据测量时根据测量时是否与被测对象接触是否与被测对象接触，可分为接触式测量和非接触式，可分为接触式测量和非接触式测量。测量。为了监视生产过程，或在生产流水线上监测产品质量的测量称为为了监视生产过程，或在生产流水线上监测产品质量的测量称为在线测量，反之，则称为离线测量。在线测量，反之，则称为离线测量。 根据测量的具体手段来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和根据测量的具

4、体手段来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量。微差式测量。静态测量与动态测量静态测量与动态测量最高、最最高、最低温度计低温度计直接测量与间接测量直接测量与间接测量 电子卡尺电子卡尺非接触式测量非接触式测量 例：雷达测速例：雷达测速车载电子警察车载电子警察离线测量离线测量 产品质量检验产品质量检验在线测量在线测量防护罩内为测量行程的传感器防护罩内为测量行程的传感器例：安装有直线例：安装有直线光栅的数控机床，光栅的数控机床，一边加工一边测一边加工一边测量直径和螺纹量直径和螺纹, ,到达设定值时自到达设定值时自动退刀。动退刀。在流水线上在流水线上，边加工，边，边加工，边检测，可提高检测，可

5、提高产品的一致性产品的一致性和加工准确度和加工准确度。1.偏位式测量偏位式测量 直接以仪表的偏移量表示被测量的测量方式直接以仪表的偏移量表示被测量的测量方式称为偏位式测量称为偏位式测量 。2 零位式测量：例零位式测量：例1天平天平 当测量系统达到平衡（天平指针处于中间零位）时当测量系统达到平衡（天平指针处于中间零位）时，用已知标准量的值决定被测量的值。准确度高，决定，用已知标准量的值决定被测量的值。准确度高，决定于标准量，但平衡比较费时。于标准量，但平衡比较费时。已知标准量已知标准量被测量被测量2. 零位式测量例零位式测量例2： 自动平衡电位差计式记录仪表自动平衡电位差计式记录仪表平衡时间：平

6、衡时间：小于小于1s匀速走纸匀速走纸3. 微差式测量微差式测量 微差式测量法是微差式测量法是综合了偏位式测量法速度快和零位式测量综合了偏位式测量法速度快和零位式测量法准确度高法准确度高的优点的一种测量方法。这种方法预先使被测量与的优点的一种测量方法。这种方法预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡。当被测量有微小变化时，测测量装置内部的标准量取得平衡。当被测量有微小变化时，测量装置失去平衡。用偏位式仪表指示出其变化部分的数值。量装置失去平衡。用偏位式仪表指示出其变化部分的数值。例如，用天平（零位式仪表）测量化学药品，当天平平衡例如，用天平（零位式仪表）测量化学药品，当天平平衡之后，又增添了少

7、许药品，天平将再次失去平衡。这时我们即之后，又增添了少许药品，天平将再次失去平衡。这时我们即使用最小的砝码也称不出这一微小的差值。但是我们可以从天使用最小的砝码也称不出这一微小的差值。但是我们可以从天平指针在标尺上移动的格数来读出这一微小差值。平指针在标尺上移动的格数来读出这一微小差值。微差式测量微差式测量 微差式测量的分辨力较高，但量程较小。微差式测量的分辨力较高，但量程较小。第二节 测量误差及数据处理一、测量误差一、测量误差二、测量结果的数据处理二、测量结果的数据处理一、测量误差一、测量误差测量误差：测量值与真值之间的差值测量误差：测量值与真值之间的差值 绝对误差：被测量值绝对误差：被测量

