自动检测技术

自动检测技术与装置自动检测技术与装置 1检测技术基础检测技术基础 1 1 基本概念基本概念 检测与测量 检测与测量 通常所讲的检测是指使用专门的工具 通过实验和计算 进行比 较 找出被测参数的量值或判定被测参数的有无 而完全以确定被测对象量值 为目的的操作成为 测量 检测装置 检测装置 检测仪表或检测系统和它们必需的辅助设备所构成的总体称检测装 置 敏感元件 检测元件 敏感元件 检测元件 是一种能够灵敏地感受被测参数并将被测参数的变化转 换成另一种物理量的变化的元件 传感器 传感器 它能直接感受被测参数 并将被测参数的变化转换成一种易于传送的 物理量 变送器 变送器 是一种特殊的传感器 它使用的是统一的动力源 而且输出也是一种 标准信号 变送器的作用 变送器的作用 是分别将各种对象参数 如温度 压力 流量 液位等 和电 气信号 如电压 电流 频率和气压信号等 转换成相应的统一标准信号 并 传送到指示 显示 记录仪表 各种运算器或调节器等 供指示 记录或调节 直接测量 直接测量 指不必测量与待测参数有函数关系的其他量 而能直接得到待测参 数的量值 间接测量 间接测量 通过测量与待测参数有函数关系 甚至没有函数关系 的其他量 经一定的数学处理才能得到待测参数的量值 软测量 软测量 也称为软仪表 Soft Sensor 技术 其检测原理为 利用易测的变量 常称为辅助变量或二次变量 Secondary Variable 依据这些易测变量与难 以直接测量的待测变量 常称为主导变量 Primary Variable 之间的数学关 系 软测量模型 通过各种数学计算和估计方法以实现对待测变量的测量 按仪表结构分类 按仪表结构分类 开环结构 开环结构 仪表的传递函数 K 为各环节传递函数之积 K0K2Kn X U0U1Un 1 y Un 闭环结构 闭环结构 闭环结构仪表的信息传递有两个通道 一个是正向通道 另一 个是反馈通道 平衡 反馈 式变换结构 平衡 反馈 式变换结构 是指信号变换环节 包括转换元件和转换电路 为 闭环式结构 模拟变送器构成原理 模拟变送器构成原理 测量转换部分的作用是将检测元件的输出转换成放大器 可以接受的信号 可以是电压 电流 位移和作用力等信号 由变送器的 i z i z 类型和检测元件的性质决定 反馈环节把变送器的输出信号转化成反馈信号 y f z 在放大器的输入端 与调零与零点迁移信号的代数和同反馈信号进行比 i z 0 z f z 较 其差值 由放大器进行放大 并转换成统一标准信号输出 ey 仪表基本性能 仪表基本性能 测量范围和量程 测量范围和量程 每台检测仪表都有一个测量范围 仪表工作在这个范围 内 可以保证仪表不会被损坏 而且仪表输出值的准确度能符合所规定的 x 输入 敏感元件转换元件转换电路放大器 反馈元件 X i X f y X 测量转换部分 D 调零 零点迁移 放大器 K 反馈环节 F Z0 ZI ZF ey K0K1K2Kn 1 2 m X Xs xy 值 这个范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限 测量上限 和测量下限的代数差称为仪表的量程 即 量程量程 测量上限值测量上限值 测量下限值测量下限值 灵敏度 灵敏度 仪表输入 输出特性曲线的斜率 x y S 死区 不灵敏区 死区 不灵敏区 由于不灵敏区的存在 导致被测参数的有限变化不易被 检测到 回差 变差 滞环 回差 变差 滞环 是指检测仪表对于同一被测量在其上升和下降时对应 输出值间的最大误差 100 max 量程 回差 线性度 非线形误差 线性度 非线形误差 仪器的线性度是表示仪表的输入 输出特性曲线对相 应直线的偏离程度 稳定性 稳定性 可以从两个方面来描述 一是时间稳定性 它表示在工作条件保 存恒定时 仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小 二是使用条件变 