自动检测技术及应用资源

自动检测技术及应用武昌俊主编黄鹏武昌俊孙晗电子教案制作教育部高等职业教育示范专业规划教材（电气工程及自动化类专业）安徽机电职业技术学院电气工程系绪论一、检测技术1、检测技术的定义：检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换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。2、检测技术的任务：寻找与自然信息具有对应关系的各种表现形式的信号，以及确定的定性、定量关系；从反映某一信息的多种信号中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存贮、显示的方法和相应的设备。3、研究内容：传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以及电量间互相转换的技术等。被检测量传感器信号处理电路数据处理装置显示器执行机构二、自动检测系统组成传感器是指一个能将被测的非电量变换成电量的器件，是连接被测对象和检测系统的接口信息处理电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的信号（如电压、电流、频率等），以推动后级的显示电路、数据处理装置及执行机构。模拟显示、数字显示、图像显示及记录仪各种接触器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等三、工业检测技术涉及的内容热工量温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面机械量直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）几何量长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷物体的性质和成分量气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色状态量机械的运动状态（起停等）、设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）电工量电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能第一章检测技术的基础知识本章主要内容：本章主要介绍测量的基本概念；测量方法；误差定义及表示法；误差分类及处理；测量仪表精确度与分辨率；测量结果的数据统计与处理；传感器的定义、分类、静特性及技术指标和传感器中的弹性敏感元件等内容。1.1测量的基本概念1.1.1测量测量结果一般表示为X=AX0式中X——被测量；X0——标准量；A——比值。它是将被测量与同性质的标准量通过专用的技术和设备进行比较，获得被测量对比标准量的倍数。2.测量方法对于不同的考察角度，测量方法有不同的分类。但常用的方法有零位法、偏差法和微差法等。零位法指被测量与已知标准量进行比较，使这两种量对仪器的作用抵消为零（指零机构达到平衡），从而可以肯定被测量就等于已知标准量。偏差法指测量仪表用指针相对于表盘上刻度线的位移来直接表示被测量大小。微差法是零位法和偏差法的组合LX=LB+ΔL1.2测量误差及分类1.2.1误差的表达方式绝对误差某量值的测量值Ax与真值A0之间的差为绝对误差ΔΔ=Ax-Ao相对误差示值相对误差对于相同的被测量，绝对误差可以评定其测量精度的高低，但对于不同的被测量及不同的物理量，绝对误差就难以评定其测量精度的高低，而采用相对误差来评定较为确切。引用误差为了合理的评价仪表的测量质量引入了引用误差。所谓的引用误差γm就是用被测量的绝对误差Δ与测量仪表的上限（满度）值Am的百分比之值1.2.2测量误差的分类特点与性质系统误差随机误差粗大误差测量速度静态误差动态误差1.2.3测量仪表的精确度与分辨率（应剔除）精确度精密度测量仪表指示值不一致程度的量准确度仪表指示值有规律地偏离真值的程度仪表的精密度和准确度都高，其精确席才高，精确度是以测量误差的相对值来表示的。仪表精确度等级：仪表在规定工作条件下，其最大绝对允许误差值对仪表测量范围的百分数绝对值。Δmax——最大绝对允许误差值；Axmax、Axmin——测量范围的上、下限值；S——精度等级，无“%”号的数值。分辨率分辨率显示仪表能够检测到被测量最小变化量。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格数的一半。数字式仪表的分辨率规定为最后一位的数字。【例1-2】现有两个电压表一只是0.5级0~300V,另一只是1.0级0~100V,若要测量80V的电压,试问选用哪一只电压表好?1.3测量结果的数据分析及处理1.3.1测量结果的数据分析1.随机误差的统计特征集中性对称性有界性（正态分布）Δx表示测量值的误差范围n略大于10次即可2.系统误差的统计特征3.粗大误差的判别准则若在测量列中发现有大于3σ的残余误差的测量值即应予以剔除。1.3.2测量结果的数据处理【例1-3】对某一轴径等精度测量16次，得到如下数据（单位为mm）:24.774,24.778,24.771,24.780,24.772,24.777,27.773,24.775,24.774,24.772,24.77,24.776,24.775,24.777,24.777,24.779。