一次仪表与二次仪表

一次仪表与二次仪表：在生产过程，对测量仪表按换能次数来分，能量转换一次称为一次仪表，转换两次或2次以上称为2次仪表。热电偶测温时，若直接将热能转换为电能，称一次仪表；若再将电能用电位计转换为指针移动的机械能，进行了2次能量转换就称为2次仪表。模拟信号表、数字信号的本质区别：数字信号只能取有限个数值，只能断续的表达连续的时变信号，它的分辨能力决定于所取增量的大小。模拟测量系统测量过程是连续的，它能给出被测变量的瞬时值。数字测量系统的测量过程则是断续的，它给出的数值是被测量在一段时间内的平均值。测量仪器都包括感受件、中间件和效用件三部分。热电偶用热电动势的形式来感知温度，构成测量仪器的感受件（传感器）。热电动势用补偿导线完成信号的传递作用，构成仪器的中间件。热电动势由电压计指针的偏转位置或数字显示给出指示，构成测量仪器的指示和记录件称效用件。测量仪器的分类按其用途可分为范型仪器和实用仪器两类:范型仪器是准备用以复制和保持测量单位，或是用来对其他测量仪器进行标定和刻度工作的仪器。这类仪器的准确度很高，对它的保存和使用有较高的要求。测量系统系统常用的技术性能指标:预定的测量任务能否完成，测量精度能否满足要求，很大程度上取决于测量系统的性能指标，测量系统的性能指标包括六方面内容1.测量仪表的输入量性能指标【量程、测量范围、过载能力】2测量仪表的静态性能指标【精确度、恒定度、灵敏度、灵敏度阻值、指示滞后时间、分辨率、阈值、稳定性、漂移、线性度、重复性等】静态性能指标决定了测量结果的可靠程度。3测量系统的动态性能指标【系统响应的时间常数、上升时间、响应时间、超调量、阻尼、固有频率、频率特性、频宽范围、稳态误差、临界速度、采样频率等参数。】决定了测量系统响应的稳定性、快速性、和准确性。4对环境和配接要求【工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗腐蚀、抗电磁干扰能力、抗冲振要求等。】5可靠性指标【平均寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗过载能力等】6经济指标：性能/价格比量程是指测量系统测量上限和测量下限的代数差。测量范围是指测量系统所能测量的最小输入量(下限)至最大输入量（上限）之间的范围。选用仪表时，测量值必须落在测量范围内（超过量程使用，会使仪表损坏或精度降低）；应在满足被测量要求的条件下，尽量选择量程较小的仪器，一般应使测量值在满刻度的2／3以上为宜。测量仪表的精确度：精确度表示测量结果与真值一致的程度，或者仪器的指示值接近被测量的实际值的准确程度。真值是一个变量本身所具有的真实值，它是一个理想的概念，一般是无法得到的。精确度是系统误差与随机误差的综合反映，通常用精度来衡量。精度定义为仪器满量程时所允许的最大相对误差的百分数。国标要求热工、电工仪表为七个等级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5；通常工程用仪器为0.5级以下；试验室用仪器为0.2~0.5级；范型仪器在0.2级以上。仪器精度等级一般标志在标尺板（铭牌）上。生产厂家确定仪表的精度等级时，定低不定高；用户选择仪表时选高不选低。（指最接近的精度等级）。测量仪表的恒定度：仪器多次重复测量时，其指示值的稳定程度，称为恒定度。通常以读数的变差来表示。变差越稳定，仪器的性能越好。当外部条件不变时，用同一仪器对某物理量的同一参数值重复进行测量或是相隔一段时间再测量时，指示值之间的最大差数与仪器量程之比的百分数为读数的变差。测量仪表的灵敏度：灵敏度反映了测量仪表对被测量变化的反应能力，通常用仪器指针的线位移或角位移与引起这些位移的被测量的变化值之间的比例来表示。灵敏度的量纲取决于输入、输出的量纲。当输入与输出的量纲相同时，则灵敏度是一个无量纲的数，常称为“放大倍数”或“增益”。测量仪表的灵敏度阻滞又称为感量、灵敏阈、失灵区、死区，即足以引起仪器指针从静止到极微小移动时被测量的变化值。这一特性参数对于用在零值法中的指零仪器有着重要的意义。一般仪器的灵敏度阻滞应不大于仪器允许误差的一半。数字测量系统中常用分辨率来表示。