2现代检测系统及其基本特性

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检测系统的特征与性能指标

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（2）可靠性与检测系统无故障工作时间长短有关的一种描述。
（3）分辨率能引起输出变化的输入量的最小变化量，表示检测系
统分辨输入量微小变化的能力。（4）灵敏阀
又称死区，是用来衡量检测起始点不灵敏的程度。
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第1章检测系统的特征与性能指标
• 1.1 检测系统的组成 • 1.2 检测系统的静态特性与性能指标 • 1.3 检测系统的动态特性与性能指标
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1.1 检测系统的组成
检测技术涉及到半导体技术、激光技术、光纤技术、声
控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术、以及数
理统计、控制论、信息论等近代新技术和新理论。其最终目
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1.1.2 线性时不变系统及其主要性质
当系统的输入x(t) 和输出 y(t)之间关系可用常系数线性微分方程来描述时，则称该系统为线性时不变系统，也称为定常线性系统。即：
an
d
n y(t) dt n
an1
d
n1 y(t) dt n1
a1
dy(t) dt
a0
y(t)
bm
d
m x(t) dt m
非线性度 B 100% A
（1.7）
1.2.4 回程误差如图1.4所示，回程误差也称为滞后或变差。实际测量
系统在相同的测量条件下，当输入量由小增大，
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或由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量存在差值，则定义回程误差为：
回程误差 hmax 100% A
（1.8）
1.2.5 稳定度和漂移
的就是从测量对象中获取反映其变化规律的有用信息，一个

3.检测系统

3 检测系统3.1 检测系统的功用与特性3.1.1检测系统的基本功能检测系统是机电一体化系统的一个基本要素，其功能是对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其变换成系统可识别的电信号，传递给信息处理单元。

如果把机电一体化系统中的机械系统看作是人的躯干和手足，信息处理系统看作是人的大脑，则检测系统好比是人的“感觉器官”。

根据被检测物理量特性不同，检测系统可以分为运动学参数检测系统，主要完成位移、速度、加速度及振动的检测；力学参数检测系统，主要检测拉压力、弯扭力矩及应力等；其他物理量检测系统，如温度、湿度、酸碱度、光照强度及声音等检测；图像检测系统，主要指利用摄像头及图像采集电路完成图像的输入。

根据检测信号的时间特性不同，检测系统又可分为模拟量检测系统和数字量检测系统。

模拟量检测系统完成时间上连续、具有幅值意义的模拟信号的检测，而数字量检测系统完成时间上不连续、没有幅值意义的脉冲信号的检测。

3.1.2检测系统的基本特性在满足检测系统基本功能要求的前提下，应以技术上合理可行，经济上节约为基本原则，对设计的检测系统应提出基本要求。

（1）灵敏度及分辨率。

灵敏度S是检测系统的一个基本参数。

当检测系统的输入x 有一个微小的增量Δx时，引起输出y发生相应变化Δy，则称=（3-1）∆xS∆y为该系统的绝对灵敏度。

如一位移检测装置在位移变化1mm时，输出的电压变化为30mV，则其灵敏度为30mV/mm。

分辨率是检测系统对被测量敏感程度的另一种表示形式，它是指系统能检测到的被检测量的最小变化，如一个位移检测系统的分辨率为0.2mm，是指当位移变化小于0.2mm时，不能保证系统的输出在允许的误差范围内。

