现代测控技术(第2章).ppt

现代测控技术,电信学院先进控制技术研究所,第二章检测技术基础,,检测系统误差分析,2,,仪表的性能指标,3,,检测技术概述,1,2.1检测技术概述,1．检测与测量的概念检测主要包括检验和测量两方面的含义*检验是分辨出被测参数量值所归属的某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或现象是否存在。测量是检测技术的组成部分部分．测量得到的是定量的结果。2.检测过程检测就是人们借助于专门工具，通过试验和对试验数据的分析、计算求得被测量的值的过程。或者说检测就是为了取得任一未知参数值而进行的全部工作一个完整的检测过程一般包括信息的提取、信号的转换存储与传检、信号的分析处理以及信号的显示记录,2.1检测技术概述,检测可分为两个过程1。能量形式的转换过程；2。把被测未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并用数字表示这个倍数的过程。测量单位国际单位制（SI）3.检测技术的作用与意义（1）产品检验和质量控制的重要手段（2）在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用（3）自动化系统中不可缺少的组成部分（4）检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步,2.1检测技术概述,4.检测系统的组成现代检测仪器和检测系统的种类、型号繁多，用途、性能千差万别，但它们的作用都是用于各种物理或化学成分等参量的检测所示。,1．传感器传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。它的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律将其转换成一个相应的便于传递的输出信号。传感器通常由敏感元件和转换部分组成其中，敏感元件为传感器直接感受被测参量变化的部分，转换部分的作用通常是将敏感元件的输出转换为便于传输和后续环节处理的电信号。,,a精确性传感器的输出信号必须准确地反应其输入量，即被测量的变化。因此，传感器的输出与输入关系必须是严格的单值函数关系，最好是线性关系；通常检测仪器、检测系统设计师对传感器有如下要求；b稳定性传感器的输入、输出的单值函数关系最好不随时间和温度而变化，受外界其他因素的干扰影响也应很小，重复性要好；c灵敏度即要求被测参量较小的变化就可使传感器获得较大的输出信号。,,2．信号调理信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续环节处理或显示。由于信号中往往夹杂着50HZ工频等噪声电压，故其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。对信号调理电路的一般要求是a能推确转换、稳定放大、可靠地传翰信号b信嗓比高，抗干扰性能要好。,,3．数据采集数据采集系统在检测系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。数据采集系统通常以各类模拟A／D转换器为核心．辅以模拟多路开关、采样保持器、输入缓冲器、输出锁存器等。,,4．信号处理信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人的大脑相类似。现代检测仪表、检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的单片机、微处理器为核心来构建，对高频倍号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器DSP或直接采用工业控制计算机。,,5．信号显示显示器是检测系统与人联系的主要环节之一，显示器一般可分为模拟式、数字式和屏幕式三种。a模拟式显示又称指示式显示。被测参量数值大小由光指示器或指针在标尺上的相对位置来表示。用有形的指针位移模拟无形的检测量是较方便、直观的。结构简单、价格低廉、显示直观的特点。,b数字式显示以数字形式直接显示出被测参量数值的大小。能有效地克服读数的主观误差，相对指示式仪表可提高显示和读数的精度，还能方便地与计算机连接并进行数据传输。c屏幕显示实际上是一种类似电视显示方法，具有形象性和易于读数的优点，又能同时在同一屏幕上显示一个被测量或多个被测量的大量数据式变化曲线，有利于对它们进行比较、分析。,,6.