检测技术与仪表复习

1检测技术与仪表一、绪论1.检测仪表控制系统结构图：各单元作用：①检测单元：实现控制调节作用的基础，它完成对所有被控变量的直接测量，包括温度、压力、流量、液位、成分等；②变送单元：将检测的温度、压力等参数转为电信号（U:1-5V、I:4-20mA）；③显示单元：控制系统的附属单元；④调节单元：完成调节控制规律的运算,调节单元采用的常规控制规律PID调节⑤执行单元：实施控制策略的执行机构，有电动、气动、液动等方式。2.基本概念：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。下限又趁称为零点；量程:测量上限值－测量下限值。3.标尺特性曲线：零点的变化称为零点迁移，而量程的变化（斜率）则称为量程迁移。通过仪表的标尺特性来反映标尺特性：以被测变量值相对于量程的百分数为横坐标记为X，以仪表指针位移或转角相对于标尺长度的百分数为纵坐标记为Y2可得仪表的标尺特性曲线X－Y线段1（OB红）：理想型；（0，100%）线段2（绿）：测量范围（0，75%），标尺特性：零点迁移（K不变）；线段3（黄）：测量范围（0，70%），标尺特性：量程迁移（K变大，更灵敏）；线段4（蓝）：测量范围（0，100%），标尺有效范围（0，71.4%），量程迁移（K变小）4.灵敏度K=△y/△x（标尺特性为曲线时，K为切线斜率）5.误差：①被测真值（约定真值）：真实的理论值；②绝对误差＝示值－约定真值；③相对误差=绝对误差真值∗100%；④引用误差=绝对误差量程∗100%；⑤最大引用误差Qmax=最大绝对误差量程∗100%，（最大绝对误差指量程内）仪表精度为最大引用误差不带%(精度等级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0，数越小精度越高)P10例1-1，1-2，作业题二、误差分析基础1．平均值：，n为测量次数，Mi为测量示值；niiMnA1132．准确度：δ=A-A0，（测量值与真值的偏差）n足够大，A0则接近真值3．残差（残余误差）：各测量值与平均值的差：vi=Mi-A，∑vi=04.精密度：即标准差（表示测量值间差异）图一：准高(好像不是很高)、精低；图二：准低、精高；图三：都高左图：A为被测量的真值，Aa、Ab为两种测量方法测得数据的平均值，分析得知：曲线1表示准确却不精密（误差小，标准误差大）；曲线2表示精密却不准确（误差大，标准误差小）。只有准确度和精密度都高，才能称为精确的测量。5.粗大误差（明显错误的坏值）剔除计算（作业）①求平均值A②求残差vi（检验∑vi=0）③求vi^2④求标准差σ⑤判断有无vi3σ，有则剔除，后重复以上步骤至无坏值）4三、检测技术及方法分析1.测量方式分类（１）偏差式测量：用仪器表指针的位移（偏差）来表示被测量的大小，如：万用表、体重秤（２）零位式测量：测量时用被测量与标准量相比较，如：天平、惠斯登电桥测量电阻（３）微差式测量：前两者结合2.检测系统的信号选择性信号选择：作用消除干扰信号方法：⑴补偿结构①示意图u1为设定值、不变，A(测量传感器)、B(补偿传感器)仅输入不同②补偿后输出：③级数展开化解得：④作用：减少干扰量变化△u2的影响，实现对干扰信号u2的补偿。但式中还存在△u1△u2项，可能为不完全补偿。(2)差分结构5①示意图②补偿后输出：③级数展开化解得：④作用：减少△u2项，减少干扰；消除△u1的二次项，起到线性化作用，提高对△u1的灵敏度。四、温度检测㈠．热电偶温度传感器（重点）1.工作原理：热电效应两种不同材料的金属导体，构成闭合回路，当两结点温度不等时，回路里会产生热电势，形成电流，这种现象称为热电效应。热电势：接触电势(主要)+温差电势EAB（T，T0）与T、T0有关，T0(参考端)恒定，则E为T(工作端温度)的单值函数。2．热电偶基本定律⑴均质导体定律如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。⑵中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体C，只要C的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。22211111:21uufuufuu称作用干扰（或影响参数）对作用：测量参数反对称的发生使　　　　　采用空间对称结构形式传感器传感器6EAB（T，T0）=EABC（T，T0），C中间再加仪表，则可测热电势。⑶中间温度定律)t,(tE)t(t,E)t(t,E0nABnAB0AB当Tn=0℃时，应用：热电偶分度表3.热电偶实用测量电路⑴、测量单点温度⑵、测量两点之间的温差(反向串联)(3)、测量平均温度（并联）4.冷端处理及补偿原因：保持T0恒定，才能保证输出热电势E为被测温度T的单值函数。方法：(1)冰浴法：仪表直接读出EAB(T，0)，查分度表得T；(2)补偿导线法：仪表读EAB(T,T0),根据以上二、三定律计算得T；作用:将热电偶冷端(T0)延伸到温度恒定的远处(离T远)。补偿的导线便宜、易弯曲。（回路总电势与Tn无关,只与T和T0有关）()()()()()00=0+0=000，－，　　　　　　，，，TETETETETTEABABABABAB反向串联并联7㈡．热电阻传感器——金属材料1.热电阻效应：导体的电阻率都随温度上升而上升；电阻率越大阻值越大，故T变大、R变大（正温度系数）2.铂热电阻：分度号Pt100(表示T=0°时R=100Ω)；铜热电阻：Cu50(T=0°时R=50Ω)3.热电阻的测量电路①两线制连接法（P49图a）测量点与指示仪表距离较近，R2R4=R3Rt（t=0°）②三线制（P49图c）测量点与指示仪表距离较远，R2(R4+r4)=(Rt+r1)R3优点：消除导线电阻引起的误差㈢．热敏电阻传感器——半导体材料1.负温度系数热敏电阻：NTC2.正温度系数热敏电阻：PTC3.临界温度系数热敏电阻：CTRCTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中（温度开关）(四)．非接触式温度检测仪表1.原理：具有一定温度的物体都会向外辐射能量，其辐射强度与温度有关。2.辐射测温主要有如下三种基本方法全辐射法：全辐射温度计：全部波长8亮度法：光电高温计：某一波长比色法：比色温度计：测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的五、压力检测1.