一般情况下系统灵敏度越高，其分辨能力就越强，而分辨率高也意味着系统具有高的灵敏度。

原则上说，检测系统的灵敏度应尽可能高一些，高灵敏度意味着它能“感知”到被检测对象的微小变化。

但是，高灵敏度或高分辨率系统对信号中的噪音成分也同样敏感，噪音也可能被系统的放大环节放大。

现代检测系统

第二类：并行口式虚拟仪器
最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。
1．虚拟仪器的内部功能测量仪器的内部功能可划分为：输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的显示四个部分。虚拟仪器也不例外，但是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。（1）信号采集与控制功能虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成的硬件平台，实现对信号的采集、测量/转换与控制的。硬件平台由两部分组成： 1、计算机可以是笔记本计算机、PC机或工作站； 2、仪器硬件：可以是插入式数据采集板（含信号调理电路、A ／D转换器、数字 I／O、定时器、D／A转换器等），或者是带标准总线接口的仪器，如 GPIB仪器、VXI仪器、RS－232仪器等)。
虚拟仪器的分类:
从技术发展的角度来看，虚拟仪器走的是两条技术路线：一条是向高速、高精度、大型自动测试设备（ATE）方向发展，即GPIB（1975） →VXI（1987）→PXI（1997）的发展路线；另一条是向高性能、低成本、普及型系统方向发展，即PC插卡（1987）→并口式（1995）→串口USB（1999）的技术路线。
虚拟仪器
开发和维护费用低
技术是更新周期短（0.5~1年）软件是关键价格低
传统仪器
开发和维护费用高

现代检测技术-图文

现代检测技术-图文第一章1、检测系统通常由哪几个部分组成？各类检测系统对传感器及信号调理电路的一般要求是？答：传感器要求准确性、稳定性、灵敏性、耐腐蚀性好、低能耗等。

信号调理要求能准确转换、稳定放大、可靠的传输信号，信噪比高、抗干扰能力要好。

2、试述信号调理和信号处理的主要功能和区别，并说明信号调理单元和信号处理单元通常由哪些部分组成？答：信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波，转换，滤波，放大等，以便检测系统后续处理或显示。

信号处理模块是自动检测仪表，检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和大脑相类似。

信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。

信号处理模块通常以各种型号的嵌入式微控制器、专用高速处理器（DSP）和大规模可编程集成电路，或直接采用工业控制计算机来构建。

第二章1、什么是绝对误差？什么是相对误差？什么是引用误差？答:（1）绝对误差是测量结果与真值之差，绝对误差＝测量值－真值（2）相对误差是绝对误差与被测量值之比，常用绝对误差与仪表示值之比，以百分数表示，相对误差＝（绝对误差／仪表示值）某100%（3）引用误差是绝对误差与量程之比，以百分数表示。

引用误差＝（绝对误差／量程）某100%仪表的精度等级是根据引用误差来划分的。

2、工业仪表常用的精度等级是如何定义的？精度等级与测量误差是什么关系？答：人为规定：取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器（系统）精度等级的标志，即用最大引用误差去掉正负号的数字来表示精度等级。

精度等级常用符号G表示。

0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七个等级是我国工业检测仪器（系统）常用精度等级。

检测仪器（系统）的精度等级由生产商根据其最大引用误差的大小并以选大不选小的原则就近套用上述精度等级得到。

3、已知被测电压范围为0~5V，现有（满量程）20V、0.5级和150V、0.1级两只电压表，应选用哪只电表进行测量？答：A表20某0.5/100=0.1B表150某0.1/100=0.15两者比较，通常选用A表进行测量所产生的测量误差较小。

《检测与过程控制》习题集

《检测与过程控制》习题集1、计算机控制系统的类型很多，其中最为典型的控制系统是哪四种？（0.2）答：DDC（直接数字控制系统）PCS（管控一体化系统）DCS（集散控制系统）FCS（现场总线网络控制系统）2、图1为某测控仪表的单片机共阳型LED数码管显示接口电路，软件采用动态扫描显示方式，试确定其显示十进制数码0～9的段码表。

（0.2）数字0 1 2 3 4 5 6 7 8 9段码表0X03 0X3F 0X4A 0X2A 0X36 0XA2 0X82 0X3B 0X02 0X223、何谓直接测量？何谓间接测量？什么情况下可采用间接测量方式？（1.1）答:直接测量：对被测量进行测量时，直接可以得到待测量的数值。