测量仪表的指示滞后时间：从被测参数发生变化到仪器指示出该变化值所需的时间，称为指示滞后时间，或称时滞。100%jyabAA产生时滞的原因：时滞主要由仪器的惯性引起的。如机械式仪器中运动件的质量、电测仪器中的电感或电容、传热式仪器中的热容量等，故时滞是无法避免的。测量仪表的线性度：理想的测试装置静态特性曲线是条直线，但实际上大多数测试装置的静态特性曲线是非线性的。实际特性曲线与参考直线偏离的程度称为线性度，用线性误差表示为：δL＝ΔLmax/A×100％应当注意，量程越小，线性化带来的误差越小，因此要求线性化误差小的场合可以采取分段线性化。动态特性:当被测量随时间迅速变化时，输出量与输入量之间的关系称为动态特性，可以用微分方程表示。在对动态物理量进行测试时，测试系统的输出变化是否能真实地反映输入变化，则取决于测试系统的动态响应特性。传感器的阶跃响应特性：动态性能的评价指标时间常数：传感器输出值上升到稳态值yc的63.2%所需的时间；上升时间Tr：传感器输出只有稳态值yc的10%上升到90%所需时间；响应时间Ts%的所需时间；超调量a1：响应曲线第一次超过稳态值yc的峰高：ymax-yc；衰减率；稳态误差ess：无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对误差真值:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。系统误差：同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差随机误差或偶然误差：同一测量条件下（测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差随机误差的正态分布的特点1、单峰性：绝对值小的误差出现的次数多于绝对值大的误差出现的次数。2、对称性：在一定测量条件下的有限次测量结果，其绝对值相等的正/负误差出现的次数大致相等。3、有限性：在一定测量条件下,有限次测量结果中，随机误差的绝对值不会超过某一界限。4、抵偿性：在有限次测量中，绝对值相同的正负误差出现的次数大致相同。取这些误差的算术平均值时，正负误差产生相互抵消现象。系统误差的分类（产生的原因）仪器误差：不完善或老化——仪表有零点漂移；安装误差：安装和使用不正确而产生的误差。环境误差：使用环境条件，如温湿度、电磁场等与仪器规定的使用条件不符而引起的误差。方法误差：测量或计算方法不当，或是理论依据本身不完善等原因而导致的误差。如气流脉动速度测量时使用稳态测量的速度探针。操作误差：人为误差。这是由于观察者先天缺陷或观察位置不对产生的误差。动态误差：在测量瞬变量时由于仪器的自振频率、阻尼的影响而产生的振幅和相位误差。消除系统误差的方法：消除产生系统误差的根源：测量前应对测量中可能产生系统误差的环节详细分析，选择和调整测量仪器，严格按测量仪器要求的使用环境安装仪器，测量人员应有较高素质，并严格按操作规程使用测量仪器。如：零位检查；测量仪器是否进行标定用修正的方法消除系统误差：预先将测量仪器的系统误差检定或计算出来，制成相应的曲线或表格；测量时实测值加上相应的修正值即得不包含系统误差的测量结果。但修正值本身也会有系统误差，因而不可能完全修正系统误差，会有少量残留，可按随机误差来处理。消除系统误差的具体方法交换抵消法：将测量中某些条件(如被测物的位置等)相互交换，使产生系统误差的原因相互抵消。如：等臂天平称重---左右两臂长的微小差别即系统误差。被测物--X；砝码---P；X与P左右交换---两次测量的平均值---消除系统误差替代抵消法：在一定测量条件下，用一个精度较高的已知量，在测量系统中取代被测量，而使测量仪器的指示值保持不变。此时，被测量即等于已知量。如：等臂天平称重---左右两臂长的微小差别即系统误差。被测物---X；平衡物---T；砝码---P，T与X平衡，P与T平衡预检法：预检法是一种检验和发现测量仪器系统误差的常用方法。可将测量仪器与较高精度的基准仪器对同一物理量进行多次重复测量。设测量仪器读数的平均值为L0，基准仪器读数的平均值为L1，则L0－L1可以看作为测量仪器在对该物理量测量时的系统误差，测出系统误差值就可对测量值进行修正。