第一章 檢測技術(shù)的基本概念

自動檢測技術(shù)課程授課教案PAGEPAGE1第一章檢測技術(shù)的基本概念課題：檢測技術(shù)的基本概念課時安排：3課次編號：1~2教材分析難點測量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理重點傳感器的特性教學(xué)目的和要求1.了解測量方法的分類；2.掌握測量誤差和數(shù)據(jù)處理；3.穩(wěn)定性及其糾正采用教學(xué)方法和實施步驟：講授、課堂討論、分析教具：數(shù)字儀表、彈簧管壓力傳感器各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容測量方法分類可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量、直接測量和間接測量、模擬式測量和數(shù)字式測量、接觸式測量和非接觸式測量、在線測量和離線測量。根據(jù)測量的具體手段來分，又可分為偏位式測量、零位式測量和微差式測量測量誤差及數(shù)據(jù)處理介紹：真值Ａ0、絕對誤差：Δ=Ax–Ａ0（1-1）（1）示值（標(biāo)稱）相對誤差x（1-2）（2）引用誤差m（1-3）式（1-4）中，當(dāng)取儀表的最大絕對誤差值m時，引用誤差常被用來確定儀表的準(zhǔn)確度（DegreeofAccuracy）等級S，即（1-4）我國的模擬儀表有下列七種等級，準(zhǔn)確度等級的數(shù)值越小，儀表的就越昂貴。表1-1儀表的準(zhǔn)確度等級和基本誤差準(zhǔn)確度等級0.10.20.51.01.52.55.0基本誤差±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%儀表的準(zhǔn)確度與“精度”：本教材只采用“準(zhǔn)確度”的提法，不用“精度”。舉例，在正常情況下，用0.5級、量程為100℃溫度表來測量溫度時，可能產(chǎn)生的最大絕對誤差為：Δm＝（±0.5%）×Am＝±(0.5%×100)℃＝±0.5℃例1-1某壓力表準(zhǔn)確度為2.5級，量程為0～1.5MPa，求：1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對誤差m。2）可能出現(xiàn)的最大絕對誤差m為多少kPa？3）測量結(jié)果顯示為0.70MPa時，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差x。解1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對誤差可以從準(zhǔn)確度等級直接得到，即m＝±25%。3）2）m＝mAm＝±25％１.5MPa＝±0.0375MPa＝±37.5kPa由上例可知，x的絕對值總是大于（在滿度時等于）m例1-2現(xiàn)有準(zhǔn)確度為0.5級的0～300℃的和準(zhǔn)確度為1.0級的0～100℃的兩個溫度計，要測量80℃的溫度，試問采用哪一個溫度計好？解計算用0.5級表以及1.0級表測量時，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差分別為±1.88%和±1.25%。計算結(jié)果表明，用1.0級表比用0.5級表的示值相對誤差的絕對值反而小，所以更合適。由上例得到的結(jié)論：在選用儀表時應(yīng)兼顧準(zhǔn)確度等級和量程，通常希望示值落在儀表滿度值的2/3以上。（二）測量誤差的分類（1）粗大誤差：明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應(yīng)予以剔除。（2）系統(tǒng)誤差：凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件使系統(tǒng)誤差盡量減小。（3）隨機誤差：在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差。隨機誤差反映了測量值離散性的大小。引起隨機誤差的因素稱為隨機效應(yīng)。隨機誤差是測量過程中許多獨立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果。存在有隨機誤差的測量結(jié)果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機的，多數(shù)隨機誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。就誤差的整體而言，服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。因此可以通過增加測量次數(shù)，利用概率論的一些理論和統(tǒng)計學(xué)的一些方法，可以掌握看似毫無規(guī)律的隨機誤差的分布特性，并進(jìn)行測量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。（課堂上，以下面的例題代替繁雜的計算）。補充例題：用核輻射式測厚儀對鋼板的厚度進(jìn)行6次等精度測量，所得數(shù)據(jù)如下表（單位為mm），請指出哪幾個數(shù)值為粗大誤差？在剔除粗大誤差后，用算術(shù)平均值公式求出鋼板厚度。＝表1鋼板測量結(jié)果的數(shù)據(jù)列表nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98三、靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差1．靜態(tài)誤差（Staticerror）在被測量不隨時間變化時所產(chǎn)生的誤差稱為靜態(tài)誤差。我們前面討論的誤差多屬于靜態(tài)誤差。2．動態(tài)誤差（Dynamicerror）當(dāng)被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態(tài)誤差。例如，被測水溫突然上升到100℃，玻璃水銀溫度計的水銀柱不可能立即上升到100℃。如果此時就記錄讀數(shù)，必然產(chǎn)生誤差。引起動態(tài)誤差的原因很多。例如，用筆式記錄儀記錄心電圖時，由于記錄筆有一定的慣性，所以記錄的結(jié)果在時間上滯后于心電的變化，有可能記錄不到特別尖銳的窄脈沖。又如，用放大器放大含有大量高次諧波的周期信號（例如很窄的矩形波）時，由于放大器的頻響及電壓上升率不夠，故造成高頻段的放大倍數(shù)小于低頻段，最后在示波器上看到的波形失真很大，產(chǎn)生誤差。