间接测量：用测量一个或多个与被测量有关的物理量，通过函数关系式计算出被测量的数值。

采用间接测量方式：在采用直接测量方式，直接测量不方便或直接测量误差大于情况下可采用采用间接测量方式4、一般检测系统是由哪几部分组成？其中的检测环节的主要设备有哪些？变换环节主要由什么电路构成？目前常用的硬件信号调理方法（模拟信号调理技术）有哪几些？（1.2）答：检测系统组成：检测环节、变换环节、显示环节检测环节的主要设备：敏感元件、传感器、变换器变换环节主要电路构成：信号调理电路组成硬件信号调理方法：测量电桥、信号放大、信号隔离、硬件滤波、v/f转换、v/i转换5、传感器的种类很多，从能量的角度出发，可将传感器划分为哪两种类型？（1.2）答：能量控制型传感器和能量转换型传感器6、何谓能量控制型传感器？何谓能量转换型传感器？（1.2）答：能量控制型传感器：指被测量的变化转换成电参数的变化，传感器需外加激励电源，才可将电参数的变化转化为电量的变化。

能量转换型传感器：可以直接将被测量的变化转换成电压、电流的变化，不需要外加激励电源。

7、变送器的输出目前通用的两种标准直流电流信号分别为多少mA？而变送器输出的标准空气压力信号为多少kPa？它们与被测参数的性质和测量范围有无关系？(1.2)答：两种标准直流电流信号：4~20mA和0~10mA变送器输出的标准空气压力信号：20~100kPa它们与被测参数的性质和测量范围无关8、检测仪表按信号的输出（显示）形式可分为哪几类？(1.3)答：模拟式仪表和数字式仪表9、根据被测参数的不同，检测系统按被测参数可分为哪几类？(1.3)答：机械参数、电气参数、过程参数等10、检测系统按照仪表使用的能源类型不同可分为哪几类？(1.3)答：机械式仪表检测系统\电动式仪表检测系统\气动式仪表检测系统和光电式仪表检测系统11、检测系统的基本特性是指什么？其基本特性包括哪两类？（1.4）答：基本特性：检测系统的输出与输入的关系；其基本特性包括：静态特性和动态特性12、什么是检测系统的静态特性？工程上常用哪几个指标来衡量仪表或系统的静态特性的品质？（1.4）答：检测系统的静态特性：当系统输入量不随时间变化时，输出与输入之间的关系。

现代监测技术.第二章(二)

四、监测系统的构成
信号检出信号检出 ┇ 信号检出信号转换处理显示信号转换信号转换处理显示处理显示
接口总线
存储显示分析监控判断决策
信号检出：功能 --- 将被测信号的转换为电信号的变化器件 --- 传感器（sensor, transducer）信号转换：功能 --- 将传感器的输出信号转换为便于处理的形式器件 --- 信号调理电路（signal conditioning circuit）处理显示：功能 --- 分析、处理、显示
非接触式测温具有以下特点：（1）由于被计量物体与计量温度元件不直接接触，所以可用来计量较高温度，理论上辐射计量温度的方法是无上限的。实际上，亮温法、色温法或全辐射法的计量温度上限常在4000K左右。光谱法往往可计量到几万开，甚至几十万开。
（2）间接计量温度方法中常采用光电元件作为接收器，其响应时间可达到毫秒级或微秒级。（3）可对物体温度场进行快速扫描，能给出精细的热图像和物体的温度分布。（4）可计量热容量小的物体，如金属薄片等。间接计量温度的方法不会干扰被计量对象的原来热状态，更不会引起温度场的畸变，因此它的示值能够反应实际热状态。
2.2.2 热电偶
(1) 工作原理: 两种不同导体构成闭合回路两个节点（1、2）温度不同热电势
接触电势：不同导体→自由电子密度不同→扩散→电势 k-波尔兹曼常数 e-电子电荷 kT N A E AB (T ) ln NA,NB-导体AB的自由电子密度→材料 e NB T-节点绝对温度温差电势：同一导体→两端温度不同→电子迁移（高→ 低） →电势
其它环节：通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、· · · · · · ) 存储、监控、决策

