自动检测技术与装置

自动检测技术与装置

1检测技术基础

1.1 基本概念

检测与测量：通常所讲的检测是指使用专门的工具，通过实验和计算，进行比较，找出被测参数的量值或判定被测参数的有无。而完全以确定被测对象量值为目的的操作成为“测量”。

检测装置：检测仪表或检测系统和它们必需的辅助设备所构成的总体称检测装置。

敏感元件、检测元件：是一种能够灵敏地感受被测参数并将被测参数的变化转换成另一种物理量的变化的元件。

传感器：它能直接感受被测参数，并将被测参数的变化转换成一种易于传送的物理量。

变送器：是一种特殊的传感器，它使用的是统一的动力源，而且输出也是一种标准信号。

变送器的作用：是分别将各种对象参数（如温度、压力、流量、液位等）和电、气信号（如电压、电流、频率和气压信号等）转换成相应的统一标准信号，并传送到指示（显示）记录仪表、各种运算器或调节器等，供指示、记录或调节。

直接测量：指不必测量与待测参数有函数关系的其他量，而能直接得到待测参数的量值。

间接测量：通过测量与待测参数有函数关系（甚至没有函数关系）的其他量，经一定的数学处理才能得到待测参数的量值。

软测量：也称为软仪表（Soft Sensor）技术，其检测原理为：利用易测的变量（常称为辅助变量或二次变量——Secondary Variable），依据这些易测变量与难以直接测量的待测变量（常称为主导变量——Primary Variable）之间的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估计方法以实现对待测变量的测量。

按仪表结构分类：

●开环结构：仪表的传递函数K为各环节传递函数之积。

●闭环结构：闭环结构仪表的信息传递有两个通道，一个是正向通道，另一个

是反馈通道。

平衡（反馈）式变换结构：是指信号变换环节（包括转换元件和转换电路）为闭环式结构。

模拟变送器构成原理：测量转换部分的作用是将检测元件的输出转换成放大器可以接受的信号i z ，i z 可以是电压、电流、位移和作用力等信号，由变送器的类型和检测元件的性质决定;反馈环节把变送器的输出信号y 转化成反馈信号f z ；在放大器的输入端，i z 与调零与零点迁移信号0z 的代数和同反馈信号f z 进行比较，其差值e 由放大器进行放大，并转换成统一标准信号y 输出。 仪表基本性能：

测量范围和量程：每台检测仪表都有一个测量范围，仪表工作在这个范围内，

可以保证仪表不会被损坏，而且仪表输出值的准确度能符合所规定的值。这

个范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限。测量上限和测量下限的代数差称为仪表的量程，即：量程=测量上限值-测量下限值 ● 灵敏度：仪表输入-输出特性曲线的斜率。

x

y S ∆∆= ● 死区、不灵敏区：由于不灵敏区的存在，导致被测参数的有限变化不易被检

测到。 ● 回差、变差、滞环：是指检测仪表对于同一被测量在其上升和下降时对应输

出值间的最大误差。

%100max

⨯∆''=

量程

回差 ● 线性度、非线形误差：仪器的线性度是表示仪表的输入-输出特性曲线对相

应直线的偏离程度。 ● 稳定性：可以从两个方面来描述，一是时间稳定性，它表示在工作条件保存

恒定时，仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小；二是使用条件变化稳定性，它表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响。 ● 重复性：在相同条件下，对同一被测量，按同一方向（由小到大或由大到小）多次测量时，检测仪表提供相近输出值的能力称为检测仪表的重复性。

再现性：在相同的条件下，在规定的相对较长的时间内，对同一被测量从两个方向（由小到大或由大到小）上重复测量时，检测仪表的各输出值之间的一致程度。 ● 可靠性：

衡量仪表的可靠性没有专门的尺度，目前主要有三个指标来描述： 保险期、有效性、侠义可靠性

定量描述：平均无故障时间（Mean Time Between Failure ，MTBF ）——仪表在相邻两次故障间隔内有效工作的平均时间。

● 绝对误差：是仪表输出值与被测参数真值之间的差值，即

0x x x -=∆

仪表基本误差：在标准条件下，仪表全量程范围内输出值误差中绝对值最大者称为仪表的基本误差。

● 相对误差：仪表的绝对误差与约定真值比的百分数，即

%1000

⨯∆=

x x

δ ● 引用误差：仪表的绝对误差与仪表的量程比的百分数，也用δ表示，即

%100⨯∆=

量程

x

δ 最大引用误差＝最大测量误差／仪表量程

仪表满刻度相对误差：仪表基本误差与仪表量程比的百分数。它在数值上就是仪表的准确度。

● 允许误差：这是仪表制造单位为保证仪表不超过基本误差而设的限值。 ● 准确度：判定仪表测量精确性的主要指标是它的准确度，其定义是“仪表给

出接近于真值的响应能力”。知道了仪表的准确度就可以估计测量结果与约定真值的差距。仪表的准确度通常是用仪表满刻度相对误差的大小来衡量。

准确度等级：仪表的准确度划分为若干等级，称准确度等级。仪表的准确度等级按以下方法确定，首先用仪表满刻度相对误差略去其百分号（%）作为仪表的准确度，在根据国家统一划分的准确度等级，选其中数值上最接近又比准确度大的准确度等级作为该仪表的准确度等级。准确度等级的数字越小，仪表的准确度越高，或者说仪表的测量误差越小。 ● 动态特性：响应时间 误差理论基础：

● 按误差的出现规律分类：系统误差、随机误差和粗大误差。 ● 按使用的工作条件分类：基本误差和附加误差。

● 按误差产生的原因分类：检测系统误差、环境误差、方法误差和人员误差。 ● 随机误差的特征：具有正态分布的随机误差有以下四个特征：误差的对称性、

误差的单峰性、误差的有界性、误差的抵偿性。 ● 系统误差的判定：实验对比法、残余误差观察法、标准差判据。 ● 消除和减少误差的一般方法：

1. 减小随机误差的方法：

1) 提高检测系统准确度 2) 抑制噪声干扰 3) 对测量结果的统计处理 2. 减小和消除系统误差的方法

1) 消除误差源法 2) 引入修正值 3) 比较法 4) 替代法