自动化技术与仪表第章检测技术基础第11-12节.ppt

1 检测技术基础 测体温 你看到了什么 电子卡尺 检测技术在国民经济中的地位和作用 检测技术在国民经济中的地位和作用 神舟六号回收过程的 测控技术 检测技术在卫星中的应用 红外扫描区域 人造卫星 检测技术在海啸预报中的应用 海浪振动检测系统 浮标 深海地沟 四川地震中的生命探测仪及其使用 奥运会中的电子报靶提高了射击比赛结果的可靠性 检测技术在飞行器中的应用 一种典型的自动检测系统 检测系统在发电厂的应用 日常生活中的电冰箱 洗衣机 电饭煲 音像设备 电动自行车 空调器 照相机 电热水器 报警器等家用电器都安装了传感器 检测与环境保护 为保护环境 利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用 烟道气体检测 烟雾报警器 汽车与传感器 汽车与传感器 一部现代化汽车需要90多只传感器进行不同的监测 红外接收传感器 传感器实例 一台复印机需要20多只传感器 单能机器人 机械手 智能机器人 双脚步行机器人 机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用 传感器被称为机器人的 电五官 产品质量检验 雷达测速 车载电子警察 航空及航天与传感器 使用传感器进行速度 加速度和飞行距离的测量 飞行的方向 飞行姿态 飞行环境 飞行器本身的状态及内部设备的监控也都要通过传感器进行检测 阿波罗10号飞船就使用了数千个传感器对3295个测量参数进行监测 常娥一号 神州6号成功发射 在兵器领域中 使用了诸如机械式 压电 电容 电磁 光纤 红外 激光 生物 微波等等传感器 以实现对周围环境的监测与目标定位信息的收集 从而更好的解决了安全 可靠的防卫能力 在民用工业生产中 传感器也起着至关重要的作用 如一座大型炼钢厂就需要2万多台传感器和检测仪表 炼铁高炉监控与传动系统 大型的石油化工厂需要6千台传感器和检测仪表 在医学上 人体的体温 血压 心脑电波及肿瘤等的准确诊断与监控都需要借助各种传感器来完成 远望号舰艇 教学内容与要求 掌握检测的基本概念 常见的检测分类方法 1 1检测技术的基本概念 第一节检测技术的基本概念 一 检测 门捷列也夫 检测是认识自然界的主要手段西门子 检测就是去认识从信息论角度 检测就是信息获取 举例 用电压表测量电源电压是否正常 用温度计测量一个病人的体温是多少 检测 检测是人们借助于专门设备 通过一定的技术手段和方法 对被测对象收集信息 取得数量概念的过程 检测过程 信息提取 信号转换 存储 传输 显示记录与分析处理 检测技术 研究如何获取被测参数信息的一门学科 涉及众多学科 随这些学科的发展而发展 检测与测量的关系 测量 确定被测对象量值 检测 可能是确定量值 也可以是判定被测参数的 有 或 无 也可以是一种预报 故障分析 所以 检测是意义更为广泛的测量 二 检测方法 按检测过程分类1 直接测量 2 间接测量 直接测量 directmeasurement 利用测量仪器 直接读取被测量的测量结果 与同类基准进行简单的比较以得到被测量 这种情况下 被测参数就是待测参数 线纹尺 物体尺寸 天平 物体重量 电子卡尺 间接测量 indirectmeasurement 已知被测量与其他几个量有确定的函数关系 可以分别测出其他几个量 再利用函数关系求出被测量 比如 对多个被测量进行测量 经过计算求得被测量 F gV 负载电阻功率 电压 电流 自变量 目标变量 直接测量 根据传感器是否与被测对象接触分类1 接触式测量2 非接触式测量 1 接触式测量 将仪表的敏感元件与被测对象相接触 例如 热电偶 温度表等 多用于静态或运动速度缓慢的物质参数检测 测体温 雷达测速 车载电子警察 2 非接触式测量 非接触式检测法的敏感元件与被测对象之间无机械接触 多用于高速运动或环境恶劣场合检测 例如 红外探测仪 光电传感器等 按被测对象的变化特点分类1 静态测量 被测量不随时间变化或变化缓慢 测比较稳定的量值 2 动态测量 被测量随时间变化 