宋彤《过程检测技术及仪表》小结.ppt

课程小结 第第1 1章章 1. 知识要点 1.1检测技术与检测仪表 检测过程:能量转换+与标准单位比较 检测系统的构成(方框图)。 1.2检测仪表的基本性能 概念及描述式 准确度与精度等级 仪表的准确度通常用仪表满刻度相对百分误差略 去百分号来表示，也称精度或精确度。 精度等级的数值越小，仪表的准确度越高，或者 说仪表的测量误差越小。 灵敏度 S 检测仪表对被测量变化的灵敏程度，即在被测量 改变时，经过足够时间检测仪表输出值达到稳定 状态后，仪表输出变化量匀与引起此变化的输人 变化量酝之比; 回差(变差) 反映检测仪表对于同一被测量在其上升和下降时 对应输出值之间的差值。 线性度 衡量检测仪表实际输入一输出特性偏离线性的程 度，用非线性误差来表示，它是实际值与理论值 之间的绝对误差的最大值. 1.3 测量误差的理论基础 （1）误差定义、分类及产生原因 误差分类（表示法）： 绝对误差、相对误差、相对百分误差、最大相 对百分误差等 系统误差、随机误差和粗大误差。 系统误差 在同一条件下，对同一被测参数进行多次重复测 量时，所出现的误差在数值和符号上都相同，或 者按一定规律变化的误差称为系统误差，前者称 为恒值系统误差，后者称为变值系统误差。 产生系统误差的主要原因 测量原理或测量方法的不完善、 标准量值的不准确、 仪表本身的缺陷及环境条件的变化等。 系统误差是可以通过修正来补偿，但不能完全 排除。 随机误差 在同一测量条件下，多次重复测量同一被测量时 ，其误差绝对值和符号以不可预定的随机性的方 式变化，此误差称为随机误差。 随机误差的产生可能是由于人们尚未认识的原因 ，或目前尚无法控制的某些因素（如电子线路中 的噪声）的影响，即偶然因素所引起的。 随机误差不能 通过修正方式消除，只能利用统 计方式估计。 最大随机误差: 3 粗大误差 超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差。此 误差值较大，明显表现为测量结果异常。 产生原因：测量时读错、记错仪表指示值，仪表 操作失误，测量数据计算错误等。 含粗大误差的测量结果毫无意义，应该剔除。 （2）系统误差的合成 考虑测量模型 Xi为被测参数或外界影响因素。当函数关系明确， 各个影响量的测量误差 x i已知，则待测量 y 的 总误差 y 为， 第2章 检测技术与检测元件 2.1 2.1 各种元件的工作原理及特点各种元件的工作原理及特点 知识要点知识要点 （1 1）机械式检测元件）机械式检测元件 机械式检测元件是将被测量转换为机械量信号（机械式检测元件是将被测量转换为机械量信号（ 如位移、振动频率、转角等），主要有弹性式检如位移、振动频率、转角等），主要有弹性式检 测元件和振动式检测元件。测元件和振动式检测元件。 （2）电阻式检测元件 电阻式检测元件的基本原理是将被测物理量转换 成元件的电阻值的变化。常用的检测元件有电阻 应变元件、热电阻等。 l应变式检测元件（电阻应变片） 电阻应变片是基于“应变效应”工作的，即导体或 半导体材料在外力作用下产生机械变形，引起其 电阻值的改变。 l热电阻式检测元件 物质的电阻率随温度的变化而变化的特性称为热 电阻效应，利用热电阻效应制成的检测元件称为 热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电 阻两大类。 金属热电阻 常用的金属热电阻有铂电阻和铜电阻等。 a .铂电阻 铂电阻有很好的化学稳定性，且复现性好，可作 为基准电阻和标准热电阻， 温度测量范围为-200 850 。 b .铜电阻 铜电阻具有电阻温度系数大，易加工，线性好等 优点。但易被氧化， 测量范围一般为 -50150 。 注意：热电阻接线方式及特点 半导体热敏电阻 热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的热 敏元件。 种类： 负温度系数（ NTC ）热敏电阻、 正温度系数 ( P TC ）热敏电阻、 临界温度（ CTR ）热敏电阻三种。 热敏电阻的电阻值高，且电阻温度系数大，化学 稳定性好， 测温范围在 -100300 之间。 （3） 电容式检测元件 电容式检测元件实际上是一种可变电容器，它能将 被测量的变化转换为电容量的变化。 变极距式电容器 变面积式电容器 变介电常数式电容器 l利用电容式检测元件可测量压力、差压、物位等参 数。 