自动检测技术及仪表控制系统课件(第一章).详解共102页
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自动检测技术及仪表控制系统详解PPT课件
管理 控制 “信息流”
数量状 态趋向
检测
获取信息
分析判断
自动控制
自动化：信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行
★ 检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步
检测手段水平决定科学研究的深度和广度 理论研究成果离不开必要的检测手段
1 绪论
检测技术的作用与意义
一、(过程)自动化概述
检测技术在工业生产中的 应用十分广泛
6.控制过程属慢过程、多半属参量控制 7.定值控制是主要控制形式
过程控制的组成及术语
一、系统组成 以液体储槽的水位控制为例进行说明。
1、控制原理
液位变送器
半成品
LHC
液位控制器
1-1典型单回路控制系统
执行器
2、系统方块图
设定值 R(s)
E(s)
测量值
控制器
广义对象
U(s) 执行器
被控对象
检பைடு நூலகம்变送
2、随动控制系统 是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系
统。它的主要作用是克服一切扰动，使被控量随时 跟踪给定值的变化。
3、程序控制系统
其给定值按预定的时间程序来变化。如机械工业中的退 火炉的温度控制系统，其给定值是按升温、保温、逐次 降温等程序变化的。
三.按系统的结构特点来分
• 反馈控制系统 • 前馈控制系统 • 复合控制系统（前馈-反馈控制系统）
1 绪论
检测技术的作用与意义
一、(过程)自动化概述
检测技术在汽车中的应用日新月异
1 绪论
一、(过程)自动化概述
检测技术的作用与意义
检测技术
家用电器：
自动感应灯：亮度检测--光敏电阻
自动检测技术及仪表控制系统01
11变送单元变送单元：是将各种过程参数装换成相应的统一标准信号。
11.1常用变送器工作原理1、力矩平衡式原理（主要应用在差压变送器）2、桥式电路原理（以非平衡式电桥为主）3、差动方式原理11.4新型变送器数字式变送器特点：（1）数字式变送器种类多，输入传感器多（2）线性化精度高（3）量程可变[程控]（4）输出[4-20mA]数字输出通道（5）运算速度快模拟式变送器：（1）输入传感器单一（2）量程不可变图11-23数字式变送器结构示意课后习题11-1为什么说变送器是工业过程自动化的重要组成部分？变送器是检测单元，感知信号的输入，转换成相应的标准信号；只有获得了精确和可靠地过程参数，才能进行准确度数据处理，进而实现满意的控制效果。
11-6热电偶和热电阻温度变送器在输入电路中采用了什么方法实现线性化？热电偶：在反馈回路上采用各段斜率不等的线段连成折线构成，利用并联电阻来改变各段斜率，而各段间的拐点则靠基准电压的数值绝对。
热电阻：由于热电阻的特性曲线常呈现上凸函数关系，即阻值的增加随温度的升高而逐渐减小，电路采用了直接将反馈电压转换成电流，直接注入环节的方法。
11-8一台Ⅲ型温度变送器，量程400-600℃，当温度从500℃变化到550℃时，输出如何变化？根据量程400-600℃与输出4-20mA 成线性关系，有4400(600400)204I T --=⨯--得121216mA I mA I ==和11-9数字式变送器有什么特点？特点：（1）数字式变送器种类多，输入传感器多（2）线性化精度高（3）量程可变[程控]（4）输出[4-20mA]数字输出通道（5）运算速度快12显示单元12.1.2电位差计式自动平衡原理（1）自动电位差计适合对直流电压或由直流电流转换成的电压进行自动测量的处理；（2）自动电位差计是利用电动势平衡的原理实现显示和记录功能的。
图12-3自动点位差计原理图P163课后习题12-1显示仪表在过程自动化的作用是什么？将重要参数、数据显示输出、记录，供操作人员及时了解控制系统的变化情况，掌握被控对象的状态。
自动化技术与仪表 第一章检测技术基础 第1.1-1.2节
35
1.检测技术基础
检测与测量的关系：
– 测量：确定被测对象量值； – 检测：可能是确定量值，也可以是判定被测 参数的“有”或“无”，也可以是一种预报、 故障分析； – 所以，检测是意义更为广泛的测量。
36
