自动检测的基础知识

第一章自动检测的基础知识1.1检测的基本概念1.2传感器的组成、分类及基本特性1.3常用弹性敏感元件1.1检测的基本概念检测概念：检测是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各个方面的有关信息通过检查与测量的方法赋子定性分析或定量计算的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。检测的意义：检测技术是现代化领域中很有发展前景的技术，它在国民经济中起着极其重要的作用，是产品检验和质量控制的重要手段。下一页返回1.1检测的基本概念1.测量及测量方法测量是借助于专门的技术与设备，采用一定的方法，取得某一客观事物定量数据资料的认识过程。测量方法，从不同的角度出发有不同的分类方法。1）静态测量和动态测量2）直接测量与间接测量3）模拟式测量和数字式测量4）接触式测量和非接触式测量5）在线测量和离线测量上一页下一页返回1.1检测的基本概念2.测量误差在检测过程中，被测对象、检测系统、检测方法和检测人员都会受到各种因索的影响。而且，对被测量的转换有时也会改变被测对象原有的状态信息，这就造成了检测结果（测量值）与真值之间存在一定的差值，这个差值就称为测量误差。测量误差的主要来源可以概括为工具误差、环境误差、方法误差和人员误差等。所谓真值，是指在一定条件下被测量客观存在的实际值。真值有理论真值、约定真值、相对真值之分。上一页下一页返回1.1检测的基本概念3.测量误差的分类为了便于对误差进行分析与处理，人们通常对测量误差从不同的角度进行分类。按照误差的表示方法，可分为绝对误差和相对误差；按照误差出现的规律，可分为系统误差、随机误差和粗大误差；按照被测量与时间的关系，可分为静态误差和动态误差等。上一页下一页返回1.1检测的基本概念3.测量误差的分类1）绝对误差与相对误差绝对误差△是指测量值Ax与真值A0，之间的差值。公式为：绝对误差是有符号和单位的量，其单位与被测量相同。绝对误差越小，说明测量值越接近真值，即测量精度越高。这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不能说明不同值的测量情况。相对误差可以准确反映出测量值偏离真值的程度。相对误差用百分数来表示，一般多取正值。0AAx上一页下一页返回1.1检测的基本概念相对误差可分为实际相对误差、示值相对误差和满度相对误差等。实际相对误差示值相对误差满度相对误差:对于测量下限为零的仪表对于测量下限不为零的仪表%10000A%100xxA%100MMA%100MMAS上一页下一页返回1.1检测的基本概念2)系统误差、随机误差和粗大误差系统误差在相同的条件下，多次测量同一量时，误差的大小和符号保持不变或按照一定的规律变化，这种误差称为系统误差。系统误差又称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。系统误差是有规律性的，一般可以通过实验的方法或引人修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件子以消除。上一页下一页返回1.1检测的基本概念随机误差在相同的条件下，多次测量同一量时，误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。随机误差的大小表明测量结果重复一致的程度，即测量结果的分散性。随机误差是测量过程中许多独众的、微小的、偶然的因素引起的综合结果，是不可避免的，既不能用实验的方法消除，也不能修正。上一页下一页返回1.1检测的基本概念粗大误差明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及测量仪器受到突然强大干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。一般发现粗大误差，都子以剔除。上一页下一页返回1.1检测的基本概念3）静态误差和动态误差当被测量不随时间变化或变化很缓慢时，所产生的误差称为静态误差。当被测量随时间迅速变化时，输出量在时间不不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。动态误差是在动态测量时产生的，动态测量的优点是检测效率高和环境影响小。上一页下一页返回1.1检测的基本概念1.1.2自动检测系统的组成在自动检测系统中，各组成部分通常以信息流来划分，主要包括信息的获取、转换、显示和处理。一个完整的自动检测系统，主要由传感器、信号处理电路、数据处理装置、记录显示装置、执行机构等五部分构成，其组成框图如图1-1所示。上一页下一页返回1.1检测的基本概念1）传感器传感器的作用是把被测的物理量转变为电参量，是获取信息的手段，是自动检测系统的首要环节，在自动检测系统中占有重要的位置。2）信号处理电路信号处理电路的作用把传感器输出的电参量转变成具有一定驭动和传输功能的电压、电流和频率信号，以推动后续的记录显示装置、数据处理装置及执行机构。3）记录显示装置记录显示装置是把信号处理电路转换来的电信号进行记录、显示，便于人机对话。上一页下一页返回1.1检测的基本概念4）数据处理装置数据处理装置的作用是把信号处理电路转换来的数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换等，对动态测试的结果进行分析。5）执行机构执行机构通常是指各种继电器、电磁铁、电磁阀、伺服电动机等，它们在电路中起通断、控制、保护、调节等作用。上一页下一页返回1.1检测的基本概念1.1.3自动检测技术的发展趋势利学技术特别是微电子技术和微型计算机技术的迅猛发展与普及，为传感器与检测技术的发展创造了条件。目前，在研究最大限度地提高现有检测系统的精确度、灵敏度、性价比、可靠性，扩大检测范围的同时，还应寻求传感检测技术发展的新途径，主要表现在以下两个方面。一、不断研究、开发新型传感器1）利用新材料研制新型传感器2）采用新原理研制新型传感器3）利用新的加工工艺研制新型传感器上一页下一页返回1.1检测的基本概念二、检测技术的集成化、智能化、网络化1）随着半导体集成电路技术的发展，电子元件的高度集成化大量向检测技术领域渗透。2）随着20世纪70年代微处理器的出现，人们迅速将计算机技术应用到检测技术中，出现了带有微处理器的各种智能化仪表。