测量的基本知识PPT课件

1 自动检测技术 主讲 徐雁 2 检测技术定义 检测技术 人们为了对被测对象进行定性了解和定量掌握而研究的一系列技术措施 传感器原理及技术 自动检测技术 3 自动检测技术的重要性 检测技术的水平直接反映了科学技术的水平 检测技术无处不在 检测技术促进科技发展 科技发展加速检测技术现代化 电五官 4 检测系统的组成 系统组成 1 2 3 传输通道 5 课程的内容 第一章测量的基本知识第二章电阻式传感器第三章电感式传感器第四章磁电式传感器第五章压电式传感器第六章光电式传感器第七章热电式传感器第八章传感器的标定 6 课程要求 前修课程 电路理论 电子技术 微机原理选用教材 自动检测技术 马西秦主编机械工业出版社主要参考书 1 陈杰黄鸿 传感器与检测技术 高等教育出版社2 严钟豪等 非电量电测技术 机械工业出版社3 刘迎春等 传感器原理设计与应用 第4版 国防科技大学出版社4 周予为等 检测技术 华中科技大学电气学院 7 第一章基本知识 第一节基本概念第二节传感器的特性第三节仪表的误差第四节测量方法及系统 8 第一节基本概念 传感器测量检测技术 9 测量的有关概念 测量的定义用实验的方法 借助一定的仪器或设备 把被测量与单位进行比较 求取二者的比值 从而得到被测量数值大小的过程 设被测量为X0 其单位为u 二者的比值为 则测量过程用数学形式来描述为 X0 u测量的目的为了准确的获得表征被测对象特征的某些参数的定量信息 10 测量过程的三要素 测量单位 测量方法 把被测量与其单位进行比较的实验方法 测量仪器与设备 测量过程的具体体现与实施者 11 测量技术 按照被测对象的特点 选用合适的测量仪器与实验方法 通过测量及数据处理和误差分析 准确得到被测量的数值 并为提高测量精度 改进实验方法及测量仪器 为生产过程的自动化等提供可靠的依据 12 测量的分类 监测工业与实验室测试精密测量计量 13 传感器 传感器定义传感器是能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 它通常由敏感元件和转换元件组成 其中 敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分 转换元件是指传感器能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分 14 传感器的作用与地位 传感器处于研究对象与测试系统的接口位置 即检测与控制系统之首 因此 传感器成为感知 获取与检测信息的窗口 科学研究与自动化生产过程需要的信息 都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号 80年代以来 世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术 倍受重视 15 检测技术 检测技术 人们为了对被测对象进行定性了解和定量掌握而研究的一系列技术措施 检测技术属于信息科学的范畴 与计算机技术 自动控制技术和通信技术构成完整的信息技术学科 16 检测技术的作用 客观世界的一切物质都以不同形式不断地运动着 运动着的物质是以一定的能量或状态表现出来的 这就是信号 人们为了认识物质世界 就必须寻找表征物质运动的各种信号以及信号与物质运动的关系 这就是检测的任务 17 第二节传感器的特性 传感器的特性 传感器所特有性质的总称 传感器的输入 输出特性是其基本特性 一般把传感器作为二端网络研究 输入 输出特性是二端网络的外部特性 即输入量和输出量的对应关系 18 传感器的静态特性 线性度迟滞重复性灵敏度与灵敏度误差分辨率与阈值稳定性温度稳定性静态误差多种抗干扰能力 19 线性度 传感器的输入 输出关系或多或少地都存在非线性问题 在不考虑迟滞等因素的情况下 其静态特性可用下列多项式代数方程来表示 y 输出量 x 输入量 a0 零点输出 a1 理论灵敏度 a2 a3 an 非线性项系数 20 