1.检测技术基础
二.检测方法
• 按检测过程分类 1.直接测量： 2.间接测量：
37
1.检测技术基础
62
1.检测技术基础
2. 输入―输出特性
– 灵敏度 – 分辨率（分辨力）和閾值（死区、不灵敏区、 灵敏限、失灵区） – 回差 – 线性度 – 漂移（补充）
63
1.检测技术基础
• 灵敏度：传感器在稳态下输出增量△Y与引
起此变化的输入增量的比值。 S 如，位移传感器，当位移量x为lmm，输出量y 为0.2mV时 ，灵敏度为0.2mV/mm。
18
1.检测技术基础
传感器实例
红外接收传感器
19
1.检测技术基础
一台复印机需要20多只传感器
20
1.检测技术基础
机器人通过传感器实现类似于人的知觉作用。传感 器被称为机器人的“电五官”。
单能机器人—机械手 智能机器人—双脚步行机器人
21
1.检测技术基础
产品质量检验
22
1.检测技术基础
雷达测速-----车载电子警察
工业测 量
标准输出 信号
能量转 换
56 传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。
1.检测技术基础
• 变送器（transmitter）：
• 变送器由传感器发展而来，是能输出标准信号的传 感器。 • 标准信号 其物理量的形式和数值范围都符合国际标准。 如：直流电流4-20mA（Ⅲ型 仪表） 直流电流0-10mA（Ⅱ型 仪表） • 注意 变送器实际上就是一种传感器
自动检测技术ppt课件
检测技术：为了对被检测对象所包含的信息进行定性的了解 和定量的掌握所采取的一系列技术措施
特点： 综合性（机、光、电一体）,先进性（学科发展）, 广泛性,传成性 软硬件结合
应用： 1、产品检测和质量控制 2、安全经济运行监测 3 、自动化技术四个支柱之一 4、推动科技发展
检测技术在国民经济中的地位和作用
一目了然
数字式仪表
数字式仪表 的特点： 准确，但最 后一位经常 跳动不止。
热敏电阻
LED、LCD的特点：
LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高， 但不利于夜间观察。
带背光板的LCD可以在夜间观看
特点——
能显示复杂的 图形和曲线，
但价格昂贵。
图像显示
图像显示（续）
带RS-232接口的万用表及图像显示
工业检测涉及的内容（续）
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、磨损、堵塞、断裂等）
电工量（U、I、f、R、Z、E、B ……在电工、电子等课程
一种典型的自动检测系统
（检测系统在发电厂的应用） .
传感器简介：
①传感器是测量装置，能完成检测任务；
②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、
生物量等；
V、I、F、P
③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，
可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；
④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。
检测技术在卫星中的应用 红外扫 描区域
人造卫星
检测技术在海啸预报中的应用
特点： 综合性（机、光、电一体）,先进性（学科发展）, 广泛性,传成性 软硬件结合
应用： 1、产品检测和质量控制 2、安全经济运行监测 3 、自动化技术四个支柱之一 4、推动科技发展
检测技术在国民经济中的地位和作用
一目了然
数字式仪表
数字式仪表 的特点： 准确，但最 后一位经常 跳动不止。
热敏电阻
LED、LCD的特点：
LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高， 但不利于夜间观察。
带背光板的LCD可以在夜间观看
特点——
能显示复杂的 图形和曲线，
但价格昂贵。
图像显示
图像显示（续）
带RS-232接口的万用表及图像显示
工业检测涉及的内容（续）
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、磨损、堵塞、断裂等）
电工量（U、I、f、R、Z、E、B ……在电工、电子等课程
一种典型的自动检测系统
（检测系统在发电厂的应用） .