信号输出在许多情况下，检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后,除送显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给控制计算机、可编程控制器PLC或其他执行器、打印机、记录仪等，从而构成闭环控制系统或实现打印记录输出。检测仪表和检测系统的信号输出通常有420mADC的电流信号，经D／A转换和放大后的模拟电压、开关量、脉宽调制PWM、串行数字通信和并行数字输出等多种形式，需根据测控系统的具体要求确定。,,7．输入设备输入设备是操作人员和检测仪表或检测系统联系的另一主要环节，用于输入设置参数，下达有关命令等。最常用的输入设备是各种键盘、拔码盘、条码阅读器等。近年来，随着工业自动化、办公自动化和信息化程度的不断提高，通过网络或各种通信总线利用其他计算机或数字化智能终端，实现远程信息和数据输入的方式愈来愈普通。最后，值得一提的是，以上七个部分不是所有的检测系统仪表都具备的，而且对有些简单的检测系统，其各环节之间的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。,2.2.1检测系统误差基础,1．测量误差的定义测量是一个变换、放大、比较、显示、读数等环节的综合过程。由于检测系统仪表不可能绝对精确，测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，也使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。2．真值一个量严格定义的理论值通常叫理论真值，如三角形三内角和为180o等。许多且由于理论真值在实际工作中难以获得，常用约定真值或相对真值来代替理论真值。,1约定真值根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最先进科学技术复现这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家基准，称为约定真值。2相对真值如果高一级检测仪器计量器具的误差仅为低一级检测仪器误差的]／31／10，则可认为前者是后者的相对真值。例如，高精度石英钟的计时误差通常比普通机械闹钟的汁时误差小12个数量级以上，因此高精度的石英钟可视为普通机械闹钟的相对真值。,3．示值检测仪器或系统指示或显示被测参量的数值叫示值，也叫测量值或读数。由于传感器不可能绝对精确，信号调理、模拟转换不可避免地存在误差，加上测量时环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，都可使得示值与实际值存在偏差。,3误差的表示方法检测系统仪器的基本误差通常有以下几种表示形式；1）．绝对误差检测系统的测量值即示值X与被测量的真值X0之间的代数差值△x称为检测系统测量值的绝对误差，即△xx一x0式中，真值x0可为约定真值，也可是由高精度标准器所测得的相对真值。绝对误差△x说明了系统示值偏离真值的大小，其值可正可负，具有和被测量相同的量纲,2）．相对误差检测系统测量值即示值的绝对误差Δx与被测参量真值x0的比值，称为检测系统测量示值的相对误差δ，常用百分数表示，即,3）．引用误差引用误差是指绝对误差与仪表的量程L之比，以百分数表示、,4）．最大引用误差或满度最大引用误差在规定的工作条件下，当被测量平稳增加或减少时，在检测系统全量程所有测量值引用误差绝对值的最大者，或者说所有测量值中最大绝对误差绝对值与量程的比值的百分数，称为该系统的最大引用误差，用符号qmax表示,,,2.3仪表的性能指标,测量范围、上下限每个用于测量的仪表都有测量范围，它是该仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限，简称下限和上限。量程仪表的量程可以用来表示其测量范围的大小，是其测量上限值与下限值的代数差，使用下限与上限可完全表示仪表的测量范围，也可确定其量程。量程＝测量上限值-测量下限值如一个温度测量仪表的下限值是-50℃，上限值是150℃，则其测量范围可表示为-50150℃，量程为200℃。由此可见，给出仪表的测旦范围便知其上下限及量程，反之只给出仪表的量程，却无法确定其上下限及测量范围。,精度,1．仪表精度（准确度）,仪表的精度是按等级划分的，它与仪表的允许误差有关。根据仪表的允许误差，去掉“士”号及％号后剩下的数值，就可以确定仪表的精度等级。,,例题某台测温仪表的测温范围为100℃～600C，校验该表时得到的最大绝对误差为士6℃，试确定该仪表的精度等级。