检测系统的基本特性

5、线性度eL
eL

Lmax yF .S .
100%
Lmax ――检测系统实际测得的输出－输入特性曲线（称为
标定曲线）与其拟合直线之间的最大偏差
yF .S. ――满量程（F.S.）输出
§1 静态特性及性能指标
注意：线性度和直线拟合方法有关。最常用的求解拟合直线的方法：端点法、最小二乘法
a. 端基线性度图1-3 线b性.度最小二乘线性度
其直灵线敏的度斜就率越越高大
， S S1S2S3
§1 静态特性及性能指标
3、分辨力与分辨率
分辨力：指能引起输出量发生变化时输
入量的最小变化量，表明测试装置分辨
输入量微小变化的能力。以最小单位输水平型杠杆百分表
出量所对应的输入量来表示。
xmi n
分辨率：是分辨力与满量程的百分比，
§2 动态特性及性能指标
动态测量：测量过程中被测量随时间变化时的测量
动态特性――检测系统动态测量时的输出－输入特性
常用实验的方法：频率响应分析法――以正弦信号作为系统的输入瞬态响应分析法――以阶跃信号作为系统的输入
§2 动态特性及性能指标
一、传递函数线性系统的微分方程（数学模型表达式）
§1 静态特性及性能指标
思考：举出提高传感器线性度的3种方法，说明其工作原理。
三种方法：差动法，串联一非线性环节与传感器非线性抵消，插值法。
1.差动法：
Y1( X ) a0 a1X a2 X 2 L an X n Y2 ( X ) a0 a1X a2 X 2 a3 X 3 L
b1s b0 a1s a0
令s j
s j

检测技术第二章测试系统特性

二、线性系统的性质
●叠加性：x1(t),x2(t)引起的输出分别为 y1(t),y2(t)
如输入为 x1(t)x2(t)则输出为 y1(t)y2(t)
●比例特性（齐次性）:如 x ( t ) 引起的输出为 y ( t ) ，
则 a x ( t ) 引起的输出为a y ( t ) 。
●微分特性： d x ( t ) 引起的输出为 d y ( t )
H (s) Y (s) X (s)
dnyt
dn1yt
an dtn an1 dtn1
a1dydtta0yt
dmxt
dm1xt
bm dtm bm1 dtm1
b1dxdttb0xt
输入量
x(t)
((b ba am m n nS S S Sm m n n a a b bm m n n 1 11 1S SS Sn nm m 1 11 1
静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。
1）基本功能特性
① 测量范围（工作范围）（Range）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围。是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。
示值范围：显示装置上最大与最小示值的范围。标称范围：仪器操纵器件调到特定位置时所得的
示值范围。
动态测量—— 被测量本身随时间变化，而测量系统又能准确地跟随被测量的变化而变化
例：弹簧秤的力学模型
二、测试系统的动态响应特性
无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。
x(t)
h(t)
y(t)
输入量
系统特性
输出
则线性系统的频响函数为：

现代检测技术及应用习题和思考题答案

习题和思考题参考答案第一章1. 试举例说明某种检测仪器在过去一百年里的变迁以及未来的发展趋势。

2. 举例说明现代检测技术在某个行业的应用。

3. 检测技术和基础科学创新具有什么关系？试举一例说明两者之间的依赖关系。

4. 检测系统由哪几个部分组成？各部分的功能是什么？答：检测系统由传感器、信号采集处理电路、显示/输出单元组成。

传感器把被测量转化成模拟或数字电信号。

信号采集处理电路对传感器输出信号进行处理，如果是模拟信号则通过信号调理电路进行滤波、转换、放大然后通过模数转换器件转换成数字信号，如果是数字信号则可以直接读入寄存器或微处理器，然后在微处理器里进行数字信号处理。