传感器简介：
①传感器是测量装置，能完成检测任务；
②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、
生物量等；
V、I、F、P
③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，
可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；
④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。
检测技术在卫星中的应用 红外扫 描区域
人造卫星
检测技术在海啸预报中的应用
《自动检测技术与仪表控制系统》第1、2章 测控仪表及装置
➢ 很明显台秤更准确。
➢ 仪表的精确程度不仅与仪表的绝对误差有关，还 与仪表的测量范围有关。
2.6 精度和精度等级
➢ 引用误差
➢ 引用误差又称为相对百分误差 ，用绝对误差△与 仪表量程之比的百分数来表示，即
=
量程
100%
➢ 所以，绝对误差相等时，测量范围大的仪表较测量 范围小的仪表引用误差小（更准确）。
无迁移
测量范围 0～5000 Pa
仪表输出 4～20 mA
零点迁移 -2000 pa～3000 pa 4～20 mA
量程迁移 0～6000 Pa
4～20 mA
曲线 a b c
【例】某差压变送器的测量
测量范围 仪 表 输 曲
范围为0～5000Pa，当压差由 0变化到5000 Pa时，变送器 的输出将由4mA变化到
➢ 精度等级的数字越小，仪表的精度等级就越高，也说 明该仪表的精度高。
➢ 仪表精度等级符号标志：
或±1.0 %
➢ 例2-3有两台测温仪表，测温范围分别为0～ 100℃和100 ～ 300℃，校验时得到它们的最大 绝对误差均为±2℃，试确定这两台仪表的精 度等级。
➢ 例2-4 某台测温仪表的工作范围为0～500℃， 工艺要求测温时的最大绝对误差不允许超过 ±4℃，试问如何选择仪表的精度等级才能满 足要求?(选表)
➢ 例2-3有两台测温仪表，测温范围分别为0～100℃和100 ～ 300℃，校验时得到它们的最大绝对误差均为±2℃，试确 定这两台仪表的精度等级。
➢ 知识点梳理：
• 精度：通常用允许的最大引用误差去掉正负号(±)和百分号(％)后 ，剩下的数字来衡量。
• 所谓1.0 级仪表，即该仪表允许的最大引用误差为±1% • 三者数值一致
➢ 仪表的精确程度不仅与仪表的绝对误差有关，还 与仪表的测量范围有关。
2.6 精度和精度等级
➢ 引用误差
➢ 引用误差又称为相对百分误差 ，用绝对误差△与 仪表量程之比的百分数来表示，即
=
量程
100%
➢ 所以，绝对误差相等时，测量范围大的仪表较测量 范围小的仪表引用误差小（更准确）。
无迁移
测量范围 0～5000 Pa
仪表输出 4～20 mA
零点迁移 -2000 pa～3000 pa 4～20 mA
量程迁移 0～6000 Pa
4～20 mA
曲线 a b c
【例】某差压变送器的测量
测量范围 仪 表 输 曲
范围为0～5000Pa，当压差由 0变化到5000 Pa时，变送器 的输出将由4mA变化到
➢ 精度等级的数字越小，仪表的精度等级就越高，也说 明该仪表的精度高。
➢ 仪表精度等级符号标志：
或±1.0 %
➢ 例2-3有两台测温仪表，测温范围分别为0～ 100℃和100 ～ 300℃，校验时得到它们的最大 绝对误差均为±2℃，试确定这两台仪表的精 度等级。
➢ 例2-4 某台测温仪表的工作范围为0～500℃， 工艺要求测温时的最大绝对误差不允许超过 ±4℃，试问如何选择仪表的精度等级才能满 足要求?(选表)
➢ 例2-3有两台测温仪表，测温范围分别为0～100℃和100 ～ 300℃，校验时得到它们的最大绝对误差均为±2℃，试确 定这两台仪表的精度等级。
➢ 知识点梳理：
• 精度：通常用允许的最大引用误差去掉正负号(±)和百分号(％)后 ，剩下的数字来衡量。