测变化过程 静态测量 对缓慢变化的对象进行测量 静态测量 动态测量 便携式仪表 可以显示波形的便携式仪表 按获得测量结果的方式分类1 零位式测量 又称补偿式或平衡式 2 偏差式测量3 微差式测量 这三种测量方法在1 3节详述 1 2检测仪表的基本概念 教学内容与要求熟悉检测仪表 系统 基本组成 了解检测系统各部分的主要作用 了解检测仪表的分类 熟练掌握检测仪表的基本性能 1 2检测仪表的基本概念 一 检测仪表的定义检测仪表 注意 任何一个检测仪表必须要有敏感元件和显示装置 检测仪表组成框图 检测系统 由若干个检测仪表实现一个或多个参数测量的系统 一个检测仪表就是一个检测系统 也可以是检测系统中一个环节 检测系统并不都是由检测仪表组成 比如 由若干个敏感元件组成的检测系统框图 检测装置 检测仪表或系统和必需的辅助设备所构成的总体 二 术语敏感元件 sensor 传感器 transducer 变送器 transmitter 被测参数 measured 待测参数 parametertobemeasured 直接测量 directmeasurement 间接测量 indirectmeasurement 对敏感元件的要求 敏感元件对所测变量的响应足够灵敏敏感元件不受或少受环境因素的影响 敏感元件的输出响应最好是单值的取决于被测输入变量 敏感元件 sensor 例 铂电阻 总之 敏感元件的输出响应与输入变量最好是线性关系 定义 也称为检测元件 能够灵敏地感受被测变量并作出响应的元件 例 铂电阻 弹性膜盒 传感器 transducer 能够把特定的被测量信息 如物理量 化学量 生物量等 按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置 传感器需要满足两点要求 1 对被测变量一定要敏感 2 输出响应必须是易于传送的物理量 测速发电机 发电机测速传感器 2 特定的被测量信息 非电量 发电机是不是传感器 3 某种可用信号输出 狭义定义 把外界非电量信息转换成与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置 4 转换 传感器 变换器 变送器 换能器 探测器 工业测量 标准输出信号 能量转换 所谓 可用信号 是指便于传输 便于处理的信号 就目前而言 电信号最为满足便于传输 便于处理的要求 目前绝大多数输出是电量形式 传感器功用 一感二传 即感受被测信息 并传送出去 变送器 transmitter 变送器由传感器发展而来 是能输出标准信号的传感器 标准信号其物理量的形式和数值范围都符合国际标准 如 直流电流4 20mA 型仪表 直流电流0 10mA 型仪表 注意变送器实际上就是一种传感器 被测参数 measured 也称被测量 是指用敏感元件直接感受的测量参数 如用铜电阻测温度 待测参数 parametertobemeasured 也称待测量 是指需要获取的测量参数 大多数情况下 被测参数就是待测参数 如用铜电阻测温度 三 检测仪表的分类按被测参数分类温度 压力 流量 物位检测仪表按被测参数的响应形式分类连续式检测仪表和开关式检测仪表按使用的能源分类机械式 电式 气式 光式 按是否具有信号远传功能分类就地显示仪表和远传式仪表按信号的输出形式分类模拟式和数字式按应用的领域场所分类普通型 隔爆型和本安型 按仪表结构分类开环结构仪表 闭环结构仪表 平衡变换式仪表 四 检测仪表的基本性能1 测量范围和量程测量范围 仪表能正常工作 满足准确度要求 的可测的被测量的上限和下限的范围 上下限 测量范围的最低值和最高值分别叫做 范围下限 和 范围上限 简称 下限 和 上限 量程 上下限值的代数差 例如 测量范围为0 10N 量程为10N 测量范围为 20 20 量程为40 测量范围为 5 10g 量程为15g 测量范围为100 1000Pa 量程为900Pa 2 输入 输出特性灵敏度分辨率 分辨力 和閾值 死区 不灵敏区 灵敏限 失灵区 回差线性度漂移 补充 灵敏度 传感器在稳态下输出增量 