《自动检测电子》课件-第一章 检测技术的基础知识

自动检测技术及应用（电气工程及自动化类专业）机械工业出版社主编武昌俊

绪论一、检测技术1、定义：研究自动检测系统中的信息提取、信息转换及信息处理的理论和技术。

2、任务：寻找与自然信息具有对应关系的各种表现形式的信号，以及确定的定性、定量关系3、内容：传感器技术、误差理论、测试计量技术、抗干扰技术以及电量间互相转换的技术等。

被检测量传感器信号处理电路数据处理装置显示器执行机构二、自动检测系统组成将被测的非电量变换成电量的器件把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的信号,以推动后级的显示电路、数据处理装置及执行机构。模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪

各种接触器、电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等

三、工业检测技术涉及的内容热工量

温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面

机械量

直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）

几何量长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷

物体的性质和成分量气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色状态量机械的运动状态（启停等）、设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）电工量

电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能

第一章检测技术的基础知识本章主要内容：本章主要介绍测量的基本概念；测量方法；误差定义及表示法；误差分类及处理；测量仪表精确度与分辨率；测量结果的数据统计与处理；传感器的定义、分类、静特性及技术指标和传感器中的弹性敏感元件等内容。

§1测量的基本概念1、测量

测量结果一般表示为:X=AX0

式中

X——被测量；

X0——标准量；

A——比值。它是将被测量与同性质的标准量通过专用的技术和设备进行比较，获得被测量对比标准量的倍数。定义：2、测量方法对于从不同角度来考察，测量方法有不同的分类。但常用的方法有零位法、偏差法和微差法等。零位法指被测量与已知标准量进行比较，使这两种量对仪器的作用抵消为零（指零机构达到平衡），从而可以肯定被测量就等于已知标准量。

偏差法指测量仪表用指针相对于表盘上刻度线的位移来直接表示被测量大小。

微差法是零位法和偏差法的组合

LX=LB+ΔL

3、检测方法的选择原则1）从被测量本身的特点来考虑。2）从测量所得的精确度和灵敏度来考虑。3）考虑测量环境是否符合测量设备和测量技术状况要求，尽量减少仪器、仪表对被测电路状态的影响。4）测量方法简单可靠，测量原理科学，尽量减少原理性误差。§2

测量误差及分类1、误差的表达方式绝对误差某量值的测量值Ax与真值A0之间的差为绝对误差Δ。

相对误差

示值相对误差

对于相同的被测量，绝对误差可以评定其测量精度的高低，但对于不同的被测量及不同的物理量，绝对误差就难以评定其测量精度的高低，而采用相对误差来评定较为确切。Δ=Ax-Ao为了合理的评价仪表的测量质量引入了引用误差。所谓的引用误差γm就是用被测量的绝对误差Δ与测量仪表的上限（满度）值Am的百分比之值引用误差2、测量误差的分类特点与性质系统误差随机误差粗大误差（应剔除）测量速度静态误差动态误差

3、测量仪表的精确度与分辨率精确度

精密度

测量仪表指示值不一致程度的量

准确度

仪表指示值有规律地偏离真值的程度

仪表的精密度和准确度都高，其精确席才高，精确度是以测量误差的相对值来表示的。

仪表精确度等级

：仪表在规定工作条件下，其最大绝对允许误差值对仪表测量范围的百分数绝对值。

Δmax——最大绝对允许误差值；Axmax、Axmin——测量范围的上、下限值；S——精度等级，无“%”号的数值。分辨率

分辨率显示仪表能够检测到被测量最小变化量。一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格数的一半。数字式仪表的分辨率规定为最后一位的数字。

§3

测量结果的数据分析及处理

一、测量结果的数据分析1、随机误差的统计特征（正态分布）集中性对称性有界性Δx表示测量值的误差范围n略大于10次即可2、系统误差的统计特征3、粗大误差的判别准则

若在测量列中发现有大于3σ的残余误差的测量值即应予以剔除。二、测量结果的数据处理例1-3对某一轴径等精度测量16次，得到如下数据（单位为mm）:24.774,24.778,24.771,24.780,24.772,24.777,27.773,24.775,24.774,24.772,24.77,24.776,24.775,24.777,24.777,24.779。计算出该轴径的大小。

1.按测量数值的顺序列表1-2；2.计算测量列Xj的算术平均值3.求出残余误差;求各测量值的残余误差

Vj故以上计算正确。

4.计算出方均根误差计算出极限误差。经检查，末发现|Vj|＞3σ，故16个测量值无粗大误差值;5.计算出算术平均值的标准差(置信概率为99.7%)。三、测量系统静态误差的合成若第i个环节的引用相对误差为ri时，则输出端的引用相对误差的关系rm与ri之间的关系，可用以下两种方法来求得：1、绝对值合成法2、方均根合成法例1-4某传感器在测量过程出现了以下误差情况，敏感元件的测量误差为±4%，转换电路环节中出现的误差为±3%，仪表的指示环节出现的误差为±1%，请问此测量过程中出现的总误差为多大？2）用方均根合成法计算测量总误差解：由题意可知r1=±4%,r2=±3%,r3=±1%1)用绝对值合成法计算测量总误差§4

传感器及其基本特性一、传感器的定义及组成传感器是一种以测量为目的，以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系，以便于处理和应用的某种物理量（多为电量）的测量装置。

敏感元件转换元件转换电路被测量电量它是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换的某一物理量的元件。

敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数量

上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出

转换元件敏感元件二、传感器的分类分类方法根据传感器工作原理分类分类根据传感器能量转换情况根据传感器转换原理分类

表1-3按照传感器的使用分类三、传感器的基本特性1、线性度

指传感器实际特性曲线与拟合直线（也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比2、迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞

必须指出，正反行程的特性曲线是不重合的，且反行程特性曲线的终点与正行程特性曲线的起点也不重合。迟滞会引起分辨力变差，或造成测量盲区，故一般希望迟滞越小越好。

重复性是指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。3、重复性§5传感器中的弹性敏感元件所谓的弹性元件是指物体因外力作用而改变形状或尺寸，而外力撤除后能完全恢复其原形的物体，在传感器中应用的弹性元件称为弹性敏感元件。定义：传感器中的弹性敏感元件能把某些形式的非电量变换成应变或位移量，然后由各种不同形式的传感元件变换成电量。

作用：一、弹性元件的基本特性

1、刚度

刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度

。2、灵敏度通常用刚度的倒数表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度。弹性元件的灵敏度是单位力作用下弹性元件产生的变形的大小。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。

3、弹性滞后实际的弹性元件在增加、去除负载的正、反行程中变形曲线是不重合的，此现象称为弹性滞后现象。滞环当负载由一数值变化为另一数值时，弹性变形不会立即形成相对应的变形，而是在一定的时间后逐渐完成变化的，此现象称为弹性后效弹性元件的变形始终不能迅速跟上力的改变

4、弹性后效二、弹性元件的形式

1、力（力矩）变换成应变或位移的变换力的弹性元件

a）实心柱b）空心圆柱c）矩形柱d）e）等截面圆环f)等截面悬臂梁g）等强度悬梁h）扭转轴

a）弹簧管b）波纹管c）等截面薄板d）膜盒e）薄壁圆角f）薄壁半