• 所谓1.0 级仪表，即该仪表允许的最大引用误差为±1% • 三者数值一致
检测技术与自动化仪表课件_1_5-检测技术介绍
检测技术与自动化仪表
TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY & AUTOMATIC
INSTRUMENTS
课程性质：数控专业专业课； 先修课程：
《大学物理》,《模/数电》, 《自动控制原理》, 《微 机原理》,《单片机原理》等； 学时：64课时（其中实验部分占8课时）； 课程教学目的与基本要求： ✓ 掌握检测技术的基本知识，如测量误差的理论分析 等； ✓ 掌握常用传感器的工作原理，测量电路及其应用 ； ✓ 能够掌握自动化仪表基本类型，以及智能仪表的基本 结构、基本功能和基本设计方法。
12
4、对随机误差的进一步分析
① 标准偏差表示法（取 k中k =1）
此时置信概率
P P
p d
0.683
即随即误差落入区间 的,几率为68.3% 。
② 极限偏差表示法（取 k 为极限误差）
工程上，一般取
此时，
m 3
P P
3
3 3
p d
0.997
13
5、标准偏差的估计算法
有限次测量，估计值 ˆ
4、如何剔除？（实施步骤）
18
【例】对某物理量进行6次等精度测量，得到20.46,20.52, 20.49,20.50,20.48,20.61。取P=0.95，试判别是否存在坏值。
【解】不难计算出 x 20.51
由BESSEL公式法
6
xi 20.512
ˆ i1
0.05
6 1
应用格拉布斯准则，查表可知，
在构成测量系统时, 应将开环系统与闭环系统巧妙地组合 在一起加以应用, 才能达到所期望的目的。
CHA.4 检测系统基本特性
一、概述
静态特性和动态特性 测量和标定 理想的检测系统——单向系统和线性系统
TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY & AUTOMATIC
INSTRUMENTS
课程性质：数控专业专业课； 先修课程：
《大学物理》,《模/数电》, 《自动控制原理》, 《微 机原理》,《单片机原理》等； 学时：64课时（其中实验部分占8课时）； 课程教学目的与基本要求： ✓ 掌握检测技术的基本知识，如测量误差的理论分析 等； ✓ 掌握常用传感器的工作原理，测量电路及其应用 ； ✓ 能够掌握自动化仪表基本类型，以及智能仪表的基本 结构、基本功能和基本设计方法。
12
4、对随机误差的进一步分析
① 标准偏差表示法（取 k中k =1）
此时置信概率
P P
p d
0.683
即随即误差落入区间 的,几率为68.3% 。
② 极限偏差表示法（取 k 为极限误差）
工程上，一般取
此时，
m 3
P P
3
3 3
p d
0.997
13
5、标准偏差的估计算法
有限次测量，估计值 ˆ
4、如何剔除？（实施步骤）
18
【例】对某物理量进行6次等精度测量，得到20.46,20.52, 20.49,20.50,20.48,20.61。取P=0.95，试判别是否存在坏值。
【解】不难计算出 x 20.51
由BESSEL公式法
6
xi 20.512
ˆ i1
0.05
6 1
应用格拉布斯准则，查表可知，
在构成测量系统时, 应将开环系统与闭环系统巧妙地组合 在一起加以应用, 才能达到所期望的目的。
CHA.4 检测系统基本特性
一、概述
静态特性和动态特性 测量和标定 理想的检测系统——单向系统和线性系统
自动检测技术课件PPT自动检测系统设计教学PPT
水分测量系统设计 • 8.5 啤酒瓶残留清洗液在线检测系统设计 • 8.6 空气压缩机的曲轴工作应力测试
8.2 传感器的合理选用
• 根据具体的测量目的、测量对象、测量环 境合理的选用传感器，是进行自动检测系 统设计需要解决的首要问题。
• 检测系统设计的成败，在很大程度上取决 于传感器的选用是否合理。
也会被测量系统的放大器放大，影响测量精度。
