传感器

内蒙古工业大学电力学院齐咏生MeasurementTechniqueandInstrumentation第2页仪器仪表是人们认识世界的工具！——两院院士王大珩思考：你觉得我们这门课程会学习什么内容？？第3页1.教材：《自动检测技术及仪表控制系统》张毅《检测技术及仪表》.王建国2.学时数：40h实验：三个。4.参考书：《检测技术与仪表》王俊杰主编《自动化仪表与过程控制》施仁主编本课程几点说明：答疑时间：每周四下午四点；地点：电力楼711平时成绩：30%（出勤、作业、实验）期末成绩：70%第4页1.1检测技术与仪表发展概况1.2典型仪表控制系统的组成1.3检测仪表的基本性能指标上一页返回下一页第一章绪论第5页什么是自动化仪表检测技术与仪表的发展仪器仪表在国民经济中的地位和作用§1－1检测技术与仪表发展概况第6页自动化仪表是指在生产自动化中，特别是连续生产过程自动化中必需的一类专门的仪器仪表。具体来说它包括：对工艺参数进行测量的检测仪表（传感器）根据测量值对给定值的偏差按一定的调节规律发出调节命令的调节仪表（调节器）根据调节仪表的命令对进出生产装置的物料或能量进行控制的执行仪表（执行器）第7页能独立完成一定功能的标准仪表单元DDZ-Ⅰ组合仪表电子管和磁放大器DDZ-Ⅱ组合仪表晶体管DDZ-Ⅲ组合仪表集成电路积木式组合构成单元组合仪表第8页工业经济时代的三次浪潮推动仪表技术的发展第一次浪潮第二次浪潮第三次浪潮自动化仪表技术的发展第9页仪表技术的发展仪表的发展历经了：机械仪表气动仪表电动仪表数字仪表智能仪表自动化仪表技术的发展价格便宜，结构简单，防爆，曾长期使用传输、放大、变换、测量非常方便第10页仪器仪表在国民经济中的地位和作用科学研究军事医学工业生产环境保护交通运输农业商业人民生活…第11页仪器仪表是信息产业的基础众所周知：信息系统包括信息的采集，传输和处理三个主要部分。仪器仪表是信息采集工具。因此说：仪器仪表是现代信息链中的源头技术；是信息产业的基础。仪器仪表在国民经济中的作用第12页检测仪表控制系统典型案例归纳一般检测仪表控制系统结构框图§1－2典型仪表控制系统的组成第13页典型实例一：水温控制系统第14页典型实例二：谷物湿度控制系统第15页归纳一般检测仪表控制系统第16页类似传感器类似变送器类似执行器类似调节控制器温度差期望的温度实际感受的温度决策延时肢体神经到大脑的延时大脑到肌肉的传递延时操作调节阀水流延时手指或者脚趾的温度归纳一般检测仪表控制系统第17页????????？下面归纳一般检测仪表控制系统调节单元执行单元检测单元显示单元变送单元被控（被测）对象操作人员给定第18页1、检测单元——检测仪表（传感器）传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。它的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律转换成一个相应的便于传递的输出信号。传感器通常由敏感元件和转换部分组成；敏感元件为传感器直接感受被测参量变化的部分，转换部分作用通常是将敏感元件输出转换为便于传输和后续处理的电信号。图第19页2、变送单元-变送仪表（变送器）对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。通常将被测变量信号转换成符合国际标准的信号制式即1～5VDC或4～20mADC模拟信号或各种仪表控制系统所需的数字信号。第20页3、调节单元-调节仪表（调节器）完成调节控制规律的运算，它将变送器传输来的测量信号与给定值进行比较，并对比较结果进行调节运算，以输出作为控制信号。调节单元常采用的控制规律包括位式调节和PID调节。第21页4、执行仪表（执行器）是控制系统实施控制策略的执行机构，负责将调节器的控制输出信号按执行机构的需要产生出相应的信号，以驱动执行机构实现对被控变量的调节作用。执行仪表根据能源的种类通常分为气动、电动和液动三类。第22页5、显示仪表通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况；因此，各类检测仪表和检测控制系统将被测参量的当前值送各自显示器作实时显示。