检测技术与仪表第一章.ppt
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第1章绪论,检测技术的地位与作用,简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。
它直接将被温度变化转化液面示值。
没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法实现测量自动化。
为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。
检测技术的地位与作用,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。
测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。
检测技术的地位与作用,机械手、机器人中的传感器转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。
机械手装配模型,机器狗,检测技术的地位与作用,AGV（AutomatedGuidedVehicle）自动送货车超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。
AGV模型,检测技术的地位与作用,石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。
流程工业设备运行状态监控,图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。
通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。
汽车扭距测量,机床加工精度测量,检测技术的地位与作用,产品质量测量,为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。
在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。
图示为某公司楼宇自动化系统。
该系统分为：
电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。
楼宇控制与安全防护,检测技术的地位与作用,家庭与办公自动化,全自动洗衣机中的传感器：
衣物重量传感器，水温传感器，水质传感器，液位传感器，湿度传感器（衣物烘干检测）。
检测技术的地位与作用,神州6号成功发射,远望号舰艇,课程分三大部分:
1、介绍检测技术用到的误差理论和数据处理的一些基本知识;2、介绍检测对象过程参数所需用到的传感器及检测方法；3、介绍仪表系统及仪表控制技术,1-1、检测仪表控制系统：
任何一个工业控制系统都必然要应用一定的检测技术和相应的仪表单元。
检测单元完成对各种过程参数的测量，并实现必要的数据处理；仪表单元则是实现各种控制作用的手段和条件，它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。
随着新技术的不断出现，二者趋向融合,相辅相成的，它们是控制系统的重要基础。
1-1、检测仪表控制系统：
1、典型仪表控制系统实例：
用天然气做原料生产合成氨的控制系统为例。
需对天然气脱硫处理,在脱硫塔中进行,下面以一典型工业仪表控制系统实例为分析对象，给出常规检测仪表系统的组成及结构,并介绍有关检测和仪表相关技术必需的基本要领和名词术语。
.脱硫塔控制流程图：
由三个单参数压力、液位和流量调节控制系统组成。
压力控制：
PC液位控制：
LC流量控制：
FC,1-1、检测仪表控制系统：
1、典型仪表控制系统实例：
.压力调节控制（PC）的单参数控制子系统介绍：
控制过程：
首先测量进入脱硫塔的天然气压力，检测到的信号经转换后，以标准信号制式传输到实现调节运算调节单元；,1-1、检测仪表控制系统：
1、典型仪表控制系统实例：
调节单元在接受到测量信号后，即与给定单元的设定压力值进行比较，并根据设定的控制规律计算出实现控制调节作用所需的控制信号；调节单元输出的控制信号经执行单元转换后，驱动相应的设备实现对被控变量的调节。
.压力调节控制（PC）的单参数控制子系统介绍：
控制过程：
1-1、检测仪表控制系统：
1、典型仪表控制系统实例：
1-1、检测仪表控制系统：
1、典型仪表控制系统实例：
常规工业检测仪表控制系统的构成基本相同，而与具体采用的仪表类型无关。
