检测技术与智能仪表设计_第一专题

第一章第一章 检测技术概述检测技术概述一、检测的基本概念一、检测的基本概念1、信号检出部分、信号检出部分传感器（传感器（Sensor）-检出功能的器件检出功能的器件信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）特点：特点：1）输出量为电压、电流、频率）输出量为电压、电流、频率2）输出的电信号一般较微弱：）输出的电信号一般较微弱：电压电压-毫伏级、微伏级；电流毫伏级、微伏级；电流-毫安级、纳安毫安级、纳安级级3）输出信号与噪声混杂在一起）输出信号与噪声混杂在一起-传感器内部噪声传感器内部噪声 传感器的信噪比小、输出信号弱传感器的信噪比小、输出信号弱-信号淹没在噪声中信号淹没在噪声中4）传感器的输出特性呈线性或非线性）传感器的输出特性呈线性或非线性选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件 以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制电阻、电容、电感电阻、电容、电感 两种：数字量、模拟量两种：数字量、模拟量5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性）外界环境的变化会影响传感器的输出特性检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分 2、信号变换部分、信号变换部分检出信号检出信号适合于分析和处理的信号适合于分析和处理的信号信号调理电路信号调理电路阻抗变换阻抗变换-输出阻抗很高时；输出阻抗很高时；电压电压/电流（电流（V/A）转换）转换-需要电流输出时；需要电流输出时；目的：目的：4）简化后续系统的组成）简化后续系统的组成2）消除或抑制传感器输出量中的无用信号消除或抑制传感器输出量中的无用信号3）提高测量、分析的准确度）提高测量、分析的准确度信号放大信号放大-输出信号微弱时；输出信号微弱时；噪声抑制噪声抑制-信号淹没在噪声中；信号淹没在噪声中；模拟模拟/数字（数字（A/D）转换）转换-需要输出数字信号时需要输出数字信号时1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量3、分析处理部分、分析处理部分功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换不断注入新内容不断注入新内容-检测系统的研究中心检测系统的研究中心通用标准接口通用标准接口-不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联 4、通信接口与总线部分、通信接口与总线部分计算机系统计算机系统-强大问题分析能力、复杂系统的实时控制强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化自动化、智能化USB、IEEE-488、RS-232（串行）、并行（串行）、并行总线：传送数字信号的公共通道总线：传送数字信号的公共通道-信号线的集信号线的集合合RS-232C、VXI、Centronics（并行）（并行）（硬件系统）（硬件系统）（规范、结构形式）规范、结构形式）接口接口-分系统和上位机之间分系统和上位机之间/分系统之间交换信息分系统之间交换信息二二、模拟信号制模拟信号制信号制信号制-指在成套设备仪表中，各个仪表的输入、输出采用何种统一的联指在成套设备仪表中，各个仪表的输入、输出采用何种统一的联络信号问题。络信号问题。直流信号的优点直流信号的优点 直流电流做统一信号直流电流做统一信号 直流电压做统一信号直流电压做统一信号 三三、变送器及其信号传输方式变送器及其信号传输方式1.变送器变送器-transmitter 变送器变送器-传感器是能够接受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输传感器是能够接受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。输出为规定的标准信号时，则称为变送器。四线制变送器：（直流电流做统一信号）四线制变送器：（直流电流做统一信号）国际电工委员会（国际电工委员会（IEC）规定：过程控制系统的模拟电流信号是规定：过程控制系统的模拟电流信号是4mA-20mA，电压为电压为1VDC-5VDC。2.变送器信号传输方式变送器信号传输方式 两线制变送器：（直流电流做统一信号）两线制变送器：（直流电流做统一信号）两线制变送器：电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制两线制变送器：电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。号线。.元器件及仪表连线元器件及仪表连线 有一台两有一台两线制制压力力变送器，量程范送器，量程范围为01MPa，对应的的输出出电流流为420mA。请将下将下图中的各元器中的各元器件及件及仪表正确地表正确地连接起来。接起来。（注意：（注意：U Uo o一定要从取一定要从取样电阻两端取出！）阻两端取出！）压力变送器接线演示压力变送器接线演示接地接地Uo实现两线制必须具备以下条件：实现两线制必须具备以下条件：1.采用有活零点的电流信号；采用有活零点的电流信号；2.必须是单电源供电。必须是单电源供电。单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。传送微小信号。三线制变送器：（直流电流做统一信号）三线制变送器：（直流电流做统一信号）绝对误差：差：=Ax0 某采购员分别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100kg大大米、米、10kg苹果、苹果、1kg巧克力，发现均缺少约巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？最大，是何原因？