自动检测概要

绪论检测系统的组成：传感器（非电量--------电量）测量电路（微弱电量----较强电信号）输出单元：显示记录装置（可能远程输出）功能•传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系、且便于应用的某些物理量（通常是电量）的检测装置。•检测电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。•输出单元：指示仪、记录仪（为自动检测系统）、累加器（自动计量系统）、报警器（自动保护系统或自动诊断系统）、数据处理电路（部分数据分析系统）等。•传感器是指以一定精确度把被测量（主要是非电量）转换为与之有确定关系、便于应用的物理量的测量装置•传感器的输出量通常是电信号，它便于传输、转换、处理、显示等。电信号形式：电压、电流、电容、电阻等•传感器又称为敏感元件、检测器件、转换器件等一.传感器的定义传感器的组成按其定义一般由敏感元件、转换元件、信号调理转换电路三部分组成•敏感元件：是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分•转换元件：是指传感器中能将敏感元件输出转换成电参数。•转换电路：电参数转换成电量输出。由于传感器输出信号一般都很微弱，一般需要进行信号调理与转换、放大、运算与调制之后才能进行显示和参与控制。二.传感器的组成及功能一.测量误差的基本概念•测量误差：用测量器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量的实际值（或真值）之间的差值•系统误差：在同一条件下，多次测量同一量值时绝对值和符号保持不变，或在条件改变时按一定规律变化的误差•随机误差：在同一条件下，多次测量同一量值时绝对值和符号随机变化•粗大误差：超出规定条件下的误差系统误差出现的原因：检测装置不完善、测量方法不完善、操作使用不当、环境影响等。消除系统误差的方法：实验、分析、找原因、总结规律、修正。系统误差的大小表明多次测量结果距离真值的准确度，有确定规律的系统误差越小，准确度越高。随机误差出现的原因：测量过程中一些独立、微小、偶然因素的综合结果。随机误差不可避免。消除随机误差的方法：利用概率理论和统计学的方法，分析随机误差的分布特性，减小误差的影响。（多次测量求平均值）随机误差的大小表明多次测量结果重复一致的程度，称为精密度，当测量结果分散时，当测量结果集中，重复性好时，则认为精密度高。准确度＋精密度＝测量精确度（精度）精度：测量结果与真值接近程度的量。（1）准确度：反映测量结果中的系统误差的影响程度；（2）精密度：反映测量结果中的随机误差的影响程度；（3）精确度：反映测量结果中的系统误差和随机误差的综合影响程度；精密度高的准确度不一定高；准确度高的精密度不一定高；精确度高则准确度高，精密度高a．规律性系统误差小准确度高。结果分散性大随机误差大精密度低。b．规律性系统误差大准确度低。结果重复性好随机误差小精密度高。c．规律性系统误差小准确度高。结果重复性好随机误差小精密度高。一.静态特性（被测量值已经达到稳定状态时，传感器的输出与输入的特性）被测非电量：静态量和动态量1.静态量：不随时间变化的信号或变化极其缓慢的信号2.动态量：周期信号、瞬变信号、随机信号静态特性指标主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等线性度：传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度灵敏度：输出变化与输入变化的比值。相当于放大倍数。(分辨率：输入量最小增加多少，能被测量出来。)迟滞：正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合重复性：是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度零点漂移：传感器无输入时，每隔一段时间读数，其输出偏离零值。温度漂移：温度变化时，传感器输出值的偏离程度传感器的动态特性分类：瞬态响应法（时域）和频率响应法（频域）•瞬态响应特性对于正弦输入信号,传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号,则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。瞬态响应特性指标（1）时间常数τ一阶传感器时间常数τ越小,响应速度越快。（2）响应时间ts传感器从阶跃输入开始进入稳态值所规定的范围内所需的时间。（3）上升时间tr传感器输出达到稳态值的90%所需时间。（4）峰值时间tp阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。（5）延时时间传感器输出达到稳态值的50%所需时间。（6）超调量传感器输出超过稳态值的最大值与稳态值的百分比。一阶传感器的超调量为零。传感器频率响应特性指标（1）频带（2）时间常数（3）固有频率•标定：在明确输入——输出变换对应关系的前提下，利用某种标准或标准器具对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定和标度。•校准:是指对传感器在使用中和储存后进行的性能复测。第四节传感器的标定和校准第二章电阻式传感器原理与应用电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。（1）电阻式应变片（2）压阻式（3）热电阻式测量参数：形变、压力、力、位移、加速度、温度应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。一、金属的应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。取一根长度为L，截面积为S，电阻率为ρ的金属丝，未受力时其电阻R为ALR2.1.1金属电阻应变片的工作原理FΔl、ΔA、ΔρΔR2.1.2应变片的温度误差补偿1.应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有以下两方面。1)电阻温度系数的影响2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响2.电阻应变片的温度补偿方法1)电桥补偿2)热敏电阻补偿3）应变片的自补偿（书上有，老师PPT无）2.1.3电阻应变片的测量电路作用：将电阻的变化转换为电压输出。