化稳定性 它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 重复性 重复性 在相同条件下 对同一被测量 按同一方向 由小到大或由大到 小 多次测量时 检测仪表提供相近输出值的能力称为检测仪表的重复性 再现性 再现性 在相同的条件下 在规定的相对较长的时间内 对同一被测量从 两个方向 由小到大或由大到小 上重复测量时 检测仪表的各输出值之 间的一致程度 可靠性 可靠性 衡量仪表的可靠性没有专门的尺度 目前主要有三个指标来描述 保险 期 有效性 侠义可靠性 定量描述 定量描述 平均无故障时间 Mean Time Between Failure MTBF 仪 表在相邻两次故障间隔内有效工作的平均时间 绝对误差 绝对误差 是仪表输出值与被测参数真值之间的差值 即 0 xxx 仪表基本误差 仪表基本误差 在标准条件下 仪表全量程范围内输出值误差中绝对值最 大者称为仪表的基本误差 相对误差 相对误差 仪表的绝对误差与约定真值比的百分数 即 100 0 x x 引用误差 引用误差 仪表的绝对误差与仪表的量程比的百分数 也用表示 即 100 量程 x 最大引用误差最大引用误差 最大测量误差 仪表量程 仪表满刻度相对误差 仪表满刻度相对误差 仪表基本误差与仪表量程比的百分数 它在数值上 就是仪表的准确度 允许误差 允许误差 这是仪表制造单位为保证仪表不超过基本误差而设的限值 准确度 准确度 判定仪表测量精确性的主要指标是它的准确度 其定义是 仪表 给出接近于真值的响应能力 知道了仪表的准确度就可以估计测量结果 与约定真值的差距 仪表的准确度通常是用仪表满刻度相对误差的大小来 衡量 准确度等级 准确度等级 仪表的准确度划分为若干等级 称准确度等级 仪表的准确 度等级按以下方法确定 首先用仪表满刻度相对误差略去其百分号 作 为仪表的准确度 在根据国家统一划分的准确度等级 选其中数值上最接 近又比准确度大的准确度等级作为该仪表的准确度等级 准确度等级的数 字越小 仪表的准确度越高 或者说仪表的测量误差越小 动态特性 动态特性 响应时间 误差理论基础误差理论基础 按误差的出现规律分类 按误差的出现规律分类 系统误差 随机误差和粗大误差 按使用的工作条件分类 按使用的工作条件分类 基本误差和附加误差 按误差产生的原因分类 按误差产生的原因分类 检测系统误差 环境误差 方法误差和人员误差 随机误差的特征 随机误差的特征 具有正态分布的随机误差有以下四个特征 误差的对称 性 误差的单峰性 误差的有界性 误差的抵偿性 系统误差的判定 系统误差的判定 实验对比法 残余误差观察法 标准差判据 消除和减少误差的一般方法 消除和减少误差的一般方法 1 减小随机误差的方法 1 提高检测系统准确度 2 抑制噪声干扰 3 对测量结果的统计处理 2 减小和消除系统误差的方法 1 消除误差源法 2 引入修正值 3 比较法 4 替代法 5 对照法 数据处理的误差数据处理的误差 科学计数法 科学计数法 数字末尾的零的含义有时并不清楚 此时往往采用科学记数 法 例例 12000 表示为 1 2 104 有效数字为 2 位 若写成 1 20 104 有效数字为 3 位 记录数据时 数据的位数应适当 对于给出不确定度的数据 其不确定度的数字取一到二位 数据的最末一 位取到与不确定度末位同一量级 有效数字 有效数字 若数据的最末一位有半个单位以内的误差 而其它数字都是准确的 则各 位数字都是 有效数字 一般 为确切表述数据的精度 给出的数据只 应保留有效数字 对于一般的数据 应按有效数字取舍数据的位数 若舍去部分的数值小于保留数字末位的 0 5 个单位 则舍去多余数字后保 留数字不变 若舍去部分的数值大于保留数字末位的 0 5 个单位 则舍去多余数字后 保留数字的末位加 1 若舍去部分的数值正好等于保留数字末位的 0 5 个单位 则在舍去多余数 字后 保留数字的末位凑成偶数 对于一般的数据 应按有效数字取舍数据的位数 