自动检测与控制技术绪论教学课件PPT.ppt

课程介绍 本课程是为电气自动化等相关专业开设的 教学目的 1 了解自动检测和自动控制系统的基本概念 2 掌握传感器的基本结构和使用方法及应用 3 通过学习和实践 掌握检测基本原理 学会使用传感器对非电量进行检测的方法 4 熟悉主要控制方法和常用分析方法 绪论 在经济和社会发展中 工业逐渐取代农业而成为社会生产力发展的主导力量 它是一个历史的发展过程 主要是工业逐渐取代农业 并对整个社会生产方式和社会生产关系产生深刻的影响 实现了机器化大生产 创造了空前的社会财富 但如今 人类社会已经从工业化社会进入了信息化社会 一般认为 信息化就是信息资源 信息技术及其产业在国民经济和社会中的作用不断加强的过程 如何获取信息 检测 转换 储存 处理检测是获取信息的重要组成部分 在人类生活中起着及其重要的作用 而传感器是各种信息采集 转换和传输过程中的功能器件 是自动检测和自动控制系统中不可缺少的核心部件 传感器技术是一项当今世界令人瞩目并且发展迅速的高新技术 也是当今科技发展的一个重要指标 美国 日本 中国先后都将传感器列入高科技领域 重点对其进行突破 信息产业的三大支柱 传感器技术 通讯技术 计算机技术 一 检测技术在国民经济发展中的地位和作用 检测是利用各种物理效应 选择合适和方法与装置 对人类社会各方面的有关信息 通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程 能够自动完成整个检测与处理过程的技术称为自动检测与转换技术 在当今高新技术的迅猛发展中 检测技术的中的前端单元 传感器在国民经济的发展中起着极其重要的作用 应用 机械制造行业化工产品自动生产过程随时对生产过程中的相关参数进行自动检测汽车制造业中检测车速 方位 温度 油压 液压等 二 传感器的定义和组成 广义上说 传感器是一种能把物理量转变为便于利用的电信号的装置或器件 电工委 传感器是测量系统中的一种前置部件 能将输入变量转换成为可供测量的信号的装置 国标 能够感受规定的被测量 并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 我国国家标准定义明确了一下几方面的含义 1 传感器是某一测量装置 能够完成相应的检测任务 2 输入量是某一被测量 可能是物理量 化学量或生物量 3 输出量是某种物理量 便于运输 转换 处理 显示等 可以是气 光或电物理量 4 输出 输入有对应关系 并应有一定的精确程度 传感器的组成 敏感元件 传感元件 转换电路 被测量 非电量 电参量 电量 三 传感器的要求 一般基本要求 可靠性 灵敏度 分辨率 线性度 稳定性 量程 抗干扰能力 功耗 成本等 四 传感器技术的发展 传感器技术的发展主要体现在以下四个方面 一 集成化 功能化 二 微型化 三 数字化 四 智能化 一 集成化 功能化 传感器的一种集成化就是利用集成加工技术 将敏感元件 放大电路 运算电路 补偿电路等集成在一个器件上 优点 体积小 反应快 抗干扰能力强 稳定性高另一种集成化 将众多同类型的单个传感器集成于同一芯片或器件上 构成二维 三维式传感器 使它们成为一体化装置或器件 优点 简化电路设计 节省安装和调试时间 坚固性好 准确度高 可靠性高 功能化是指传感器不仅具有输出信号随被检测量的变化而变化的功能 而且还具有比较复杂的或复合的功能 例如 温度传感器和开关传感器集成化的一种热敏传感器 二 微型化 指利用微型加工技术 尽可能使传感器的体积和重量做到最小 微米 纳米 微机械加工技术为微型传感器的研制 加工提供了可能 三 数字化 数字化传感器是指能把被测变量直接转换成数字量输出的传感器 这类传感器的优点 精度高 分辨率高 测量范围广 抗干扰能力强 稳定性好 自动化程度高 可靠性高 便于动态和多路检测 四 智能化 智能化传感器是一种将普通传感器与微处理器相结合 具有检测与信息处理功能的传感器 优点 1 具有逻辑判断和信息处理功能 提高测量精度 2 可以实现多传感器多参数测量 3 测量数据可以存取 使用方便 4 具有数据通信接口 能与微型计算机直接通信 实现网络化或远程通信 第一模块自动检测技术 一 认识传感器1 检测技术的概念 1 测量的概念测量 人们借助专用的技术工具 采用相应的方法 对被测量取得定性或定量认识的过程 2 测量的结果可以表示为数值 也可以表示为一条曲线或某种图形 但结果总包括数值和单位 通过测量能判断被测量的存在与否 或在某一数值范围内 用一定精确等级的测量仪器 对被测量进行测量 然后得到一个比较精确的数值 2 测量方法的分类 按被测量是否随时间变化 静态测量和动态测量按测量手段 直接测量和间接测量按测量时是否与被测量接触 接触式测量和非接触式测量按产品的生产流程 在线测量和离线测量 3 测量误差及分类 测量误差 