• 要求传感器本身应具有较高的信噪比。
8.2.4 精度 • 传感器的选用原则并非精度越高越好。传
感器的精度越高，其价格越昂贵。 • 传感器的精度只要满足整个测量系统的精
度要求就可以，不必选得过高。 • 应在满足同一测量目的的诸多传感器中选
择最便宜、最简单、最可靠的传感器。
“软件硬化”
• 近年来随着半导体技术的发展，又出现了“软件 硬化”的趋势，即将软件实现的功能用硬件实现。 其中最典型的是数字信号处理芯片DSP。
软硬件折衷
• 智能检测系统中有些功能必须靠硬件实现， 而另外有些功能利用软件或硬件都可完成。
• 软件可完成许多复杂运算，修改方便，但速 度比硬件慢。硬件成本高，组装起来以后不 易改动。
I
I
I'
U( 1 Z3
1 Z2
1 Z'
)
I U 1 Z2
图8-9 交流频率为4.5MHz，电压12V时, 有残留液和无残留液时的曲线对比
8.5.4 检测系统设计
• 1 激励电压和频率的选择 • 2 电极设计
3 系统总体框图
图8-10 残留液检测系统的整体功能结构框图
4 高稳定性直流电源设计 5 高频激励信号源设计 6 高频传感信号放大电路设计 7 峰值检波电路设计 8 低频放大电路设计
8.2 传感器的合理选用
• 根据具体的测量目的、测量对象、测量环 境合理的选用传感器，是进行自动检测系 统设计需要解决的首要问题。
• 检测系统设计的成败，在很大程度上取决 于传感器的选用是否合理。
也会被测量系统的放大器放大，影响测量精度。
• 要求传感器本身应具有较高的信噪比。
8.2.4 精度 • 传感器的选用原则并非精度越高越好。传
感器的精度越高，其价格越昂贵。 • 传感器的精度只要满足整个测量系统的精
度要求就可以，不必选得过高。 • 应在满足同一测量目的的诸多传感器中选
择最便宜、最简单、最可靠的传感器。
“软件硬化”
• 近年来随着半导体技术的发展，又出现了“软件 硬化”的趋势，即将软件实现的功能用硬件实现。 其中最典型的是数字信号处理芯片DSP。
软硬件折衷
• 智能检测系统中有些功能必须靠硬件实现， 而另外有些功能利用软件或硬件都可完成。
• 软件可完成许多复杂运算，修改方便，但速 度比硬件慢。硬件成本高，组装起来以后不 易改动。
I
I
I'
U( 1 Z3
1 Z2
1 Z'
)
I U 1 Z2
图8-9 交流频率为4.5MHz，电压12V时, 有残留液和无残留液时的曲线对比
8.5.4 检测系统设计
• 1 激励电压和频率的选择 • 2 电极设计
3 系统总体框图
图8-10 残留液检测系统的整体功能结构框图
4 高稳定性直流电源设计 5 高频激励信号源设计 6 高频传感信号放大电路设计 7 峰值检波电路设计 8 低频放大电路设计
第1章 自动检测技术基础
检测仪表的组成框图
(一) 传感器
传感器也称敏感元件，一次元件，其作用 是感受被测量的变化并产生一个与被测量呈某种 函数关系的输出信号。
传感器分类：根据被测量性质分为机械量 传感器、热工量传感器、化学量传感器及生物量 传感器等；根据输出量性质分为无源电参量型传 感器(如电阻式传感器、电容式传感器、电感式 传感器等)与发电型传感器(如热电偶传感器、光 电传感器、压电传感器等)。
械 量 测 量 与 仪
分 分 析 仪 表
示 仪 表
型 检 测 技 术 与 仪
刘玉长 表 表 表
表
表
第一章 自动检测技术基础
本章介绍自动检测技术、仪表的基 本概念与有关测量误差及处理的基本原 理与方法。
第一节 自动检测的基本概念 第二节 测量误差及处理方法 第三节 测量不确定度
刘玉长
第一节 自动检测的基本概念
以下仅介绍静态性能指标。 刘玉长
(一)测量范围与量程
测量范围:指在正常工作条件下，检测系统或仪 表能够测量的被测量值的总范围，测量范围用
下限值ymin至上限值ymax来表示，即ymin～ ymax。
测量量程:为测量范围上限与下限的代数差，即 yFS=ymax-ymin
刘玉长