显示器是检测系统与人联系的主要环节之一，显示器一般可分为指示式、数字式和屏幕式三种。第23页通过以上分析，一起总结我们这门课程将要学习的内容。第24页测量范围、上下限及量程灵敏度和分辨率误差精确度（精度等级）滞环、死区和回差重复性和再现性可靠性量程迁移和零点迁移§1－3检测仪表的基本性能指标第25页1测量范围、上下限及量程测量范围——仪器能正常工作的范围上限和下限——测量范围的最小值和最大值量程——用来表示其测量范围的大小，测量上下限的代数差。举例量程＝测量上限值－测量下限值第26页2灵敏度和分辨率灵敏度——传感器输出量变化和输入量变化之比。x系统yx+x系统y+yxyS绝对灵敏度输入、输出同量纲时，S称为放大倍数线性的常数00abxyxyS非线性的常数dxdyS例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为?mV/mm。热电阻温度传感器，温度变化1℃，电阻值变化0.5Ω，则其灵敏度应表示为?Ω/℃。第27页2灵敏度和分辨率一般希望测试系统的灵敏度高，且在满量程范围内是恒定的。（1）灵敏度S较大，则同样的输入可有较大的输出；但是，并不是灵敏度越高越好，而应合理选择；（2）S不能太大，因为S，测量范围(输出恒定)，同时稳定性差，难以读数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。第28页2灵敏度和分辨率分辨率又叫灵敏限或分辨力。分辨率——仪器可能检测到输入信号最小变化的能力。它是仪表输出能响应和分辨的最小输入量。是灵敏度的一种反映。注：一些书中也采用——全量程中能引起输出变化的各点最小输入量中的最大值相对满量程输出值的百分数——来表示系统的分辨率。例如，某位移传感器，输出电压最小刻度为0.1V，此时位移变化0.5mm，则其分辨率可表示为0.5mm。假设位移传感器的量程为10cm，则分辨率常表示为0.5/100%=0.5%。热电阻温度传感器，电阻值变化最小刻度为0.1Ω，对应温度变化0.5℃，则其分辨率可表示为0.5℃。假设热电阻的测温范围为-50~350℃，则分辨率常表示为？？%。第29页3误差绝对误差：相对误差：引用误差：最大引用误差：示值-约定真值绝对误差/约定真值绝对误差/量程最大绝对误差/量程第30页4精度（精度等级）1、精度——测试系统的精度表征了给出值与被测值相符合的程度，与精度有关的指标有三个，即精密度、准确度和精确度。精密度：表征测量仪表输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一测量者，用同一仪表，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。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。注意：精密度高不一定准确度高。准确度：表征仪表输出值与真值的偏离程度。如,某流量仪表的准确度为0.3m3/s，表示该仪表的输出值与真值偏离0.3m3/s。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。精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。仪表的精确度通常是用允许的最大引用误差去掉百分号（％）后的数字来衡量（表示）。（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高第31页提问：下图为4人测量结果比较，试讨论那个结果更可靠？精密度随机误差准确度系统误差结果甲高小低大不可靠乙高小高小可靠丁低大低大不可靠中丙低大巧合结果不可靠较小第32页2、精度等级（常用精度等级符号）仪表工业规定，用，将此精确度划分为若干等级，即0.1级，0.2级，0.5级，1.0级，1.5级，2.5级，5.0级等七个等级我们称之为精度等级。等级数字越小，精度越高。