检测与转换技术第1章

检测与转换技术潘达儒2007.9课程介绍•检测与转换技术:自动检测+自动转换技术•信息提取,信息转换,信息处理•课程内容:电工仪表,传感器技术,误差理论及数据处理•课程目的:–掌握检测与转化技术的基本概念,基本原理–传感器的工作原理,结构和应用–现代测试技术的一般概念.课程安排•第一章检测与转换技术的理论基础•第四章传感器的特性•第五章电能量传感器•第六章电参数传感器•第七章位移-数字传感器•第八章常用半导体传感器•第十一章设计自动测试系统的几个问题第一章检测与转换技术的理论基础•基本概念:–检测与转换技术:自动检测+自动转换技术–信息提取–信息转换–信息处理一.检测技术在国民经济中的地位和作用检测技术在海啸预报中的应用海浪振动检测系统浮标深海地沟检测技术在飞行器中的应用传感器给我们的生活带来了很多的便利和帮助二、工业检测技术涉及的内容热工量：温度压力（压强）、压差、真空度、流量q、流速、物位、液位机械量：直线位移、角位移、速度、加速度、转速、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、粗糙度、硬度、材料缺陷等工业检测涉及的内容物体的性质和成分量：空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色状态量：工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、断裂等）电工量（U、I、f、R、Z、……在电工、电子等课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。）三、自动检测系统的组成自动检测技术系统原理框图一种典型的自动检测系统（检测系统在发电厂的应用）能将温度转换为电压的传感器—热电偶传感器：能将被测的非电量变换成电量的器件目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等特点：直观光柱也属于模拟显示特点：一目了然数字式仪表特点：准确，但最后一位经常跳动不止。热敏电阻LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高，但不利于夜间观察。LED、LCD的特点：带背光板的LCD可以在夜间观看图像显示特点——能显示复杂的图形和曲线，但价格昂贵。带RS-232接口的万用表及图像显示特点——能在计算机中存储测量到的波形及数据，可随时重放，价格适中。记录仪主要用来记录被检测对象的动态变化过程。数据处理装置主要是指计算机，将复杂的系统用到频谱分析仪。执行机构继电器插座所谓执行机构通常是指各种继电器，电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。各种继电器电磁阀门的控制线圈加上额定电压后，电磁阀门导通，被控对象可以是液体或气体。电磁阀门电磁阀门只有通断两种状态。流体电磁调节阀利用电动力调节球阀的角度，从而控制阀门的通流能力。出水管球阀伺服电动机可以正转、反转、快转、慢转伺服型雷达天线1.提高性能2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域3.发展集成化、功能化的传感器4.采用计算机技术，使检测技术智能化5.发展网络化传感器及检测系统四、检测技术的发展趋势1.提高测量精度[数字电压、欧姆表]将量程切换到2V时，最小显示值为1μV1.提高可靠性承受剧烈振动2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域月球车2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域火星车2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域“惠更斯”号登陆土卫六的效果图土卫六表面2.应用新技术和物理效应，扩大检测领域安全检查3.发展集成化、功能化的传感器可拍照的手机4.采用计算机技术，使检测技术智能化面部识别技术5.发展网络化传感器及检测系统无线传感式网络无线传感式网络由大量低费用、低功耗、多功能，体积微小的传感式节点组成传感节点的位置无需预先设计和决定传感节点的网络协议和算法必须具有自识别能力一个传感节点由传感器、数据处理组件、和通信组件构成应用范围广泛医疗、环境、军事和家庭BasestationGatewaySensorPatchPatchNetworkBase-RemoteLinkDataServiceInternetClientDataBrowsingandProcessingSensorNodeTransitNetwork新的计算类型从现实世界获取信息year数据存储同产品交互MainframeMinicomputerWorkstationPCLaptopPDAlog(peoplepercomputer)工艺特点数据存储和计算时消耗较少的能源（活动时1-10毫瓦，待机时1微瓦）微传感节点：能够用很小的传感节点获得所需的温度、压力等信息通信距离短，低比特率新的电源技术，能够更长期的保持使用寿命采用太阳能、风能、或者振动来获取能量具体应用15131465`15118MoteLayout129Condition-BasedMaintenanceIntelResearch环境监测房屋测量航空应用传感器的组成敏感元件感受被测量;转换元件将响应的被测量转换成电参量;基本电路把电参量接入电路转换成电量;核心部分是转换元件,决定传感器的工作原理测量误差的基本原理•1.1测量误差的基本概念测量误差的定义测量的目的:获得被测量的真值。真值:在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。测量误差:所有测量结果都带有误差。Axx1.2测量误差的表示方法测量误差有绝对误差和相对误差两种表示方法。•1.绝对误差•（1）定义：由测量所得到的被测量值与其真值之差，称为绝对误差0AxxxxA实际应用中常用实际值A（高一级以上的测量仪器或计量器具测量所得之值）来代替真值。绝对误差：x有大小，又有符号和量纲•（2）修正值•与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值•测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。