緒論一、本課程的研究內(nèi)容及性質(zhì)《自動檢測技術(shù)》是自動控制、工業(yè)

1、緒論一、本課程的研究內(nèi)容及性質(zhì)?自動檢測技術(shù)?是自動控制、工業(yè)自動化等專業(yè)的專業(yè)技術(shù)根底課程。 “檢測包含： 定量的測量 定性的試驗 就被測對象而言，工業(yè)上需要檢測的參量有電量、非電量兩大類。隨著科學(xué)技術(shù)的開展， 對測量的準(zhǔn)確度、速度提出了新的要求 對動態(tài)變化的物理過程進行測量 對物理量進行遠(yuǎn)距離測量電子測量法電測法：將非電量電量進行測量。非電量的電測法是自動檢測技術(shù)的重要組成局部，優(yōu)點如下： 可進行微量測量，精度高，反響速度快。 可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測、遙控。 能連續(xù)進行測量、記錄及顯示。 可利用計算機技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)測量 的微機化和智能化。非電量的電測法涉及兩個根本問題： 怎樣利用傳

2、感器將非電量電量 怎樣對電量進行測量 此外，單片機的出現(xiàn)，引起自動檢測儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。 以單片機為主體，將計算機技術(shù)與自動檢測技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代智能化檢測儀表，在測量過程自動化、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、功能的多樣性方面取得了巨大的進展。本課程主要學(xué)習(xí)： 常用的傳感器工作原理、相應(yīng)測量電路以及應(yīng)用技術(shù) 智能化測量儀表的軟、硬件設(shè)計通過本課程教學(xué)，要求獲取以下方面的知識： 理解自動檢測儀表的根本組成； 傳感器靜態(tài)、動態(tài)性能指標(biāo)； 儀表測量誤差的根本知 識。 掌握各種類型傳感器的工作原理； 相應(yīng)的測量電路以及應(yīng)用技術(shù)。 了解以單片機為核心的智能化測量儀表的軟、硬件設(shè)計。 了解檢測與轉(zhuǎn)換過程

3、中干擾信號的來源、傳播的途徑以及抗干擾的常用措施。二、自動檢測技術(shù)的地位和作用現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱： 信息的采集技術(shù)檢測技術(shù) 信息的傳輸技術(shù)通信技術(shù) 信息的處理技術(shù)計算機技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中，提高產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)代化方法如下： 采用自動檢測系統(tǒng)完成產(chǎn)品的實時測量、性能分析，框圖如下：被控對象傳感器信號變換處理顯示記錄 利用自動控制系統(tǒng)對產(chǎn)品加工過程進行實時控制，框圖如下：三、自動檢測技術(shù)的功能 參數(shù)測量 參數(shù)監(jiān)控 測量分析功能控制器被控對象傳感器信號變換處理顯示記錄四、自動檢測技術(shù)研究的主要內(nèi)容 對與被測量有關(guān)的測量原理、測量方法、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理等4方面進行研究。測量的定義借助于專用的技術(shù)工具或手

4、段，通過實驗的方法，把被測量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，從而得到被測量數(shù)值大小的過程。在測量過程中，需要：選用適宜的傳感器，設(shè)計合理的測量系統(tǒng)，選擇正確的實驗方法和進行必要的數(shù)據(jù)處理。一測量原理 指采用何種原理或依據(jù)何種效應(yīng)測量被測參量。二測量方法指被測量與其單位進行比較的實驗方法。也就是在測量原理確定后，采用何種方法測量被測參量。大致分類如下：1按測量性質(zhì)分類 時域測量法 測量與時間有函數(shù)關(guān)系的量。 頻域測量法 測量與頻率有函數(shù)關(guān)系的量。 數(shù)字域測量法 對數(shù)字邏輯量進行測量。 2按測量過程的特點分類1 直接測量法 選用專用的標(biāo)準(zhǔn)測量儀器，對某一未知參量進行測量，從而直接得到被測量值的測量方法。

5、按照所用儀表和比較過程特點分為： 偏差法直讀式測量 用事先分度好的測量儀表進行測量，根據(jù)被測量引起指示器的偏移值直接讀取被測量的值。優(yōu)點：測量過程簡單、方便，在工程測量方面應(yīng)用廣泛，但精確度較低。 零位測量法 通過調(diào)整一個或幾個與被測量有平衡關(guān)系的量標(biāo)準(zhǔn)量，用平衡法確定被測量的測量方法。優(yōu)點：獲得較高的精度缺點：測量過程比較復(fù)雜 微差測量法零位法和偏差法結(jié)合 將被測量與同它的量值只有微小差異的量相比較，測出這兩個量值間差值以確定被測量的測量方法。特征：測量被測量與量之間的差值。優(yōu)點：用精度較低的測量儀表可得到較高的測量結(jié)果。直接測量法特點：簡單、方便、響應(yīng)迅速，是電氣測試中最常用的方法。2間接