基本构成包括被控对象、变送器、显示仪表、调节器、给定器和执行器等。
由于各控制子系统被控变量的不同，各子系统采用的变送器和调节器的控制规律因而有所不同。
2、检测仪表控制系统结构分析：
说明：
.闭环回路控制系统。
.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,1-1、检测仪表控制系统：
2、检测仪表控制系统结构分析：
说明：
1-1、检测仪表控制系统：
.显示单元：
是控制系统的附属单元,.调节单元：
完成调节控制规律的运算。
它将变送器传输来的测量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。
调节单元采用的常规控制规律包括位式调节和PID调节,2、检测仪表控制系统结构分析：
说明：
1-1、检测仪表控制系统：
.显示单元：
是控制系统的附属单元,.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包括位式调节和PID调节,.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,3现代检测系统的组成,1-1、检测仪表控制系统：
4检测技术的发展趋势-智能化检测仪器,不断拓展测量范围，努力提高检测精度和可靠性传感器逐渐向集成化、组合式、数字化方向发展重视非接触式检测技术研究检测系统智能化,1-1、检测仪表控制系统：
1-2、基本概念：
一、测量范围、上下限、量程：
1、测量范围：
仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。
用其上、下限来表示，每个测量仪表都有测量范围。
2、上、下限：
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,3、量程：
测量上限值测量下限值,1-2、基本概念：
二、零点迁移和量程迁移：
在实际使用中，由于测量要求或测量条件的变化，需要改变仪表的测量范围，即改变仪表的零点或量程，为此需要对仪表进行零点和量程的调整。
通常将零点的变化称为零点迁移，而量程的变化则称为量程迁移。
通过迁移可以扩大仪表的通用性。
但是，在何种条件下迁移，以及能够有多大的迁移量，还需视具体仪表的结构和性能而定。
零点迁移和量程迁移可通过仪表的标尺特性来反映。
1-2、基本概念：
二、零点迁移和量程迁移：
2、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Y，可得到仪表的标尺特性曲线XY.,3、实例说明：
1-2、基本概念：
二、零点迁移和量程迁移：
3、实例说明：
此时仪表量程不变，其斜率亦保持不变，线段2只是线段1的平移，理论上零点迁移到了原输入值的-25%，终点迁移到了原输入值的75%，而量程则仍为100%。
但由于标尺特性受限于输入通道对信号的限制（不能为负值），所以实际标尺有效使用范围（纵坐标Y）迁移到原来的25%-100%，测量范围（横坐标X）迁移到原来的0-75%。
线段2:
单纯的零点迁移时的标尺特性,1-2、基本概念：
二、零点迁移和量程迁移：
3、实例说明：
线段3、,单纯的量程迁移时的标尺特性。
线段4:
此时零点不变，线段仍过坐标系原点，但斜率发生了变化。
线段3：
理论上量程迁移到了原来的70%。
由于受仪表标尺长度的限制，实际标尺将仍保持到原来有效范围（纵坐标）的0-100%，而不能超过100%，对应的测量范围迁移到原来的070%。
灵敏度提高。
线段4:
量程迁移到原来的140%，斜率变化；尽管量程变大了，但实际标尺的有效范围只有原来的71.4%，测量范围仍为0100%。
100%,100%,-30%,1,2,3,130%,80%,40%,-60%,1-2、基本概念：
三、灵敏度,1.灵敏度：
是仪表对被测参数变化的灵敏程度。
仪表输出变化量Y与引起此变化的输入变化量U之比表示，即,定义为：
标尺特性曲线的斜率,x,y,x1,x,y,0,传感器特性曲线,xmax,作图法求非线性系统灵敏度过程,切点,1,2,X,Y,50%,60%,100%,70%,40%,1-2、基本概念：
三、灵敏度,2、讨论：
灵敏度和标尺特性的关系：
灵敏度等于标尺特性曲线的斜率。
如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度是一个常数。
否则，它将随输入量的大小而变化。
量程迁移就意味着灵敏度的改变；而如果仅仅是零点迁移则灵敏度不变。