线性度定义系统输入 输出特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与满量程输出的百分比 线性度 21 线性度 常用拟合方法 1 理论拟合2 过零旋转拟合3 端基拟合4 端基平移拟合 22 线性度 a 理论拟合 b 过零旋转拟合 c 端基拟合 d 端基平移拟合 23 迟滞 变差 回差 传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞 迟滞大小一般由实验方法测得 迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示 24 迟滞 25 重复性 重复性 传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度 26 重复性 27 灵敏度与灵敏度误差 静态灵敏度 传感器输出的变化量与引起该变化量的输入变化量之比 灵敏度误差 28 分辨率 分辨率 传感器能检测到的最小的输入增量 分辨率可用绝对值表示 也可用与满量程的百分比表示 阈值 在传感器输入零点附近的分辨率 29 稳定性 稳定性 传感器在长时间工作情况下输出量发生的变化 有时称为长时间工作稳定性或零点漂移 稳定性误差 前后两次输出之差 30 温度稳定性 温度稳定性 又称为温度漂移 它是指传感器在外界温度变化情况下输出量发生的变化 温度稳定性误差 测试时先将传感器置于一定温度 例如20 下 将其输出调至零点或某一特定点 使温度上升或下降一定的度数 例如5 或10 再读出输出值 前后两次输出之差即为温度稳定性误差 温度误差系数 每 的温度稳定性误差 31 抗干扰能力 多种抗干扰能力 传感器对各种外界干扰的抵抗能力 例如抗冲击和振动能力 抗潮湿的能力 抗电磁场干扰的能力等 评价这些能力比较复杂 一般也不易给出数量概念 需要具体问题具体分析 32 静态误差 静态误差 传感器在其全量程内任一点的输出值与理论输出值的偏离程度 静态误差的求取方法 所有误差视为随机分布 求其标准偏差 取2 或3 值即为传感器静态误差 静态误差也可用相对误差表示 即 33 静态误差 静态误差是一项综合性指标 基本上包含了前面叙述的非线性误差 迟滞误差 重复性误差 灵敏度误差等 所以也可以把这几个单项误差综合而得 即 34 动态特性 响应时间 阶跃响应特性 极限频率 频率响应特性 35 1 阶跃响应特性 时域 阶跃响应特性 当输入信号为阶跃变化时 从输入信号发生突变的瞬间到满足准确度的新的稳定值之间的时间间隔 36 时间常数 传感器输出值上升到稳态值y的63 2 所需的时间 上升时间 传感器输出值由稳态值的10 上升到90 所需的时间 响应时间 输出值达到允许误差范围 所经历的时间超调量 欠阻尼情况下的过冲值 阶跃响应特性 37 2 频率响应特性 频率响应特性 将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入仪表 其输出正弦信号的幅值 相位与频率之间的关系 幅频特性相频特性极限频率 38 第三节仪表的性能指标 技术指标 量程 基本误差 精度等级 变差 灵敏度 响应时间 漂移等 经济指标 功耗 价格 使用寿命等 使用指标 操作维修是否方便 抗干扰能力 重量体积 自动化程度等 39 一 测量范围与量程 测量范围 在正常的工作条件下 仪表可以进行测量的被测参数的范围 其最低值和最高值分别称为测量范围的下限和上限 如某温度计的测量范围为 30 100 量程 测量范围的上限l上与下限l下的代数差 如温度计的量程为L 100 30 130 40 二 仪表的基本误差 基本误差 是指仪表在规定的工作条件 额定工作条件或标准工作条件 下的误差 形式按误差的表示方法 绝对误差 相对误差 引用误差 最大引用误差 按误差的性质 系统误差 随机误差 粗大误差 41 1 绝对误差 仪表的指示值x与被测量的真实值x0之间的代数差值 计为 表示为 绝对误差说明了仪表示值偏离真值的大小 