检测技术的基本知识.ppt

第一章检测技术的基本知识 第一节概述第二节测量方法第三节检测系统的基本特性第四节误差的概念第五节随机误差的处理方法第六节系统误差的消除方法 第一节概述 自动检测技术是人们对被测对象进行定性和定量分析所采取的技术措施 包括信息的采集 转换 显示和处理等 自动检测技术又称为传感器技术 可认为是电子感官 可以收集各种信息 并转化为电信号 供信号处理电路使用 你在生活中用到了哪些检测技术 种类丰富 应用范围广 涉及到军事国防 工业生产 日常生活等各个领域 许许多多仪器设备都需要大量的传感器来提供环境信息 然后才能实现仪器的功能 我们身边的检测技术应用 感应灯 报警器 火灾 煤气 防盗等 电视机 空调 电冰箱 手机 汽车 第一节概述 检测技术的应用1 检测技术是产品检验和质量控制的重要手段 被动检测主动检测 在线检测 2 检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用 保证人机安全 第一节概述 第一节概述 3 检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分 4 检测技术的完善和发展推动着科学技术的进步 所有专业领域都离不开检测技术 调节器 执行器 调节对象 传感器 被测量 第一节概述 检测系统的组成 被测量 传感器 测量电路 电源 指示仪 记录仪 数据处理仪器 传感器的作用 把被测量变换为与之有对应函数关系的并且便于测量的输出量 通常是电学量 传感器的分类 按被测量性质分 机械量传感器 热工量传感器 化学量传感器 生物量传感器等 按输出量性质分 参量型传感器和发电型传感器 第一节概述 第一节概述 测量电路的作用 将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号 具有信号放大 阻抗匹配 微分 积分和线性补偿等功能 第一节概述 显示记录装置的作用 使人们了解检测数值的大小和变化的过程 模拟显示 数字显示和图像显示 指针式万用表 数字式万用表 地震仪 第一节概述 电测法的优点 能够连续 自动地对被测量进行测量和记录 既能实现静态测量也能实现动态测量 量程大 便于远传 联网实现集中控制 第一节概述 检测技术的发展方向 新型 集成 智能集成方向包括同功能传感器集成化 点测量面测量 和不同功能传感器集成化 单一参数测量多参数测量 第一节概述 智能化仪表的功能 自动调零和自动校准 自动量程转换 自动选择功能 自动定时测量 自动故障诊断 自动数据处理和误差修正 液位仪智能化仪表 习题1 2 第一节概述 第二节测量方法 采取正确的测量方法可以提高自动控制系统的性能 第二节测量方法 测量的概念 人们用实验的方法 借助一定的仪器或设备 将被测量与同性质的单位标准量进行比较 并确定被测量对标准量的倍数 从而获得关于被测量的定量信息 第二节测量方法 测量的核心是比较 但在大多数情况下是将被测量和标准量变换成双方易于比较的某个中间变量来进行的 如弹簧秤 测量的手段是转换 即将被测量转换为电压或电流 利用电子装置完成测量过程 第二节测量方法 常用分类方法有如下几种 按测量手续分类直接测量对仪表读数不需要运算 体温表间接测量对与被测量有函数关系的几个量进行测量 然后代入函数关系式 经过计算得到所需结果 干湿球湿度计如电阻的测量可采用直接测量也可采用间接测量 第二节测量方法 按测量值获取方式分类偏差式测量利用仪表指针在标尺上的偏差读取被测量的数值 简单 迅速 精度不高 用于工程测量 零位式测量用标准量去平衡或抵消被测量天平 电位差计测量过程复杂 测量时间长 反应慢 用于变化缓慢的被测量的测量 第二节测量方法 电位差计原理 第二节测量方法 A D RP1 RP UK UX E P 调整RP使得UK和UX相等 检流计P回零 此时电位差计的读数即被测电压UX的值 第二节测量方法 微差式测量综合了零位式测量和偏差式测量的优点反应速度快 测量精度高 适于在线检测 mV E RL Rr Rm RP R1 E1 稳压电源的输出电压随负载电阻变化的情况的测量电路 首先RL取额定值 调节RP 使毫伏表指零 此时对应额定输出电压UO 然后改变RL的值 稳压电源输出电压的波动 U可由毫伏表读出 第二节测量方法 按测量仪表的测量途径分类接触式测量 测量仪表与被测对象相接触 如测量体温 非接触式测量 测量仪表与被测对象不接触 如红外测温 第二节测量方法 按被测对象的变化特点分类静态测量 被测量不随时间明显变化动态测量 被测量随时间明显变化 习题3 第三节检测系统的基本特性 检测系统的基本特性分为静态特性和动态特性 检测系统的静态特性是指检测系统的输入量处于稳定状态时的输出量与输入量之间的关系 即当输入量是常量或变化极慢时 输出与输入的关系 衡量传感器静态特性的主要技术指标有灵敏度 线性度 重复性 迟滞等 第三节检测系统的基本特性 灵敏度传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值 S dy dx 灵敏度越高 测量精度越高 但测量范围越窄 稳定性越差 习题4 灵敏度实质是仪表输入 输出特性曲线的斜率 线性仪表的灵敏度是一个常数 若检测系统由多个环节组成 