第第二二章章 测量误差及数据处理基础测量误差及数据处理基础相对误差及精度等级相对误差及精度等级 几个重要公式：几个重要公式：示值相对误差示值相对误差满度相对误差满度相对误差准确度准确度(精度精度)仪表的准确度等级和基本误差仪表的准确度等级和基本误差 例：某指例：某指针式式电压表的准确度表的准确度为2.52.5级，用它来用它来测量量电压时可能可能产生的最大生的最大满度相度相对误差差为2.5%2.5%。某公司生产测量温度的仪表，满度误差均在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？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某车间希望测量温度的仪表满度相对误差控制在制在1.11.6之间，应购买哪一级温度表？之间，应购买哪一级温度表？例：某指某指针式万式万用表的面板如用表的面板如图所示，所示，问：用它：用它来来测量量直流直流、交交流（流（）电压时，可能可能产生的生的满度度相相对误差分差分别为多少？多少？例：例：用指用指针式万用表的式万用表的10V量程量程测量量一只一只1.5V干干电池的池的电压，示，示值如如图所示，所示，问：选择该量量程合理程合理吗？用用2.5V量程量程测量同量同一只一只1.5V干干电池的池的电压，与上与上图比比较，问示示值相相对误差哪一个差哪一个大？大？1.某压力表准确度为某压力表准确度为2.5级，量程为级，量程为01.5MPa，求：，求：1）可能出现的最大满度相对误差）可能出现的最大满度相对误差 m。2）可能出现的）可能出现的最大绝对误差最大绝对误差 m为多少为多少kPa？3）测量结果显示为）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差时，可能出现的最大示值相对误差 x。2.现有准确度为现有准确度为0.5级的级的0300的和准确度为的和准确度为1.0级的级的0100的两个温度计，要测量的两个温度计，要测量80的温度，试问采的温度，试问采用哪一个温度计好？用哪一个温度计好？P20：4.用一台用一台3位半（或称位半（或称3 位）、精位）、精度度为0.5级（已包含最后一位的（已包含最后一位的+1误差）的数字差）的数字式式电子温度子温度计，测量汽量汽轮机高机高压蒸汽的温度，数蒸汽的温度，数字面板上字面板上显示出如示出如图所示的数所示的数值。假。假设其最后一其最后一位即位即为分辨力，求分辨力，求该仪表的表的 解析：解析：关于数字表显示位及关于数字表显示位及位位数数的概念的概念介绍介绍 数字多用表（数字多用表（Digital Multimeter,简称称DMM）的）的显示位数目前一般示位数目前一般为3 3位位8 8 位位（即（即8 8位半，以下同）位半，以下同）。具体地。具体地说，有，有3 3位、位、3 3 位、位、3 2/33 2/3位、位、3 3/43 3/4位、位、4 4 位、位、4 3/44 3/4位、位、5 5 位、位、6 6 位、位、7 7 位、位、8 8 位等。最位等。最近国外近国外还推出推出8 3/48 3/4位、位、10 10 位等位等规格，使数字格，使数字测量量向更高精确度冲刺。数字表位数的提高涉及向更高精确度冲刺。数字表位数的提高涉及稳定性、定性、抗干抗干扰等等诸多技多技术问题，A/DA/D转换器只是其中的一个器只是其中的一个环节，能否真正达到，能否真正达到额定的准确度，定的准确度，还必必须掌握正确掌握正确的使用方法。的使用方法。判定数字仪表位数的两条原则判定数字仪表位数的两条原则 1.能能显示示09所所有有数数字字的的“位位”是是“整位整位”；2.分分数数位位的的判判定定：在在最最大大显示示值中中，以以最最高高位位所所能能显示示的的数数值作作为分分子，用子，用满量程的最高位作量程的最高位作为分母。分母。例如，当某一数字表最大例如，当某一数字表最大显示示值为1999（不考（不考虑小数点），小数点），满量程量程计数数值为2000时，则它共有它共有3个整位。个整位。最高位只能最高位只能显示示1，满量程最高位量程最高位为2，所以它是所以它是3 位表位表。判定数字仪表位数（续）判定数字仪表位数（续）又如，一台数字表最大又如，一台数字表最大值为2999 2999，满量程量程为30003000，则它是它是3 2/33 2/3位表；右下位表；右下图所示的温度数字表所示的温度数字表最大最大值为399 399，满量程量程为400400，则它是它是2 3/42 3/4位表。位表。判定数字仪表位数（续）判定数字仪表位数（续）再如，一台如右再如，一台如右图的数字的数字电压表，表，其最大其最大显示示值为399.9V 399.9V，最高位只能，最高位只能显示示0 0、1 1、2 2、3 3这四个数字（有四个数字（有时0 0不予不予显示），所以它是示），所以它是3 3/43 3/4位表。位表。用普通的用普通的3 位位DMM测量测量220V或或380V工频电工频电压压时，量程必须选择时，量程必须选择700V AC档档；相比之下，；相比之下，使用使用3 3/4位的位的DMM只需选择只需选择400V AC档档，准确度优于，准确度优于700V AC档，既不欠量程也不超量程，分辨力也提档，既不欠量程也不超量程，分辨力也提高了许多。高了许多。判定数字仪表位数的练习判定数字仪表位数的练习请判断下判断下图数字表的位数数字表的位数解析：分辨力解析：分辨力 分辨力是指分辨力是指仪器能器能检出和出和显示被示被测信号的最小信号的最小变化量，化量，是有量是有量纲的数。当被的数。当被测量的量的变化小于分辨力化小于分辨力时，传感器感器对输入量的入量的变化无任何反化无任何反应。对数字数字仪表而言，如果没有其他附表而言，如果没有其他附加加说明，一般可以明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数表的最后一位所表示的数值就是它就是它的分辨力。一般地的分辨力。一般地说，分辨力的数，分辨力的数值小于小于仪表的最大表的最大绝对误差。例如，下差。例如，下图所示的数字式温度所示的数字式温度计分辨力分辨力为0.1，若，若该仪表的精度表的精度为1.0级，则最大最大绝对误差将达到差将达到2.0，与分辨力，与分辨力相比差得多。相比差得多。