显示/输出单元用以显示或输出检测系统的测量结果。

5. 自动化系统里一定包含检测装置吗？检测装置对自动化系统具有什么作用？答：自动化系统不一定包含检测装置，比如一些开环控制系统，定时控制系统就不需要检测装置。

检测装置一般用来直接或间接检测自动控制系统的输出量，然后反馈给控制器对受控量进行调整。

6. 智能化系统里是否一定包含检测装置？检测装置的作用是什么？答：智能化系统都包含了检测装置，因为智能化控制需要根据检测装置的反馈才能进行智能控制。

检测装置用来感知被控对象或所处环境的各种变量，控制器根据这些变量的大小对物理对象进行智能控制。

7. 现代检测技术具有哪些发展趋势？答：集成化、智能化、网络化、拓展并创新面向极端环境/极限测量任务的新型检测技术和方法。

第二章1.检测系统的静态特性指标有哪些？答：检测系统的静态特性指标主要有量程、灵敏度、线性度、迟滞误差、重复误差、精度等级等。

2.什么是不失真测量？不失真测量对检测系统的频率特性有什么要求？答：不失真测量是指检测系统的输出信号与输入信号波形一致，虽有时间上的延迟但没有任何波形差异。

要做到不失真测量，在输入信号的频率范围内，检测系统的幅频特性应该为常数，相频特性为一条直线。

3.有一压力传感器，测量压力范围为0 ~100 k Pa，输出电压范围为0 ~1000mV, 实测某压力值，传感器输出电压为512mV，标准传感器的输出电压为510 mV。