测量值与被测量实际值 真实值 之间的误差 测量误差分为绝对误差和相对误差 a 绝对误差设测量值为ax 被测量实际值a0 则绝对误差 绝对误差有正 负之分 b 相对误差相对误差用百分比的形式来表示 一般取正值 而相对误差又有示值 标称 相对误差和引用误差之分 示值相对误差引用误差 c 准确度等级当绝对误差 取仪表的最大误差值 m时 引用相对误差用来表示仪表的准确度等级s 即我国的模拟仪表的准确度通常分为七个等级 分别为0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0 0 1级表示该表的引用相对误差最大不超过 0 1 例1 1已知被测电压的准确值为220v 现用一块准确度等级s为2 5 量程为300v的电压表 测得电压为226v 试计算最大绝对误差 m 与准确值220v的误差 示值相对误差以及引用误差各为多少 解 最大绝对误差 与准确值220v的误差 示值相对误差 引用相对误差 例1 2上例中在仪表的绝对误差不变的情况下 如果被测电压为100v 示值相对误差为多少 变大了还是变小了 解 绝对误差不变 仍为 6v 示值ax 100v 示值相对误差与前面相比较可知 示值相对误差大多了 结果表明 同一仪器 无论被测值多少 仪表的相对误差变化不会太大 只与仪表的精确度等级有关 但当示值比满度值 量程 小很多时 示值相对误差就大得多了 因此 测量时要选择量程合适的仪表 一般测量值要在仪表量程的2 3以上 二 传感器的定义和作用 1 传感器传感器 又称换能器 变能器 广义而言 是将被测的某一种非电物理量或信号 按一定规律 以一定精度转换为与其相对应的某一种或同种物理量或信号输出的装置或器件 传感器由敏感元件 传感元件和转换电路三部分组成 2 传感器的作用人们为了从外界获取信息 必须借助于感觉器官 而单靠人们自身的感觉器官 在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了 为适应这种情况 就需要传感器 因此可以说 传感器是人类五官的延长 又称之为电五官 新技术革命的到来 世界开始进入信息时代 在利用信息的过程中 首先要解决的就是要获取准确可靠的信息 而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段 自动化生产过程中 要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数 使设备工作在正常状态或最佳状态 并使产品达到最好的质量 在基础学科研究中 传感器更具有突出的地位 现代科学技术的发展 进入了许多新领域 例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙 微观上要观察微小的粒子世界 纵向上要观察长达数十万年的天体演化 短到s的瞬间反应 此外 还出现了对深化物质认识 开拓新能源 新材料等具有重要作用的各种极端技术研究 如超高温 超低温 超高压 超高真空 超强磁场 超弱磁场等等 传感器早已渗透到诸如工业生产 宇宙开发 海洋探测 环境保护 资源调查 医学诊断 生物工程 甚至文物保护等等极其之泛的领域 我们生活中可以接触到的传感器 空调 冰箱 防火报警装置 电梯超员报警 手机的重力感应器等 1 传感器的分类传感器的种类很多 可以按用途 原理 制造工艺等来分类 目前我们常用的分类方法有两种 一种按被测对象的参数分类一种按传感器的变换原理分类 三 传感器的类型和特点 按被测对象的参数分类的传感器有 温度传感器 压力传感器 位移传感器 流量传感器 液位传感器 力传感器 力矩传感器 加速度传感器 流速传感器 振动传感器等 按变换原理分类的传感器有 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 压电式传感器 光电式传感器 光栅式传感器 热电式传感器 红外传感器 光纤传感器 超声波传感器 激光传感器等 有时人们常把被测参数和变换原理结合在一起来称呼传感器 例如电阻式压力传感器 电容式液位传感器 压电式加速度传感器等 2 传感器的静态特性 传感器的特性是指输入 输出的关系 传感器能否不失真地反映被测量的变化并将其变换成相应的输出量 这取决于传感器的基本特性 即静态特性和动态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系 动态特性是指被测量的值随时间变化时的输出输入关系 传感器的静态特性的指标有线性度 灵敏度 分辨力或分辨率 迟滞和重复性等 1 线性度传感器的校准曲线与选定的拟合直线的偏离程度称为传感器的线性度 又称非线性误差 ymax 传感器的满量程输出值 lmax 校准曲线 传感器实际特性曲线 与拟合直线的最大偏差 常用的拟合方法 a 理论直线法b 