自动检测技术

动态测量
地震测量 振动波形
便携式仪表
可以显示波形 的手持示波器
直接测量
电子卡尺
接触式测量
非接触式测量
例：雷达测速
车载电子警察
离线测量
产品质量检验
在线测量
在流水线上，边加工，边检验，可 提高产品的一致性和加工精度。
1.1 自动检测技术概述
1.1.1 自动检测技术在自动化专业中的地位
与作用
m
为最
小值，也就是说，使
对b和a的一阶偏导i2 数等
于零，从而求出b和a的m 表i2 达式：
i1
i1
m
m
m
m xi yi xi yi
b
i 1 m
i1 i1 m
m xi2 ( xi )2
i 1
i 1
m
m
m
m
xi2 yi xi xi yi
a i1
i 1 m
i1 i1 m
m xi2 ( xi )2
对端基直线的最大偏差，以传感器满量程输出的
百分比来表示。
Lte
yte,max yte,max yte,min
100 00
端基线性度的定义示于图1-6中。按该图所示，可 以写出端基直线方程为
yte
ymin
ymax xmax
ymin xmin
xmin
ymax xmax
ymin xmin
图1-6 端基线性度的定义 图1-7 零基线性度的定义
S y y0 x x0
一般，人们希望传感器的灵敏度在整个测量范围 内保持恒定。灵敏度是一个有单位的量。当我们 讨论某一传感器的灵敏度时，必须确切地说明它 的单位。
图1-5 灵敏度定义的分辨力 （resolution）
有时，输入量开始变化，但输出量并不随之相应 变化，而是输入量变化到某一程度时输出才突然 产生小的阶跃变化。这就出现了分辨力和阈值问 题。
优越性：
➢ 便于扩展测量的幅值范围(量程)
➢ 便于扩宽测量的频率范围(频带)
➢ 便于实现远距离的自动测量
➢ 便于与计算机技术相结合, 实现测量的智能化和网 络化
被控制的参数一般为非电量。要对被控对象实施 闭环控制，检测装置是必须配置的，它将被控制 的参数转换为控制器能够接受的电信号。
图1-1 糖化过程温度控制系统方框图
按测量系统是否向被测对象施加能量分类：主动 式测量、被动式测量；
按被测量是否是在生产进行的实际过程中被测分 类：在线测量、离线测量。
1.2.1 直接测量、间接测量、联立测量
直接测量：在使用测量仪表进行测量时，对仪表读 数不需经过任何运算，就能直接得到测量结果。
优点：测量过程简单而迅速，
缺点：难以达到较高测量精度。直接测量方法在 工程实践中被广泛应用。
（1）绝对线性度
又称理论线性度，是传感器的实际平均输出特性 曲线对在其量程内事先规定好的理论直线的最大 偏差，以传感器满量程输出的百分比来表示：
Lab
yab,max yab,max yab,min
100 00
绝对线性度的参考直线是事先确定好的，反映的 是一种线性精度。
（2）端基线性度
端基线性度的拟合直线最为简单，但精度不高。 端基线性度定义为传感器实际平均输出特性曲线
第1章 自动检测技术的 基本概念
目录
1.1 自动检测技术概述 1.2 测量方法 1.3 传感器的一般特性 1.4 测量误差与数据处理
基本要求
✓了解检测技术及仪表的地位与作用 ✓理解传感器和敏感器的基本概念 ✓掌握检测仪表与系统的基本组成
静态测量
对缓慢变化的对象进行 测量亦属于静态测量。
最高、最低 温度计
Ry
ymax
ymax ymin
100 00
阈值通常又称为灵敏限、灵敏阈、失灵区、死区 等。阈值定义为：输入量由零变化到使输出量开 始发生可观测变化的输入量值。它实际上是传感 器在正行程时的零点分辨力(以输入量表示时)。
4 线性度(linearity)
衡量线性传感器线性特性好坏的指标为线性度。 随参考直线的引法不同，线性度主要有下面几种。
动态形式，所测量的物理量随时间变化而变化。 故检测过程被分为静态检测和动态检测，相应其 输出——输入特性分为静态特性和动态特性。
1 测量范围（measuring range）和量程（span）
测量范围：传感器所能测量的被测量的最大数值 称为测量上限，被测量的最小数值则称为测量下 限。用测量下限和测量上限表示的区间为量程。