四舍六入五凑双 例例 将 3 14159 分别取 3 4 位有效数字 舍入后的有效数字分别为 3 14 和 3 142 例例 2 55 保留二位有效数字 2 6 2 65 保留二位有效数字 2 6 按此规则舍入数字 可保证数据的舍入误差最小 在数据运算中不会造成 舍入误差的迅速累积 但对于表示精度的数据 标准差 扩展不确定度等 在去掉多余位数时 只入不舍 数据加减运算中 所得运算结果 和或差 的小数点后保留的位数 应与 参与加减运算的各数据中小数点后位数最少的那一数据的位数相同 例例 4 286 1 32 0 4563 5 1497 5 15 数据乘除运算时 参与运算的各数据中有效数字位数最少的数据的相对误 差最大 运算结果的有效数字位数应与这一数据的有效数字位数相同 例例 462 8 0 64 1 22 242 78033 2 4 10 数据经乘方与开方运算 所得结果的有效数字位数与该数据的位数相同 例例 3 25 10 5625 10 6 对数计算中 所取对数应与真数有效数字位数相同 例例 lg32 8 1 51587 1 52 对于常数 及其他无误差的数值 其有效数字的位数可认为是无 e2 限的 在计算中需要几位就取几位 例例 1 2 0 5000 其有效数字可任意取用 若第一位有效数字等于或大于 8 则其有效数字的位数可多计一位 例例 8 5 1 38 0 267 3 13191 3 13 为尽力减小数字舍入带来的误差 参与运算的各数据可多保留一位数字 运算的中间结果的数字可多保留 1 2 位 以便减小舍入误差的影响 仪表的分析设计原则 仪表的分析设计原则 采用由整体到局部的方法进行分析 设计 即首先对仪表作总体概貌性的了解 设计 然后将仪表划分成几个部分 再对各划分部分逐一进行分析 设计 最后综合出整机的特性 1 了解仪表的测量对象和基本原理 2 按照结构框图将仪表划分为部分 3 根据信号的传递方向对各部分逐一进行分析或设计 4 综合仪表的整机特性 根据信号的传递方向对各部分逐一进行分析或设计 1 了解各部分的结构 作用 特点 输出与输入的关系 直至每一个元部 件的作用 2 对复杂的部分 可作进一步划分 直到划分为最基本的构成部件为止 根据信号的传递方向对各部分逐一进行分析或设计 1 画等效框图 在画图时可以忽略一些次要元件和因素 突出主要部分 也可以把画成习惯的形式 2 应用基本理论 分析或设计各个部分 仪表的防爆等级 仪表的防爆等级 防爆标志 防爆标志 常见防爆类型 隔爆型 d 本安型 ia ib 1 隔爆型防爆仪表 仪表的电路和接线端子全部置于防爆壳体内 2 本质安全型防爆仪表 也称安全火花型防爆仪表 在正常状态下或规定的故障状态下产生的电 火花和热效应均不会引起规定的易爆性气体混合物爆炸 本质安全型 ia 和 ib 两个等级 前者安全性更高 爆炸性危险场所分区 爆炸性危险场所分区 类场所 0 区 1 区 2 区 类场所 10 区 11 区 0 区 爆炸性气体环境连续出现或长时间存在的场所 1 区 在正常运行时 可能出现爆炸性气体环境的扬所 2 区 在正常运行时 不可能出现爆炸性气体环境 如果出现也是偶尔发生 并且仅是短时间存在的场所 仪表的防护等级 仪表的防护等级 防护等级由 IP 字母和两个数字表示 1 识别字母 IP 接触防护 对外来物体侵入的防护 对水侵入的防护 2 第一个数字 防护等级 接触防护和对外 来物体侵入的防护 3 第二个数字 防护等级 对水侵入的防护 第一个识别号第一个识别号防护范围名称防护范围名称 第二个识别号第二个识别号 防护范围名称防护范围名称 0 0 无防护无防护 0 0 无防护无防护 1 21 2 对大型对大型 中等外来物的防护中等外来物的防护 1 21 2 垂直垂直 倾斜水滴的防护倾斜水滴的防护 3 43 4 对小型对小型 很小外来物的防护很小外来物的防护 3 43 4 喷洒喷洒 溅洒的防护溅洒的防护 5 65 6 对尘降对尘降 