8、值A Ax x与真值与真值A A0 0之间总是存在着之间总是存在着一个差值，这种差值称为绝对误差，用一个差值，这种差值称为绝对误差，用 表示：表示： = =A Ax x0 0 真值有理论真值、约定真值、相对真值之分。真值有理论真值、约定真值、相对真值之分。准确度高准确度高2 2级以上的仪表的误差与准确度低的仪级以上的仪表的误差与准确度低的仪表的误差相比，则高一级仪表的测量值可以认为表的误差相比，则高一级仪表的测量值可以认为是相对真值。是相对真值。 某采购员分别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100kg大米、大米、10kg苹果、苹果、1kg巧克力，发现均缺少约巧克力，发现均缺少约0.5k

9、g（绝对（绝对误差相同），但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，误差相同），但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？是何原因？ 相对误差及准确度等级相对误差及准确度等级 示值相对误差：示值相对误差：引用误差引用误差 mm（也称满度相对误差）：（也称满度相对误差）：准确度等级准确度等级S S 我国的工业模拟仪表有下列常用的我国的工业模拟仪表有下列常用的7 7种等级：种等级： 0.10.1、0.20.2、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5、5.05.0。 %100*xxA%100*mmA%100*|mMAS仪表的准确度等级和基本误差仪表的准确度等级和基本误差 例：某指针式电

10、压表的准确度为例：某指针式电压表的准确度为2.52.5级，用它来测量级，用它来测量电压时可能产生的最大满度相对误差为电压时可能产生的最大满度相对误差为2.5%2.5%。某公司生产测量温度的仪表，满度误差均在1.11.6之间，该系列产品属于哪一级温度表？某车间希望测量温度的仪表满度相对误差控制在1.11.6之间，应购买哪一级温度表？例例 某压力表准确度为某压力表准确度为2.52.5级级, ,量程为量程为0 01.5MPa1.5MPa，求求: :1）可能出现的最大满度相对误差）可能出现的最大满度相对误差m。2）可能出现的最大绝对误差）可能出现的最大绝对误差m为多少千帕？为多少千帕？3）测量结果显示

11、为）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对时，可能出现的最大示值相对误差误差x。解解: 1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即得到，即m2 5%。 2）mmAm2 5 1.5MPa 0.0375MPa37.5kPa 3）%36. 5%10070. 00375. 0%100*xMxA例：用同一台磅秤测量三个不同重量物体的示例：用同一台磅秤测量三个不同重量物体的示值相对误差的比较（动画），请得出结论！值相对误差的比较（动画），请得出结论！ x100kg =0.5% x10kg =5% x1kg =50% 测量误差的

12、分类测量误差的分类1.1.粗大误差粗大误差超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差。粗大误差主为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔

13、除。常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。 产生粗大误差的一个例子：电磁干扰产生粗大误差的一个例子：电磁干扰 在重复性条件下，对同一被测量进行在重复性条件下，对同一被测量进行无限无限多次多次测量所得结果的平均值与被测量的真值测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。之差，称为系统误差。 凡误差的数值固定或按一定规律变化者，凡误差的数值固定或按一定规律变化者，多属于系统误差。多属于系统误差。 系统误差是有规律性的系统误差是有规律性的, ,因此可以通过实验因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正的方法或引入修正值的方法计算修正, ,也可以也可以重新调整测量仪表的有关部件

14、予以消除。重新调整测量仪表的有关部件予以消除。 2. 2.系统误差：系统误差：夏天摆钟变慢的夏天摆钟变慢的原因是什么？原因是什么？系统误差的另一种表达系统误差的另一种表达在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次重复测量所得在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次重复测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，即：结果的平均值与被测量的真值之差，即：系统误差系统误差=(=(无限次测量的平均值无限次测量的平均值) )真值真值引起系统误差的因素：环境温度及湿度波动、电源电压下降引起系统误差的因素：环境温度及湿度波动、电源电压下降、电子元件老化、机械零件变形移位、仪表零点漂移等。又如、电子元件老化、机械零

15、件变形移位、仪表零点漂移等。又如，用零点未调整好的天平称量物体，称量结果会产生偏高或偏，用零点未调整好的天平称量物体，称量结果会产生偏高或偏低。低。3.3.随机误差随机误差 测量结果与在重复条件下测量结果与在重复条件下, ,对同一被测量进行无限多对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。或曰：在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会或曰：在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。见的方式变化，该误差称为随机误