一、直流电桥空载电压：直流电源U输出电压DBCBCDUUUU0443221RRRURRRUURRRRRRRRU))((432132410R’直流电桥交流电桥3241RRRR直流电桥平衡条件：•1）若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不一致，输出电压为两者之和。•2）若相对两桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之和，反之为两者之差。•3）电桥的供电电压U越高，输出电压越大，但太大则电流也大，传感器会出现蠕变和零飘。•4）增大灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。•**合理利用上述特性，可进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度。xyK二、非线性误差及其补偿当时,电桥的输出电压与应变成线性关系，否则成非线性关系。，RRi相对非线性误差是：KUU211'00为了消除非线性误差，实际应用中，采用半桥差动或全桥差动电路，改善非线性误差和提高输出灵敏度。半桥差动电路：(一个受拉，一个受压）全桥差动电路：RRUUKU2)(4210RRUU0半桥差动电路不仅消除非线性误差，使输出灵敏度提高一倍，同时起温度补偿作用与单臂应变相比，灵敏度扩大4倍！R1R2F2.1.4、电阻应变式传感器的应用测量参数：形变、压力、力、位移、加速度、温度应用：（一）、测力与称重传感器（二）、压力传感器（三）、加速度传感器（低频10~60HZ应用广泛）（四）、位移传感器二、压力传感器补偿片工作片膜片应变片插座压力敏感（弹性）元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等第二节压阻式传感器--------半导体传感器压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。半导体压阻式传感器分类①粘贴式应变片②扩散硅型压阻传感器特点：灵敏系数大，分辨率高，动态响应快，体积小，温度范围宽，便于批量生产，易于集成化、智能化（优点）。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿（缺点）。第三章变阻抗式传感器原理及应用变阻抗式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成线圈电感量（自感或互感）、电容量等的变化，再经过转换电路变成电信号输出。（1）自感式传感器（2）差动变压器（3）电容传感器（4）电涡流传感器（5）压磁式传感器利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分辨率低，反之则高。第一节自感式电感传感器分类：1.变间隙型2.变面积型3.螺线管型4.差动型线圈电感算式：W--------线圈匝数。Rm-------磁路总磁阻。mRWL2电磁感应被测非电量自感L互感M测量电路U、I、f由线圈、铁芯和衔铁三部分组成AAlAlRm02221112AAlAlWRWLm0222111222磁路总磁阻：故：可以看出，改变气隙厚度δ或气隙截面积A都会导致自感系数变化。因此自感式传感器又可分为变气隙厚度δ和变气隙面积A的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度的自感式传感器。•结论：变间隙型自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，变间隙型自感传感器适用于测量微小位移。为了减小非线性误差，实际测量中采用差动变隙式自感传感器•结论：差动变隙式自感传感器，改善了灵敏度及线性度•相敏检波电路中：电压表读数大小反映衔铁的位移；电压表极性反映移动方向。•使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：①线性好；②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；③温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。第二节差动变压器（概念）差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。差动变压器结构形式：有变隙式变面积式螺线管式等电磁感应被测非电量自感L互感M测量电路U、I、f差动变压器运行中存在的问题：零点残余电压：由于差动变压器无法做到两个副边的感应电动势完全对称，所以即使没有位移输入，电路也会输出一定的电动势△U0。零点残余电压产生原因：(1)传感器的两个次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，(2)磁性材料的非线性,产生高次谐波不同，不能互相抵消。减小零点残余电压的方法：1.从制造工艺上减小残余电动势。2.采用拆圈实验方法，使两个次级绕组的等效参数相等。3.采用补偿电路,调整元件参数,消除残余电动势。零点残余电压的危害（一般在几十毫伏以下）：造成零点附近的不灵敏区；限制分辨率的提高，影响线性度，使放大器饱和阻塞有用信号。并联电阻：消除基波正交分量；并联电容：消除高次谐波；串联电阻、并联电容：消除基波同相成分。1.力和力矩的测量2.微小位移的测量3.压力测量4.加速度传感器差动变压器应用第三节电容式传感器分类：1.变面积式电容传感器2.变极距式电容传感器3.变介电常数式电容传感器一、电容传感器工作原理0rSSCdddSε电容式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电容量的变化，再经过转换电路变成电信号输出。应用：测量压力、力、位移、振动、液位等参数*采用差动结构可提高灵敏度（提高一倍）和改善非线性三、电容式传感器的特点和设计要点1、特点电容传感器与电阻、电感等传感器相比的优点：（1）温度稳定性好（2）结构简单，适应性强（3）动态响应好（4）可实现非接触测量主要缺点：（1）输出阻抗高，负载能力差（2）寄生电容影响大2、设计要点（1）减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能（2）消除和减小边缘效应（3）消除和减小寄生电容（4）采用差动结构，减小非线性误差，提高灵敏度第四节电涡流式传感器原理置于变化磁场中的块状金属导体或在磁场中