粉尘侵入的防护粉尘侵入的防护 5 65 6 水流水流 水淹的防护水淹的防护 7 87 8 水没水没 浸没的防护浸没的防护 1 2 基本公式基本公式 一 一 开环结构开环结构 传递系数与相对误差传递系数与相对误差 K K1 K2 K3 Kn n 1i i K 设各环节的相对误差为 则整台仪表的相对误差为 i n 1i in21 环节越多 误差越大 二 二 闭环结构闭环结构 传递系数与相对误差传递系数与相对误差 Kc K 1 K K1 KK 00 其中 K 为正向传递回路的总传递函数 K0 为检测元件传递函数 n 1i i K 为反馈回路的总传递函数 当 K 1 时 Kc m 1i i 0 K 可以得出 闭环结构仪表的相对误差 0 k f 为检测元件的相对误差 为反馈通道的相对误差 0 k f 三 三 回差回差 回差回差 100 100 量程 max 为用同一被测量的对应输出值间的最大差值 max 四 四 非线性误差非线性误差 非线性误差非线性误差 100 100 量程 max 为绝对误差的最大值 max 五 五 相对误差相对误差 100 0 x x 为绝对误差 为真值x 0 x 六 六 引用误差引用误差 100 量程 x 七 七 随机误差的估计与统计处理随机误差的估计与统计处理 1 标准差 n xx n i 1i 2 0 2 样本标准差 贝塞尔公式 s 其中 vi 为 1 2 n 1 n xx i i 1 1 2 n v n i i 参 与误差 简称残差 是第 i 次测量值与算数平均值之差 3 算数平均值的样本标准差 s xn x s 八 八 粗大误差的估计与统计处理粗大误差的估计与统计处理 拉依达法 vi 3 i x x 对于一个测量列 计算出平均值 每个测量值的残差 vi 按贝塞尔公式计 x 算出 若满足拉依达法公式 则含粗大误差 应剔除 用剔除后的数据重 新按上述方法检验 直到判断无粗大误差 九九 系统误差的估计与判定系统误差的估计与判定 标准差判据 1 贝塞尔公式 b n xx n i 1i 2 0 2 佩特尔斯公式 1 253p 1 1 nn v n i i 当 n 为有限时 当无系统误差时 与相近 当存在系统误差时 二 p b 者值相远 令与之间的相对量为 若 p b b bp c 式中 k 为置信概率 p x 决定的置信系数 当 p x 1 n k 为 95 44 和 99 73 时 k 分别取 2 和 3 k 一般取 3 随着 n 的增加 与 c 均减小 用此判据的条件 n 19 十 十 误差合成误差合成 1 系统误差合成 y 1 x f 1 x 2 x f 2 x n x f n x n 1i i x f xi 检测最大系统误差 y 1 x f 1 x 2 x f 2 x n x f n x n 1i i x f xi 即为各项绝对值 误差统计特征值 22222 bfet 例题例题 1 某检测仪器在正常工作环境 环境温度 20 5 电源电压 220vAC 5 湿度 80 输入信号频率 1KHz 条件下的基本误差 用相对 百分误差表示 为 2 5 同时实验测得 当当仪表在超出上述范围时产生 的附加 温度附加误差为 0 2 电源电压附加误差为 e 2 湿度附 加误差为 1 输入信号频率附加误差为 2 5 如果该仪表工作环境为 35 电源电压为 220vAC 湿度为 90 信号频率为 2KHz 求其统计特征值 解 22222 bfet 带入数据 2 5 b 35 25 0 2 2 t 1 2 2 5 4 6 e f 2 随机误差的合成 对检测系统进行 n 次重复试验 得 计算的 i 1 x i2 x mi x 1 y y 的测量误差为 2 y n y mi m i2 2 i 1 1 i x x f x x f x x f y 标准差为 2 m 2 m 2 2 2 2 2 1 2 1 x f x f x f 为直接测量值 的标准差 1 2 m 1 x 2 x m x 3 误差的总合成 kyR 为极限误差 