优点：反应快、精度高。
1.2.3 接触式测量、非接触式测量
接触检测：指在测量过程中敏感元件与被测介质 产生实际物理上的接触。
非接触检测：指利用物理、化学及声、光学的原 理，使被测对象与敏感元件之间不发生物理上的 直接接触而对被测量进行检测的方法。
目录
1.1 自动检测技术概述 1.2 测量方法 1.3 传感器的一般特性 1.4 测量误差与数据处理
优点：偏差式测量法简单、迅速；
缺点：由于是间接与标准量进行比较，测量结 果精度较低。
零位式测量法：又称补偿式测量或平衡式测量， 测量过程中，用指零仪表的零位指示测量系统的 平衡状态，在测量系统达到平衡时，用已知的基 准量决定未知量。用此方法进行测量时，标准量 具设置在仪表内，在测量过程中标准量直接与被 测量相比较；测量时，要调整标准量，即进行平 衡操作，一直到被测量与标准量相等，即指零仪 回零。
当以输入量来表示时，分辨力定义为在传感器的 全部工作范围内，能够产生可观测的输出量变化 的最小输入量变化，以满量程输入的百分比表示
Rx
xi,min max xmax xmin
100 00
当以输出量来表示时，分辨力定义为在传感器的 全部工作范围内，在输入量缓慢而连续变化时所 测到的输出量的最大阶跃变化，以满量程输出的 百分比表示
优点：用零位式测量可获得高的测量精度；
缺点：由于需要可调的标准量，在测量过程中需 要进行标准量的动态调节，致使仪表构成复杂， 难以测量快变信号。
微差式测量方法：综合了偏差式测量法与零位式 测量法的优点，此方法是将被测的未知量与已知 的标准量进行比较，取得差值，然后用偏差法测 得此差值。应用此方式测量时，标准量具装在仪 表内，该标准量具的值与被测量非常接近。在测 量过程中，标准量直接与被测量进行比较，由于 两者的值很接近，测量过程中不需调整标准量， 而只需测两者的差值。
传感器的命名规则
转换原理 式 被测量 传感器
例如：100mm应变计式位移传感器
100─160dB电容式声压传感器
耐高温型电感式传感器
在实际运用中，可根据产品具体情况省略任何一 级修饰语。但国家标准规定，传感器作为商品出
售时，第一级修饰语不得省略。
图1-3 传感器图用图形符号图 图1-4 电容式压力传感器的图用图形符号
（3）零基线性度
零基线性度定义为传感器实际平均输出特性曲线 对零基直线的最大偏差，以传感器满量程输出的
百分比来表示。而零基直线则是这样一条直线，
它位于传感器的量程内，可通过或延伸通过传感
器的理论零点，并可改变其斜率，以把最大偏差
减至最小。
LZe
yZe,max
y y Ze,max
Ze,min
100%
测量：以确定量值为目的的一组操作。
检验：分辨出被测参数的量值是否归属某一范 围带，从而判别被测参数是否合格、现象是否 存在等。
检测：包含了测量与检验两方面的内容。
自动检测：在自动化领域中，需要对某些重要 参数进行实时、自动的测量、检验。这类无需 人手工操作而自动完成的检测。
自动检测技术的核心是如何将各种非电量转换为 电信号，通过对该电信号的测量来检测原非电量， 常称之为非电量检测技术。
间接测量：首先对与被测物理量有确定函数关系 的几个量进行测量，将测量值代入函数关系式， 经过计算得到测量所需的结果。
优势：间接测量可以实现难以直接测量的被测量 的测量。
缺点：相对于直接测量，间接测量过程手续较多， 所需时间较长，有时可以得到较高的测量精度。 间接测量多用于实验室测量，工程测量中亦有应 用。
零基线性度的定义示于图1-7中。按照定义，可以 写出零基直线方程为
yZe bx
（4）最小二乘线性度
用最小二乘法求得校准数据的理论直线。该直线
方程为
yes a bx
令有m个校准测试点，传感器的实际输出为y，则
第i个校准数据与理论直线上相应值之间的偏差为：
最小二乘法理论直i 线的yi拟合a原 b则xi就 是使
1.3 传感器的一般特性
1.3.1 传感器的静态特性与静态特性指标
传感器的输出——输入关系特性是传感器的基本 特性。
