自动化第2讲b

1、 自动检测技术及仪表控制系统第一编基础知识引论第一编基础知识引论1 绪论2 误差分析基础及测量不确定度3检测技术及方法分析检测及控制装置与检测及控制装置与外界环境之间的三种界面关系外界环境之间的三种界面关系3检测技术及方法分析检测与控制装置与外界环境间的三种信息界面关系：检测与控制装置与外界环境间的三种信息界面关系：1 1、通过传感器、执行器对控制对象的检测与控制；、通过传感器、执行器对控制对象的检测与控制；2 2、装置与其他系统之间的信息交换；、装置与其他系统之间的信息交换；3 3、装置的人机界面，实现人机交互；、装置的人机界面，实现人机交互； 传感器的分类方法： 1）检测对象：温度、压力、

2、位移 2）传感原理或反应效应：光电、压电、热阻 3）传感器材料：半导体、有机、无机、生物材料 4）应用领域：化工、纺织、造纸、电力、家电、交通 5）反应形式或能量供给方式：能动被动，能量变换能量控制 6）输出信号形式：模拟量，数字量3检测技术及方法分析3.1 检测方法及其基本概念只有传感器并不等于具有完备的检测技术或方法，除只有传感器并不等于具有完备的检测技术或方法，除传感器外还需要一定的检测结构，用于有选择地实现信号传感器外还需要一定的检测结构，用于有选择地实现信号转换。检测技术理论就是针对复杂问题的检测方法、检测转换。检测技术理论就是针对复杂问题的检测方法、检测结构以及检测信号处理等方面进

3、行研究的一门综合性科学。结构以及检测信号处理等方面进行研究的一门综合性科学。下面分别介绍与其有关的一些基本概念下面分别介绍与其有关的一些基本概念3.1.1 开环型检测与闭环型检测3.1 检测方法及其基本概念1 1、开环型检测系统：、开环型检测系统：由传感器、信号放大器、转换电路、由传感器、信号放大器、转换电路、显示器等串联组成。显示器等串联组成。2 2、反馈型闭环检测系统：、反馈型闭环检测系统：如图。如图。正向通道中的变换器通常是将被测信号转换成电信号，正向通道中的变换器通常是将被测信号转换成电信号，反向变换器则将电信号变换为非电信号。反向变换器则将电信号变换为非电信号。平衡式仪表及检测系统一

4、般采用这种伺服结构。平衡式仪表及检测系统一般采用这种伺服结构。3.1 检测方法及其基本概念1 1、直接检测：、直接检测：与同类基准进行简单的比较，就能得到测量值的检测与同类基准进行简单的比较，就能得到测量值的检测方法称作直接检测。方法称作直接检测。例如：利用电桥将阻抗值与已知标准阻抗相比较，用例如：利用电桥将阻抗值与已知标准阻抗相比较，用电压表测电压，用速度检测仪测速度等都属于直接检测电压表测电压，用速度检测仪测速度等都属于直接检测2 2、间接检测：、间接检测：就是测量量与被检测量有一定关系的就是测量量与被检测量有一定关系的2 2个或个或3 3个以上物个以上物理量，然后再推算出被检测量的方法。

5、理量，然后再推算出被检测量的方法。例如：例如： 由测量移动距离和所要时间求速度，测量电流由测量移动距离和所要时间求速度，测量电流和电阻值求电压等。和电阻值求电压等。间接检测需要进行间接检测需要进行2 2次以上的测量，一般要分析间接误次以上的测量，一般要分析间接误差的传递。差的传递。3.1.2 直接检测间接检测3.1.3 绝对检测与比较检测1、 绝对检测绝对检测是指由基本物理量测量而决定被测量的方法。是指由基本物理量测量而决定被测量的方法。例如用水银压力计测量压力时，从水银柱的高度、密例如用水银压力计测量压力时，从水银柱的高度、密度和重力加速度等基本量测量决定压力值。度和重力加速度等基本量测量决