解,这台仪表的最大引用误差为1.2而该仪表的最大引用误差超过了1.0级仪表的允许误差（士1.0，所以这台仪表的等级精度为1.5级。,,按仪表工业规定，仪表的精确度化分成若干等级，简称精度等级，如0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.0级等。等级的数字越小，精度越高。例若某仪表的最大引用误差为0.4，则该仪表属于0.5级表。仪表合格条件,灵敏度和分辨率,2。灵敏度仪表对被测参数变化的灵敏程度，常以在被测参数改变时，经过足够时间仪表示值达到稳定状态后，仪表输出变化量△Y与引起此变化的输入变化量△U之比量程迁移改变灵敏度；零点迁移不改变灵敏度串联仪表系统，灵敏度具有可传递性。（乘积）分辨率（灵敏限）仪表能响应和分辨的最小输入量，又成为仪表的灵敏限。通常仪表的灵敏度高，分辨率也高,变差,3。变差由于死区和滞环的存在，仪表在整个量程内上升和下降时形成不重合的特性曲线，即在相同的被测量值时仪表的输出值是不相等的，这二者之间的差为“变差”。,,变差产生的原因例传动机构间存在间隙和摩擦力，弹性元件的弹性滞后，磁性材料的滞环等。一般规定仪表的变差不能超过仪表的允许误差,重复性,4.重复性指仪表在同一工作条件下，按同一方向被测量增加和减少，连续多次重复测量，被测量按同一方向变化得到的多条特性曲线之间不重合的程度,可靠性,5.可靠性是衡量产品是否经久耐用的一种综合性质量指标。仪表的可靠性用有效度（可使用性）来表示。定义为,例题,例2。被测电压实际值约为21.7v，现有四种电压表；1.5级、量程为030v的A表；1.5级、量程为050v的B表；1.0级、量程为050V的C表；0.2级、量程为0-360v表。请问选用哪种规格的电压表进行测量产生的测量误差较小解分别用四种表进行测量可能产生的最大绝对误差如下,四者比较，通常选用A表进行测量所产生的测量误差较小。由上例不难看出，检测仪表产生的测量误差不仅与所选仪表精度等级有关，而且与所选仪表的量程有关。通常量程L和测量值相差愈小，测量准确度较高。所以，在选择仪表时，应选择测量值尽可能接近的仪表,零点迁移、量程迁移,零点和量程仪表测量范围的另一种表示方法是给出仪表的零点即测量下限值及仪表的量程。由前面的分析可知，只要仪表的零点和量程确定了，其测量范围也就确定了。因而这是一种更为常用的表示方式。零点迁移和量程迁移在实际使用中，由于测量要求或测量条件的变化，需要改变仪表的零点或量程，为此可以对仪表进行零点和量程的调整。通常将零点的变化称为零点迁移，而量程的变化则称为量程迁移。,零点迁移、量程迁移,,2.4误差的产生原因与分类,1.误差的产生原因①由被测对象本身引起的误差②因检测理论的假定产生的误差③检测系统各环节所使用的材料性能和制造技术引起的误差④组成检测系统各环节的传递特性方面产生的误差⑤检测系统各环节动力源的变化引起的误差⑥检测系统器件特性变化引起的误差⑦检测环境引起的误差⑧检测方法误差⑨检测人员造成的误差,2.误差的分类按误差来源装置误差、环境误差、方法误差、人员误差按特性规律系统误差、随机误差、粗大误差①系统误差（Systemerror）----有规律可循由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生是装置、环境、动力源变化、人为因素理论分析/实验验证---原因和规律---减少/消除②随机误差（Randomerror）因许多不确定性因素而随机发生偶然性（不明确、无规律）概率和统计性处理（无法消除/修正）,③粗大误差（Abnormalerror）检测系统各组成环节发生异常和故障等引起异常误差---混为系统误差和偶然误差---测量结果失去意义分离---防止,处理系统误差的一般方法,3。处理系统误差的一般方法1）分析系统误差产生的原因2）引入修正值进行校正找出规律---修正值3）检测方法上消除或减小测量方法---避免出现系统误差---实际测量中，采取有效的测量方法---现有仪器设备取得更好的效果（提高测量准确度）,第一次作业,1．有一温度计，它的测量范围为0-200℃．精度为0.5级．求1该表可能出现的最大绝对误差2当示值分别为20℃、100℃时的相对误差2.欲测240v的电压，要求测量时引用误差不得大于0.6、若选用量程为250v的表，请选择精度等级若选用量程力300v和500v的电压表．其精度分别选什么级3已知待测拉力约为70N，现有两只测压表，一直为0.5级，0-500N，另一只1.0级，0-100N文选择哪一支更好为什么,