檢測技術(shù)及方法分析

3檢測技術(shù)及方法分析自動檢測控制系統(tǒng)與外界環(huán)境之間的信息界面關(guān)系有三種情況：●獲取檢測對象所處狀態(tài)的傳感器以及控制并調(diào)節(jié)對象狀態(tài)的執(zhí)行器；●操作人員與儀器裝置之間的界面；●監(jiān)控儀器與其他系統(tǒng)之間的信息往來。1整理課件傳感器的分類方法：①檢測對象：溫度、壓力、流量、液位等；②傳感原理或反響效應(yīng)：光電、壓電、熱阻等；③傳感器的材料：半導(dǎo)體、無機材料、生物材料等；④應(yīng)用領(lǐng)域：化工、電力、家電、科學(xué)計量等系統(tǒng)；⑤反響形式或能量供給方式：能量變換型和能量控制型；能量變換型〔被動型〕：檢測輸出信號能量來自輸入信號能量〔特點：不需外加電源〕。如：太陽能電池。能量控制型〔能動型〕：外部供給電源。如：熱敏電阻。⑥輸出信號形式：模擬量和數(shù)字量。2整理課件3.1檢測方法及其根本概念3.1.1開環(huán)型檢測與閉環(huán)型檢測閉環(huán)型檢測特點：精度高，系統(tǒng)復(fù)雜。比較：精度？復(fù)雜性？3整理課件3.1.2直接檢測與間接檢測●直接檢測：與同類基準進行簡單的比較，就能得到測量值的檢測方法。比方：用電壓表測電壓?！耖g接檢測：測量與被檢測量有一定關(guān)系的2個或2個以上物理量，然后再推算出被檢測量。比方：測量電流和電阻值求電壓。3.1.3絕對檢測與比較檢測●絕對檢測：由根本物理量測量而決定被測量的方法。例如用水銀壓力計測量壓力時，從水銀柱的高度、密度和重力加速度等根本量測量決定壓力值?！癖容^檢測：與同種類量值進行比較而決定測量值的方法。用彈簧管壓力計測量壓力時，要用壓力校正壓力計的刻度，被測壓力使指針擺動而指示的壓力是通過比較或校正得出的。4整理課件3.1.4偏差法與零位法●偏差法：標準量具不裝在儀表中，而是事先用標準量具對儀表刻度進行校準，用間接方法實現(xiàn)被測量與標準量具的比較。比方：用彈簧秤檢測重量。偏差法一般都是開環(huán)型結(jié)構(gòu)?！窳阄环ǎ翰扇∨c同種類的量取平衡的方法進行測量。零位法是反響型閉環(huán)檢測方法。例如用天平測量質(zhì)量，等比天平的一個托盤上放被測物體，另一個托盤上放砝碼，觀察平衡指針的擺動，判斷并調(diào)整砝碼的輕重，到達平衡時的砝碼質(zhì)量那么等于被測物體的質(zhì)量〔砝碼：標準量具〕。5整理課件3.1.5強度變量檢測與容量變量檢測強度變量：與體積、質(zhì)量無關(guān)的。如壓力、溫度、電壓等。容量變量：與體積、質(zhì)量成比例關(guān)系的。如電阻。

一般在傳感器的輸入輸出端分別存在成對的強度變量與容量變量。6整理課件3.1.7替換法由于系統(tǒng)誤差的存在，當(dāng)把被測物與標準比較物的主次或先后順序置換過來時，可以排除測量過程中因順序所造成的誤差影響。例如改變天平放砝碼托盤的左右位置，兩次測量質(zhì)量取其平均值的方法等。3.1.6微差法測量被檢測量與量的差值。例如，游標卡尺的主尺刻線間距為lmm，游標的零刻線與尺身的零刻線對準，尺身刻線的第9格(9mm)與游標刻線的第10格對齊時，游標的刻線間距為9／10=0．9mm，此時游標卡尺的分度值是0．1mm。當(dāng)游標零刻線以后的第n條刻線與尺身對應(yīng)的刻線匹配對準時，被測尺寸的小數(shù)局部等于n與分度值的乘積。這是利用主尺與游標刻線的微差提高測量精度的方法之一。7整理課件3.2檢測系統(tǒng)模型與結(jié)構(gòu)分析3.2.1檢測系統(tǒng)的根本功能三大局部：信號轉(zhuǎn)換與信號選擇、基準保持與比較和顯示與操作。測量是把被測量與同種類單位量進行比較，因此，檢測儀表中必須具有基準保持部位。3.2.2信號轉(zhuǎn)換模型與信號選擇性〔1〕信號轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型設(shè)檢測系統(tǒng)獨立的輸入變量為u1，u2，…，ur，附屬的輸出變量為y1，y2，…，ym，內(nèi)部變量為x1，x2，…，xn。系統(tǒng)狀態(tài)方程式為：8整理課件標定：改變輸入量u，記錄輸出量y的過程。檢測：在標定的根底上由y求u的解逆問題的過程。設(shè)u1為被檢測量〔輸入信號〕，y1為測量值〔輸出信號〕時如果把上式所示的信號轉(zhuǎn)換關(guān)系看成是u1與y1單變量模型時，這個函數(shù)必須是一對一的，所以要固定u1以外的變量，或者使其他變量不影響y1?！?〕信號選擇性設(shè)計檢測系統(tǒng)時要選擇必要的信號，消除其他變量的影響，以提高檢測精度。以金屬絲的電阻值變化為例，它與金屬種類、純度、形狀、溫度有關(guān)。當(dāng)用作熱電阻測溫時，選擇其隨溫度變化的特性，而要防止變形影響；當(dāng)用作應(yīng)變測量時，那么選擇其形狀變化的特性，而要設(shè)計抵消溫度影響的檢測結(jié)構(gòu)。9整理課件3.2.3檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析一般傳感器可視為多輸入單輸出系統(tǒng)。10整理課件1.補償結(jié)構(gòu)