l在构成检测仪表时要注意温度和寄生电容等的影响 ，并采取必要的补偿和抗干扰措施，以提高测量准 确度。 （4） 热电式检测元件 热电偶检测元件 热电偶的热电势主要由接触电势产生，所以闭合 回路的总电势可表示为 热电偶基本定律， 均质导体定律 热电势与导体的几何尺寸、接点以 外处的温度无 关。 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两 端温度相同，则该导体的接入不会改变原热电偶 回路的总电势。 中间温度定律 设在热电偶两接点 A 、 B 间有一点 C ，则存在 l热电偶回路电势同时与两点温度 T,T0 有关，所 以在使用时 T0 必须保持恒定或进行补偿，使得 热电势只与被测温度有关。 注意：热电偶分度表的应用。 晶体管温度检测元件 晶体二极管的 PN 结正向电压 Ud 和晶体三极管 的基极、发射极间的电压 Ube 与温度 T 有关，利 用这个原理可制成晶体管温度检测元件。 (5)压电式检测元件 l某些材料在沿一定方向受外力作用时，在特定两 个相对表面上产生符号相反，数值相等的电荷现 象称为正压电效应。电荷量与所受作用力成正比 。压电式检测元件就是基于压电效应利用压电材 料作为敏感元件来实现参数测量的。 (6)光电式检测元件 光电效应分为外光电效应和内光电效应。 l外光电效应 在光线作用下，使其内部电子逸出物体表面的现象。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。 l内光电效应 物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，从而导 致物体的电阻率发生变化或产生电动势的现象称为内 光电效应。 基于该效应的光电器件有光敏电阻、光电池、光敏二 极管、光敏三极管等。 （7）霍尔检测元件 霍尔检测元件是一种基于霍尔效应的检测元件， 它可将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转 换成霍尔电压。 （8）核辐射式检测元件 核辐射式检测元件是利用被测物质对射线的吸收 、散射、反射或射线对被测物质的电离作用而工 作的，当射线通过物质时，因能量被吸收其强度 逐渐减弱，通过厚度为 x 的物质后的辐射强度 I 可表示： 2.2 检测仪表的信号变换 （1）常见信号变换方式 信号变换按结构形式来分主要有简单直接式变换、差动 式变换、参比式变换和平衡（反馈）式变换。 简单直接式变换 简单直接式的特点 简单直接式变换仪表是一种开环式仪表，结构简单，工作可 靠，但仪表的准确度较低，信息能量传递效率较低。 差动式变换 差动式变换是采用两个转换元件同 时感受敏感元件的输出量，并把它转 换成两个性质相同，但沿反方向变化 的物理量（一般为电学量。通过转换 电路进行差动放大。 差动式变换特点： l有效输出信号提高一倍，信噪比得 到改善； l非线性误差减小；（但不能减小敏 感元件非线性影响） l易于实现初始状态（“零”输人）的 零输出； l能消除部分环境因素的影响。 参比式变换 l参比式变换中采用两个性能 完全相同的检测元件，它们 同时感受环境条件量，但只 有一个感受被测量。 l采用参比式变换可以较好地 消除干扰来源明确的环境条 件量的影响。 l不能克服敏感元件非线性影 响。 平衡（反馈）式变换 l 变换环节变换环节 的信号输输人、输输出关系可近似为为反馈馈 系数的倒数。当反馈馈系数比较稳较稳 定时时，整个变变 换环节换环节 就可以达到比较较高的准确度。 l 根据平衡时时比较较器的输输入信号 xi 和 xf 之间间是否 有差值值，有无差随动动式变换变换 和有差随动动式变换变换 之分。 （2） 检测仪表中常见的信号变换方法 位移与电信号的变换 常用的转换元件如下。 .霍尔元件: 将霍尔元件置于非匀强磁场中（一般为 线性的），并与敏感元件自由端（产生位移端）相 连。当敏感元件的自由端产生位移，并带动霍尔元 件时，由于霍尔元件所受磁场强度的变化而改变霍 尔电势。 .电容器: 电容器由固定极板和动极板组成，当动极 板随敏感元件自由端变化时，电容器的电容量随之 而变，从而把位移转换成电容量。 .差动变压器: 将敏感元件自由端与位于差动变压器 骨架中间的铁芯相连，敏感元件自由端（也就是铁 芯）的位移变化改变变压器的互感系数，使变压器 副边线圈的感应电动势发生变化。 第三章 参数检测仪表 1 1温度检测仪表温度检测仪表 1.11