检测技术与智能仪表设计_第一专题.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,第一章 检测技术概述,一、检测的基本概念,1,、信号检出部分,传感器（,Sensor,）,-,检出功能的器件,信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）,特点：,1,）输出量为电压、电流、频率,2,）输出的电信号一般较微弱：,电压,-,毫伏级、微伏级；电流,-,毫安级、纳安级,3,）输出信号与噪声混杂在一起,-,传感器内部噪声,传感器的信噪比小、输出信号弱,-,信号淹没在噪声中,4,）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,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,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,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,检出信号,适合于分析和处理的信号,信号调理电路,阻抗变换,-,输出阻抗很高时；,电压,/,电流（,V/A,）转换,-,需要电流输出时；,目的：,4,）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,3,）提高测量、分析的准确度,信号放大,-,输出信号微弱时；,噪声抑制,-,信号淹没在噪声中；,模拟,/,数字（,A/D,）转换,-,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,3,、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,不断注入新内容,-,检测系统的研究中心,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,4,、通信接口与总线部分,计算机系统,-,强大问题分析能力、复杂系统的实时控制,自动化、智能化,USB,、,IEEE-488,、,RS-232,（串行）、并行,总线：传送数字信号的公共通道,-,信号线的集合,RS-232C,、,VXI,、,Centronics,（并行）,（硬件系统）,（,规范、结构形式）,接口,-,分系统和上位机之间,/,分系统之间交换信息,二,、,模拟信号制,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络信号问题。,直流信号的优点,直流电流做统一信号,直流电压做统一信号,三,、,变送器及其信号传输方式,1.变送器,-,transmitter,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。,四线制变送器：（直流电流做统一信号）,国际电工委员会（IEC）规定：过程控制系统的模拟电流信号是4mA-20mA，电压为1VDC-5VDC。,2.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：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号线。,.,元器件及仪表连线,有一台两线制压力变送器，量程范围为,01MPa,，对应的输出电流为,420mA,。请将下图中的各元器件及仪表正确地连接起来。,（注意：,U,o,一定要从取样电阻两端取出！）,压力变送器接线演示,接地,U,o,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；,2.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传送微小信号。,三线制变送器：（直流电流做统一信号）,绝对误差：,=,A,x,0,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,，,但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？,第,二,章,测量误差及数据处理基础,相对误差及精度等级,几个重要公式：,示值相对误差,满度相对误差,准确度,(,精度,),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：,某指针式万用表的面板如图所示，问：用它来测量,直流,、,交流（,）,电压时，可能产生的满度相对误差分别为多少？,例：,用指针式万用表的,10V,量程测量一只,1.5V,干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量程合理吗？,用,2.5V,量程测量同一只,1.5V,干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？,1.,某压力表准确度为,2.5,级，量程为,0,1.5MPa,，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,kPa,？,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,。,2.,现有准确度为,0.5,级的,0,300,的和准确度为,1.0,级的,0,100,的两个温度计，要测量,80,的温度，试问采用哪一个温度计好？,P20,：,4.,用一台,3,位半（或称,3,位）、精度为,0.5,级（已包含最后一位的,+,1,误差）的数字式电子温度计，测量汽轮机高压蒸汽的温度，数字面板上显示出如图所示的数值。假设其最后一位即为分辨力，求该仪表的,解析：关于数字表显示位及,位,数,的概念,介绍,数字多用表（,Digital Multimeter,简称,DMM,）的显示位数目前一般为,3,位,8,位,（即,8,位半，以下同）。具体地说，有,3,位、,3,位、,3 2/3,位、,3 3/4,位、,4,位、,4 3/4,位、,5,位、,6,位、,7,位、,8,位等。最近国外还推出,8 3/4,位、,10,位等规格，使数字测量向更高精确度冲刺。数字表位数的提高涉及稳定性、抗干扰等诸多技术问题，,A/D,转换器只是其中的一个环节，能否真正达到额定的准确度，还必须掌握正确的使用方法。,判定数字仪表位数的两条原则,1.,能显示,09,所有数字的“位”是“整位”；,2.,分数位的判定：在最大显示值中，以最高位所能显示的数值作为分子，用满量程的最高位作为分母。,例如，当某一数字表最大显示值为,1999,（不考虑小数点），满量程计数值为,2000,时，则它共有,3,个整位。最高位只能显示,1,，,满量程最高位为,2,，,所以它是,3,位表,。,判定数字仪表位数（续）,又如，一台数字表最大值为,2999,，满量程为,3000,，则它是,3 2/3,位表；右下图所示的温度数字表最大值为,399,，满量程为,400,，则它是,2 3/4,位表。,判定数字仪表位数（续）,再如，一台如右图的数字电压表，其最大显示值为,399.9V,，最高位只能显示,0,、,1,、,2,、,3,这四个数字（有时,0,不予显示），所以它是,3 3/4,位表。,用普通的,3,位,DMM,测量,220V,或,380V,工频电压,时，量程必须选择,700V AC,档,；相比之下，,使用,3 3/4,位的,DMM,只需选择,400V AC,档,，准确度优于,700V AC,档，既不欠量程也不超量程，分辨力也提高了许多。,判定数字仪表位数的练习,请判断下图数字表的位数,解析：分辨力,分辨力是指仪器能检出和显示被测信号的最小变化量，是有量纲的数。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。例如，下图所示的数字式温度计分辨力为,0.1,，若该仪表的精度为,1.0,级，则最大绝对误差将达到,2.0,，与分辨力相比差得多。,在右图中，温度每变化,0.1,，,数字表就能跳变,1,个字,，这个,温度的相对变化基本上是可信的,，但,该数字表所显示的绝对数值是有较大误差的,。,解析：分辨率,数字表的最大示值的倒数为数字表的分辨率。,例如，,3,位表的最大示值为,1999,，则分辨率为：,1/19991/2000=0.0005=0.05%,即万分之五。,请判断右图数字表的,位数、,分辨力,及,分辨率,。,仪表背面的接线端子,判断数字表的位数、,分辨力,及,分辨率（续）,判断数字表的位数、,分辨力,及,分辨率（续）,误差产生的因素,：,1.,粗大误差,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,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，均属于系统误差。,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？,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。,也可以采用如下的表达：,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。,存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从,正态分布规律,。,随机事件与随机误差有区别，并不一定符合,正态分布规律。,彩票摇奖,随机误差的正态分布规律,长度相对测量值,次数统计,随机误差的正态分布规律,长度相对测量值,次数统计,1,）集中性：,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,2,）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,。,粗大误差的测量值应予以剔除。,n,x,i,/mm,1,8.04,2,8.02,3,7.96,4,5.99,5,9.33,6,7.98,例,1,：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行,6,次等精度测量，所得数据如下表（单位为,mm,），请指出哪几个数值为粗大误差？,在剔除粗大误差后，用算术平均值公式求出钢板厚度。,根据,P,13,的例,1-3,，经计算可知，,5.99,以及,9.33,为粗大误差，予以剔除，剩余,4,个测量值计算算术平均值：,n,x,i,/mm,1,8.04,2,8.02,3,7.96,4,5.99,5,9.33,6,7.98,4.,动态误差,由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差,当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。,误差的合成,（,1,）,绝对值合成法,（,2,）方均根合成法,例1-4 用图1-2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%，,求测量的总误差。,结论：测量系统中的射线二极管的测量误差,最大，应提高其精度等级,。,