設(shè)被檢測量為u1，干擾量為u2，傳感器A為測量用傳感器，同時受u1、u2的作用，并在u1、u2有微小變化時，輸出信號分別為：

yA＝fA(u1，u2)

→yA＝fA(u1＋△u1，u2＋△u2)

傳感器B為補償用傳感器，受干擾量u2及其微小變化的影響，并在設(shè)定的u1時輸出分別為：yB＝fB(u1，u2)

→yB＝fB(u1，u2＋△u2)補償結(jié)構(gòu)是利用傳感器B的輸出結(jié)果，補償傳感器A中的干擾量作用，使檢測系統(tǒng)的輸出結(jié)果不受被檢測參數(shù)以外的干擾參數(shù)的影響，實現(xiàn)信號選擇性。11整理課件補償結(jié)果輸出y為：y＝y(tǒng)A－yB＝fA(u1＋△u1，u2＋△u2)－fB(u1，u2＋△u2)上式按級數(shù)展開，并展開到△u1，△u2的二次項，可得到：在△u2的變化范圍內(nèi)，補償傳感器B的輸出特性假設(shè)滿足：fB(u1，u2)=fA(u1，u2)式(3—6)可簡化成：式(3—8)中還有△u1·△u2項，因此補償不一定是完全的。（3－6）（3－8）12整理課件用上述差值補償結(jié)構(gòu)是不能實現(xiàn)完全補償?shù)?。在這種情況下如果f(u1，u2)是u1，u2單函數(shù)的乘積時，即可以實現(xiàn)對u2的完全補償。因為式(3—9)的二次偏微分為零。如果f(ul，u2)是u1，u2單函數(shù)的線性組合，即取兩傳感器輸出的比值作為補償結(jié)果y，那么有：補償結(jié)果Y中已不包含△u2的影響，實現(xiàn)了完全補償。這種補償方式稱為比率補償。（3－9）(3—10)13整理課件滿足補償精度要求：補償用傳感器的特性在干擾量變化范圍內(nèi)應(yīng)與檢測用傳感器特性相一致。例：應(yīng)變式壓力傳感器的補償結(jié)構(gòu)其中：R1、R3為應(yīng)變片；R2、R4為固定電阻。R1：受拉力(u1+△u)變化R3：受拉力u1＝固定值△u＝0壓力電阻變化溫度電阻變化△u=0：R1=R3=R2=R4△u≠0：R1增加，Uo增加溫度t升高時：R1增加，R3增加，Uo保持不變R3作用：溫度補償14整理課件其中△u1反對稱地作用于兩個傳感器。由于f1和f2的對稱作用，可以保證：2差分結(jié)構(gòu)差分結(jié)構(gòu)可以看做是補償結(jié)構(gòu)的特例。差動結(jié)構(gòu)的兩傳感要素一般采用空間對稱結(jié)構(gòu)形式，使測量參數(shù)反對稱地發(fā)生作用；干擾或影響參數(shù)起對稱作用。兩結(jié)構(gòu)的差值：(3—14)15整理課件將式(3—14)級數(shù)展開到二次項，得到：與補償結(jié)果式子(3—8)相比，△u1的二次項也抵消了，即差動結(jié)構(gòu)起到了線性化的作用，也提高了對△u