传感器与检测技术(1)

传感器与检测技术1绪论第一篇基础知识引论1.1检测仪表控制系统1.2基本概念1.3检测仪表技术发展趋势检测技术检测≠测量检测技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。智能楼宇控制图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：安全监测、照明控制、空调控制、水/废水管理等。汽车与检测技术检测的分类1、被测量值的物理属性：电量、非电量。2、检测原理（物理的、化学的、生物学的）：电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等。3、检测方法：直接与间接、开环与闭环、接触式与非接触式、动态和静态。仪表单元定义：实现各种控制作用的手段和条件，将检测得到的数据进行运算处理，并通过相应的单元实现对被控变量的调节。组成：变送单元、显示单元、调节控制单元、执行单元石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。以天然气为原料生产合成氨压力调节（PC）流量调节（FC）液位调节（LC）脱硫塔控制流程1.1检测仪表控制系统脱硫塔压力调节控制(PC)流量控制（FC)1.1.2检测仪表控制系统结构分析典型工业检测仪表控制系统结构图1、被控对象（核心）单输入单输出：常规回路控制系统。多输入多输出：计算机仪表控制系统（DDC、DCS、FCS)。2、检测单元（基础）传感器：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。（实现直接测量或间接测量）。3、变送单元使被测变量信号符合国际标准。1-5VDC或4-20mADC模拟信号或数字信号。4、调节单元将变送器输来的检测信号与给定值进行比较，并对比较结果进行调节运算，以输出作为控制信号。常规控制规律：位式调节、PID调节。5、显示单元将检测单元测量获得的相关参数，以适当方式显示给操作人员。显示方式：曲线、数字和图象。6、执行单元将调节器的控制输出信号按执行机构需要产生相应的信号，驱动执行机构实现对被控变量的调节作用。1.2.1测量范围、上下限及量程测量范围：仪器按照规定的精度进行测量的被测变量的范围。测量下限：测量范围的最小值。测量上限：测量范围的最大值。量程：量程=测量上限值-测量下限值。1.2基本概念例：某温度测量仪表的下限值是-50℃，上限值为150℃，则其测量范围可表示为-50℃～150℃，量程为200℃。1.2.2零点迁移和量程迁移零点：测量的下限值。根据测量要求和条件变化对仪表零点或量程的改变。X：仪表量程Y：指针最大偏转值1：迁移前特性曲线2：零点迁移特性曲线3、4：量程迁移特性曲线零点迁移的作用：克服仪表的死区，但牺牲了量程。量程迁移的作用：改变仪表的灵敏度和量程。1.2.3灵敏度和分辨率灵敏度：被测参数改变时，经过足够时间仪表指示值达到稳定状态后，仪表输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。灵敏度为量纲（无单位）。由量纲U和Y确定。分辨率：灵敏度的一种反映，表示仪表输出能响应和分辨的最小输入量，又称灵敏限。YU灵敏度（仪表的放大倍数）灵敏度表征传感器对输入量变化的反应能力(a)线性传感器(b)非线性传感器作图法求灵敏度过程xyx1ΔxΔy0切点传感器特性曲线xmaxyKx两者关系灵敏度高的仪表一定分辨率高（充分条件）分辨率高的仪表不一定灵敏度高（非必要条件）原因：分辨率高的仪表，如量程也很小，则灵敏度也不高。灵敏度具有可传递性，首尾串联的多仪表系统总灵敏度是各仪表灵敏度的乘积。1.2.4误差作用：衡量仪表的精度。真值：理论值。约定真值A0：国家标准计量机构标定过的标准仪器的测量值。1、绝对误差δ：绝对误差δ=示值M－约定真值A0不能确切的反映测量的准确程度。2、相对误差Υ：相对误差Υ（%）=绝对误差δ/约定真值A0衡量测量的准确度，相对误差越小，准确度越高。3、引用误差Q：引用误差Q（%）=绝对误差δ/量程L仪表多应用在测量接近上限值的量。L通常为仪表满刻度值.如满刻度为5A的电流表测量电流,示数为4A,实际电流为4.02A,此点电流的引用误差是多少?[(44.02)/5]100%0.4%Q仪表基本误差的主要形式，是仪表的主要质量指标。4、最大引用误差Qmax：最大引用误差Qmax（%）=最大绝对误差δmax/量程L5、允许误差：最大引用误差Qmax≤允许误差。6、附加误差受工作环境，相对湿度等客观条件影响所产生的误差。1.2.5精确度仪表的精确度通常是用允许的最大引用误差Qmax去掉百分号后的数字来衡量。精确度划分为若干等级，简称精度等级，精度等级的数字越小，精度越高。价格越贵。OA:理想输入输出特性曲线曲线1：实际上升曲线曲线2：实际下降曲线精度等级确定过程示意曲线1和2愈接近直线OA，则仪表的精度等级越高仪表的选择若已知某仪表精度等级为G级其最大相对误差maxmax0max//()/(/)AMLGMLMG因为ML所以，当示数M越接近量程L时，其测量准确度越高。相同精度等级下，仪表选择通常工作区在不小于满刻度2/3的区域。1.2.6滞环、死区和回差滞环：–储能效应例如弹性变形、磁滞。–实际上升曲线和实际下降曲线不重合。–特性曲线形成环状。滞环效应分析同一输入，对应多个输出值，出现误差。1.2.6滞环、死区和回差死区：–死区效应，例如传动机构的摩擦和间隙。–实际上升曲线和实际下降曲线不重合。–仪表输入小到一定范围后不足以引起输出的任何变化。死区效应分析1.2.6滞环、死区和回差综合效应：–既有储能效应，也具有死区效应。