Y与引起此变化的输入增量的比值 如 位移传感器 当位移量Dx为lmm 输出量Dy为0 2mV时 灵敏度为0 2mV mm 传感器的灵敏度 思考 灵敏度是不是越高越好呢 分辨力和阈值 分辨力 率 和阈值 分辨率 分辨力 仪表输出能响应和可分辨的最小输入量 也是仪表在规定测量范围内能检测出的被测量的最小变化量 Xmin 有量纲 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 有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示 无量纲 灵敏度越高 分辨率越好 灵敏度太高 影响测量范围 模拟仪表的分辨率 最小刻度分格值 2对于数字仪表而言 指示数字的最后一位数字所代表的值就是它的分辨率 当被测量的变化小于分辨率时 仪表的最后一位数字保持不变 分辨力 率 和阈值 阈值 又称为死区 失灵区 灵敏限 灵敏阈 钝感区 是指检测仪表的输入量由零变化到使输出量开始发生可察觉变化的有限区间 在该区间内 灵敏度为0 如图中的值 分辨力 率 和阈值 回差 也称变差 迟滞 是指检测仪表对于同一被测量在其上升和下降时所对应输出值之间的最大误差 该指标反映了传感器的机械部件和结构材料等存在的问题 如轴承摩擦 灰尘积塞 间隙不适当 螺钉松动 元件磨损 或碎裂 以及材料的内部摩擦等 迟滞的大小通常由整个检测范围内的最大迟滞值Dmax与仪表量程之比的百分数表示 即 线性度 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 线性度表示仪表的输入 输出特性曲线对拟合直线的偏离程度 表示 用非线性误差表示 即实际值与理论值之间的最大绝对误差与仪表量程比的百分数表示 即 漂移 漂移是指系统的被测量不变 而其输出量却发生了不希望有的改变 漂移包括零点漂移与灵敏度漂移 特性曲线2相对于特性曲线1既发生了零点漂移又发生了灵敏度漂移 漂移 零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移 时漂 和温度漂移 温漂 时漂指在规定条件下 零点或灵敏度随时间的缓慢变化 温漂则是周围温度变化引起的零点漂移或灵敏度漂移 3 稳定性时间稳定性 表示在工作条件保持恒定时 仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小 使用条件变化稳定性 表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响 表示方式 用相对误差或绝对误差来表示 如 3个月相对误差不超过0 2 满量程输出 重复性 在同一工作条件下 对同一输入值 按同一方向多次测量的输出值之间的 不 一致程度 称为 重复性 重复性误差eR通常用输出最大不重复误差Dmax与满量程输出yFS之比的百分数表示 即 Dmax D1max与D2max两数值之中的最大者 D1max 正行程多次测量的各个测试点输出值之间的最大偏差 D2max 反行程多次测量的各个测试点输出值之间的最大偏差 4 重复性 再现性 再现性 与重复性不同处 相对较长时间 从两个方向上重复测量时 检测仪表的各输出值之间的一致程度 再现性表示 用全测量范围内对同一被测量重复测量中仪表输出值之间的最大差值与量程比的百分数表示 5 可靠性保险期 有效性 狭义可靠性 6 误差绝对误差相对误差引用误差仪表基本误差仪表满刻度相对误差 真值 假定的理论值 用任何仪表都无法测量 因为任何仪表都可能或多或少的存在误差 约定真值 用适当精确度的仪表测出或用特定的方法确定 绝对误差 仪表的输出信号所代表的被测变量的数值与约定真值之间的代数差 简称 误差 即绝对误差 输出信号所代表的值 约定真值 某采购员分别在三家商店购买100kg大米 10kg苹果 1kg巧克力 发现均缺少约0 5kg 但该采购员对卖巧克力的商店意见最大 是何原因 举例 绝对误差都是0 5kg 相对误差检测系统测量值 即示值 的绝对误差与被测参量真值的比值 