6、定压力值。2 2、比较检测、比较检测与同种类量值进行比较而决定测量值的方法称为比较与同种类量值进行比较而决定测量值的方法称为比较检测方法。检测方法。例如用弹簧管压力计测量压力时，要用已知压力校正例如用弹簧管压力计测量压力时，要用已知压力校正压力计的刻度，被测压力使指针摆动而指示的压力是通过压力计的刻度，被测压力使指针摆动而指示的压力是通过比较或校正得出的。比较或校正得出的。3.1 检测方法及其基本概念3.1 检测方法及其基本概念3.1.4 3.1.4 偏差法与零位法偏差法与零位法1、 偏差法：偏差法：又称偏位检测方法又称偏位检测方法因检测而使被测对象的状态发生变动的检测方法。这因检测而使被测对

7、象的状态发生变动的检测方法。这种方法结构简单，测量结果直观，被检测量与测量值的关种方法结构简单，测量结果直观，被检测量与测量值的关系容易理解。系容易理解。偏差法一般都是开环型结构，增益大。信号转换需要偏差法一般都是开环型结构，增益大。信号转换需要的能量要从被检测对象上获得。的能量要从被检测对象上获得。例如用弹簧秤检测重量；用接触式温度计测量温度，例如用弹簧秤检测重量；用接触式温度计测量温度，2 2、零位法、零位法零位法属于反馈型闭环检测方法，采取与同种类的已零位法属于反馈型闭环检测方法，采取与同种类的已知量取平衡的方法进行测量。知量取平衡的方法进行测量。例如用天平测量质量，观察平衡指针的摆动，

8、判断并例如用天平测量质量，观察平衡指针的摆动，判断并调整砝码的轻重，达到平衡时的砝码质量则等于被测物体调整砝码的轻重，达到平衡时的砝码质量则等于被测物体的质量。的质量。3.1.5 强度变量检测与容量变量检测输入输出端的强度变量输入输出端的强度变量与容量变量与容量变量信号变量（粗箭头）与信号变量（粗箭头）与误差变量（细箭头）误差变量（细箭头）3.1 检测方法及其基本概念1、 概念：概念：强度变量：强度变量：对应变量作用的大小，与体积、质量等无关对应变量作用的大小，与体积、质量等无关的检测，如压力、温度、电压等。的检测，如压力、温度、电压等。容量变量：容量变量：与占据空间相关，与体积、质量成比例关

9、系与占据空间相关，与体积、质量成比例关系的量。如长度、重量、热量、电流等。的量。如长度、重量、热量、电流等。2 2、举例：热电偶测温、举例：热电偶测温3.1.5 强度变量检测与容量变量检测3.1 检测方法及其基本概念3 3、强度变量与容量变量是在检测系统的输入、输出两端共、强度变量与容量变量是在检测系统的输入、输出两端共轭存在的变量，一方传递信息，另一方总是直接或间接地轭存在的变量，一方传递信息，另一方总是直接或间接地与误差有关。因此，为了使测量不影响被测对象的状态，与误差有关。因此，为了使测量不影响被测对象的状态，而且减少测量误差，需要尽量抑制共轭变量的影响。而且减少测量误差，需要尽量抑制共

10、轭变量的影响。3.1.6 微差法3.1 检测方法及其基本概念1、 概念：概念：测量被检测量与已知量的差值。测量被检测量与已知量的差值。这种方法尽管测量值的有效数字位数少，只要对差值这种方法尽管测量值的有效数字位数少，只要对差值的检测精度高，很容易达到高精度检测的要求。的检测精度高，很容易达到高精度检测的要求。2 2、举例：游标卡尺测量、举例：游标卡尺测量游标卡尺游标卡尺主尺与游标刻线精度均不高，但通过微差法主尺与游标刻线精度均不高，但通过微差法大大提高测量精度。大大提高测量精度。3.1.7 替换法3.1 检测方法及其基本概念由于系统误差的存在，当把被测物与标准比较物的主由于系统误差的存在，当把

11、被测物与标准比较物的主次或先后顺序置换过来时，可以排除测量过程中因顺序所次或先后顺序置换过来时，可以排除测量过程中因顺序所造成的误差影响。造成的误差影响。例如改变天平放砝码托盘的左右位置，两次测量质量例如改变天平放砝码托盘的左右位置，两次测量质量取其平均值的方法等。取其平均值的方法等。3.1.8 能量变换与能量控制型检测元件 能量变换型检测： 输出信号的能量是传感器吸收的能量的一部分，输入信号的能量部分转换成输出信号 太阳能电池、热电偶 能量控制型检测： 被检测量控制了从电源转向输出信号的能量的流动 光敏电阻、热敏电阻3.1 检测方法及其基本概念3.1.9 主动探索与信息反馈型检测 根据探索行