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1）PC仪器佳策系统的基本形式框图
（a)传感器（b) 信号调整（变送器，转换器）
作用：对信仪器卡）
功能 ①由衰减器和增益可控放大器→进行量程自动改换； ②通过多路切换开关→完成多点多通道信号的分时采样；时间连续信号X（t) 离散的时间序列X（n) ③将信号的采样值由A/D转换器→变为数字量。
四、微机化仪器及其自动检测系统
自20世纪70年代微处理器问世以来，微计算机技术发展很快，在其影响下，检测仪器呈现出了新的活力并取得迅速的进步，相继出现了智能仪器，pc仪器（系统）和虚拟仪器（系统）等崭新的微机化仪器及其自动检测系统。从利用微机功能的方式数量来看，可将近二十年检测仪器的发展分为三个阶段：
另外，在检测控制方式下，改换仪器功能并不需要更换硬件，仅改变软件就可实现以上功能，这是传流仪器不能达到的。软件实现的数字化仪器的自动化程度很高。
(b）智能仪器对检测数据具有很强的处理能力
智能仪器对检测的数据能快速在线进行处理，采用软件方式处理可执行多种算法，既可实现各种误差的计算与补偿，且能校准检测仪器的非线性，从而降低检测误差，提高检测精度。
（d）计算机是系统的神经中枢，它使整个检测系统成为一个智能化的有机整体。它在
软件的程序命令下自动进行： ①信号采集与存储；②数据的运算与分析；③以适当形式输出，显示，记录检
测结果。早期PC仪器→是利用PC机的内部总线，将仪器卡插入PC内部或外部扩展
箱内。如图
仪器系统中：
①智能仪器(在传统仪器基础上增加微处理器，增强其功能) ②pc仪器（微机化仪器） ③虚拟仪器（总线仪器系统）
1、智能仪器的特点与基本结构
智能仪器——内置微机或微处理器，具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作的智能性能。
具有检测准确度高，灵敏度高，可靠性好，自动化程度高等特点。由于微机进入了仪器内部，将计算机技术移值，渗透到仪器仪表技术领域，这样使智能仪器具有很多优秀的特点。
2）输入阻抗高
数字表输入阻抗可高达1000M以上，基本上不取电流，消耗被测信号的功率极小，也就是对被测电路工作状态的影响很小。
3）灵敏度高
如现代的积分式数字电压表的分辨率可达到1以下。
4）数字形式显示
显示方便，无读数误差。
5）检测速度快
1秒钟可测量多次，有的可高达1秒钟上万次的检测速度，而模拟表测一次需要几秒。
例如：可做到：①自稳零放大；②自动极性判断；③自动量程切换； ④自动报警；⑤过载自动保护；⑥非线性补偿；⑦多功能检测（多点巡回检测）等。
原因：检测仪器功能不断增加，仪器硬件负担越来越重，仪器结构越来越复杂，体积质量增大，成本上升，要继续发展就比较困难，所以就引入微机或微处理器使检测过程改为软件控制，使仪器的硬件结构变得简单，实现了简单人机对话、自检、自诊断、自校准、CRT显示、打印输出及绘图。
（C）智能仪器多功能化
检测功能；多参数检测，各种显示各能；
控制功能；管理功能；通信功能；
２、PC仪器系统（模块式仪器）
把传统式独立仪器中的（由生产厂家定义的、一般用户无法改变的）检测电路部分和接口部分集合在一起——制成仪器卡。
仪器中所需要的键盘、CRT、存贮器——用PC计算机。
一般PC仪器自动监测系统组成：（1）不同功能的仪器卡（2）插卡机箱（3）微机
是智能仪器与其他仪器（微机）相互联系的一种公共接口总线已被国际电器与电子工程师协会（ IEEE）定为通用的外部接口总线标准IEEE—488，称为IEEE—488接口总线。该总线应用很广泛，通过它可以把多台仪器连接起来。
2）智仪器的特点
（a）检测过程控制的软件化
用软件方式控制检测过程，在模拟仪表中一般是通过硬件（电子线路或器件）才能完成的作用。
6）检测过程自动化
无论是对被测信号的极性判断，量程选择，结果显示和记录，还是送至计算机做运算处理，都可自动进行。
7）操作简单使用人员无需经过特殊训练，即可用数字表完成检测工作。
缺点：
1）数字表由于采用了大量的电子元件，其结构比模拟式指示仪表复杂得多，可靠性有待进一步提高。
2) 不便于观察动态过程，不直观。 3) 价格较贵。 4) 需要高水平的技术人员维修。
3、数字式检测仪表及检测
将被测参数（对象）离散化，数据处理后以数字形式显示的仪表——
数字式仪表。
被测量
传感器
变送器模拟量 A/D
显示
特点
数字技术的引入，使检测技术领域得以扩大，随着电子技术与计算机技术的飞速发展，数字式仪表与数字检测技术获得了迅速的发展。
从模拟向数字，从单一通道向综合的多通道检测发展，从单个仪表向检测信息系统过渡，将各种电学量和非电学量变换成流量（如：时间、频率、直流电压）后进行检测，是近几十年来检测技术发展的主要趋势。
1）智能仪器的原理结构
[说明] ①CPU—中央处理单元，是智能仪器的核心，指挥整个检测系统运转，通过
内部总线与外设相连（接口电路、输入/出通道、仪表面板、内存等）。 ②内存—EPROM（只读存储器）、RAM（读写存储器）保存监控程序、应用程
序、数据等。 ③RS-232C—串行通信接口总线，与微机或其他外部仪器设备连接。 ④GPIB—通用接口总线（General Purpose Interface Bus)
由于智能仪器对检测结果能再加工，从而能提供表征被检测对象各种特征的信息参数，如，在模式识别、语音分析、故障诊断、生物医学信号检测等方面应用智能信号分析仪器，不仅可实时采集时域信号波形在CRT复现，且能将其在CRT上做时间轴方向的展开或压缩，还可计算信号的有效值，平均值、最大值、最小值，也能对采集的信号进行滤波和频谱分析。
检测技术对数字仪表提出了越来越高的要求。同时，数字表的不断更新又促进检测技术水平的提高。随着检测技术的发展和进步，数字仪表表现出了准确度高，灵敏度高，体积小，质量轻，耗能低，检测参数广，量值范围宽等特点。
优点：
1）准确度高
数字表可以做到±0.0001%，模拟表最高只能达到±0.1%～0.05%