自动检测第一章课件

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1、第1章 自动检测技术的基本概念,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,自动检测第一章,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。,2,自动检测第一章,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

2、非电量，常称之为非电量检测技术。 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。,3,自动检测第一章,图1-1 糖化过程温度控制系统方框图,4,自动检测第一章,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。,5,自动检测第一

3、章,图1-2 自动检测系统组成框图,6,自动检测第一章,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。,7,自动检测第一章,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：

4、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。,8,自动检测第一章,转换原理 式 被测量 传感器 例如：100mm应变计式位移传感器100160dB电容式声压传感器 示例：“100mm应变计式位移传感器”；“100160dB电容式声压传感器”。 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

5、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。,9,自动检测第一章,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,10,自动检测第一章,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。,11,自动检测第一章,1.2.1 直接测量、间接测量、联立测量 直接

6、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。,12,自动检测第一章,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

7、种特殊的测量方法，一般只适用于科学实验。,13,自动检测第一章,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。,14,自动检测第一章,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，

8、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。,15,自动检测第一章,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。,16,自动检测第一章,

9、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。,17,自动检测第一章,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

10、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。,18,自动检测第一章,1 测量范围（measuring range）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：,19,自动检测第一章,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

11、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。,20,自动检测第一章,图1-5 灵敏度定义的图解表示,21,自动检测第一章,3 阈值（threshold value）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,22,自动检测第一章,当以输出量来表示时，分辨力定义为在传感器的全部

12、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)。,23,自动检测第一章,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

13、精度。,24,自动检测第一章,（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,25,自动检测第一章,图1-6 端基线性度的定义 图1-7 零基线性度的定义,26,自动检测第一章,（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

14、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,27,自动检测第一章,（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：,28,自动检测第一章,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。,29,自动检测第一章,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

15、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。,30,自动检测第一章,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。,31,自动检测第一章,图1-8 迟滞特性 图1-9 重复性的概念,32,自动检测第一章,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

16、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：,33,自动检测第一章,7 符合度 符合度就是传感器的输入输出特性符合或接近某一参考曲线的程度。 8 零漂及温漂 传感器的漂移大小是表示传感器性能稳定性的重要指标。 （1） 零点时漂 规定传感器一小时内的零点漂移D按下式计算测试传感器的零点漂移应在规定的恒定环境条件下进行。,34,自动检测第一章,（2） 零点温漂 传感器的零点温漂可按下式计算：可分别计算高温或低温检定的零点温漂+或-零点温漂测试通常应进行三次，然后再计算值。 （3）灵敏度温漂传感器的灵敏度温漂可按下式计算： = /,35,自动检测第一章,9 总精度 总精度反映的是传感器的实际输出在一定置信概率下对其理论特性或工作特性的偏离皆不超过的一个范围。 用迟滞、非线性(或符合性)和重复性这三项误差的方和根或简单代数和来表示总精度或,