自动检测技术

第1章自动检测技术的基本概念目录1.1自动检测技术概述1.2测量方法1.3传感器的一般特性1.4测量误差与数据处理基本要求了解检测技术及仪表的地位与作用理解传感器和敏感器的基本概念掌握检测仪表与系统的基本组成静态测量对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。最高、最低温度计动态测量地震测量振动波形便携式仪表可以显示波形的手持示波器直接测量电子卡尺接触式测量非接触式测量例：雷达测速车载电子警察离线测量产品质量检验在线测量在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。1.1自动检测技术概述1.1.1自动检测技术在自动化专业中的地位与作用测量：以确定量值为目的的一组操作。检验：分辨出被测参数的量值是否归属某一范围带，从而判别被测参数是否合格、现象是否存在等。检测：包含了测量与检验两方面的内容。自动检测：在自动化领域中，需要对某些重要参数进行实时、自动的测量、检验。这类无需人手工操作而自动完成的检测。自动检测技术的核心是如何将各种非电量转换为电信号，通过对该电信号的测量来检测原非电量，常称之为非电量检测技术。优越性：便于扩展测量的幅值范围(量程)便于扩宽测量的频率范围(频带)便于实现远距离的自动测量便于与计算机技术相结合,实现测量的智能化和网络化被控制的参数一般为非电量。要对被控对象实施闭环控制，检测装置是必须配置的，它将被控制的参数转换为控制器能够接受的电信号。图1-1糖化过程温度控制系统方框图地位与作用：科学研究的手段:诺贝尔物理和化学奖中有1/4是属于测试方法和仪器创新。促进生产的主流环节国民经济的“倍增器”军事上的战斗力现代生活的好帮手信息产业的源头1.1.2自动检测系统的基本组成1传感器（信号的获得）直接感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和传感元件组成。敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，传感元件是指能将敏感元件的输出转换为电信号的部分。传感器输出信号有很多形式：电阻、电感、电容、电压、电流、频率、脉冲等，形式由传感器的原理确定。图1-2自动检测系统组成框图2测量电路（信号调理器）又称信号调理器或中间转换器。它的作用是将传感器的输出信号进行放大、转换、传输等，使其适合于显示、记录、数据处理或控制。例如测量电桥、滤波器、放大器、电压／频率变换器、电压／电流变换器、交流/直流变换器等。3计算机（数据处理装置）现代检测系统大多含有微型计算机，构成智能检测系统，用于完成数字滤波、误差补偿、线性化、自诊断等各种数据处理功能，提高检测系统的性能。4输出环节输出环节包含显示装置、打印记录装置、数据通信接口等。1.1.3传感器的分类、命名与图形符号按传感器的结构特点分：结构型传感器、物性型传感器、复合型传感器。按传感器的功能特点分：单功能传感器、多功能传感器、智能传感器。按传感器输出信号分：模拟传感器、数字传感器按传感器的能源供给方式分：有源传感器、无源传感器。按被测量所属范畴分：物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器。按转换原理分：电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、热电式传感器等。传感器的命名规则转换原理式被测量传感器例如：100mm应变计式位移传感器100─160dB电容式声压传感器耐高温型电感式传感器在实际运用中，可根据产品具体情况省略任何一级修饰语。但国家标准规定，传感器作为商品出售时，第一级修饰语不得省略。图1-3传感器图用图形符号图图1-4电容式压力传感器的图用图形符号目录1.1自动检测技术概述1.2测量方法1.3传感器的一般特性1.4测量误差与数据处理1.2测量方法按测量手续分类：直接测量、间接测量、联立测量；按测量方式分类：偏差式测量、零位式测量、微差式测量；按敏感元件是否与被测介质接触分类：接触式测量、非接触式测量；按被测量变化快慢分类：静态测量、动态测量；按测量系统是否向被测对象施加能量分类：主动式测量、被动式测量；按被测量是否是在生产进行的实际过程中被测分类：在线测量、离线测量。1.2.1直接测量、间接测量、联立测量直接测量：在使用测量仪表进行测量时，对仪表读数不需经过任何运算，就能直接得到测量结果。优点：测量过程简单而迅速，缺点：难以达到较高测量精度。直接测量方法在工程实践中被广泛应用。间接测量：首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进行测量，将测量值代入函数关系式，经过计算得到测量所需的结果。优势：间接测量可以实现难以直接测量的被测量的测量。缺点：相对于直接测量，间接测量过程手续较多，所需时间较长，有时可以得到较高的测量精度。间接测量多用于实验室测量，工程测量中亦有应用。联立测量：被测物理量必须经过求解联立方程组才能得到最后结果。缺点：操作手续很复杂，花费时间长，是一种特殊的测量方法，一般只适用于科学实验。1.2.2偏差式测量、零位测量、微差式测量偏差式测量法：测量过程中用测量仪表指针的位移(即偏差)决定被测量。应用这种方法进行测量时，标准量具不装在仪表内，而是事先用标准量具对仪表刻度进行校准。优点：偏差式测量法简单、迅速；缺点：由于是间接与标准量进行比较，测量结果精度较低。零位式测量法：又称补偿式测量或平衡式测量，测量过程中，用指零仪表的零位指示测量系统的平衡状态，在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定未知量。用此方法进行测量时，标准量具设置在仪表内，在测量过程中标准量直接与被测量相比较；测量时，要调整标准量，即进行平衡操作，一直到被测量与标准量相等，即指零仪回零。优点：用零位式测量可获得高的测量精度；缺点：由于需要可调的标准量，在测量过程中需要进行标准量的动态调节，致使仪表构成复杂，难以测量快变信号。