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1、主要内容 检测方法及其基本概念 检测系统模型与结构分析 提高检测精度的方法 多元化检测技术,检测技术及方法分析,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,2,传感器与执行器：获取检测对象所处状态的传感器，以及控制并调节对象状态的执行器。 系统界面：监控仪器与其他系统之间信息往来。 操作界面：操作人员与仪器装置之间的界面。,图3-1 检测与控制仪器与外界环境之间的三种界面,传感器的好坏直接影响仪表的质量，对它的要求有： 准确性： 稳定性： 灵敏性： 其它：经济性、耐腐蚀性、低能耗等。,信息的输入端口, 完成信号的检测与转换，是整个系统中的关键。,检测及控制装置与外界环境之间的三种界面关系：
2、,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,3,传感器(sensor, transducer)种类很多，它的分类方法有很多种：,根据检测对象分类，如温度、压力、位移等。 从传感器原理或反应效应分类，如光电、压电等。 根据传感器的材料分类，如导电体、半导体等。 按应用领域分类，如化工、纺织、造纸、环保等 5. 按输出信号形式分类，如模拟和数字式等。 6. 按反映形式或能量供给方式分类，如能动型和被动型、能量变换型和能量控制型等。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,4,传感器定义及组成：,定义：传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的，便于处理的另一
3、种物理量的测量器件，其输出多为易处理的电量，如电流、电压频率等。 传感器由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成。,非电量 （被测量）,非电量,电参量,电量,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,5,3.1 检测方法及基本概念,3.1.1 开环(open loop)型检测与闭环(closed loop)型检测,开环型检测系统如图 (a)所示。,闭环型检测系统如图 (b)所示。,平衡式仪表及检测系统一般采用这种结构。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,6,3.1.2 直接检测与间接检测,直接检测与同类基准进行简单比较。一般可直接读出被测量的量值。 比如：用电压表测电压、温
4、度计测温度等。 间接检测测量与被测量有一定关系的2个或2个以上物理量，然后再推算出被测量。比如，测量电流和电阻求电压、v=L/t。间接测量需要进行2次以上的测量，一般要分析误差的传递。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,7,3.1.3 绝对检测与比较检测,绝对检测由基本物理量测量而决定被测量的方法。例如，用水银压力计测压力时，从水银柱的高度、密度、和重力加速度等基本量测量决定压力值。比较检测与同种类量值进行比较而决定测量值的方法称为比较检测方法。例如用弹簧管压力计测量压力时，要用已知压力校正压力计的刻度，被测压力使指针摆动而指示的压力是通过比较或校正得出的。,2018/9/15,
5、自动检测技术及仪表控制系统,8,3.1.4 偏差法与零位法,偏差法(difference method)也叫非零检测法。一般为开环型结构，增益大。结构简单，测量结果直观。（如弹簧秤称重）信号转换需要的能量要从被测对象上获得。这样，会使检测仪器的状态发生变动。（例如，用接触式温度计测量温度，热量会被温度计吸收）这种开环检测对排除干扰很不利。 零位法(null method)是反馈型闭环检测方法。采取与同类的已知量取平衡的方法进行测量。（如用天平测量质量）零位法的平衡操作绝大多数已经完全自动化。（电位差计、平衡电桥等）,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,9,3.1.5 强度变量检测与
6、容量变量检测,被测物理量中，有强度变量与容量变量之分。如压力、温度、电压等表示作用的大小，与体积、质量无关的，称作强度变量。而像长度、重量、热量、电流等与占据空间相关，与体积、质量成比例关系的，是容量变量。一般在传感器的输入输出端分别存在成对的强度变量与容量变量，它们的乘积分别表示传感器的输入、输出能量。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,10,以热电偶测温为例，温度差即强度变量是输入信号，输出信号是热电势，也是强度变量。输入端的容量变量是热流，输出端的容量变量是电流,如图所示。,热流和电流虽不是输入输出变量。但它们都对检测系统有影响：被检测物体的热容量过小或检测系统的热容过大，
7、都将使被测物温度发生变化而产生误差。输出端电路里有电流流动，受内阻影响输出信号的电压有所降低，也会造成系统误差。强度变量与容量变量是在检测系统的输入输出端共轭存在的变量。一方传递信息的同时，另一方总是直接或间接地与误差有关。为减少测量误差，需尽量抑制共轭变量的影响。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,11,此方法是测量被测量与已知量的差值。差值通常较小，可以提高检测精度。 证明：设被测量为x，与它相近的标准量为B，被测量与标准量之微差为A，A的数值可由指示仪表读出。由于AB，则x=B+A，,3.1.6 微差法,可见，测量误差由标准量的相对误差B/B和指示仪表的相对误差A/A与相对
8、微量之积A/x两部分组成。由于A/x远小于1，故指示仪表的相对误差A/A的影响大大削弱，而B/B一般很小，测量的相对误差可大为减少。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,12,3.1.7 替换法,由于系统误差的存在，当把被测物与标准比较物的主次或先后顺序置换过来时，可以排除测量过程中因顺序所造成的误差影响。例如，改变天平放砝码托盘的左右位置，两次测量质量取平均值求得被测量的比较准确的质量。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,13,3.1.8 能量变换与能量控制型检测元件,光敏电阻、热敏电阻分别在光照、热辐射的条件下，电阻值发生变化，这种类型的传感器的输出信号能量不是来