各环节的灵敏度分别为S1 S2 S3 而且各环节以图1 5所示的串联方式相连 则整个系统的灵敏度为 第三节检测系统的基本特性 S S1S2S3 作业 习题5 第三节检测系统的基本特性 分辨率检测仪表能够精确测出被测量最小变化的能力 模拟仪表的分辨率规定为最小刻度的一半 数字仪表的分辨率规定为最后一位的一个字 第三节检测系统的基本特性 线性度检测系统的输入和输出之间的关系分为线性关系和非线性关系 YFS m Et x100 图中曲线为检测系统的实际输入输出关系 直线为理论上的输入输出关系 称为拟合直线 m的含义 为实测曲线与拟合直线的最大偏差 为输出满量程值 线性度是以所参考的拟合直线为基准线算得的 所以采取不同的拟合直线就得到不同的线性度 理论线性度 端基线性度 最小二乘法线性度 第三节检测系统的基本特性 第三节检测系统的基本特性 迟滞表明检测系统的正向 输入量增大 输入 输出特性曲线和反向 输入量减小 输入 输出特性曲线的不一致程度 m YFS YFS m Et x100 m的含义 为正反向检测曲线的最大差值 第三节检测系统的基本特性 测量范围正常工作条件下仪表能够测量的被测量值的总范围 下限上限量程测量范围上限值与下限值的代数差 如某温度仪表的测量范围是 20 200 则量程是220 知道测量范围就知道了量程 但知道量程却无法推知测量范围 第三节检测系统的基本特性 精度等级反映仪表测量精度的参数 将在下节中详细给出 第三节检测系统的基本特性 动态特性动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性 动态特性好的传感器 其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近 在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下 都存在动态测温问题 如把一支热电偶从温度为0 环境中迅速插入一个温度为t 的恒温水槽中 插入时间忽略不计 这时热电偶测量的介质温度从0突然上升到t 而热电偶反映出来的温度从0 变化到t 需要经历一段时间 即有一段过渡过程 如图所示 热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差 第三节检测系统的基本特性 动态误差 造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因 是因为温度传感器有热惯性 由传感器的比热容和质量大小决定 和传热热阻 使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化 如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多 这种热惯性是热电偶固有的 这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差 第三节检测系统的基本特性 例如响应时间合川马门溪龙体长22米 颈长9米 19个颈椎 而头部不足60厘米 第三节检测系统的基本特性 第四节误差的概念 测量误差的定义由于检测系统 仪表 不可能绝对精确 测量原理的局限 测量方法的不尽完善 环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等 使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差 这个偏差就是测量误差 即测量结果与被测量的真值之间的差叫测量误差 任何测量都存在误差 第四节误差的概念 误差来源测量工具 测量环境 测量方法和测量人员 误差的分类按误差表示方法分类 绝对误差和相对误差按误差出现规律分类 系统误差 随机误差和粗大误差按被测量与时间的关系分类 静态误差和动态误差 绝对误差仪表示值X与被测量真值X0之间的差值 第四节误差的概念 X X0 测量时利用修正值可消除误差的影响 修正值的获得 上级计量部门给出 绝对误差说明了系统示值偏离真值的大小 其值可正可负 具有和被测量相同的量纲单位 修正量定义 真值计算 某仪表测量10mm长度的绝对误差是0 001mm 另一仪表测量200mm长度的绝对误差是0 01mm 第四节误差的概念 哪一个仪表的测量精度高 相对误差仪表示值的绝对误差 与被测量真值X0的差值的百分数 第四节误差的概念 r X0 100 X X0 X0 100 r1 0 001 10 100 r2 0 01 200 100 0 01 0 005 上例 引用误差仪表示值的绝对误差 与仪表量程L的比值的百分数 第四节误差的概念 r0 L 100 r0m m L 100 最大引用误差 规定最大引用误差的百分数数值为精度等级 我国电工仪表分为七级 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 5 0 在选用仪表时 要使被测量位于2 3到满量程之间 第四节误差的概念 系统误差在相同条件下 多次重复测量同一被测量时误差的大小和符号保持不变 或按某一确定的规律变化 这种测量误差称为系统误差 其误差值恒定不变的又称为恒值系统误差 其误差值变化的则称为变值系统误差 