徐志良电气检测技术课件

1我国法定的计量单位计量学的特点是：准确性、一致性、可溯源性和法制性。准确性、一致性、可溯源性体现在测量单位的定义、复现、比对和传递，而法制性则体现在各个国家使用的计量单位均以立法进行规约。我国的法定计量单位包括：1）国际单位制单位；2）国家选定的非国际单位制单位；3）由以上单位构成的组合形式的单位。2国家选定的非国际单位制单位量的名称单位名称单位符号换算关系和说明时间分min1min=60s（小）时h1h=60min=3600s天（日）d1d=24h=86400s平面角（角）秒(”)1”=(π/648000)rad（角）分(’)1(’)=60(”)=(π/10800)rad度(º)1º=60(’)=(π/180)rad旋转速度转每分r/min1r/min=(1/60)r/s长度海里nmile1nmile=1852m1s3量的名称单位名称单位符号换算关系和说明速度节kn1kn=1nmile/h质量吨t1t=kg原子质量单位u1u=1.6605655kg体积升L(l)1L=1d=能电子伏eV1ev=1.6021892J级差分贝dB线密度特（克斯）tex1tex=1g/km31027103m3m3101910国家选定的非国际单位制单位(续)4三、测量仪表的基本功能测量实际上是能量的变换、传递和比较的过程(如：水银温度计测温时，温度的变化被变换成玻璃管内水银柱的热膨胀位移，而温度的标准量为玻璃管上的刻度，这样被测的温度值和标准量都被变换成线位移，两者比较后即可得到被测温度的数值)。由此可见，各种测量仪表一般都应具有变换、选择、比较、显示等四种功能。51、变换功能变换是指把被测物理量按一定的规律转变成另一物理量的过程，它们之间的输入输出函数关系如下式：式中：为输出，为被测物理量；x)(xFyyxFy6当变换前后，输出与输入之间成简单比例关系，如，其中当为常数时，此时，变换元件的这种输入输出关系被称之为线性关系。比如，放大器就可以看成是一种线性变换元件，而且放大器的输入输出为相同的物理量，即为同类量的变换，因此放大器是一种特殊的线性变换元件。kxyk72、选择功能在实际系统中，除了有用信号外，还有许多其他的影响系数(也可以被认为是干扰信号)如、、…、，这些干扰信号都会不同程度的影响着输出，我们就要在有用信号与影响因素(干扰信号)、、…、之间，选择出有用信号，它们之间的输入输出关系如下式：1u2umu),,,,(21muuuxfy1u2umu82u一般而言，我们不希望、、…、，等因素对输出产生影响，因此，我们采用一定的器件、电路来选择有用信号，抑制其他一切无用的干扰信号。1uxFymu1u2umuy9比如：滤波器采用低通滤波器，在选择合适的参数后，就可以将大部分的高频噪声进行极大的衰减，而低频有用信号则可以无衰减(放大)的通过低通滤波器。因此，对一些特定的干扰信号，我们可以设计一些特定的电路来降低或减少这些干扰信号对测量结果的影响。选择功能是测量仪表的重要功能之一，仪表性能的优劣都与其选择功能密切相关。103、比较功能由前述的测量的基本方程可以看出，通常被测物理量应与某一标准量作比较后才进行读数，如温度计事先标定好一系列刻度后，所测的实际温度值与事先标定好的温度比较就可以得到实际温度值。0xxAx114、显示功能测量的一个目的就是将测量结果显示给观测者，因此，一般而言，测量系统或测量仪表通常都留有人机接口。在数字化测量中，测量结果通常可以通过液晶显示LCD、数码管LED、或者通过直接打印等方式显示给观测者。在模拟化测量中，测量结果用指针式表头、指针式记录仪等方式显示给观测者。12第二节测量仪表的结构和基本性能一、仪表的基本性能仪表性能优劣的评价：以各种指标作为评价依据。评价仪表测量能力的主要指标：1、精确度2、稳定性3、测量范围4、输入输出(I/O)特性等。13(一)精确度（精度）精确度指标的表述内容：精密度、准确度和精确度。1、精密度表明仪表指示值(测量值)的分散程度。指标的特点：1)对某一稳定的被测物理量，用同一台测量仪表，由同一个测量者用同一精细程度，短时间(保证被测物理量不发生改变)内连续重复测量多次，其测量结果(示值)的分散程度；2)愈小，表明测量愈精密，其精密度愈高；例：某温度仪表的精密度为：0.5℃，说明该仪表多次测量结果之间的分散程度不大于0.5℃。142、准确度表明仪表的指示值(测量值)偏离被测物理量真实值的程度。例：某电压表的准确度为0.5V，表明该电压表所测量得到的示值电压值与被测电压的实际值之间的偏差不会大于0.5V。愈小，准确度愈高。153、精确度(精度)精确度是精密度和准确度的综合反映。在最简单的场合可取二者的代数和，即精确度高说明精密度和准确度都高。只有当精密度和准确度两者都高时，才可认为测量精度高。16说明：例：用电压表测量一个真实值为1.50V的电压，获得6个测量结果，分别为：1.58V、1.56V、1.48V、1.51V、1.46V、1.52V，假设这6个测量结果都符合各种测量的要求，此时认为该电压表：精密度V；准确度V。注：1、精密度表明：测量数据之间的分散程度；2、准确度表明：测量值与真实值之间的偏离程度；12.046.158.108.050.158.117精密度：概念：重复测量时，测量结果的分散性准确度：精确度：(精度)性质：测量结果与真值的接近程度，系统误差的影响程度表述：随机误差的标准差(standarddeviation)性质：系统误差和随机误差综合影响程度表述：平均值与真值的偏差(deviation)表述：不确定度(uncertainty)工程表示：引用误差，最大允许误差相对于仪表测量范围的百分数0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七级minmaxmaxxxA18精度：测量结果与真值吻合程度定性概念测量精度举例不精密（随机误差大）准确（系统误差小）精密（随机误差小）不准确（系统误差大）不精密（随机误差大）不准确（系统误差大）精密（随机误差小）准确（系统误差小）19(二)稳定性表征仪表示值稳定性的指标：1、时间上的稳定性，以稳定度表示；2、仪表外部环境和工作条件变化所引起的指示值不稳定，以各种影响系数来表示。