第一章 检测技术的基础知识

第一章检测技术的基础知识本章主要介绍检测技术的基本概念、测量中误差的处理方法以及传感器的基本特性。1.1检测技术的基本概念1.1.1检测技术检测技术：以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。任务：寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者间的定性、定量关系；从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等的方法和相应的设备。1.1检测技术的基本概念1.1.2自动检测系统自动检测系统是自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号等诸系统的总称。他的组成如图1.1.1所示。1.1检测技术的基本概念1.1.3传感器定义：是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。含义：（1）传感器是测量装置，能完成信号的获取任务；（2）它的输入量是某一被测量；（3）它的输出量是某种物理量，这种物理量要便于传输、转换、处理、显示等；（4）输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。传感器的组成功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。传感器的分类1.2测量方法按测量手续分直接测量、间接测量和联立测量；按测量方式分偏差式测量、零位测量和微差式测量。1.2.1直接测量、间接测量与联立测量一、直接测量在使用测量仪表进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算，就能直接表示测量的结果称为直接测量。二、间接测量在使用仪表测量时，首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进行测量，将测需的结果，称这种测量为间接测量。三、联立测量在使用仪表进行测量时，若被测物理量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果，称这种测量为联立测量。1.2测量方法1.2.2偏差式测量、零位式测量与微差式测量一、偏差式测量用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的方法，称为偏差式测量法。这种测量方法过程比较简单、迅速，但精度低，广泛用于工程测量中。二、零位式测量用指零仪表的零位指示检测系统的平衡状态，在系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量。这种测量方法精度较高，但过程比较复杂，不适于测量变化迅速的信号。三、微差式测量综合了偏差式测量法和零位式测量法的优点而提出的测量方法，它是将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值后，用偏差法测得此值。优点是反应快、精度高，适用于在线控制参数的检测。1.3测量误差1.3.1误差的基本概念及表达式一、绝对误差二、相对误差通常用于衡量测量的准确程度，相对误差越小，准确程度越高。三、引用误差我国电工仪表分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，及5.0。工业自动化仪表的精度等级一般在0．2～4．0级之间。选用仪表时，一般使其最好能工作在不小于满刻度值2/3的区域。1.3测量误差1.3.2误差的分类与来源一、系统误差在相同的条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或在条件改变时，与某一个或几个因素成函数关系的有规律的误差，称为系统误差。它产生的主要原因是仪表制造、安装或使用方法不正确，也可能是测量人员一些不良的读数习惯等。二、随机误差服从统计规律的误差称随机误差，又称偶然误差。误差产生的原因很复杂，所以不能用修正或采取某种技术措施的办法来消除。应该指出，在任何一次测量中，系统误差与随机误差一般都是同时存在的，而且两者之间并不存在绝对的界限。三、粗大误差是一种显然与实际值不符的误差。1.3测量误差1.3.3系统误差和随机误差的表达式1.3.4基本误差和附加误差一、基本误差简单地说，测量仪器在额定条件下工作时所具有的误差，称为基本误差。如电源电压、温度、湿度等。二、附加误差当使用条件偏离标准条件时，传感器和仪表必然在基本误差的基础上增加了新的系统误差，称为附加误差。如温度附加误差、电源电压波动附加误差等。1.3.5测量误差的估计和校正测量误差中包括系统误差和随机误差，由于它们的性质不同，对测量结果的影响及处理的方法也不同。1.3测量误差一、随机误差的影响及统计处理二、系统误差的发现与校正1、系统误差的发现与判别发现系统误差的常用方法如下：（1）实验对比法（2）剩余误差观察法（3）不同公式计算标准误差比较法（4）计算数据比较法2、系统误差的校正（1）补偿法（2）差动法（3）比值补偿法（4）测量数据的修正1.3测量误差1.3.6测量误差的合成与分配一、测量误差的合成1、系统误差的合成2、随机误差的合成3、总合成误差二、测量误差的分配1、系统误差的分配2、随机无耻的分配3、最佳测量方案的选择1.4传感器的基本特性1.4.1传感器的静态特性一、精确度用精密度、准确度和精确度三个指标来描述。1、精密度精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。2、准确度它说明传感器输出值与真值的偏离程度。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小；同样准确度高不一定精密度高。3、精确度它是精密度和准确度两者的总和，精确度高表示精密度准确度都比较高。1.4传感器的基本特性以射击为例，加深对三个概念的理解。二、稳定性1、稳定度2、影响量1.4传感器的基本特性三、传感器的静态输入—输出特性静态特性是指输入的被测参数不随时间而变化或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输入量的关系。1、线性度通常用相对误差δL来表示，即2、灵敏度灵敏度表示传感器的输入增量△x与由它引起的输出增量△y之间的函数关系。即灵敏度S等于传感器输出增量与被测增量之比，它是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率，用下式表示：1.4传感器的基本特性灵敏度表示单位被测量的变化所引起传感器输出值的变化量。S值越高表示传感器越灵敏。灵敏度的三种情况如图：从灵敏度的定义可知，灵敏度是刻度特性的导数，因此它是一个有单位的量。1.4传感器的基本特性3、灵敏度域与分辨力灵敏度域是指传感器最小所能够区别的读数变化量。分辨力是指数字式仪表指示数字值的最后一位数字所代表的值，当被测量的变化量小于分辨力时，仪表的最后一位数不变，仍指示原值。灵敏度域或分辨力都是有单位的量，它的单位与被测量的单位相同。对于一般传感器的要求是，灵敏度应该大，而灵敏度域应该小。但也不是灵敏度域越小越好，因为灵敏度域越小，干扰的影响越显著，给测量的平衡过程造成困难，而且费时、费钱。因此，选择的灵敏度域只要小于允许测量绝对误差的三分之一即可。灵敏度是广义的增益，而灵敏度域则是死区或不灵敏区。1.4传感器的基本特性4、迟滞传感器在正反行程中输出—输入特性曲线不重合程度称为迟滞，迟滞误差大小用下式表达：迟滞误差又叫回程误差，用绝对误差表示。5、重复性重复性是指传感器的输入在按同一方向变化时，在全量程内连续进行重复测试时，所得到的各特性曲线的重复程度，用下式表示：1.4传感器的基本特性1.4.2传感器的动态特性动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。