微差式测量方法：综合了偏差式测量法与零位式测量法的优点，此方法是将被测的未知量与已知的标准量进行比较，取得差值，然后用偏差法测得此差值。应用此方式测量时，标准量具装在仪表内，该标准量具的值与被测量非常接近。在测量过程中，标准量直接与被测量进行比较，由于两者的值很接近，测量过程中不需调整标准量，而只需测两者的差值。优点：反应快、精度高。1.2.3接触式测量、非接触式测量接触检测：指在测量过程中敏感元件与被测介质产生实际物理上的接触。非接触检测：指利用物理、化学及声、光学的原理，使被测对象与敏感元件之间不发生物理上的直接接触而对被测量进行检测的方法。目录1.1自动检测技术概述1.2测量方法1.3传感器的一般特性1.4测量误差与数据处理1.3传感器的一般特性1.3.1传感器的静态特性与静态特性指标传感器的输出——输入关系特性是传感器的基本特性。传感器所测量的物理量有两种形式，一种是静态(或准静态)的形式，另一种是动态形式静态(或准静态)的形式,所测量的物理量不随时间变化(或变化很缓慢，在观测时间内可忽略其变化)；动态形式，所测量的物理量随时间变化而变化。故检测过程被分为静态检测和动态检测，相应其输出——输入特性分为静态特性和动态特性。1测量范围（measuringrange）和量程（span）测量范围：传感器所能测量的被测量的最大数值称为测量上限，被测量的最小数值则称为测量下限。用测量下限和测量上限表示的区间为量程。测量范围有单向(只有正向或负向)、双向对称、双向不对称、无零值等多种情况。2灵敏度(sensitivity)灵敏度：表示传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。在静态输出输入特性曲线上各点的斜率，可用下式表示：0limxydySxdx非线性传感器各处的灵敏度是不相同的。对于线性传感器，灵敏度则为：一般，人们希望传感器的灵敏度在整个测量范围内保持恒定。灵敏度是一个有单位的量。当我们讨论某一传感器的灵敏度时，必须确切地说明它的单位。00yySxx图1-5灵敏度定义的图解表示3阈值（thresholdvalue）与分辨力（resolution）有时，输入量开始变化，但输出量并不随之相应变化，而是输入量变化到某一程度时输出才突然产生小的阶跃变化。这就出现了分辨力和阈值问题。当以输入量来表示时，分辨力定义为在传感器的全部工作范围内，能够产生可观测的输出量变化的最小输入量变化，以满量程输入的百分比表示,minmax0x0maxmin100ixRxx当以输出量来表示时，分辨力定义为在传感器的全部工作范围内，在输入量缓慢而连续变化时所测到的输出量的最大阶跃变化，以满量程输出的百分比表示阈值通常又称为灵敏限、灵敏阈、失灵区、死区等。阈值定义为：输入量由零变化到使输出量开始发生可观测变化的输入量值。它实际上是传感器在正行程时的零点分辨力(以输入量表示时)。max0y0maxmin100yyRy4线性度(linearity)衡量线性传感器线性特性好坏的指标为线性度。随参考直线的引法不同，线性度主要有下面几种。（1）绝对线性度又称理论线性度，是传感器的实际平均输出特性曲线对在其量程内事先规定好的理论直线的最大偏差，以传感器满量程输出的百分比来表示：绝对线性度的参考直线是事先确定好的，反映的是一种线性精度。,max00ab,max,min100abababyyyL（2）端基线性度端基线性度的拟合直线最为简单，但精度不高。端基线性度定义为传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差，以传感器满量程输出的百分比来表示。端基线性度的定义示于图1-6中。按该图所示，可以写出端基直线方程为,max00,max,min100teteteteyyyLmaxminmaxminminminmaxminmaxminteyyyyyyxxxxx图1-6端基线性度的定义图1-7零基线性度的定义（3）零基线性度零基线性度定义为传感器实际平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差，以传感器满量程输出的百分比来表示。而零基直线则是这样一条直线，它位于传感器的量程内，可通过或延伸通过传感器的理论零点，并可改变其斜率，以把最大偏差减至最小。零基线性度的定义示于图1-7中。按照定义，可以写出零基直线方程为Ze,maxZe,maxZe,min100%ZeyLyyZebxy（4）最小二乘线性度用最小二乘法求得校准数据的理论直线。该直线方程为令有m个校准测试点，传感器的实际输出为y，则第i个校准数据与理论直线上相应值之间的偏差为：最小二乘法理论直线的拟合原则就是使为最小值，也就是说，使对b和a的一阶偏导数等于零，从而求出b和a的表达式：esabxyiiabxiy21mii21mii以最小二乘直线作理论直线的特点是各校准点上的偏差的平方之和最小。1112211()mmmiiiiiiimmiiiimxyxybmxx211112211()mmmmiiiiiiiiimmiiiixyxxyamxx5迟滞(hysteresis)迟滞：对于某一输入量，传感器在正行程时的输出量明显地、有规律地不同于其在反行程时在同一输入量下的输出量。迟滞可用传感器正行程和反行程平均校准特性之间的最大差值，以满量程输出的百分比来表示：图1-8为传感器某种迟滞特性的示意图。maxmaxmin1002yHyy6重复性（repeatability）在相同的工作条件下，在一段短的时间间隔内，输入量向同一方向作满量程变化时，同一输入量值所对应的连续先后多次测量所得的一组输出量值，它们之间相互偏离的程度便反映传感器的重复性。图1-9表示了重复性的概念，图中只显示出了两个测量循环。图1-8迟滞特性图1-9重复性的概念重复性则可定义为此随机误差在一定置信概率下的极限值，以满量程输出的百分比来表示：样本标准偏差的求法有多种，贝塞尔(Bessel)公式是比较常用的方法。为求第i个测量点的标准偏差Si，可以用下列方法计算：maxmin(