•被测量的实际值xAxCCxA1.2测量误差的表示方法•2.相对误差–一个量的准确程度，不仅与它的绝对误差的大小，而且与这个量本身的大小有关。•例：测量足球场的长度和广州市到北京市的距离，若绝对误差都为1米，测量的准确程度是否相同？•（1）相对真误差、实际相对误差、示值相对误差相对误差：绝对误差与被测量的真值之比相对误差是两个有相同量纲的量的比值，只有大小和符号，没有单位。0100%xA1.2测量误差的表示方法实际相对误差：用实际值A代替真值A0示值相对误差：用测量值X代替实际值A100%AxA100%xxx1.2测量误差的表示方法•（2）分贝误差——相对误差的对数表示•分贝误差是用对数形式（分贝数）表示的一种相对误差，单位为分贝（dB）。电压增益的测得值为误差为用对数表示为增益测得值的分贝值分贝误差oxiVAV20lg()xxGAdB20lg(1)dBAAAAAx1.2测量误差的表示方法1.2测量误差的表示方法1.3一次直接测量时最大误差估算•满度相对误差（引用相对误差）–用测量仪器在一个量程范围内出现的最大绝对误差与该量程值（上限值－下限值）之比来表示的相对误差，称为满度相对误差（或称引用相对误差）100%mmmxx0mx||mx||mxAxAmxA仪表各量程内绝对误差的最大值mmmxx•电工仪表就是按引用误差之值进行分级的。•我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%•测量点的最大相对误差•在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。m%mxxSx1.3一次直接测量时最大误差估算•[例1-3]某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为0～400mA和1.5级量程为0～100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？2100%1.5%1.5%100mxxSx用1.5级量程为0～100mA电流表测量100mA时的最大相对误差为1400%0.5%2%100mxxsx解：用0.5级量程为0～400mA电流表测100mA时，最大相对误差为1.3一次直接测量时最大误差估算•测量误差的主要来源:•（1）仪器误差•（2）影响误差•（3）方法误差和理论误差•（4）人身误差1测量误差的来源1.4测量误差的分类2测量误差的分类按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差按掌握程度：已知误差、未知误差按特性规律：系统误差、随机误差、粗大误差按变化速度：静态误差、动态误差系统误差分为恒值系统误差和变值系统误差。如图1.1变值系统误差常见的有：①线性系统误差②周期性系统误差③复杂规律变化的系统误差1.4.1系统误差（Systemerror）判别是否存在系统误差的方法:•实验对比法–使用高一级的仪器重复测量，适用于恒值误差。•剩余误差观察法–将剩余误差画成曲线，适用于变值系统误差。•马利科夫判据–用于发现是否存在线性系统误差。•阿卑-赫梅特判据–用于发现是否存在周期性系统误差。1.4.1系统误差（Systemerror）减少系统误差的方法:•从产生系统误差的根源上采取措施–方法正确，原理正确，工作环境安排合理，测量人员技术水平•修正法–修正值•减少恒值误差的技术措施–零示法–替代法–微差法1.4.1系统误差（Systemerror）•随机误差（又称为偶然误差）•随机误差反映了测量结果的精密度。随机误差的大小表明测量结果的分散性。随机误差大，测量结果分散，精密度低。反之，测量结果的重复性好，精密度高。•精确度用来反映系统误差和随机误差的综合影响，精确度越高，表示正确度和精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。1.4.2随机误差（RandomError）a)b)c)、正确度精密度和精确度示意图图a的系统误差较小，正确度较高。但随机误差较大，精密度低。图b的系统误差大，正确度较差。但随机误差小，精密度较高。图c的系统误差和随机误差都较小，即正确度和精密度都较高。因此精确度高。显然，一切测量都应当力求精密而又正确。---系统误差和随机误差的综合反映1.4.2随机误差（RandomError）•疏失误差（又称粗大误差或粗差）•在一定的测量条件下，测量值明显偏离实际值所造成的测量误差。•检测系统各组成环节发生异常和故障等引起–人为因素造成的。例如，测量人员工作时疏忽大意，出现了读数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。另外，测量方法不恰当，测量条件意外的突然变化，也可能造成粗大误差。1.4.3疏失误差（Abnormalerror）•系统误差、随机误差和疏失误差三者对测量结果的影响，如图2.2所示。①仅存在随机误差时如图1.2（a）所示。②仅存在系统误差时如图1.2（b）、（c）所示。③同时存在三种误差时如图1.2（d)）、(e)所示。在剔除坏值之后，测量值一般可以表示为:x=A±|ε|±|δ|图2.2返回1.4.3疏失误差（Abnormalerror）1.5随机误差的处理方法•1.5.1概率、概率密度与正态分布–客观上可能出现，也可能不出现，而且不能预测的现象称为随机事件或随机现象。–随机误差在某个范围内取值的可能性，就是一个随机事件的统计概率问题。•1.5.2随机误差的特点–随机误差正态分布的特性：•I.对称性•II.有界性•III.抵偿性。•Ⅳ.单峰性表1-1测量误差分布表测量区间中心值误差区间中心值出现次数频率区间号xi(mm)δi(mm)nini/n(%)1831-510.662832-432.003833-385.334834-21812.005835-12818.666836+03422.667837+12919.338838+21711.339839+396.0010840+421.3211841+510.66用长300mm的钢板尺，测量已知长度为：836mm的导线，共测量了150次，即n=150。现将测量结果，对应的误差，各误差出现的次数ni等列于表1-1中1.5.2随机