系统误差是由于仪表制造 仪表安装和使用方法不正确或测量人员的不良读数习惯造成的 是一种有规律的误差 可以通过实验的方法消除 也可以引入修正值修正 第四节误差的概念 系统误差表明测量结果的正确度 随机误差在相同条件下多次重复测量同一被测量时 测量误差的大小与符号均无规律变化 这类误差称为随机误差 偶然误差 第四节误差的概念 随机误差表现测量结果的分散性 服从统计规律 随着测量次数的增加 随机误差的算术平均值接近于零 用精密度表示随机误差的大小 第四节误差的概念 正确度高精密度低 正确度低精密度高 正确度高精密度高 精确度是正确度和精密度的综合反映 系统误差与随机误差的关系两者同时存在 对测量误差如何处理要视两者对测量结果影响孰重孰轻 第四节误差的概念 粗大误差是指显然与事实不相符的误差 又称过失误差 由于粗心大意或操作不正确造成 应从测量数据中剔除 仔细操作 可以避免 第四节误差的概念 习题6 7 第五节随机误差的处理方法 概率某一事件或现象出现的客观可能性大小必然事件客观的必然现象 概率为1不可能事件违反客观实际的不可能出现的现象 概率为0随机事件客观上可能出现 也可能不出现 而且不能预测的现象 概率在0 1 概率是研究随机事件的一个统计概念 是对大量重复实验的统计结果 第五节随机误差的处理方法 n 150 区间号 1234567891011 831832833834835836837838839840841 5 4 3 2 1012345 1381828342917921 0 662 005 3312 0018 6622 6619 3311 336 001 320 66 测量区间中心值Xi mm 误差区间中心值 i mm 出现次数ni 频率ni n 频率直方图 统计直方图 第五节随机误差的处理方法 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 n 正态分布曲线 概率密度 f lim ni n n 1 n dn d ni n i f 随机误差的特点对称性对称于纵轴有界性随机误差的绝对值不会超过一定范围抵偿性全体随机误差的代数和等于0单峰性 0处随机误差的概率密度最大 第五节随机误差的处理方法 f 当系统误差已经消除 随机误差服从正态分布时 由于正态分布的对称性 当测量次数趋于无穷大时 测得值的算术平均值将逼近真值 但在实际工程测量中 测量次数不可能无穷大 一般将有限次等精度重复测量的算术平均值作为被测量真值的估计值 即 第五节随机误差的处理方法 增加测量次数n 可明显减小测量结果的标准偏差 提高测量的精密度 但随着n的增大 误差减小的程度愈来愈小 并且增加测量次数n不仅数据采集和数据处理的工作量迅速增加 而且因测量时间不断增大而使 等精度 的测量条件无法保持 产生新的误差 所以一般测量时取n 5 10次即可 第五节随机误差的处理方法 习题8 系统误差的特点 系统误差的特点是测量误差具有规律性 一般可通过实验和分析研究确定其产生原因并消除 第六节系统误差的消除方法 仪器误差 仪器不完善 老化 安装误差 仪器安装或使用不当 环境误差 使用条件与规定条件不符 方法误差 方法不当 理论不完善 操作误差 操作错误 观察位置不当 动态误差 振幅和相位误差 第六节系统误差的消除方法 系统误差的来源 针对产生系统误差的主要原因采取对应措施 对测量过程中可能产生的系统误差的环节作仔细分析 寻找产生系统误差的主要原因 并采取相应针对性措施是减小和消除系统误差最基本和最常用的方法 减小和消除系统误差的方法 第六节系统误差的消除方法 一 交换法 在测量中 保持其他条件不变 将引起系统误差的条件相互交换 如将天平上的被测物与砝码换位 使两次测量中可能产生的系统误差的因素起相反的作用 通过两次结果的平均值来消除系统误差 第六节系统误差的消除方法 二 抵消法 在测量中 保持其他条件不变 改变某个测量条件 如一次向上测量 一次向下测量 使引起的系统误差符号相反 通过两次结果的平均值来消除系统误差 第六节系统误差的消除方法 三 代替法 在测量条件不变的条件下 先用拟定的测量方案衡量被测物 使测量装置达到一定状态 再用测量装置去测量标准量具 使测量装置达到同样的状态 读取标准量具的数值就是被测物的数值 如曹冲称象 代替法实例 被测物平衡物砝码平衡物 第六节系统误差的消除方法 四 对称测量法 用于消除 测量期间的 线性变化引起的系统误差 对称测量法实例 第六节系统误差的消除方法 RX UX UN RN 实际测量时 由于Ux UN不是同时测量的 在测量期间电源电动势E会有缓慢下降 回路电流i也会有缓慢下降 造成系统误差 当电路中电流i为常数时 对称测量法采用t1 t2 t3的等时间间隔分别测量电压Ux UN Ux 测量中读取的三个顺序电压值分别为 联立求解得 U1 IRX U2 I RN U3 I 2 RX RX U1 U3 2U2 RN 该结果证明 U1 U3的平均值为t2时刻RX上的电压 相当于在t2时刻Ux UN同时读数 消除了电流减小对电压读数的影响 第六节系统误差的消除方法 五 补偿法 在测量系统内部采取补偿措施 消除测量过程中由于某个条件变化或某个环节的非线性引起的变值系统误差 如热电偶的冷端补偿 第六节系统误差的消除方法