1-2、基本概念：
三、灵敏度和分辨率：
2、讨论：
灵敏度和标尺特性的关系：
灵敏度也有量纲：
如果输入和输出的变化量一般有不同的量纲，则灵敏度s也是有量纲的。
如果输入量和输出量是同类量，则此时s可理解为放大倍数。
1-2、基本概念：
三、灵敏度和分辨率：
2、讨论：
灵敏度和标尺特性的关系：
灵敏度也有量纲：
灵敏度的可传递性,x,y,0,y,2,y,1,s,1,s,2,s,3,s=s1s2s3,1-2、基本概念：
四、误差：
1、基本名词：
.被测真值：
被测量的真实值，是一个理论值，因为无论采用何种仪表测到的值都有误差。
实际中常将用适当精度的仪表（一般指高一等级精度的仪表）测出的或用特定的方法确定的约定真值代替真值。
又称为约定真值。
某些特殊情况下是可知的，如圆周角为360度。
.示值：
指示装置所显示的被测值,1-2、基本概念：
四、误差：
2、绝对误差：
通常可简称为误差。
绝对误差示值约定真值,误差为正时表示仪表的示值偏大，反之偏小。
3、相对误差：
绝对误差与约定真值之比称为相对误差，常用百分数表示，即,1-2、基本概念：
四、误差：
举例1:
用第一个水银温度计测得某一温度为20.3，第二个水银温度计测得该温度为20.0，该温度用高一等级的温度计测得值为20.2，因后者精度高，故可认为20.2接近真实温度，故水银温度计测量的绝对误差:
20.3-20.2=0.1,20-20.2=-0.2,对于相同的被测量，绝对误差可以评定其测量精度的高低,1-2、基本概念：
四、误差：
举例2:
用两种方法来测量L1100mm的尺寸，其测量误差分别为110m，28m。
若用第三种方法测量L280mm的尺寸，其测量误差为37m,第一种方法的相对误差:
第二种方法的相对误差:
第三种方法的相对误差:
对于不同的被测量，采用相对误差评定测量精度,1-2、基本概念：
四、误差：
2、绝对误差：
简称为误差。
绝对误差示值约定真值,3、相对误差：
4、引用误差：
1-2、基本概念：
四、误差：
2、绝对误差：
简称为误差。
绝对误差示值约定真值,3、相对误差：
4、引用误差：
5、最大引用误差：
最大引用误差与仪表的具体示值无关，可以更好地说明仪表测量的精确程度。
指整个量程内,1-2、基本概念：
四、误差：
6、基本误差：
任何测量都是与环境条件相关的，这些环境条件包括环境温度、相对湿度、电源电压、安装方式等。
仪表应用时应严格按规定的环境条件即参比工作条件进行测量，此时获得的误差称为基本误差。
7、附加误差：
仪表在非参比工作条件下进行测量，此时获得的误差除包含基本误差外，还会包含额外的误差，又称附加误差。
1-2、基本概念：
五、精确度：
任何仪表都有一定的测量误差。
因此，使用仪表时必须先知道该仪表的精确程度，以便估计测量结果与约定真值的差距，即估计测量值的大小。
1、定义：
用仪表允许的最大引用误差去掉百分号后的数字来衡量该仪表的精确程度。
用于估计测量结果与约定真值的差距,2、精度等级划分：
0.05级、0.1级、0.2级、0.25级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级。
数字越小，精度越高，测量误差越小。
1-2、基本概念：
五、精确度：
举例：
某弹簧管压力表的测量范围为.a，精度等级为25级，校验时，在某点出现的最大绝对误差为.a，问该仪表是否合格？
用于估计测量结果与约定真值的差距,解：
由已知条件可知：
仪表量程为，最大绝对误差为。
其最大引用误差为：
由精度等级为2.5级，可知仪表允许的最大引用误差为：
2.5，所以不合格。
.a,.a,1-2、基本概念：
五、精确度：
举例2：
有一块压力表，其负向可测到-0.1MPa，正向可测到0.6MPa，现只校验正向部份，其最大误差发生在0.3MPa处，且上行和下行时，标准压力表的指示值分别为0.305MPa和0.295MPa，问该表是否符合准确度等级为1.5级的要求？
用于估计测量结果与约定真值的差距,解：
由已知条件可知：
仪表量程为：
测量误差：
有基本误差为其最大引用误差为：
0.6-（-0.1）0.7a，,上0.305-0.30.005,下0.3-0.2950.005,0.005MPa,符合,1-2、基本概念：
六、滞环、死区和回差：
1、滞环：
由于仪表内部元件的储能效应（如弹性变形、磁滞现象等），造成仪表测量的实际上升曲线和实际下降曲线出现不重合，从而使得仪表的特性形成环状，该种现象即称为滞环。
如图。
