自动检测技术重点.doc

测量：以确定量值为目的的一种操作。检验：只需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。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。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非电量，常称之为非电量检测技术。自动检测系统的基本组成：1.传感器（信号的获得）。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。2.测量电路（信号调理器）。3.计算机（数据处理装置）。4.输出环节。按测量手续分类：直接测量、间接测量、联立测量；测量方式分：偏差式测量、零位式测量、微差式测量；敏感元件是否与被测介质接触：接触式测量、非接触式测量；被测量变化快慢：静态测量、动态测量；测量系统是否向被测对象施加能量：主动式测量、被动式测量；被测量是否是在生产进行的实际过程中被测：在线测量、离线测量。零基直线的特点是通过理论零点并保证最大偏差最小。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。测量误差：由于检测系统不可能绝对精确、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偏差。系统误差是指具有某种确定性规律的测量误差。具有这种特性的误差通常是由为数不多的确定性原因造成的。随机误差是指具有随机变化特性的测量误差。这种误差在人们进行次数不多的重复测量时表现为忽大忽小、忽正忽负，似乎无规律可循；但随着重复测量次数的增多，这种误差将服从数理统计规律，以正态分布规律最为多见。如果某次测量结果明显偏离真实值，则称该次测量包含粗大误差。它是由于异常情况出现或测量人员疏忽大意而引起的。重复测量中出现的粗大误差，应作为异常值除掉，不参与测量结果精度的评价，因而用于评价测量精度的误差只有系统误差和随机误差。实验比对法又可分为标准器件法和标准仪器法两种。以电阻的测量为例，标准器件法就是利用待进行系统误差评定的检测仪器对高精度精密标准电阻器(其值作为约定真值)进行重复多次测量。若测量值与标淮电阻器的阻值的差值大小均稳定不变，即可判定该仪器含恒值系统误差，该差值即可作为此检测仪器在该示值点的系统误差值。其相反数，即为此测量点的修正值。标准仪器法就是把精度等级高于被检定仪器两档以上的同类高精度仪器作为近似没有误差的标准仪表，与被检定检测仪器同时、或依次对被测对象(本例为在被检定检测仪器测量范围内的电阻器)进行重复测量，把标准表示值视为相对真值，如果被检定检测仪器示值与标准表示值之差大小稳定不变，就可判定该仪器含恒值系统误差，将该差值作为此检测仪器在该示值点的系统误差，该差值的相反数即为此检测仪器在此点的修正值。有界性。即各个随机误差的绝对值均不超过一定的界限。单峰性。即绝对值小的随机误差总要比绝对值(幅度)大的随机误差出现的概率大。对称性。等值而符号相反的随机误差出现的概率接近相等。抵偿性。当等精度重复测量次数n时，所有测量值的随机误差的代数和为零。电阻应变片基于金属材料的应变效应。导体材料在受到力的作用时，产生机械变形，其阻值随之发生变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为“压阻效应”。依据半导体的压阻效应，制成两类传感器。一类是利用半导体材料的体电阻制成粘贴式应变片，制作成半导体应变式传感器。另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器。压阻式传感器的优点是：灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，测压力时可测10Pa至20Pa的微压；元件有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度与直线加速度。压阻式传感器的最大缺点是温度误差较大。烧结型二氧化锡气敏元件是表面电阻控制气敏元件。半导瓷材料二氧化锡属于N型半导体，这类半导体瓷气敏电阻元件工作时通常都需要加热。元件在加热开始时阻值急剧地下降，然后上升，一般经过2-10分钟稳定，称之为初始稳定状态，元件只有达到初始稳定状态以后才可用于气体检测。元件在“清洁大气”中因吸附的氧气量固定不变，所以阻值保持一定。一旦某种浓度被测气体流过元件，则在元件表面产生吸附，元件阻值将随气体浓度变化而变化。如果被测气体是氧化性气体，被吸附气体分子从气敏元件夺取电子，使N型半导体元件中载流子电子减少，因而电阻值增大；如果被测气体为还原性气体，气体分子向气敏元件释放电子，是元件中载流子电子增多，因而电阻值下降。自感式传感器亦称变隙式自感传感器或变磁阻式自感传感器，根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。采用差动结构能带来的好处：理论上消除了零位输出，衔铁所受电磁力平衡；灵敏度提高一倍；线性度得到改善(高次项能部分相互抵消)；差动形式可减弱或消除温度、电源变化及外界干扰等共模干扰的影响。因为这些干扰是以相同的方向、相同的幅度作用在两个线圈上的，所引起的自感变化的大小和符号相同，而信号调理电路实质上是将两个线圈自感的差值转换为电信号。电涡流测量原理的特点：是对导电率、导磁率等物性参数敏感；其二是能够实现非接触测量。某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为压磁效应。相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩，这种现象称为“磁致伸缩”。当某些材料受拉时，在受力方向上磁导率增高，而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低，这种现象称为正磁致伸缩；与此相反的称为负磁致伸缩。两种导体(或半导体)A和B的两端分别焊接或绞接在一起，形成一个闭合的回路。若两个接点处于不同的温度，回路中就会产生电动势(称为热电势)，因而在回路中形成电流，通过电流表A可测得。这种现象称为热电效应。一根匀质的金属导体，如果其两端的温度不同，则在其内部会产生电动势，这种电势称为温差电势。