注意：多次测量求平均并不能消除系统误差。因为在测量条件不变时，系统误差具有有确定的大小和方向。能量转换型传感器：输出量直接由被测量的能量转换而来，如热电式传感器、光电式、压电式传感器等。俗称有源传感器，该类传感器不需要外部能源；能量控制型传感器：传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制，如电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器等，俗称无源传感器，即必须外部能源提供能量。电阻式传感器：目前应用最广、最成熟、也是最重要的传感器之一。工作原理：将物理量的变化转换为敏感元件阻值的变化，再经过相应的电路处理后，转换为电信号输出。使用范围：选择不同的类型的传感器，可进行位移、变形、力、加速度、温度、湿度等物理量的测量。半导体压阻式传感器：压阻效应：半导体材料受到应力作用时，电阻率会发生变化，这种效应称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。原理：利用压阻效应在半导体材料的基片上形成扩散电阻而构成传感器。基片直接作为测量敏感元件，扩散电阻在基片内形成桥式测量回路。当基片受外力作用产生形变时，扩散电阻值将发生变化，电桥产生相应的不平衡输出。最常用的基片材料有硅和锗（zhe），其中硅压阻式传感器应用最广，尤其适于测量压力和加速度。热电阻式传感器：热电阻效应：几乎所有物质的电阻率都随温度的变化而变化，此现象称为热电阻效应。电阻随温度变化的导体或半导体材料称为热电阻，可以用来测量温度。但热电阻测温应满足以下条件;气敏传感器：半导体气敏元件与被测气体接触后造成半导体性质的变化，以此来测定类别、浓度、成分或者气体容积。湿敏电阻传感器：有些材料的电阻值会随空气的湿度的变化而变化，利用这种原理制成的传感器称为湿敏电阻传感器。电感式传感器的工作原理：电感式传感器利用电磁感应的原理，利用线圈自感或互感的变化，将被测物理量转换为线圈电感量变化的传感器。可用来对位移、振动、压力、流量等物理量的测量。分类：电感式传感器种类很多，主要分为自感式和互感式两大类。电容传感器把压力、振动、位移、加速度、液位、湿度等物理量变化转换为电容量变化的传感器。优点：功率小、测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。工作原理：用两平行极板构成电容时，当忽略边缘效应时，其电容C。d、A和ε中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C；d或A的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；介电常数ε的变化则可反映液位、湿度的变化。根据这一基本原理可制成的变面积式、变间隙式和变介电常数式等电容传感器。注意与电磁（电感）式传感器区别磁电式传感器：利用，测量量变化→感应电压e有源传感器电感式传感器：利用衔铁运动，Rm变化→L变化→U变化无源传感器热电偶测温基本定律1)均质导体定律：由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。定律推论：（1)热电偶必须由两种不同材料组成（2)由一种材料组成的闭合回路存在温差时，如回路有热电势，则材料不均匀定律推论：推论1：在热电偶回路接入第三种导体，若第三种导体的两接点温度相同，对回路中总热电势无影响。用途:连接显示仪表的两个接点温度相同，则不影响热电偶电势；也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。推论2：如果两种导体A,B对另一种导体C的热电势已知，则这两种导体组成热电势=是它们对参考导体热电势的代数和。用途：已知热电极与标准铂电极配对的热电势，任何两种热电极配对的热电势可知。3)参考电极定律：两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为