为随机误差的标准差 k 为置信系数 当置信概率为 R y 95 44 和 99 73 时 k 分别取 2 和 3 k 一般取 3 2 R 2 s yyy 为系统误差 为随机误差 s y R y 十一 十一 敏感元件敏感元件 检测元件 传感器和变送器的相互比较检测元件 传感器和变送器的相互比较 1 检测元件 敏感元件 A 能够将被测量变换为另一种物理量的元件 B 其输出信号能够反映被测量的大小和变化 2 信号 易于处理的物理量 机械量 气压 液压量 电量 光 一般情况下是指电信号 3 传感器 能够将被测量变换为另一种易于传输的物理量 信号 4 变送器 特殊的传感器 使用统一的动力源 输出标准信号 标准电信号 4 20 mA 型仪表 0 10 mA 型仪表 标准气压信号 20 100 kPa 气动仪表 十二 十二 回差 非线性误差 相对误差 引用误差 准确度和准确度等级之间的回差 非线性误差 相对误差 引用误差 准确度和准确度等级之间的 关系关系 1 回差 非线性误差 相对误差 引用误差及其公式如上 2 准确度 仪表给出接近于真值的响应能力 用仪表的满刻度相对误差来衡量 精度 精确度 3 准确度等级 A 仪表的最大引用误差乘以 100 后经过圆整后的值 准确度等级 最大引用误差 100 系列 B 按照国际法制计量组织 OIML 建议书 34 的推荐系列 1 10n 1 5 10n 1 6 10n 2 10n 2 5 10n 3 10n 4 10n 5 10n 6 10n 其中 n 1 0 1 2 3 等 C 最大引用误差 准确度等级 十三 十三 回差 重复性 再现性之间的关系回差 重复性 再现性之间的关系 1 重复性 A 在相同的测量条件 测量程序 观察者 测量设备 地点 短时间 下 对同一被测量 按同一方向多次测量 B 不包含回差 衡量抗随机干扰的能力 2 再现性 A 与重复性不同处 相对较长时间 从两个方向 B 包括了重复性 包括了回差 十四 十四 辨析应用辨析应用 1 误差的估计 真值是否已知 当声明标定某一量值 或给定了测量标准量时 认为真值 已知 1 已知 用标准差 n xx n i 1i 2 0 2 未知 用样本标准差 s 1 2 n 1 n xx i i 1 1 2 n v n i i 如果没有特殊声明 置信概率都取 99 即置信系数取 k 3 十五 十五 例题例题 1 3 某弹簧管压力表达测量范围为 0 1 6MPa 准确度等级为 2 5 级 校验时某 点出现的最大绝对误差为 0 05MPa 问这款仪表是否合格 2 5 1 3 0 MPa6 1 MPa5 0 所以这块表不合格 1 4 由一块压力表 其正向可测到 0 6Mpa 负向可测到 0 1MPa 现在只校其 正向部分 其最大误差发生在 0 3MPa 处 即上行和下行时 标准压力计的 指示值分别为 0 305Mpa 和 0 295MPa 问该表是否符合准确度等级为 1 5 的要求 最大绝对误差为 MAX 0 305MPa 0 3MPa 0 3Mpa 0 295MPa 0 005MPa 量程为 0 6MPa 0 1MPa 0 7MPa 0 005MPa 0 7MPa 0 71 量程量程 改变测量部分转改变测量部分转 F 换系数换系数 量程量程 数字式变送 D 器通过软件实现 零点调整和零点迁移零点调整和零点迁移 使变送器的 输出信号下限值 与测量范围 min y 的下限值相对应 模拟变送 min 0 x 器 调 数字变送器 软件调节 0 z 使变送器的输出信号下限值 与 min y 测量范围的下限值 相对应 min x 在 时 称为零点调整 在 min 0 x 时 称为零点迁移 零点调 min 0 x 整使变送器的测量起始点为零 零 点迁移是把测量的起始点由零迁移 到某一数值 当测量的起始点由零 变为某一正值 称为正迁移正迁移 图表 1 量程调整 图表 2 零点调整 当测量的起始点由零变为某一负值 称为负迁移负迁移 如果给定与 如何调整 m