(二)准确度
定义：准确度也称精确度，是指测量结果与实际值
相一致的程度，是测量的一个基本特征。
准确度
仪表的允许误差 仪表的量程 100%
Δmax yFS
100%
Δmax—仪表所允许的误差界限，即允许误差；
yFS —仪表量程。
通常用准确度(精度)等级来表示仪表的准 确度，其值为准确度去掉“±符号”及“%”后 的数字再经过圆整取较大的约定值。
刘玉长
自动检测技术及仪表控制系统
数，可由计数器通过传动部件测出，
Q——被测流体的体积总量。在测量较小流量时，要考
虑泄漏量的影响，通常仪表有最小流量的测量限度。 运动部件的形式：往复运动（活塞式油量表）和旋转运动
（腰轮流量计）。
2.几种容积式流量计(flowmeter)
(1)椭圆齿轮流量计
椭圆齿轮流量计的测量本体由一对相互啮合的椭圆齿轮和壳
其中：V为体积总量；M为质量总量；t为测量时间。
☎质量流量是表示流量的最好方法，因为其它两种可由它求出。
2021/3/23
4
二、流量检测方法及流量计分类
1.流量检测方法及流量计分类
流量检测方法：可归为体积流量检测和质量流量检测 ➢流量计：测量流量的仪表称为流量计。流量计通常由 一次装置和二次仪表组成，一次装置产生一个与流量 有确定关系的信号，亦称流量传感器，二次仪表则给 出相应的流量值大小。见表6－1。 ➢总量计：测量流体总量的仪表称为计量表或总量计。
★流量标准装置—液体流量标准装置和气体流量标准装置
2021/3/23
1
6.1 流量检测的基本概念
一、流量(flow)的概念和单位
1.定义：流体的流量指在短时间内流过某一流通截面的流体 数量与通过时间之比。(瞬时流量)
2.分类： ① 瞬时流量：单位时间内 通过的流体的量
累积流量：或流过总量 ，指一段时间内通过流 体的数量 ② 质量流量：单位时间内 通过的流体的质量
1.容积式流量计的测量机构与流量公式 组成：由测量室、运动部件、传动和显示部件构成。它的
测量主体为具有固定标准容积的测量室，测量室由流量计内部的运动部件 与壳体构成。在流体进、出口压力差的作用下，运动部件不断地将充满在
测量室中的流体从入口排向出口。
Q——被测流体的体积总量。在测量较小流量时，要考
虑泄漏量的影响，通常仪表有最小流量的测量限度。 运动部件的形式：往复运动（活塞式油量表）和旋转运动
（腰轮流量计）。
2.几种容积式流量计(flowmeter)
(1)椭圆齿轮流量计
椭圆齿轮流量计的测量本体由一对相互啮合的椭圆齿轮和壳
其中：V为体积总量；M为质量总量；t为测量时间。
☎质量流量是表示流量的最好方法，因为其它两种可由它求出。
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二、流量检测方法及流量计分类
1.流量检测方法及流量计分类
流量检测方法：可归为体积流量检测和质量流量检测 ➢流量计：测量流量的仪表称为流量计。流量计通常由 一次装置和二次仪表组成，一次装置产生一个与流量 有确定关系的信号，亦称流量传感器，二次仪表则给 出相应的流量值大小。见表6－1。 ➢总量计：测量流体总量的仪表称为计量表或总量计。
★流量标准装置—液体流量标准装置和气体流量标准装置
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6.1 流量检测的基本概念
一、流量(flow)的概念和单位
1.定义：流体的流量指在短时间内流过某一流通截面的流体 数量与通过时间之比。(瞬时流量)
2.分类： ① 瞬时流量：单位时间内 通过的流体的量
累积流量：或流过总量 ，指一段时间内通过流 体的数量 ② 质量流量：单位时间内 通过的流体的质量
1.容积式流量计的测量机构与流量公式 组成：由测量室、运动部件、传动和显示部件构成。它的
测量主体为具有固定标准容积的测量室，测量室由流量计内部的运动部件 与壳体构成。在流体进、出口压力差的作用下，运动部件不断地将充满在
测量室中的流体从入口排向出口。