在右图中，温度每变化在右图中，温度每变化0.1，数字表就能跳变数字表就能跳变1个字个字，这个，这个温温度的相对变化基本上是可信的度的相对变化基本上是可信的，但但该数字表所显示的绝对数值是该数字表所显示的绝对数值是有较大误差的有较大误差的。解析：分辨率解析：分辨率 数字表的最大示数字表的最大示值的倒数的倒数为数数字表的分辨率。字表的分辨率。例如，例如，3 位表的最大示位表的最大示值为1999，则分辨率分辨率为：1/19991/2000=0.0005=0.05%即万分之五。即万分之五。请判断右图数字表的请判断右图数字表的位数、位数、分辨力分辨力及及分辨率分辨率。仪表背面的接线端子仪表背面的接线端子判断数字表的位数、判断数字表的位数、分辨力分辨力及及分辨率（续）分辨率（续）判断数字表的位数、判断数字表的位数、分辨力分辨力及及分辨率（续）分辨率（续）误差产生的因素误差产生的因素：1.1.粗大误差粗大误差 明显偏离真值的误差称为粗大误差，也明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员叫过失误差。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。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产生粗大误差的一个例子 在重复性条件下，对同一被在重复性条件下，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，的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。称为系统误差。凡误差的数值固凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差。系统误差是有规律性的，因系统误差是有规律性的，因此可以通过此可以通过实验的方法实验的方法或引入修或引入修正值的方法正值的方法计算修正计算修正，也可以，也可以重重新调整新调整测量仪表的有关部件予以测量仪表的有关部件予以消除。消除。2.2.系统误差：系统误差：夏天夏天摆钟变慢的慢的原因是什么？原因是什么？3.3.随机误差随机误差 测量量结果果与与在在重重复复条条件件下下，对同同一一被被测量量进行行无无限限多多次次测量量所所得得结果果的的平平均均值之之差差称称为随机随机误差。差。也也可可以以采采用用如如下下的的表表达达：在在同同一一条条件件下下，多多次次测量量同同一一被被测量量，有有时会会发现测量量值时大大时小小，误差差的的绝对值及及正正、负以以不不可可预见的的方方式式变化，化，该误差称差称为随机随机误差。差。存在随机存在随机误差的差的测量量结果中，果中，虽然然单个个测量量值误差的出差的出现是随机的，既不能用是随机的，既不能用实验的方的方法消除，也不能修正，但是就法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，差的整体而言，多数随机多数随机误差都服从差都服从正正态分布分布规律律。随机事件与随机误差有区别，随机事件与随机误差有区别，并不一定符合并不一定符合正正态分布分布规律。律。彩票彩票摇奖随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律长度相对测量值长度相对测量值次次数数统统计计随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律长度相对测量值长度相对测量值次次数数统统计计1）集中性：）集中性：大量的测量值集中分布于算术平均值附近。大量的测量值集中分布于算术平均值附近。随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律2）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。）有界性：在一定的条件下，测量值有一定）有界性：在一定的条件下，测量值有一定的分布范围，超过这个范围的可能性非常小，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即出现绝对误差很大的情况很少。粗大误差的粗大误差的测量值应予以剔除。测量值应予以剔除。nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98例例1 1：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行6 6次等精度次等精度测量，所得数据如下表（单位为测量，所得数据如下表（单位为mmmm），请指出哪几个数），请指出哪几个数值为粗大误差？值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术平均值公式在剔除粗大误差后，用算术平均值公式求出钢板厚度。求出钢板厚度。根据根据P13的例的例1-3，经计算可知，经计算可知，5.99以及以及9.33为粗大误差，予以剔除，剩余为粗大误差，予以剔除，剩余4个测量值个测量值计算算术平均值：计算算术平均值：nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.984.4.动态误差动态误差 由心由心电图仪放大器放大器带宽不不够引起的引起的动态误差差 当被测量随时间迅速变化当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。这种误差称为动态误差。误差的合成误差的合成（1 1）绝对值合成法绝对值合成法（2）方均根合成法）方均根合成法 例例1-4 1-4 用图用图1-21-2核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，已知已知PINPIN型型射线二极管的测量误差为射线二极管的测量误差为5%5%，微电流放大器误差为微电流放大器误差为2%2%，指针表误差为指针表误差为1%1%，求测量的总误差。求测量的总误差。结结论论：测测量量系系统统中中的的射射线线二二极极管管的的测测量量误误差差最大，应提高其精度等级最大，应提高其精度等级。