端点线法c 最佳直线法 lmax 2 灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出改变量与引起此变化的输入改变量之比 常用k表示灵敏度 其表达式为线性传感器非线性传感器 k dy dx 3 分辨力或分辨率分辨力是指传感器在规定测量范围内能检测出被测输入量的最小变化值 当被测量的变化小于分辨力时 传感器对输入量的变化无任何反应 将分辨力除以仪表满量程的百分值就是仪表的分辨率 它是一个无量纲的比率值 对于数字仪表 可以将该仪表的最低一位所代表的变化数值 除以该仪表的满量程的百分值就是该仪表的分辨率 4 迟滞 迟环 在相同工作条件下做全量程范围校准时 正行程 输入量由小到大 和反行程 输入量由大到小 所得输出输入特性曲线不重合 迟滞是由于磁性材料的磁化和材料受力变形 机械部分存在 轴承 间隙 摩擦 紧固件 松动 材料内摩擦 积尘等造成的 hmax 正向特性与反向特性曲线的最大差值 5 重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次测试时 所得特性曲线不一致的程度 多次重复测试的各曲线特性越靠近 说明该传感器的重复性越好 使用时的误差越小 其他指标 稳定性漂移零点漂移灵敏度漂移时间漂移 时漂 温度漂移 温漂 3 对传感器的要求必须具有足够的容量 必须与测量或控制系统具有良好的匹配性 具有适当高的精度 且稳定性要好 反应速度要快 工作可靠性高好 具有良好的适用性和适应性 要求动作能量小 对被测对象的状态影响小 内部噪音小而又不易受外界干扰的影响 并且使用安全 使用经济 成本低 寿命长 维护方便 校准容易 4 转换前后的对应关系非电量的检测多采用电测法 即首先将各种被测非电量转换为电量 然后经过处理装置及显示装置将被测的非电量参数显示出来 传感器作为一个能把被测的非电量转换成电量的器件 在整个检测系统中起着及其重要的作用 为保证检测准确度 其输出的电量必须与被测量具有一一对应的关系 也即传感器具有良好的线性特征 如何选择传感器 一般情况下 评价 效验和使用传感器的依据主要是传感器的基本参数和比较重要的环境参数指标 1 基本参数指标a 量程指标 量程范围和过载能力等 b 灵敏度指标 灵敏度 分辨力 满量程输出等 c 精度指标 精度 误差 线性 迟滞 重复性 灵敏度 误差 稳定性等 d 动态性能指标 固有频率 阻尼比 时间常数 频率特性 临界频率 稳定时间等 2 环境参数指标a 温度指标 工作温度范围 温度误差 温度漂移 温度系数等b 抗冲击振动指标 容许的抗冲击 振动频率 振幅 加速度等 c 其它环境参数 抗潮湿 抗干扰 抗腐蚀性等 3 可靠性指标 工作寿命 平均无故障时间 绝缘电阻 抗劳性能 耐压等 4 其他指标a 供电要求 交 直流 频率 功率 电压范围等 b 外形结构要求 外形尺寸 壳体材料 重量 结构特点等 c 安装方式 馈线电缆 使用场合等 四 智能传感器及信号的传输和处理 1 智能传感器的概念智能传感器是指一种带有微处理器的兼有信息检测 信息处理 信息记忆 逻辑思维与判断功能的传感器 传感器与微处理器相结合有以下两种途径 一是采用微处理器或微型计算机系统来强化和提高传统传感器的功能 二是运用半导体技术 把传感器部分与信息处理电路 输出输入接口 微处理器等制作在同一基板上 构成大规模集成电路智能传感器 a 扩展了测量范围和功能b 提高了灵敏度和测量精度c 提高了测量的稳定性和可靠性d 具有自诊断能力e 可以有多种输出形式以及数字通信接口等f 具有逻辑思维与判断 信息处理功能 能对检测的数值进行分析 修正和误差补偿等 2 智能传感器的特点 3 智能传感器输出信号的类型 在智能传感器系统中 接受传感器的输出信号并进步处理的装置时微型计算机 因此 传感器的输出信号首先应该是电信号 由于工作原理不同 输出的电信号可以归类为 4 传感器输出模拟信号的处理 1 电压信号的预处理目的 保证传感器的信号可靠输出到后续电路 作用 将传感器输出的微信号放大到模数转换器所需求的信号电平 抑制干扰 降低噪音 保证信号检测的精度 2 电压信号的数字化电压信号的数字化主要是助模数转换器 adc 通过采样 量化及编码 将输入的电压信号变换为对应的数字信号 选adc时 主要考虑的因素有转换时间 分辨率和价格 相同分辨率下 5 智能传感器的适用场合 1 在分布式多点测试 集中控制采集 测试现场远离集中控制中心的场合 2 传感器安装场所所受空间条件的限制 3 在自动化程度高 生产规模大的自动化生产线等场合 如发电厂 热电厂等 4 在通常无需人员看守 但需要进行检测的场合 如粮食仓库 大型养殖场 作业 1 传感器技术的发展体现在哪些方面 2 欲测230v电压 要求测量示值相对误差不大于 0 6 问选用量程为250v的电压表 其精度等级为