第1章 监测技术的基本概念ppt课件

.,绪论,检测技术与故障诊断,.,主要教学内容,测量的基本概念及方法测量误差及数据处理传感器及其基本特性,.,第一节测量的基本概念及方法,一、测量的一般概念二、测量方法的分类,.,第一节检测技术的基本概念及方法,一、测量的一般概念测量是借助专门的技术和仪表设备,采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的过程。所谓“定量”，就是使用一定准确度等级的测量仪器、仪表，比较准确地测得被测量的数值。测量过程实质上是一个比较的过程，即将被测量与一个同性质的、作为测量单位的标准量进行比较，从而确定被测量是标准量的若干倍或几分之几的比较过程。测量结果包含数值（大小和符号）以及单位。有时还要给出误差范围。,.,二、测量分类,根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量。根据测量的手段不同，可分为直接测量、间接测量和组合测量。根据测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。根据测量时是否与被测对象接触，可分为接触式测量和非接触式测量。为了监视生产过程，或在生产流水线上监测产品质量的测量称为在线测量，反之，则称为离线测量。根据测量的具体手段来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量。,.,静态测量与动态测量,最高、最低温度计,.,直接测量与间接测量,电子卡尺,.,非接触式测量例：雷达测速,车载电子警察,.,离线测量,产品质量检验,.,在线测量,防护罩内为测量行程的传感器,例：安装有直线光栅的数控机床，一边加工一边测量直径和螺纹,到达设定值时自动退刀。,在流水线上，边加工，边检测，可提高产品的一致性和加工准确度。,.,1.偏位式测量,直接以仪表的偏移量表示被测量的测量方式称为偏位式测量。,.,2零位式测量：例1天平,当测量系统达到平衡（天平指针处于中间零位）时，用已知标准量的值决定被测量的值。准确度高，决定于标准量，但平衡比较费时。,已知标准量,被测量,.,2.零位式测量例2：自动平衡电位差计式记录仪表,平衡时间：小于1s,匀速走纸,.,3.微差式测量,微差式测量法是综合了偏位式测量法速度快和零位式测量法准确度高的优点的一种测量方法。这种方法预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡。当被测量有微小变化时，测量装置失去平衡。用偏位式仪表指示出其变化部分的数值。例如，用天平（零位式仪表）测量化学药品，当天平平衡之后，又增添了少许药品，天平将再次失去平衡。这时我们即使用最小的砝码也称不出这一微小的差值。但是我们可以从天平指针在标尺上移动的格数来读出这一微小差值。,.,微差式测量,微差式测量的分辨力较高，但量程较小。,.,第二节测量误差及数据处理,一、测量误差二、测量结果的数据处理,.,一、测量误差,测量误差：测量值与真值之间的差值绝对误差：被测量值Ax与真值A0之间总是存在着一个差值，这种差值称为绝对误差，用表示：=Ax0真值有理论真值、约定真值、相对真值之分。准确度高2级以上的仪表的误差与准确度低的仪表的误差相比，则高一级仪表的测量值可以认为是相对真值。,.,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（绝对误差相同），但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？,.,相对误差及准确度等级,示值相对误差：,引用误差m（也称满度相对误差）：,准确度等级S我国的工业模拟仪表有下列常用的7种等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。,.,仪表的准确度等级和基本误差,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1.11.6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1.11.6之间，应购买哪一级温度表？,.,例某压力表准确度为2.5级,量程为01.5MPa，求:,1）可能出现的最大满度相对误差m。2）可能出现的最大绝对误差m为多少千帕？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差x。,解:1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即m25%。,2）mmAm251.5MPa0.0375MPa37.5kPa,3）,.,例：用同一台磅秤测量三个不同重量物体的示值相对误差的比较（动画），请得出结论！,x100kg=0.5%,x10kg=5%,x1kg=50%,.,测量误差的分类,1.粗大误差超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。,.,产生粗大误差的一个例子：电磁干扰,.,在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，多属于系统误差。系统误差是有规律性的,因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正,也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,2.系统误差：,夏天摆钟变慢的原因是什么？,.,系统误差的另一种表达,在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次重复测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，即：系统误差=(无限次测量的平均值)真值引起系统误差的因素：环境温度及湿度波动、电源电压下降、电子元件老化、机械零件变形移位、仪表零点漂移等。又如，用零点未调整好的天平称量物体，称量结果会产生偏高或偏低。,.,3.随机误差,测量结果与在重复条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。或曰：在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。测量值的随机误差=测量结果算术平均值=测量结果(真值系统误差),.,每一个测量值的随机误差，等于自身的数值减去算术平均值。,均值,真值,系统误差,正态分布,差值可能是正的或负的,大小每次均不相同。具有随机误差的测量值的分布呈正态分布。,.,二、测量结果的数据处理,1.随机误差的统计特性单峰性对称型有界性,.,1）单峰性：大量的测量值集中分布于算术平均值附近（并非真值）。,随机误差的正态分布规律分析,2）对称性：xi大致对称地分布于算术平均值两侧。我们将xi与算术平均值之差称为剩余误差，也称残差Vi：残差Vi基本上相互抵消：,NOTE:算术平均值不再含有随机误差分量，但并不等于真值，它与真值x0之差可以认为就是系统误差。,.,1.正态分布的规律,）有界性：在一定的条件下，Xi有一定的分布范围，超过这个范围的可能性非常小，即出现绝对误差很大的情况很少。