16、差。 测量值的随机误差测量值的随机误差= =测量结果算术平均值测量结果算术平均值 = =测量结果测量结果( (真值系统误差真值系统误差) ) 每一个每一个测量值的测量值的随机误差随机误差，等于自，等于自身的数值身的数值减去算术减去算术平均值。平均值。瞬时瞬时测量值测量值瞬时瞬时测量值测量值均值均值真值真值系统误差系统误差正态分布正态分布差值可能是正的或负的差值可能是正的或负的, ,大小每次均不相同。大小每次均不相同。具有随机误差的测量值的分布呈正态分布。具有随机误差的测量值的分布呈正态分布。二、测量结果的数据处理1.随机误差的统计特性随机误差的统计特性n单峰性单峰性n对称型对称型n有界性有界性

17、在同一条件下，对同一个工件的直径进行测量，在同一条件下，对同一个工件的直径进行测量，相对于基准量之差的多次测量结果统计符合正态分布相对于基准量之差的多次测量结果统计符合正态分布（高斯分布）（高斯分布）统统计计次次数数1 1）单峰性：单峰性：大量的测量值集中大量的测量值集中分布于算术平均值附近（分布于算术平均值附近（并非真值）。并非真值）。随机误差的正态分布规律分析随机误差的正态分布规律分析2 2）对称性对称性：x xi i大致对称地分布于大致对称地分布于算术平均值两侧算术平均值两侧。我们。我们将将x xi i与算术平均值之差称为剩余误差，也称残差与算术平均值之差称为剩余误差，也称残差V Vi

18、i：残差：残差V Vi i基本上相互抵消：基本上相互抵消： nxxxxnxnnii.1211NOTE:NOTE:算术平均值不再含有随机误差分量，但并不等于真值，算术平均值不再含有随机误差分量，但并不等于真值，它与真值它与真值x x0 0之差可以认为就是系统误差。之差可以认为就是系统误差。0.21nVVVVxxVniii1.正态分布的规律正态分布的规律）有界性）有界性：在一定的条件下，：在一定的条件下，XiXi有一定的分布范围，超过这个范围有一定的分布范围，超过这个范围的可能性非常小，即出现绝对误差很大的情况很少。的可能性非常小，即出现绝对误差很大的情况很少。在工程测量中，一般用下式表示存在随机

19、误差时的测量结果：在工程测量中，一般用下式表示存在随机误差时的测量结果：) 1(3312nnVxxxxnii) 1(12nnVnii算术平均值的方均根误差算术平均值的方均根误差算术平均值的标准差算术平均值的标准差3 原则原则:用方均根误差来检查测量结果中是否存在粗大误差，用方均根误差来检查测量结果中是否存在粗大误差，通常认为残差超过通常认为残差超过3（极限误差）的测量值称为（极限误差）的测量值称为“坏值坏值”，应予以剔除。应予以剔除。算术平均值的方均根误差 与与方均根误差的关系： nxxxn33/方均根误差方均根误差112nVnii2测量结果的数据整理步骤测量结果的数据整理步骤1）将一系列等准

20、确度测量的读数）将一系列等准确度测量的读数xi(i=1,2,n）按先后顺序列成表格（在测量时应尽可能消除系统误差）；按先后顺序列成表格（在测量时应尽可能消除系统误差）；2）计算测量列）计算测量列xi的算术平均值；的算术平均值；3）在每个测量读数旁，相应地列出残差）在每个测量读数旁，相应地列出残差Vi4）检查条件）检查条件 是否满足。若不满足，说明计算有误，需重新是否满足。若不满足，说明计算有误，需重新计算；计算；5）在每个残差旁列出）在每个残差旁列出Vi2，然后求出方均根误差，然后求出方均根误差；6）检查是否有）检查是否有Vi3的读数。若有，应舍去此读数的读数。若有，应舍去此读数xi ，然后从