称之为检测系统测量 示值 的相对误差 常用百分数表示 引用误差检测系统指示值的绝对误差与系统量程L之比值 称为检测系统测量值的引用误差 引用误差通常仍以百分数表示 引用误差的大小即与仪表的绝对误差有关 还与仪表的测量范围有关 以上两例可以看出 相同的绝对误差 其量程大的仪表引用误差小 而量程小的仪表引用误差大 一般我们用仪表最大引用误差的大小来作为判断仪表精度的尺度 相对 引用 误差通常比其绝对误差能更好地说明不同测量的精确程度 一般来说相对误差值小 其测量精度就高 相对误差本身没有量纲 仪表基本误差 在标准条件下 仪表全量程范围内各输出值误差中绝对值最大者称为仪表的基本误差 即最大绝对误差 仪表满刻度相对误差 或满刻度最大引用误差 最大引用误差 最大引用误差是检测系统基本误差的主要形式 故也常称为检测系统的基本误差 最大引用误差是检测系统的最主要质量指标 可很好地表征检测系统的测量精确度 容许误差 指检测仪器在规定使用条件下可能产生的最大误差范围 它也是衡量检测仪器的最重要的质量指标之一 7 精确度和精确度等级 精确度 测量仪表指示值不一致程度的量 仪表的精密度和准确度都高 其精确度才高 精确度是以测量误差的相对值来表示的 仪表指示值有规律地偏离真值的程度 精密度说明测量传感器输出值的分散性 即对某一稳定的被测量 由同一个测量者 用同一个传感器 在相当短的时间内连续重复测量多次 其测量结果的分散程度 如 某流量传感器的准确度为0 3m3 s 表示该传感器的输出值与真值偏离0 3m3 s 准确度是系统误差大小的标志 准确度高意味着系统误差小 注意 准确度高不一定精密度高 精密度高不一定准确度高 a 规律性系统误差小准确度高 结果分散性大随机误差大精密度低 b 规律性系统误差大准确度低 结果重复性好随机误差小精密度高 c 规律性系统误差小准确度高 结果重复性好随机误差小精密度高 精密度 准确度 精确度 精度 精确度等级 在规定工作条件下 用最大引用误差来作为判断仪表精度的尺度 max 最大绝对允许误差值 L 量程 max 精度 无 号的数值 根据国家统一划分的准确度等级 选其中数值上最接近又比精确度大的等级作为该仪表的精确度等级 国家现行统一规定划分的精度等级有 0 1 0 25 0 35 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 不能直接用引用误差的大小来表示仪表的精度 因为仪表的精度等级国家有统一规定 例如 最大引用误差分别为 确定仪表精度等级 根据国家统一划分的准确度等级 选其中数值上最接近又比精确度大的等级作为该仪表的精确度等级 国家现行统一规定划分的精度等级有 0 1 0 25 0 35 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 解 仪表精度等级分别为1 5级和2 5级 仪表的准确度等级和最大引用误差 例 某指针式电压表的准确度为2 5级 用它来测量电压时可能产生的最大满度相对误差为2 5 某公司生产测量温度的仪表 满度误差均在1 1 1 6 之间 该系列产品属于哪一级温度表 某车间希望测量温度的仪表满度相对误差控制在1 1 1 6 之间 应购买哪一级温度表 最大引用误差 例1 量程为0 1000V的数字电压表 如果其整个量程中最大绝对误差为1 05V 判断其精度等级 仪表的基本误差 最大绝对误差 越小 精确度越高 基本误差不变 量程越大 精确度越高 精度等级高低仅说明该检测仪表的引用误差最大值的大小 它决不意味着该仪表某次实际测量中出现的具体误差值是多少 请看下面例子 仪表精度等级为 0 25级 例2 被测电压实际值大约为21 7V 现有1 5级 量程为0 30V的A表 1 5级 量程为0 50V的B表 1 0级 量程为0 50V的C表 0 2级 量程为0 360V的D表 以上四种电压表 请问选用哪种规格的电压表进行测量所产生的测量误差较小 解 分别用四种表进行测量 由此可能产生的最大绝对误差分别如下所示 A表有 B表有 C表有 D表有 四者比较 选用