12、为所逐一得到的检测结果来判断被检测对象的性质及状态，并重复进行探索，深入掌握其状态。各种主动探索与信息反馈检测的形态各种主动探索与信息反馈检测的形态3.1 检测方法及其基本概念3.2.1 检测系统的基本功能1信号转换与信号选择2基准保持与比较3显示与操作3.2 检测系统模型与结构分析3.2.2 信号转换模型与信号选择性 1）信号转换的数学模型： 独立的输入变量： 从属的输出变量： 内部变量： 系统状态方程： 标定：检测：12,ru uu12,my yy12,nx xx12121212,;,;,iinrjjnrxgx xx u uuyfx xx u uuuyyu3.2 检测系统模型与结构分析3.

13、2.2 信号转换模型与信号选择性3.2 检测系统模型与结构分析设计检测系统时要设计检测系统时要选择必要的信号选择必要的信号，消除其他变量的，消除其他变量的影响，以提高检测精度。这是一种在成本、开发周期等经影响，以提高检测精度。这是一种在成本、开发周期等经济条件和时间条件的制约下的优化选择问题，即济条件和时间条件的制约下的优化选择问题，即实现信号实现信号变换特性与信号选择特性之间的优化结合。变换特性与信号选择特性之间的优化结合。例：以金属丝的电阻值变化为例，它与金属种类、纯例：以金属丝的电阻值变化为例，它与金属种类、纯度、形状、温度有关。度、形状、温度有关。当用作热电阻测温时当用作热电阻测温时，

14、选择其随温度变化的特性，而，选择其随温度变化的特性，而要防止变形影响；要防止变形影响；当用作应变测量时，当用作应变测量时，则选择其形状变化的特性，而要则选择其形状变化的特性，而要设计抵消温度影响的检测结构。设计抵消温度影响的检测结构。3.2.3 检测系统的结构分析 传感器的输入信号，除被检测参数外，还有其他未知参数或干扰参数，因此，一般传感器可视为多输入单输出系统传感器的多输入单输出形式传感器的多输入单输出形式3.2 检测系统模型与结构分析3.2 检测系统模型与结构分析3.2.3 检测系统的结构分析 3.2.3.1 补偿结构基本补偿结构基本补偿结构3.2 检测系统模型与结构分析3.2.3 检测

15、系统的结构分析 3.2.3.2 差分结构 利用了对称与反对称的输入输出特性。差动结构示意差动结构示意3.2 检测系统模型与结构分析3.3.1 时域信号选择方法 1）基于同步加算的去噪方法 2）基于响应速度的分离方法基于同步加算的去噪结果基于同步加算的去噪结果3.3 提高检测精度的方法3.3.2 频域信号选择方法 1）滤波放大与调频放大方法 信号和噪声所占有的频率段不同调频带通放大原理调频带通放大原理3.3 提高检测精度的方法3.3.2 频域信号选择方法 2）陷波放大方法 噪声信号频带非常窄3.3 提高检测精度的方法3.3.2 频域信号选择方法 3）锁定放大方法 微弱信号埋没在噪声中时，主动调制

16、信号、抑制噪声基于锁定放大器的微弱信号检测原理基于锁定放大器的微弱信号检测原理3.3 提高检测精度的方法3.4.1 多元检测与检测方程式 被检测量为 ，传感器输出为 ，多元检测可以用联立检测方程式表示： 线性，非线性1,nXxx1,nYyy1,iinyfxxYHX3.4 多元化检测技术3.4.2 多元复合检测 若被检测量有n个，那么最少需要n个独立的检测方程式。 独立的检测方程式个数不够时，可以给未知参数加上已知量，采用同一检测原理，构成另一检测方程。 例：吹气式液位检测 通过测量导管内的压力进而检测液位吹气式液位计的复合检测原理吹气式液位计的复合检测原理3.4 多元化检测技术3.4.3 多元识别检测 例：多传感器气体成分分析 以金属氧化物半导体膜为主 对多成分气体的反应交叉灵敏性是非线性的多传感器气体成分分析系统及多