從圖1-5可以看出，用不同品質(zhì)的心電圖儀測量同一個人的心電圖時，由于其中一臺放大器的帶寬不夠，動態(tài)誤差較大，描繪出的窄脈沖幅度偏小。圖1-5用不同品質(zhì)的心電圖儀測量同一個人的心電圖時的曲線a）動態(tài)誤差較小的心電圖儀測量結(jié)果b）動態(tài)誤差較大的心電圖儀測量結(jié)果第三節(jié)傳感器及基本特性一、傳感器定義及組成傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，有時也可以稱為換能器、檢測器、探頭等。常用傳感器的輸出信號多為易于處理的電量，如電壓、電流、頻率等。傳感器由敏感元件，傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成。圖1-6傳感器組成框圖圖1-7電位器式壓力傳感器示意圖a）原理示意圖b）外形圖1－彈簧管（敏感元件）2－電位器（傳感元件、測量轉(zhuǎn)換電路）3－電刷4－傳動機構(gòu)（齒輪-齒條）二、傳感器分類傳感器的種類名目繁多，分類不盡相同。常用的分類方法有：（１）按被測量分類可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。（2）按測量原理分類可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。（3）按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類可分為輸出為開關(guān)量（“1”和“0”或“開”和“關(guān)”）的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬量的模擬型傳感器，輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。本教材采用第二種分類法。例如，第二章為電阻式傳感器，分別論述了各種不同的電阻傳感器利用電阻變化的原理來測量各自不同的對象。三、傳感器基本特性演示彈簧管壓力傳感器，說明傳感器的原理框圖。（一）靈敏度（1-6）式中Δx——輸入量的變化值；Δy——輸出量的變化值。結(jié)論：對線性傳感器而言，靈敏度為一常數(shù)；對非線性傳感器而言，靈敏度隨輸入量的變化而變化。怎樣從輸出曲線看靈敏度：曲線越陡，靈敏度越高?？梢酝ㄟ^作該曲線的切線的方法（作圖法）來求得曲線上任一點的靈敏度，用作圖法求取傳感器的靈敏度如圖1-9所示。由切線的斜率可以看出，x2點的靈敏度比x1點高。圖1-9用作圖法求取傳感器的靈敏度2.分辨力分辨力是指傳感器能檢出被測信號的最小變化量，是有量綱的數(shù)。當(dāng)被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，一般可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般情況下，不能把儀表的分辨力當(dāng)作儀表的最大絕對誤差。例：作業(yè)中的圖1-17所示數(shù)字式溫度計的分辨力為0.1℃，若該儀表的準(zhǔn)確度為1.0級，則最大絕對誤差將達(dá)到±2.0℃，比分辨力大得多。儀表或傳感器中，還經(jīng)常用到“分辨率”的概念。將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。3．線性度線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。如圖1-10所示，它可用下式表示，且多取其正值（1-7）式中ΔLmax——最大非線性誤差；ymax－ymin——輸出范圍。圖1-10傳感器的端基線性度示意圖1-擬合直線y=Kx+b2-實際特性曲線4．穩(wěn)定性穩(wěn)定性包含穩(wěn)定度和環(huán)境影響量兩個方面。穩(wěn)定度是指儀表在所有條件都恒定不變的情況下，在規(guī)定的時間內(nèi)能維持其示值不變的能力。穩(wěn)定度一般以儀表的示值變化量和時間的長短之比來表示。例如，某儀表輸出電壓值在8h內(nèi)的最大變化量為1.3mV，則表示為1.3mV/8h。環(huán)境影響量僅指由外界環(huán)境變化而引起的示值變化量。示值的變化由兩個因素構(gòu)成。一是零漂，二是靈敏度漂移。零漂是指原先已調(diào)零的儀表在受外界環(huán)境影響后，輸出不再等于零，而有一定的漂移。造成環(huán)境影響量的因素有溫度、濕度、氣壓、電源電壓、電源頻率等。在這些因素中，溫度變化對儀表的影響最難克服，必須予以特別的重視。具體的克服辦法見第十二章第一節(jié)。表示環(huán)境量時，必須同時寫出示值偏差及造成這一偏差的影響因素。例如，0.1μA/U±5%表示電源電壓變化±5%時，將引起示值變化0.1μA。又如，0.2mV/℃表示環(huán)境溫度每變化1℃將引起示值變化0.2mV。5．電磁兼容性（Electromagneticcompatibility，縮寫為EMC）所謂電磁兼容是指電子設(shè)備在規(guī)定的電磁干擾環(huán)境中能按照原設(shè)計要求而正常工作的能力，而且也不向處于同一環(huán)境中的其它設(shè)備釋放超過允許范圍的電磁干擾。6．可靠性可靠性是反映檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)是否耐用的一種綜合性的質(zhì)量指標(biāo)。常用的可靠性指標(biāo)有以下幾種：（1）故障平均間隔時間（MTBF）它是指兩次故障間隔的時間；（2）平均修復(fù)時間（MTTR）它是指排除故障所花費的時間；（3）故障率或失效率（λ）它可用圖1-12的故障率變化曲線來說明。故障率的變化大體上可分成三個階段：（1）初期失效期這期間開始階段故障率很高，失效的可能性很大，但隨著使用時間的增加而迅速降低。故障原因主要是設(shè)計或制造上有缺陷，所以應(yīng)盡量在使用前期予以暴露，并消除之。有時為了加速渡過這一危險期，在檢測系統(tǒng)通電的情況下，將之放置于高溫環(huán)境→低溫環(huán)境→高溫環(huán)境……反復(fù)循環(huán)，這稱為“老化”試驗。老化之后的系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時，故障率大為降低。（2）偶然失效期這期間的故障率較低，是構(gòu)成檢測系統(tǒng)使用壽命的主要部分。（3）衰老失效期這期間的故障率隨時間的增加而迅速增大，經(jīng)常損壞和維修。原因是元器件老化，隨時都有可能損壞。因此有的使用部門規(guī)定系統(tǒng)超過使用壽命時，即使還未發(fā)生故障也應(yīng)及時退休，以免造成更大的損失。上述故障率曲線形如一個浴盆，故稱“浴盆曲線”，如圖1-12所示。圖1-12故障率變