9、自光源或热源，而是检测阻值变化的电路电源提供的。此时，可以看作是被测量控制了从电源转向输出信号的能量的流动。所以称为能量控制型检测。,这是根据传感元件的能量供给方式来划分的。如太阳能电池作为光传感器、热电偶作为温度传感器使用时，输出信号的能量是传感器吸收的光能、热能的一部分，由于输入信号的能量的一部分转换成输出信号，所以称作能量变换型检测。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,14,3.1.9 主动探索与信息反馈型检测,主动探索检测的信息反馈有多种形式：反馈给信息处理部，如神经元网络学习等处理；反馈给传感器，如改变传感器的工作温度，使传感器的灵敏度提高或改变量程等；反馈给被测对象，
10、如调整其位置，姿态，使检测结果具有确定性。例如在检测气体浓度时，首先要观测随检测装置移动的浓度值的变化，探索浓度最大值的空间位置，然后输出检测结果。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,15,3.2.检测系统模型与结构分析,检测系统的基本功能可总结为：信号转换与信号选择、基准保持与比较、显示与操作三大部分。测量是把被测量与同种类单位量进行比较，以数值表示被测量大小的过程。因此，检测仪表中必须具有基准保持部位。,3.2.2 信号转换模型与信号选择性,1.信号转换的数学模型,系统的状态方程为：,3.2.1 检测系统的基本功能,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,16,标定是
11、改变输入量u，记录输出量y的过程。 检测是在标定的基础上由y求u的解逆问题的过程。 检测系统信号转换的基本条件：变换特性能用简单公式描述或输入与输出之间的关系确定。,设u1 为被检测量（输入信号），y1 为测量值（输出信号）时,则代表了u1y1的检测方程特性。如果把上式所示的信号转换关系看成是u1与y1单变量模型时，这个函数必须是一对一的，所以要固定u1以外的变量，或者使其他变量不影响y1。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,17,设计检测系统时要选择必要的信号，以消除其他变量的影响，提高检测精度。,以金属丝的电阻值变化为例，它与金属种类、纯度、形状、温度有关。当用作热电阻测温时
12、，选择其温度变化的特性，而要防止变形影响；当用作应变测量时，则选择其形状变化的特性，而要设计抵消温度影响的检测结构。,2.信号选择性,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,18,一个传感器的输入信号，除被测参数以外，还有其他未知参数或干扰参数，因此，可视为多输入单输出系统。,3.2.3 检测系统的结构分析,为减小和消除这些多余信号，实际上常常采取一些特殊结构。常见的结构有：补偿结构、差分结构。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,19,设被检测量为u1，干扰量为u2，传感器A为测量用传感器，同时受u1、u2 的作用，在u1、u2有微小变化的前后，输出信号分别为：yA=fA
13、(u1，u2) yA=fA(u1+u1，u2+u2)。,传感器B为补偿用传感器，受干扰量u2及其微小变化的影响。在固定u1时，输出分别为：yB=fB(u1，u2) yB=fB(u1，u2+u2)。,1.补偿(compensation)结构,补偿结构是利用传感器B的输出结果，补偿传感器A中的干扰量作用，使检测系统的输出结果不受被测参数以外的干扰参数的影响，实现信号选择性。补偿结果输出为:y=yA- yB =fA(u1+u1，u2+u2)- fB(u1，u2+u2) 。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,20,对y=yA- yB =fA(u1+u1，u2+u2)- fB(u1，u2+
14、u2) 按泰勒级数展开。得到：,补偿过程分析：,即两传感器的传输特性相同，即补偿传感器B的输出特性满足,那么，它们对u2的各阶次偏微分也分别相同，上式可化简成,该式中，u2的一次相和二次相被抵消了。因此，这种结构可以减少u2的影响，实现对u2的补偿。但这不是完全补偿，因为还有u1u2的一项。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,21,这样，补偿结果中就不含u2的影响，实现了完全补偿。这种补偿方式称为比率补偿，其结构是将两传感器输出信号的相减改为相比。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,22,总 结,总之，利用补偿结构实现对干扰的补偿时，必须有检测干扰的传感器，而且在干
15、扰量变化范围内补偿用传感器的特性应与检测用传感器特性相一致，满足这一条件的严密与否决定了补偿精度。,调制干扰输入传感器输出是两输入信号的单函数的乘积，即：,根据传感器对输入的响应形式，仪表的输入有直接干扰输入和调制干扰输入之分，其相应的补偿形式不同。 直接干扰输入传感器输出是两输入信号的单函数的线性组合，即：,补偿形式：基本补偿结构（差值补偿结构）,补偿形式：比率补偿结构,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,23,差分结构可以看作是补偿结构的特例，是排除干扰、选择必要的测量参数的重要方法。差动结构的两传感要素一般采用空间对称结构形式即：f1(u1，u2)= f2(-u1，u2) 。
16、,2.差分(difference)结构,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,24,补偿结果输出为： y=y1- y2 =f1(u1+u1，u2+u2)- f2(u1 - u1 ，u2+u2),同样将上式利用泰勒级数展开到二次项，得到：,与补偿结果式子相比，u1的二次项也抵消了。即差动结构起到了线性化作用，也提高了对u1 的灵敏度。如果u1、u2是单函数的线性组合，式子中u2的残存影响也可以完全消除。,基于对称结构的差动检测不仅可以使输入输出特性成为线性的，而且可以实现高精度的检测。如电桥、差动变压器等。,差动原理利用了对称与反对称的输入输出特性，在消除共模干扰，降低漂移，提高灵敏度，改善线性关系等方面有明显效果，是常见的、基本的检测结构。,2018/9/15,自动检测技术及仪表控制系统,25,利用检测系统的动态特性实现信号选择功能。主要是依据信号与噪声在时域和频域上的不同特性。这些方法同样是提高检测精度，抗噪声的基本方法。,时域信号选择方法 (1)基于同步加算的去噪方法 (2)基于响应速度的分离方法 频域信号选择方法 (1)滤波放大与调频放大方法 (2)陷波放大方法 (3)锁定放大方法,