通常来说，我们希望在测量中得到精确度高的结果，因而我们也常常把精确度直接叫做精度，即用精确度来表征精度。最大引用误差去掉±号和百分号(％)后的数字来表示精确度有0.3级的精度等级吗？？第33页例1：有两台测温仪表，它们的测温范围分别为0～100℃和100～300℃，校验表时得到它们的最大绝对误差均为2℃，试确定这两台仪表的精度等级。例2被测电压实际值大约为21.7V，现有1.5级、量程为0～30V的A表，1.5级、量程为0～50V的B表，1.0级、量程为0～50V的C表，0.2级、量程为0～360V的D表，四种电压表，请问选用哪种规格的电压表进行测量所产生的测量误差较小?第34页A表有,VLx45.030%5.1maxmaxB表有,VLx75.050%5.1maxmaxC表有,VLx50.050%0.1maxmaxD表有,VLx72.0360%2.0maxmax答：四者比较，选用A表进行测量所产生的测量误差通常较小。第35页5滞环、死区和回差滞环——上升曲线和下降曲线不重合，特性曲线形成环状（又叫迟滞）。死区——输入值大于某一限制才能引起输出的变化。又称为不灵敏区。第36页滞环特性xΔHmaxY第37页死区特性YxΔHmax第38页回差即回程误差（包含滞环和死区）回程误差表明的是在正反行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。%100maxAhethmax——对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值的最大者。第39页产生回差的原因：一般滞后现象引起：由于磁性材料的磁滞效应和材料受力变形（产生滞环）。仪器的不工作区引起：机械部分存在（轴承）间隙、摩擦、（紧固件）松动、材料内摩擦、积尘等缺陷造成输入变化对输出无影响（产生死区）。第40页6重复性和再现性重复性——传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。再现性——包括滞环和死区在内的仪表实际上升和下降曲线之间的离散程度。常用最大离散程度来表示。重复性——衡量仪表不受随机因素影响的能力再现性——仪表性能稳定的一种标志第41页重复特性xΔRmax1ΔRmax2y再现性重复性第42页7可靠性通常，检测仪表的作用不仅要提供实时测量数据，而且往往作为整个自动化系统中必不可少的重要组成环节直接参与和影响生产过程控制；因此，检测仪表一旦出现故障往往会导致整个自动化系统瘫痪，甚至造成严重的生产事故，为此必须十分重视检测仪表的可靠性。衡量检测仪表可靠性的指标有：第43页（1）平均无故障工作时间MTBF（MeanBetweenFailure）（2）平均故障修复时间MTTR（MeanTimetoRepair），从反面衡量仪表的可靠度。（3）故障率故障率也称失效率，它是平均无故障时间MTBF的倒数。（4）有效度（A）衡量检测仪表可靠性的综合指标是有效度，对于可排除故障、修复后又可投入正常工作的检测系统，其有效度A定义为平均无故障时间与平均无故障时间、平均故障修复时间和的比值，即：MTBFAMTBFMTTR第44页8量程迁移和零点迁移输入（相对于量程）输出标尺范围固有曲线零点迁移（负向）零点迁移（正向）量程迁移量程迁移结论•迁移扩大了仪表的通用性。•量程迁移改变斜率，因而改变了灵敏度；而零点迁移则不改变灵敏度。第45页作业1一台精度为0.5级的温度显示仪表，下线刻度为负值，为全量程的25%，该仪表在全量程内的最大允许误差为1℃，求该仪表刻度的上、下限及量程各为多少？一测量范围为0—10MPa的弹簧管压力计，经校验，在其量程上各点处最大绝对误差0.14，若该表的准确度等级为1.5级，则经校验该仪表是否合格？（写出计算过程）第46页航空的应用第47页周视瞄准仪热像仪激光压制仪红外干扰器敌我识别仪军事上的应用第48页核磁共振仪(1991年埃伦斯特发明核磁共振法)第49页多参数水质分析仪便携式有毒气体检测仪第50页断层层析成像第51页自发荧光断层成像第52页研发葡萄糖生物传感器工作原理222coscos_GODDGlueODGlueacidHO