压力定义：压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力可表示为：P=F/S2.压力的表示方法：(1)绝对压力(2)大气压力(3)表压力:相对大气压(4)真空度(负压)(5)差压3.压力检测方法及仪表1°.平衡法：通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力。液柱式压力计：如右图，△P=P1－P2=ρg(h1+h2)灵敏度=△输出/△输入=△P/△H=1/ρg，ρ越大，灵敏度越低2°.弹性法：利用各种形式的弹性元件，在被测介质的表压力或负压力作用下产生的弹性变形来反映被测压力的大小。㈠应变片式电阻传感器:U形管压力计91）不受力时：R1=R2=R3=R4=R,△R=0受力时：R1‘R3’受拉应力△l0,0,△R/R0,△R0即阻值增加，为R+△RR2‘R4’受压应力，阻值R-△R2）应变片：金属，应变效应：受力发生机械变形，阻值变化3）电阻应变片测量电路：当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥；输出电压ioURRRRRRRRU))((43214132①单臂工作情况R1变为R1+△RRRUUio4②半桥工作情况拉应力（R+△R）和压应力（R1-△R）为相邻桥臂|△R1|=|△R2|=△RRRUUio2③全桥工作情况相对桥臂承受同方向的力（同拉/同压）|△R1|=|△R2|=|△R3|=|△R4|=△RRRUUio全桥优点：1.消除由外界干扰（温度）引起的误差；2.灵敏度提高。【要能根据悬臂梁图(上面放樱桃的，变长/面积变小R增加为拉应力)画出全桥工作电路并计算】10㈡压阻式传感器——半导体材料压阻效应：受压力电阻率发生变化，阻值变化（区分应变效应）。3°.电气式：用压力敏感元件直接将压力转换成电阻、电荷量等电量的变化。压电式传感器(1)压电效应：有一定方向动态力作用时，内部极化现象，压电材料表面产生正负电荷；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失；当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；输出电压的频率与动态力的频率相同。（测的是动态力）原因：极化现象——(2)压电晶片的连接方式并联(输出电荷)CCUUqq22；；；串联(输出电压)CCUUqq212；；(3)应用：交通检测、压电式脚踏报警器、压电式玻璃破碎报警器分析原理：根据压电效应说明4．压力仪表的选择1)量程的选择被测压力较稳定：最大工作压力不应超过仪表满量程的2/3被测压力波动较大或测脉动压力：最大工作压力不应超过仪表满量程的1/2为保证测量准确度：最小工作压力不应低于满量程的1/3若上、下限不能同时满足要求，应优先满足最大工作压力条件112)精度的选择根据（仪表测量允许产生的）最大绝大误差确定【例】：一压力容器在正常工作时压力范围为0.4~0.6MPa，要求使用弹簧管压力表进行检测，并使测量误差小于被测压力的5%，试确定该表的量程和精度等级。解：由题知被测压力比较稳定，设弹簧管压力表量程为A，则选择压力表时，应满足关系：可选用量程范围为0~1.0MPa的弹簧压力表；由题意，被测压力允许的最大绝对误差：要求选用仪表的最大引用误差：按精度等级，可选用1.5级压力表。3）仪表类型的选择被测介质的性质、对仪表输出信号的要求、使用的环境六、机械量测量A、位移检测(一).电感式传感器1.自感式(微小位移)(1).自感现象:由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫自感现象；产生的电动势叫感应电动势。(2).单线圈式①结构:由线圈、铁芯(静)、衔铁(动,与被测对象连)三部分组成（σ0为铁芯和衔铁之间初始气隙，σ反映位移大小）（σ增大，L减小；L减小，I增大）当气隙变小，衔铁位移Δσ引起的电感变化为：1.2MPaAA314.00.9MPaAA326.0）最小工作压力（）最大工作压力（aMP02.0%54.0max＝＜%2%10000.102.0max＜202ANLfLUXUZUIL200LL12气隙变大：（注意△σσ）②灵敏度:K=△L/△σ=L0/σ0，③单线圈式电感传感器常见的形式：变隙式、变截面式、螺线管式(3).差动式电感传感器（自感）①结构：两线圈、两铁芯、一衔铁②原理：差动变隙式由两个相同的线圈L1、L2和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁左右位移时，两个回路中电感发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。③灵敏度：④优点：(作业)比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；差动式非线性项比单线圈多乘了(Δσ/σ)因子,不存在偶次项，因Δσ/σ1，线性度得到改善。差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰的影响。⑤测量转换电路相敏检波电路，作用：反映位移的大小（幅值）和方向（相位）。2.互感式差动变压器式传感器（互感）①.工作原理：（1）理想差动变压器的原理如图。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的“头”。0010LLLL])(1[20000LL00LL000'22LLLL13（2）当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。（3）差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。②．结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式③．应用：电感式滚柱直径分选装置（不是测直径，测的偏差）(二).电涡流传感器①电涡流效应：大块导体置于变化的磁场中时，导体表面就会产生旋涡状感应电流，简称涡流②涡流损耗：由于导体电阻很小，所以涡流强度会很大，大量的电能转变为热能，损失