传感器所测量的物理量有两种形式，一种是静态 (或准静态)的形式，另一种是动态形式
静态(或准静态)的形式,所测量的物理量不随时间 变化(或变化很缓慢，在观测时间内可忽略其变 化)；
地位与作用：
✓科学研究的手段:诺贝尔物理和化学奖 中有1/4是属于测试方法和仪器创新。
✓促进生产的主流环节 ✓国民经济的“倍增器” ✓军事上的战斗力 ✓现代生活的好帮手 ✓信息产业的源头
1.1.2 自动检测系统的基本组成
1 传感器（信号的获得）
直接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，通常由敏感元件和传 感元件组成。
敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分， 传感元件是指能将敏感元件的输出转换为电信号 的部分。
传感器输出信号有很多形式：电阻、电感、电容、 电压、电流、频率、脉冲等，形式由传感器的原 理确定。
图1-2 自动检测系统组成框图
2 测量电路（信号调理器）
又称信号调理器或中间转换器。它的作用是将传感器 的输出信号进行放大、转换、传输等，使其适合于显 示、记录、数据处理或控制。例如测量电桥、滤波器、 放大器、电压／频率变换器、电压／电流变换器、交 流/直流变换器等。
i 1
i 1
以最小二乘直线作理论直线的特点是各校准点上 的偏差的平方之和最小。
5 迟滞(hysteresis)
迟滞：对于某一输入量，传感器在正行程时的 输出量明显地、有规律地不同于其在反行程时 在同一输入量下的输出量。
迟滞可用传感器正行程和反行程平均校准特性 之间的最大差值，以满量程输出的百分比来表 示：
目录
1.1 自动检测技术概述 1.2 测量方法 1.3 传感器的一般特性 1.4 测量误差与数据处理
1.2 测量方法
按测量手续分类：直接测量、间接测量、联立测 量；
按测量方式分类：偏差式测量、零位式测量、微 差式测量；
按敏感元件是否与被测介质接触分类：接触式测 量、非接触式测量；
按被测量变化快慢分类：静态测量、动态测量；
按传感器的功能特点分：单功能传感器、多功能 传感器、智能传感器。
按传感器输出信号分：模拟传感器、数字传感器
按传感器的能源供给方式分：有源传感器、无源 传感器。
按被测量所属范畴分：物理量传感器、化学量传 感器、生物量传感器。
按转换原理分：电阻应变式传感器、电感式传感 器、电容式传感器、热电式传感器等。
联立测量：被测物理量必须经过求解联立方程组 才能得到最后结果。
缺点：操作手续很复杂，花费时间长，是一种特 殊的测量方法，一般只适用于科学实验。
1.2.2 偏差式测量、零位测量、微差式测量
偏差式测量法：测量过程中用测量仪表指针的 位移(即偏差)决定被测量。应用这种方法进行 测量时，标准量具不装在仪表内，而是事先用 标准量具对仪表刻度进行校准。
H
2
ymax ymax ymin
100
图1-8为传感器某种迟滞特性的示意图。
6 重复性（repeatability）
在相同的工作条件下，在一段短的时间间隔内， 输入量向同一方向作满量程变化时，同一输入 量值所对应的连续先后多次测量所得的一组输 出量值，它们之间相互偏离的程度便反映传感 器的重复性。图1-9表示了重复性的概念，图 中只显示出了两个测量循环。
3 计算机（数据处理装置）
现代检测系统大多含有微型计算机，构成智能检测系 统，用于完成数字滤波、误差补偿、线性化、自诊断 等各种数据处理功能，提高检测系统的性能。
4 输出环节
输出环节包含显示装置、打印记录装置、数据通信接 口等。
1.1.3 传感器的分类、命名与图形符号
按传感器的结构特点分：结构型传感器、物性型 传感器、复合型传感器。
测量范围有单向(只有正向或负向)、双向对称、 双向不对称、无零值等多种情况。
2 灵敏度(sensitivity)
灵敏度：表示传感器输出量的增量与相应的输入 量增量之比。在静态输出输入特性曲线上各点的 斜率，可用下式表示：
S
lim
x0
y x
dy dx
非线性传感器各处的灵敏度是不相同的。对于线 性传感器，灵敏度则为：