21、第，然后从第2条开始重条开始重新计算；新计算；7）在确认不再存在粗大误差（即）在确认不再存在粗大误差（即Vi 3）之后，计算算术平均值的标准差）之后，计算算术平均值的标准差 。8）写出测量结果并注明置信概率（）写出测量结果并注明置信概率（99.7%）。）。 0iVxxVii例：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行16次等准确度测量，所次等准确度测量，所得得16个数据如下（单位为个数据如下（单位为mm）：）：39.44、39.27、39.94、39.44、38.91、39.69、39.48、40.55、39.78、39.68、39.35、39.71、39.46、40.

22、12、39.76、39.39，求：按，求：按数据处理数据处理规则计算钢板的厚度。规则计算钢板的厚度。解解 1）按照测量读数的顺序列表。）按照测量读数的顺序列表。2）计算测量列）计算测量列xi的算术平均值：的算术平均值： =(633.97 /16)mm=39.623mm。 3）在测量值）在测量值xi右边写出残差：右边写出残差：Vi ，并验证，并验证4）在每个残差的右边列出计算中间过程值）在每个残差的右边列出计算中间过程值Vi 2，并计算出：，并计算出：x01iniV2212.140mm niiV钢板厚度测量结果的数据列表钢板厚度测量结果的数据列表.nxi /mmVi /mmVi2 /mm2139

23、.44-0.1830.033239.27-0.3530.125339.940.3170.100439.44-0.1830.033538.91-0.7130.508639.690.0670.004739.48-0.1430.020840.550.9270.859939.780.1570.0251039.680.0570.0031139.35 -0.2730.0751239.710.0870.0081339.46-0.1630.0271440.120.4970.2471539.760.1370.0191639.39-0.2330.054钢板厚度计算处理钢板厚度计算处理(续续)5）计算出方均根误差：

24、）计算出方均根误差：6）计算出极限误差）计算出极限误差3 =1.134mm。经检查，未发现。经检查，未发现Vi 3，故，故16个测量值中均无坏值。个测量值中均无坏值。7）计算出算术平均值的标准差：）计算出算术平均值的标准差：8）写出测量钢板厚度的结果：）写出测量钢板厚度的结果：在上述计算过程中，由于测量列在上述计算过程中，由于测量列xi小数点后只有两位小数点后只有两位，因此各个中间值需在小数点后保留，因此各个中间值需在小数点后保留3位，最后结果保位，最后结果保留小数点后两位。留小数点后两位。210.378mm1niiVn mm095. 0n339.62 mm0.28mmxx（99.7%）结论：

25、结论：339.62mm 0.28mmxx （99.7%）不确定度不确定度 测量结果仅仅是被测量的一个估计值，因此测量结果必然带测量结果仅仅是被测量的一个估计值，因此测量结果必然带有不确定性。不确定性越大，测量结果的质量就越差。有不确定性。不确定性越大，测量结果的质量就越差。“测量不测量不确定度确定度”的含义：的含义：由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度，也表由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度，也表明该结果的可信赖的程度。它是测量结果质量的指标。不确定度明该结果的可信赖的程度。它是测量结果质量的指标。不确定度愈小，所述结果与被测量的真值愈接近高。愈小，所述结果与被测量的真值

26、愈接近高。在报告测量结果时，必须给出相应的不确定度，便于使用该在报告测量结果时，必须给出相应的不确定度，便于使用该测量结果的人评定其可靠性。测量不确定度包含测量结果的人评定其可靠性。测量不确定度包含A类评定和类评定和B类类评定。在完成不确定度的分析和评定后，应给出不确定度报告。评定。在完成不确定度的分析和评定后，应给出不确定度报告。测量系统静态误差的合成测量系统静态误差的合成（1 1）绝对值合成法绝对值合成法)(211mnnii （2）方均根合成法）方均根合成法 22221mn例：例：用核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，已知用核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，已知PIN型型射线二极管的测量误差为射线二极管