–各种情况下，实际上升曲线和实际下降曲线间的差值称为回差或变差。综合效应分析1.2.7重复性和再现性重复性：在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输入值进行测量所得的多个输出值之间相互一致的程度。综合效应分析衡量仪表不受随机因素影响的能力。选用上升曲线最大离散程度和下降曲线最大离散程度中的最大值。再现性：包括滞环和死区，仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示。仪表性能稳定的一种标志。1.2.8可靠性可靠度：衡量仪表能够正常工作并发挥其功能的程度。体现在仪表正常工作和出现故障两个方面：–正常工作方面：平均无故障工作时间。–出现故障方面：平均故障修复时间。有效度：（综合性指标）平均无故障工作时间有效度平均无故障工作时间平均故障修复时间成组传感器的复合检测微机械量检测技术智能传感器的发展各种智能仪表的出现计算机多媒体化的虚拟仪表传感器、变送器和调节器的网络化产品检测仪表技术发展趋势2误差分析基础及测量不确定度2.2.1真值、测量值与误差的关系误差x：测量值M偏离真值A0的程度横坐标为测量值，纵坐标为测得其测量值的频率测量值的算术平均值为A，则有限次测量中，测量值的平均值与真值之间的偏差n足够大时：0xMA0AA0limnAA测量值与其频率密度2.2.2几种误差的定义残差：各测量值Mi与平均值A的差方差：标准误差：方差的均方根值，表示Mi偏离A0的程度协方差与相关系数：两组测量值xik和xjk的平均值分别为Ai和Aj,0iiivMAv22011niiMAn2011niiMAn2.2.2几种误差的定义协方差被定义为相关系数是标准化的协方差211ijnXXikijkjkXAXAn2,ijijXXijXXrXX2.2.3测量的准确度与精密度测量的准确度与精密度2.3误差原因分析①被检测物理模型的前提条件属理想条件，与实际检测条件有出入；②测量器件的材料性能或制作方法不佳使检测特性随时间而发生劣化；③电气、空气压、油压等动力源的噪声及容量的影响；④检测线路接头之间存在接触电势或接触电阻；⑤检测系统的惯性即迟延传递特性不符合检测的目的要求，因此要同时考虑系统静态特性和动态特性；2.3误差原因分析⑥检测环境的影响，包括温度、湿度、气压、振动、辐射等；⑦不同采样所得测量值的差异造成的误差；⑧人为的疏忽造成误读，包括个人读表偏差，知识和经验的深浅，体力及精神状态等因素；⑨测量器件进入被测对象，破坏了所要测量的原有状态；⑩被测对象本身变动大，易受外界干扰以致测量值不稳定等。2.4误差分类1.系统误差：指测量器件或方法引起的有规律的误差，体现为与真值之间的偏差。2.随机误差：除可排除的系统误差外，另外由随机因素引起的，一般无法排除并难以校正的误差。3.粗大误差：由于观测者误读或传感要素故障引起的歧异误差。2.5.1随机误差概率及概率密度函数的性质误差函数的有关符号：–1）：误差x发生的概率密度–2）：误差为x的概率，称为概率元–3）：误差在a与b之间的概率–4）：检测值存在或检测误差存在的概率为1yfxpxfxdxbapaxbfxdx1pxfxdx2.5.1随机误差概率及概率密度函数的性质测量次数增多，统计误差频率后，可发现随机误差的性质–1）对称性：大小相同符号相反的误差发生的概率相同–2）抵偿性：由对称性可知，当测量次数时，全体误差的代数和为零，即–3）单峰性：绝对值小的误差比绝对值大的误差发生的概率大–4）有界性：绝对值非常大的误差基本不发生n1lim0ninix2.5.1随机误差概率及概率密度函数的性质具有上述特性的随机误差的概率密度分布曲线f(x)则应该满足如下各条件：–1）对于所有的误差x，都有f(x)0；–2）f(x)为偶函数，正负对称分布；–3）x=0时f(x)取最大值；–4）随x0，f(x)单调减小；–5）f(x)曲线在误差x较小时呈上凸，在x较大时呈下凸图示的正态分布数学表达式为这个式子说明了随机误差的理论分布规律，也称为误差法则。正态分布常用来表示。（测量真值），（标准误差）。2.5.2正态分布函数及其特征点22212xyfxe20,NA0A2.5.3置信区间与置信概率置信区间：随机变量取值的范围，常用正态分布的标准误差的倍数来表示，即，z为置信系数。置信概率：随机变量在置信区间内取值的概率置信水平：随机变量在置信区间以外取值的概率置信系数越大，置信区间越宽，置信概率越大，随机误差的范围也越大，对测量精度的要求越低。zz22202||2xzzzzpxzfxdxedx1||xzpxz2.6.1误差传递法则间接检测量Y与互相独立的直接检测量有如下的函数关系：，并且的标准偏差分别为时，Y的标准偏差–1）简易情况：，–2）任意线性结合：，–3）一般情况：时，误差传递法则：12,,XX12,,YXX12,,XX12,,2Y12YXX2212Y1niiiYaXk2221nYiiia12,,,nYXXX220Yiiddx2.6.2不等精度测量的加权及其误差同一未知量，不同检测方法，m组不等精度的测量数据。精密度高的测量数据具有较大的可靠性，这种可靠性的大小称为权重，通常用加权平均的方法计算总均值。–1）权重的大小：大小是相对的–2）加权平均1222212111::::::mmppp2.7.1平均值的误差表示方法每个测量结果服从正态分布时测量数据的平均值A按正态分布iM20,NA20,/NAn1iAMn01iEAEMAn22221Ann2.7.2平均值与标准偏差的无偏估计说明数据平均值就是真值的无偏估计。残差的平方和S的期望，则方差的无偏估计为01iEAEMAn0A22220iiiSvMAxnAA21ESn21SEn2ˆ1Sn2.7.3测量