在一定程度上能说明仪表测量的准确度 42 2 相对误差 仪表示值的绝对误差与被测量真值x0的比值相对误差比绝对误差能更好的说明仪表的准确度 43 3 引用误差q 仪表指示值的绝对误差与仪表量程L的比值 44 4 最大引用误差qmax 在规定的工作条件下 当被测量平稳的增加和减少时 在仪表全量程所取得的诸示值的引用误差 绝对值 的最大值 最大引用误差是仪表基本误差的主要形式 是传统仪表的主要质量指标 45 系统误差随机误差粗大误差 按误差的性质分类 46 1 系统误差 定义 在相同条件下 多次测量同一物理量时 其误差的绝对值和符号保持恒定 或者在条件改变时 按某一确定的规律发生变化 产生原因 测量工具本身性能不完善 测量设备和电路结构不当 测量过程中因温度 气压等环境条件发生变化 测量方法的不完善或测量所依据的理论本身不完善等 特点 系统误差出现的规律性和产生原因的可知性 47 系统误差的校正 从电路设计 测量方法和测量数据的处理方面对误差进行修正 如 补偿法 在电路和传感器结构设计中 选用在干扰变量作用下能产生误差相等而符号相反的元器件作为补偿元件 差动法 选用相同参数变换器 通过电路使其对被测参数具有相同的响应 对影响量 如温度 具有相消的作用 计算修正 按一定规律 对测量数据进行计算处理 48 2 随机误差 定义 在相同条件下多次测量同一物理量时 在已经消除引起系统误差的因素之后 测量结果仍有误差 且其变化是无规律的随机变化 产生原因 微小因素 且无法控制 特点 绝对值相等 符号相反的误差在多次重复测量中出现的可能性相等 在一定测量条件下 随机误差的绝对值不会超出某一限度 处理方法 49 3 粗大误差 产生原因 由于测量者在测量时疏忽或环境条件的突变而造成的 特点 较大 没有规律性 处理方法 50 三 仪表的精度等级 允许引用误差Q qmax Q精度等级G 取允许引用误差百分数的分子作为精度等级的标志 即运行引用误差去掉百分号 后的数字来表示 G Q 100工业仪表的常见精度等级 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 5 0 51 第四节测量方法 直接测量间接测量联立测量比较式测量 偏差式测量 零位式测量 微差式测量 52 1 直接测量 方法 在使用测量仪表进行测量时 对仪表读数不需要经过任何运算 直接得到测量的结果 如 用弹簧管式压力表测量流体压力就是直接测量 优点 测量过程简单而迅速 缺点 测量精度不易提高 在工程上广泛采用 53 2 间接测量 方法 测量时 首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进行测量 将测量值代入函数关系式 经过计算得到测量所需的结果 例如 导线电阻率 的测量 缺点 过程中 手续较多 花费时间较长 优点 可以得到较高的测量准确度 间接测量多用于科学实验中的实验室测量 54 3 联立测量 方法 在应用仪表进行测量时 被测物理量必须经过求解联立方程组才能得到结果 55 4 偏差式测量 方法 在测量过程中 用仪表指针的位移 即偏差 决定被测量的测量方法 测量时 标准量具不装在仪表内 而是事先用标准量具对仪表刻度进行校准 在测量时 输入被测量 按照仪表指针在标尺上的示值 决定被测量的数值 特点 测量过程较简单 迅速 但测量结果的准确度较低 广泛用于工程测量中 典型应用 56 5 零位式测量 方法 在测量过程中 用指零仪表的零位指示检测测量系统的平衡状态 在测量系统达到平衡时 用已知的基准量决定被测未知量 标准量具装在仪表内 在测量过程中 标准量直接与被测量相比较 调整标准量 一直到被测量与标准量相等 即使指示仪表回零 典型应用 57 特点 可以获得较高的测量准确度 但是测量过程比较复杂 反应速度不快 只适用于测量变化较缓慢的信号 例 直流电位差计 58 6 微差式测量 方法 综合偏差式与零位式测量法的优点而提出的测量方法 将被测的未知量与已知的标准量进行比较 并