在出现滞环现象时，仪表的同一输入值对应多个输出值，并出现误差。
1-2、基本概念：
六、滞环、死区和回差：
2、死区：
定义：
指检测系统在量程零点（或起始点）处能引起输出量发生变化的最小输入量。
产生原因：
仪表内部的某些元件具有死区效应，例如传动机构的摩擦和间隙等。
1-2、基本概念：
六、滞环、死区和回差：
3、回差：
实际上升曲线和实际下降曲线间都存在差值，其最大的差值称为回差，亦称变差，或来回变差。
1-2、基本概念：
七、重复性和再现性：
1、重复性：
概念：
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称为仪表的重复性，它不包括滞环和死区。
如图。
物理意义：
反映输出一致性的程度。
取值：
上升曲线的最大离散程度和下降曲线的最大离散程度两者中的最大值。
1-2、基本概念：
七、重复性和再现性：
2、再现性：
概念：
它是仪表实际上升曲线和实际下降曲线之间离散程度的表示，它包括滞环和死区。
如图。
物理意义：
反映仪表的稳定性。
取值：
常取两种曲线之间离散程度最大点的值来表示,1-2、基本概念：
七、重复性和再现性：
3、讨论：
重复性是衡量仪表不受随机因素影响的能力，再现性是仪表性能稳定的一种标志。
1-2、基本概念：
八、可靠性：
1、概念：
仪表的可靠性通过可靠度来衡量。
它是衡量仪表能够正常工作并发挥其功能的程度。
是指仪表在确定的时期内和确定的外界条件下仪表工作在允许的性能水平（无故障）的概率。
举例：
如果有100台同样的仪表，工作1000小时后仍有99台能正常工作，则可以说这批仪表工作1000小时后的可靠度是99%。
复习：
一、检测仪表控制系统结构分析：
显示单元：
是控制系统的附属单元,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,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,检测单元：
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,复习：
一、检测仪表控制系统结构分析：
二、测量范围、上下限、量程：
1、测量范围：
仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。
用其上、下限来表示，每个测量仪表都有测量范围。
2、上、下限：
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。
3、量程：
测量上限值测量下限值,三、零点迁移和量程迁移：
对仪表进行零点和量程的调整。
通常将零点的变化称为零点迁移，而量程的变化则称为量程迁移。
通过仪表的标尺特性来反映。
复习：
一、检测仪表控制系统结构分析：
二、测量范围、上下限、量程：
三、零点迁移和量程迁移：
对仪表进行零点和量程的调整。
通常将零点的变化称为零点迁移，而量程的变化则称为量程迁移。
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Y，可得到仪表的标尺特性曲线XY.,一、检测仪表控制系统结构分析：
二、测量范围、上下限、量程：
三、零点迁移和量程迁移：
四、灵敏度,灵敏度：
是仪表对被测参数变化的灵敏程度，仪表输出变化量Y与引起此变化的输入变化量U之比表示，即,灵敏度和标尺特性的关系灵敏度也有量纲灵敏度的可传递性,复习：
一、检测仪表控制系统结构分析：
二、测量范围、上下限、量程：
三、零点迁移和量程迁移：
四、灵敏度,五、误差,绝对误差、相对误差、最大引用误差,六、仪表的精度,复习：
作业：
1、可否用一台精度等级为0.2级，量程为025MPa的仪表来检验一台精度等级为1.5级的，量程为02.5MPa的压力表？
为什么？
2、现有甲、乙现两台温度测量仪表，其测量范围分别为0800和0300，其准确度等级分别为0.5级和1级，若被测温度在200左右，问选用哪台仪表更好？
可能的最大绝对测量误差为多少？
1、可否用一台精度等级为0.2级，量程为060MPa的仪表来检验一台精度等级为1.5级的，量程为06MPa的压力表？
为什么？
2、现有甲、乙现两台温度测量仪表，其测量范围分别为0300和0100，其准确度等级分别为0.5级和1级，若被测温度在80左右，问选用哪台仪表更好？
可能的最大绝对测量误差为多少？
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