,在工程测量中，一般用下式表示存在随机误差时的测量结果：,算术平均值的方均根误差,算术平均值的标准差,3原则:用方均根误差来检查测量结果中是否存在粗大误差，通常认为残差超过3（极限误差）的测量值称为“坏值”，应予以剔除。,.,算术平均值的方均根误差与与方均根误差的关系：,方均根误差,.,2测量结果的数据整理步骤,1）将一系列等准确度测量的读数xi(i=1,2,n）按先后顺序列成表格（在测量时应尽可能消除系统误差）；2）计算测量列xi的算术平均值；3）在每个测量读数旁，相应地列出残差Vi4）检查条件是否满足。若不满足，说明计算有误，需重新计算；5）在每个残差旁列出Vi2，然后求出方均根误差；6）检查是否有Vi3的读数。若有，应舍去此读数xi，然后从第2条开始重新计算；7）在确认不再存在粗大误差（即Vi3）之后，计算算术平均值的标准差。8）写出测量结果并注明置信概率（99.7%）。,.,例：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行16次等准确度测量，所得16个数据如下（单位为mm）：39.44、39.27、39.94、39.44、38.91、39.69、39.48、40.55、39.78、39.68、39.35、39.71、39.46、40.12、39.76、39.39，求：按数据处理规则计算钢板的厚度。,解1）按照测量读数的顺序列表。2）计算测量列xi的算术平均值：=(633.97/16)mm=39.623mm。3）在测量值xi右边写出残差：Vi，并验证4）在每个残差的右边列出计算中间过程值Vi2，并计算出：,.,钢板厚度测量结果的数据列表,.,.,钢板厚度计算处理(续),5）计算出方均根误差：6）计算出极限误差3=1.134mm。经检查，未发现Vi3，故16个测量值中均无坏值。7）计算出算术平均值的标准差：8）写出测量钢板厚度的结果：在上述计算过程中，由于测量列xi小数点后只有两位，因此各个中间值需在小数点后保留3位，最后结果保留小数点后两位。,.,结论：,.,不确定度,测量结果仅仅是被测量的一个估计值，因此测量结果必然带有不确定性。不确定性越大，测量结果的质量就越差。“测量不确定度”的含义：由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度，也表明该结果的可信赖的程度。它是测量结果质量的指标。不确定度愈小，所述结果与被测量的真值愈接近高。在报告测量结果时，必须给出相应的不确定度，便于使用该测量结果的人评定其可靠性。测量不确定度包含A类评定和B类评定。在完成不确定度的分析和评定后，应给出不确定度报告。,.,测量系统静态误差的合成,（1）绝对值合成法,（2）方均根合成法,.,例：用核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，已知PIN型射线二极管的测量误差为5%，微电流放大器误差为2%，指针表误差为1%，求测量的合成误差m。解：,结论：测量系统中的射线二极管的测量误差最大，应提高其准确度等级。,.,第三节传感器及基本特性,1.传感器的定义（参考GB7665-87）：传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为换能器、检测器、探头等。,.,2.传感器的组成,大部分传感器由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。例：测量压力的电位器式压力传感器,.,电位器式压力传感器原理框图,当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变化量反映了被测压力p值的变化。在这个传感器中，弹簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移。电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量电阻的变化R。当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。在这个例子中，电位器又属于分压比式测量转换电路。,.,二、传感器分类,常用的分类方法有：）按被测量分类：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。2）按测量原理分类：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。3）按传感器输出信号的性质分类：可分为输出为开关量（“1”和“0”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟量的模拟型传感器，输出为脉冲或代码的数字型传感器。,.,三、传感器基本特性staticcharacteristics,灵敏度分辨力和阈值非线性度迟滞误差稳定性电容兼容性可靠性,SensitivityResolutionandthresholdLinearityHystereiserrorRegulationsElectromagneticcompatibilityReliablity,.,1.灵敏度Sensitivity,非线性传感器,线性传感器,灵敏度太高，检测系统的稳定性将降低。,灵敏度是指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，常用K来表示,.,2分辨力resolution,分辨力：能检测出的输入量的最小变化量,分辨率：分辨力/满量程输入值,.,3.非线性度linearity,传感器的实际输入-输出曲线（校准曲线）与拟合直线之间的吻合（偏离）程度。,Lmax最大非线性绝对误差yF.S满量程输出值,选定拟合直线的过程，就是传感器的线性化过程。,.,4.迟滞Hysteresiserror,传感器在正、反行程，输入-输出曲线的不重合程度。,Hmax正反行程输出的最大差值yF.S满量程输出量,.,5.稳定性Regulations,稳定性：表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力，又称长期稳定性。理想情况下，传感器性能不应随时间变化，二实际情况下大多数传感器特性会随使用时间的延长而发生变化和漂移，如温漂。,.,5.稳定性Regulations,例如，某仪表输出电压值在8h内的最大变化量为1.2mV，则表示该仪表的稳定性为1.2mV/(8h)。环境影响量：指由外界环境变化而引起的示值变化量：1.零漂drift：用于描述仪表（已调零）在受外界环境影响后，输出不再等于零，而有一定的漂移。2.温度稳定性：又称为温度漂移，指传感器在外界温度下输出量发生的变化。用温度每变化1引起的绝对误差或相对误差表示，又称为温度误差系数。,.,仪表的零漂,零漂的校正方法：测量之前，将仪表的输入端短路，调节仪表的“调零电位器”，使仪表的输出为零。,.,仪表的灵敏度漂移,调零之后，再次将1mV（满量程）电压接到仪表的输入端,调节仪表的“调满度电位器”，使仪表的输出恢复到10mA。静候8小时，发现输出电流又增大了。即：灵敏度又漂移了(假设零位不变)。说明仅是调节满度电位器是不够的，必须采取补偿措施（主要是温度补偿）。,.,6.电磁兼容性EMCElectroMagneticCompatibility,电磁兼容性EMC电子设备在规定的