计算出该轴径的大小。1.按测量数值的顺序列表1-2；2.计算测量列Xj的算术平均值3.求出残余误差;求各测量值的残余误差Vj故以上计算正确4.计算出方均根误差计算出极限误差。经检查，末发现|Vj|＞3σ，故16个测量值无粗大误差值;5.计算出算术平均值的标准差(置信概率为99.7%)。1.3.3测量系统静态误差的合成若第i个环节的引用相对误差为ri时，则输出端的引用相对误差的关系rm与ri之间的关系，可用以下两种方法来求得：【例1-4】某传感器在测量过程出现了以下误差情况，敏感元件的测量误差为±4%，转换电路环节中出现的误差为±3%，仪表的指示环节出现的误差为±1%，请问此测量过程中出现的总误差为多大？解：由题意可知r1=±4%,r2=±3%,r3=±1%1)用绝对值合成法计算测量总误差2）用方均根合成法计算测量总误差由上例子的计算合成总误差的方法可看出，用方均根合成法估算测量的总误差较为合理。值得注意的是，在整个测量系统的一个或几个环节的精度较高，对提高整个测量系统的总的精度末必是有效的,反而还会提高了测量系统的成本，造成资源浪费，而应该是努力提高误差最大的某个环节的测量精度，以达到最佳的性价比。1.4传感器及其基本特性1.4.1传感器的定义及组成传感器是一种以测量为目的，以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系，以便于处理和应用的某种物理量的测量装置。敏感元件转换元件转换电路被测量电量它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换的某一物理量的元件。敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数量上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出敏感元件转换元件1.4.2传感器的分类分类方法根据传感器工作原理分类分类根据传感器能量转换情况根据传感器转换原理分类按照传感器的使用分类其中传感器的工作可靠性、静态精度和动态性能是最基本的要求1.4.3传感器的基本特性1.线性度所谓的线性度也称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比2.迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞必须指出，正反行程的特性曲线是不重合的，且反行程特性曲线的终点与正行程特性曲线的起点也不重合。迟滞会引起分辨力变差，或造成测量盲区，故一般希望迟滞越小越好。3.重复性重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度正行程的最大重复性偏差为ΔRmax1,反行程的最大重复性偏差为ΔRmax2。重复性误差取这两个最大偏差中较大的为ΔRmax，再以满量程输出ymax的百分比表示1.5传感器中的弹性敏感元件定义：所谓的弹性元件是指物体因外力作用而改变形状或尺寸，而外力撤除后能完全恢复其原形的物体，在传感器中应用的弹性元件称为弹性敏感元件。它能把某些形式的非电量变换成应变或位移量，然后由各种不同形式的传感元件变换成电量1.5.1弹性元件的基本特性刚度也可以从弹性特性曲线上求得。如图1-11所示曲线1上A点的刚度，可过A点作曲线1的切线，该切线与水平夹角的正切代表该弹性元件在A点处的刚度,即k=tanθ=dF/dx1、刚度刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度2灵敏度通常用刚度的倒数表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度弹性元件的灵敏度是单位力作用下弹性元件产生的变形的大小。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。3弹性滞后实际的弹性元件在增加、去除负载的正、反行程中变形曲线是不重合的，此现象称为弹性滞后现象4弹性后效当负载由一数值变化为另一数值时，弹性变形不会立即形成相对应的变形，而是在一定的时间后逐渐完成变化的，此现象称为弹性后效滞环弹性元件的变形始终不能迅速跟上力的改变1.5.2弹性元件的形式分类力（力矩）变换成应变或位移的变换力弹性元件压力变换成应变或位移的变换压力的弹性元件a）实心柱b）空心圆柱c）矩形柱d）e）等截面圆环f)等截面悬臂梁g）等强度悬梁h）扭转轴a）弹簧管b）波纹管c）等截面薄板d）膜盒e）薄壁圆角f）薄壁半球注意：（一）图1-14e的圆环弹性元件，主要用于1~10千牛顿范围的各式拉、压力传感器中，如被测力超过5千牛顿时，为了增加刚度和减小非线性，将圆环制成变截面式，如右图所示。心部可以是各种形状，但为了加工方便，往往设计成外表面是圆形，内表面由直线段和圆弧组成。（二）波纹膜片膜片边缘固定，中心可以自由弹性移动，如右图所示。为了便于与其它部件连接，膜片中心留有一个光滑部分或中心焊上一块金属片，当膜片两侧面受到不同压力时，膜片将弯向压力低的一面，其中心有一定的位移，即将被测压力变为位移。多用于测量较小压力的弹性敏感元件。