3）随着微电子技术的发展，现在已经可以将十分复杂的信号处理和控制电路集成到单块芯片中去。总之，检测技术的发展适应厂国民经济发展的迫切裔要，是一门充满希望和活力的新兴技术，已经取得厂十分瞩目的成就，今后还将有更大的飞跃。上一页返回1.2传感器的组成、分类及基本特性传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。常用传感器的输出信号多为易于处理的电信号，如电压、电流和频率等。传感器是自动检测系统的重要组成部分，是自动检测系统获取信息的重要手段。1.2.1传感器的组成传感器一般由敏感兀件、传感元件及测量转换电路三部分构成，其组成框图如图1-2所示。下一页返回在图1-2中，敏感元件是传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感兀件转换成与被测量有确定关系、易于转换的非电量；传感元件是将敏感元件输出的非电量转换成电参量；测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量（电压、电流或频率）。应当指出，不是所有的传感器都有敏感兀件、传感兀件之分，有些传感器是将两者合二为一的，如图1-3所示。1.2传感器的组成、分类及基本特性下一页返回上一页1.2.2传感器的分类1）按被测量分类可分为位移、力、力矩、转速、震动、加速度、温度、压力、流速、流量等传感器。2）按测量原理分类可分为电阻、电容、电感、热电偶、压电、超声波、红外线、激光、光栅、磁栅等传感器。3）按传感器转换能量供给方式分类可分为能量变换型（发电型）传感器和能量控制型（参量型）传感器。4）按传感器工作机理分类可分为结构型传感器和物性型传感器5）按输出量的种类分类可分为模拟式传感器和数字式传感器1.2传感器的组成、分类及基本特性上一页下一页返回传感器的基本特性传感器的基木特性是衡量传感器工作状态好坏的标准，主要是指输出与输入之间的关系，分静态特性和动态特性。静态特性静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时，即被测量各个值处于稳定状态时的输出与输入之间的关系。1）线性度传感器的线性度表示的是传感器输出与输入之间关系的线性程度。如图1-4所示为非线性最大偏差，为输出范围。%100minmaxmaxyyLL上一页下一页返回maxLminmaxyy1.2传感器的组成、分类及基本特性2）灵敏度传感器的灵敏度是指传感仪器在稳态下的输出变化量与引起此变化的输出变化量的比值。公式为：对于线性传感器，它的灵敏度是常数，其灵敏度就是特性曲线的斜率；对于非线性传感器，其灵敏度为一变量。灵敏度特性曲线如图1-5所示。上一页下一页返回xydxdyK1.2传感器的组成、分类及基本特性3）迟滞传感器的迟滞是指传感器的正向（输入量增加）特性曲线与反向（输入量减少）特性特曲线的不一致性。也就是说，刘于同样大小的输入量，在正、反特性中，往往对应两个大小不同的输出量，如图1-6所示。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷造成的。输出最大差值与满量程输出之比的百分数就是传感器迟滞的大小。公式为：上一页下一页返回%100maxPSHyH1.2传感器的组成、分类及基本特性4）重复性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特性曲线的不一致的程度。其特性曲线如图1-7所示。重复性误差属于随机误差，通常取正、反行程中的最大重复性偏差与满量程输出的百分比。用公式表示为：5)稳定性稳定性包括稳定度和环境影响量两个方面稳定度是指传感器在所有条件都不变的条件下，能在规定时间内维持其示值不变的能力。环境影响量是指由于外界环境变化而引起的示值变化量。上一页下一页返回%100maxPSRyR1.2传感器的组成、分类及基本特性6）分辨率与分辨力辨率与分辨力都是用来表示传感器能够检测到的最小量值的性能指标。分辨率是以最大量程的百分数来表示的，是一个比率量；而分辨力是以最小量程的单位来表示的，是一个有量纲的量。动态特性动态特性是指输入量随时间变化的响应特性。在实际工作中，传感器的动态特性通常可用实验的方法求得。上一页返回1.2传感器的组成、分类及基本特性1.3常用弹性敏感元件弹性敏感元件在非电量测试技术中占有极为重要的地位。其输入量可以是力、压力、力矩、温度等物理量，而输出则为弹性元件本身的弹性形变。弹性敏感元件是影响传感器的基木特性的重要部件，弹性敏感元件能把某些形式的非电量转换为电参量，然后由各种传感元件传递给测量与转换电路，经测量与转换电路把电参量转换为电量。1.3.1弹性敏感元件的定义及基本要求物体在外力作用下而改变形状或尺寸称为形变，如果在外力撤除后能完全恢复其原有的形状或尺寸，那么这种变形称为弹性形变。具有弹性形变的元件称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。下一页返回1.3常用弹性敏感元件根据弹性元件在传感器中的应用，对其提出了一些基本要求。具体如下：1）具有良好的机械加工特性（如强度大、抗冲击强、韧性好等）和良好的热处理性能。2）具有良好的弹性特性（如弹性大、弹性滞后小等）。3）弹性模量的温度系数小且稳定。4）线性膨胀系数小且稳定。5）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能好。弹性敏感元件的材料种类很多。一般使用合金钢，有时也用碳钢和铜合金等，上一页下一页返回1.3常用弹性敏感元件1.3.2弹性敏感元件的形式及应用弹性敏感元件在形式可分成两大类：变换力的弹性敏感元件和变换压力的弹性敏感元件。1）变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。①等截面轴。等截面轴又称柱式弹性敏感元件可以是实心柱体或空心柱体，如图1-8所示。实心等截面轴在力的作用下的位移很小，因此常用它的应变作输出量。主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可以承受的载荷大，缺点是灵敏度小。上一页下一页返回1.3常用弹性敏感元件②环状弹性敏感元件。环状弹性敏感元件多做成等截面圆环，如图1-9所示。等截面圆环，如图1-9（a）、（b），