根据中间导体定律，在回路中引入各种仪表和连接导线，不会对热电势产生影响，同时允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶，或将两热电极直接焊接在北侧物体表面。热电偶的冷端补偿1.冷端的恒温方式(冰浴法,适用于实验室)2.补偿导线法3.冷端温度自动补偿法。霍尔传感器机遇半导体材料的霍尔效应，属于半导体磁敏传感器（其电参数按一定规律随磁性量的变化而变化的传感器）。霍尔式传感器的特点：从直流到高频，其特性一致，可认为其特性与频率无关。霍尔式传感器产生与磁场强度成比例的电动势，它不仅能够测量动磁场，也能把静止的磁场变换成电信号。在通有电流的半导体板上加一个强磁场，当电流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的半导体板的两表面间出现电动势差，这个现象称为霍尔效应，这个电动势差称为霍尔电动势，半导体薄片称霍尔元件。某些电介质，当沿着一定方向对其施加力时，其内部产生极化现象，同时在它的某两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。这些具有压电效应的材料称之为压电材料。压电效应是可逆的。常见的压电材料有三类：单晶压电晶体，多晶压电陶瓷，高分子压电材料。光电效应一般分为外光电效应、光导效应和光生伏特效应，相对应的光电器件也有以下三种类型：光电发射型、光导型和光伏型。当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。绝大多数的高电阻率半导体，受到光照射吸收光子能量后，电阻率降低而易于导电，这种现象称为光导效应。光照射引起PN结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。直接编码器：直接将角位移或线位移转换为二元码(即0和1)的数字式传感器 最小分辨力：360度除以2的n次方。增量编码器：码盘上最外圈码道上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲将给计数系统提供一个初始的零位(清零)信号；中间一圈码道称为增量码道，最内一圈码道称为辨向码道。最小分辨力360度除以m。光纤传感器优点：灵敏度高、精度高、固有的安全性、良好的抗电磁场干扰能力、高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带等。光纤传感器系统分为两种类型：功能型(或称传感型)和非功能型(或称传光型)。功能型：光纤不仅起传光作用，又是敏感元件，光纤本身的传输特性受被测量的作用而发生变化，使光纤中波导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制。非功能型：光纤只是传输元件，不是敏感元件。在光纤的断面或在光纤中间放置光学材料、机械式或者化学式的敏感元件来感受被测量的变化，从而使透射光或反射光强度随之发生变化。光纤特点：1）抗电磁干扰能力强2）耐高温 3）绝缘性能好 4）光纤细而柔软 5） 防爆、耐腐蚀、耐水性好 6）适于遥控7）灵敏度高传感器通常由原始敏感元件、传感元件（亦称转换元件）和信号调理电路（亦称测量电路、转换电路）组成。传感器的构成方法，是研究如何用现有的传感原理构成各种具体传感器的科学方法。通过敏感元件、传感元件、信号调理电路之间的科学组合，达到检测各种参数的目的。基本型，电路参数型，多级变换型，参比补偿型，差动结构型，反馈型。在基本型中，敏感元件与传感元件合二为一。它包括：能量变换基本型（只有敏感元件。特点：传感器从被测对象本身获得能量，不需外加电源，敏感元件就是能量变换元件，属能量变换型的传感器，也称有源型传感器。对被测对象有负荷效应。输出信号一般比较微弱。例子：基于热电效应的热电偶、基于光生伏特效应的光电池、基于压电效应的压力式力传感器和固体电解质气体传感器）、辅助能源型（对某些敏感元件与传感元件合二为一构成的传感器，为了增加其抗干扰能力、提高稳定性或取出电信号而对其施加了电源，或因工作原理需要而使用固定磁场。它们输出的能量是从被测对象上获得的，仍是能量变换型传感器。所采用的电源或磁场称为辅助能源或偏压源。例子：光电管、光敏二极管、磁电感应式传感器、霍尔式传感器等。）和能量控制基本型（敏感元件与传感元件合二为一构成，但需用外加电源才能将被测非电量转换成电压等电量输出。典型例子：声表面波传感器、差动变压器式位移传感器、感应同步器、离子敏场效应晶体管、电化学电解电池传感器等。特点是：需外加电源，输出能量可大于被测对象所输入的能量。 ）采用差动结构可以提高传感器的灵敏度和线性度、减小环境等共模干扰因素的影响。差动结构是用两个性能完全相同的传感元件同时感受相同的环境量和方向相反的被测量。传感器信号获取方式：固定方式，补偿方式，差动方式，滤波方式，同步方式。提高传感器性能的技术途径：合理选择结构、材料与参数；采用线性化技术；采用差动对称结构；采用零位法、微差法与闭环技术；采用多信号测量法；集成化与智能化。三信号测量法的优点是：只要在三个信号量的测量期间内系统误差保持不变，则可消除对测量结果的影响。只要在对三个量的测量期间内，系统增益A不变，则可消除由增益A波动而引入的误差。只要在对三个量的测量期间内，恒流供电电流保持不变，则可消除其波动引入的误差。总之，采用三信号法可以用低精度的放大器、低精度的恒流源获得高精度的测量结果。干扰类型：机械干扰；热（热屏蔽，恒温法，平衡相消结构，温度补偿元件，加强自然通风和强制冷却）；电磁；光；湿度；化学；核辐射。噪声形成干扰三要素：噪声源、对噪声敏感的接收电路及噪声源到接收电路之间的耦合通道。噪声耦合方式：静电，电磁，共阻抗和漏电流，传导，辐射电磁场。电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在有互感，使一个电路的电流变化通过磁交链影响到另一个电路。主要抗干扰措施：屏蔽技术，接地技术（公共基准电位接地：直接、悬浮、一点和多点，抑制干扰接地，安全保护措施接地），隔离技术，布线技术，灭弧技术不确定度的评定：A类标准，B类标准，合成标准，扩展。电容测厚仪可以用来测量金属带材在轧制过程中的厚度，在被测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等、与带材距离相等的极板，这样极板与带材就形成了两个电容器。把两块极板用导线连接起来就成为一个极板，而金属带材就是电容的另一个极板，其总电容CX=C1+C2=2C。电容C