201、稳定度hmVs8/3.1s特点：由仪表内部的随机变动的因素引起(自身的某些因素)。具体表现：1)、仪表内部的某些因素作周期性变动引起仪表的指示值变化；2)、各种漂移引起仪表的指示值变化(如温度漂移)；3)、机械部分的摩擦力变化引起仪表的指示值变化。4)、以精密度的数值和时间长短一起表示。例：电压波动，在8h内引起指示值变化1.3mV，则可写成稳定度：212、环境影响环境影响的表现：1)、使用仪表时的周围环境，如室温、大气压、振动等外部状态变化引起仪表指示值的变化；2)、电源电压、波形、频率等工作条件变化引起仪表指示值变化，环境影响的表示方法：用各种影响系数来表示；例：温度系数：由温度变化而引起的测量示值变化；电压系数：由电源电压变化而引起的测量示值变化；例：集成运放的温漂抑制方法：信号的检测电路中，需设计专门的补偿电路来减小或减弱这种外界环境对测量结果的影响。22二、测量仪表的结构测量系统的构成特点：1)、仪表(系统、电路)一般由若干个环节组成；2)、各组成环节的连接方式的不同，构成不同的组成结构。测量仪表的基本结构：1)、直接变换型结构2)、平衡变换型结构3)、差动变换结构231、直接变换型结构(串联结构)结构如图：图中：x为待测的信号，y为输出信号，ui(i=1→n)为各种干扰信号；ki(i=1→n)各环节的传递系数。结构特点：1、系统由n个组成环节串接而成；2、信息单向流动；3、系统是一个开环系统；4、系统的传递函数为各环节传递系数乘积。niikk124结构抗干扰能力：1)、各个环节中不可避免的会引入一些干扰信号ui(i=1→n)；2)、干扰信号将会无衰减的反映给输出信号；3)、结构对组成系统的各个环节的精度要求都很高；4)、各个环节都需具有良好的选择性，否则，仪表的稳定性就较差，精度也不会太高。252、平衡变换型结构(反馈结构)结构特点：由正向变换回路和反向变换回路两个变换回路构成，结构如图示：图中：x为待测的信号，y为输出信号；ki为正向变换回路各环节的传递系数；ßi为反向变换回路各环节的传递系数；26前题：平衡变换结构的正向变换回路和反向变换回路都可单独看成为一个直接变换型结构。正向变换回路总的传递系数为：反向变换回路总的传递系数为：简化图如图：niikk1结构简化：nii1271、系统为负反馈闭环结构，其输入输出关系方程为：当系统满足下式时，该结构为深度负反馈系统(大部分的测量系统，该条件成立)，可得该结构的输入输出关系方程为：2、输出量与正向变换回路各个组成环节的性能无关，正向回路中的干扰不会影响输出量；结构抗干扰特点：xkky11kxy1283、反向回路中引进的干扰会影响输出；4、通常正向环节由系统测量特点决定，反向环节人为引进，结构不会太复杂，环节也不会很多，合理选取和设计反向环节，就可保证测量系统获得较高的稳定性及测量精度。293、差动变换结构差动变换结构如图：差动变换结构特点：1)、系统一般由三个回路组成，设传递系数为：k1、k2、k3；2)、三个回路都可是前述的直接变换型结构或平衡变换型结构；3)、k1、k2回路组成结构完全相同，保持系统结构上的对称性。图中，各信号的定义同前。30结构抗干扰性能分析：1、被测信号x以+x和-x分别作用于k1、k2回路，得到k1、k2回路的输出分别为y1=k1·x，y2=-k2·x，这儿，由结构对称得：k1=k2=k2、系统输出为：y=k3(y1-y2)=k3(k1(x+u1)-k2(-x+u2))=2k3·k·x+k3·k(u1-u2)313、k1、k2为完全对称结构，显然所受干扰也相同，即有：u1=u2；4、系统最终输出为：y=K·x（其中K=2k3·k）5、差动结构的灵敏度比较高(体现在K，比单结构回路提高一倍)；6、抗干扰能力强(k1、k2回路受干扰相等，不影响输出)；7、k3回路中引入的干扰会影响输出量，不过只要合理地设计，就可保证系统较高的精度。32小结：上述三种测量电路的结构，贯穿整个测量电路的设计中，一般而言，测量电路就是这三种结构中的一种或几种的综合。33第三节测量仪表的输入输出(I/O)特性测量系统根据输入信号(被测信号)是否随时间变化分为：1、静态特性：输入信号不随时间变化；当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；2、动态特性：输入信号随时间变化；当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。34传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。35实际上传感器的静态特性要包括非线性和随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程．将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。36传感器的输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。37稳定性(零漂)传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标38一、静态特性静态特性定义：测量过程中，输入信号x不随时间变化(dx/dt=0)，或输入信号随时间变化很缓慢(dx/dt→0)，输出/输入信号间的函数关系称之为测量系统的静态特性。静态特性的指标：灵敏度