27、的测量误差为5%，微电流放大器误差为，微电流放大器误差为2%，指针表误差为，指针表误差为1%，求测量的合成误差，求测量的合成误差m。解解：结论：测量系统中的结论：测量系统中的射线二极管的测量误差射线二极管的测量误差最大，最大，应提高其准确度等级应提高其准确度等级。222m(5%)(2%)(1%)5.5% 第三节第三节 传感器及基本特性传感器及基本特性 1.1.传感器的定义（参考传感器的定义（参考GB7665-87GB7665-87）：）：传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量，传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电并能将检测感受到的信息，按一定

28、规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为换能器、检测器、探头等。称为换能器、检测器、探头等。2. 传感器的组成传感器的组成大部分传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路三大部分传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。部分组成。例：测量压力的电位器式压力传感器例：测量压力的电位器式压力传感器 电位器式压力传感器原理框图电位器式压力传感器原理框图当

29、被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变化量反映了从而带动电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变化量反映了被测压力被测压力p值的变化。在这个传感器中，弹簧管为敏感元件，它值的变化。在这个传感器中，弹簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移将压力转换成角位移。电位器为传感元件，它将角位移转换为。电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量电参量电阻的变化电阻的变化R。当电位器的两端加上电源后，电位。当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压器就组成分压比

30、电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。在这个例子中，电位器又属于分压比式测量转换电路。在这个例子中，电位器又属于分压比式测量转换电路。二、传感器分类二、传感器分类常用的分类方法有：常用的分类方法有：）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。感器。3）按传感器输出信号的性质

31、分类：可分为输出为）按传感器输出信号的性质分类：可分为输出为开关量（开关量（“1”和和“0”或或“开开”和和“关关”）的开关型传）的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器，输出为脉冲或感器；输出为模拟量的模拟型传感器，输出为脉冲或代码的数字型传感器。代码的数字型传感器。三、传感器基本特性三、传感器基本特性 static characteristicsn灵敏度灵敏度n分辨力和阈值分辨力和阈值n非线性度非线性度n迟滞误差迟滞误差n稳定性稳定性n电容兼容性电容兼容性n可靠性可靠性1.灵敏度 SensitivityxykXY00 x0y0/ xykydxdyk XY00 xdydxdyk/dx灵敏度

32、太高，检测系统的灵敏度太高，检测系统的稳定性将降低。稳定性将降低。 灵敏度是指传感器灵敏度是指传感器在稳态在稳态下输出变化值与输入变化下输出变化值与输入变化值之比值之比，常用，常用K 来表示来表示dyyKdxx2 分辨力resolution3.非线性度linearity%100%100minmaxmaxmaxyyyYLSFLL4. 迟滞 Hysteresis error%100max SFHyHy5.稳定性5.稳定性例如，某仪表输出电压值在例如，某仪表输出电压值在8h8h内的最大变化量为内的最大变化量为1.2mV1.2mV，则，则表示该仪表的稳定性为表示该仪表的稳定性为1.2mV/(8h)1.2mV/(8h)。环境影响量：指由外界环境变化而引起的示值变化量：环境影响量：指由外界环境变化而引起的示值变化量：1.1.零漂零漂drift ：用于描述仪表（已调零）在受外界环境影响：用于描述仪表（已调零）在受外界环境影响后，输出不再等于零，而有一定的漂移。后，输出不再等于零，而有一定的漂移。2.2.温度稳定性：温度稳定性：又称为温度漂移，指传感器在外界温度下输又称为温度漂移，指传感器在外界温度下输出量发生的变化。用温度每变化出量发生的变化。用温度每变化11引起的绝对误差或相对误差引起的绝对误差或相对误差表