6、測量法 對一個與被測量有密切函數(shù)關(guān)系的物理量進行直接測量，然后通過代表該函數(shù)關(guān)系的公式、曲線或表格，求出被測量值的方法。間接測量一般是在無法進行直接測量時采用。間接測量法特點：測量比較復(fù)雜，費時，多在實驗室中使用，在工程測量中很少用。3組合測量法 在某些測量中，被測量與多個未知量有關(guān)系，測量一次無法得出完整結(jié)果，那么可改變測量條件進行屢次測量，然后按照被測量與未知量之間的函數(shù)關(guān)系，組成聯(lián)立方程求解得出被測量。組合測量法特點：操作復(fù)雜，費時，一般適合于科學(xué)實驗或特殊場合。例說明：在選擇測量方案時，最好選用直接測量法，少用間接測量法，在不得已時選擇測量數(shù)目少的組合函數(shù)。例3、按測量儀表特點分類1接

7、觸測量法傳感器直接與被測對象接觸，承受被測參數(shù)作用， 感受其變化，從而獲得信號并測量其大小的方法。2非接觸測量法傳感器不與被測對象接觸，間接承受被測參數(shù)作用，感受其變化，從而獲得信號并測量其大小的方法。針對運動對象、腐蝕性介質(zhì)以及危險場合的參數(shù)檢測。4、按測量對象特點分類1靜態(tài)測量法被測對象處于穩(wěn)定情況下的測量，此時被測參數(shù)不隨時間而變化。2動態(tài)測量法在被測對象處于不穩(wěn)定的情況下進行測量，被測參數(shù)隨時間變化，測量必須在很快時間內(nèi)完成。如果被測參數(shù)隨時間變化緩慢，測量所需時間相對較短，可近似為靜態(tài)測量。5、按被測參數(shù)分布分類1點參數(shù)測量法對被測對象某個局部點的參數(shù)進行測量。2場參數(shù)測量法測量被測

8、對象某個參數(shù)的平面分布或空間分布。三測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)：用于測量的系統(tǒng)，一般由假設(shè)干個功能元件組成。根據(jù)系統(tǒng)中處理信號類型的不同可分為：模擬式測量系統(tǒng)、數(shù)字式測量系統(tǒng)和微機測量系統(tǒng)。1 模擬式測量系統(tǒng)傳感器信號調(diào)理電路輸出裝置被測量 傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換成與其有一定函數(shù)關(guān)系的另一物理量。 信號調(diào)理電路傳感器測量電路對傳感器輸出信號進行變換和處理為便于傳輸、顯示和記錄的信號。 輸出裝置顯示記錄裝置顯示、記錄被測量大小，常用各種表盤、示波器以及筆式記錄儀。2數(shù)字式測量系統(tǒng)傳感器測量電路數(shù)字顯示非電量A/D3 微機測量系統(tǒng)多參數(shù) 輸入接口 將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 計算機 按設(shè)定的程序自動進行信號的

9、采集、存儲、數(shù)據(jù)的分析與處理。被測量（非電量）傳感器1測量電路1輸入接口計算機輸出接口傳感器n測量電路n模擬量數(shù)字量開關(guān)量 輸出接口 將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為外設(shè)所需的信號。在設(shè)計自動檢測系統(tǒng)時，應(yīng)考慮以下要求： 性能穩(wěn)定 測量精度符合要求 有足夠的動態(tài)響應(yīng) 具有實時和事后數(shù)據(jù)處理能力 具有開放性和兼容性(四測量誤差的根本知識1誤差的定義 對某物理量進行測量，所測得的數(shù)值Xi與真值Xo之間的差，即： Xi=Xi-Xo 誤差的大小反映了測得值對于真值的偏離程度，具有大小，符號和單位。例誤差特點： 任何測量總有誤差存在。測量儀表及標(biāo)準(zhǔn)量本身精度有限；實驗手段不完善；有些測量原理在理論上就是近似的；

10、被測量隨時間變化；外界噪聲干擾等等。 屢次重復(fù)測量某物理量時，各次測量值并不完全相等。 誤差是未知的。測量的目的僅在于根據(jù)實際需要求得被測量真實值的逼近值。測量值無論表現(xiàn)形式如何，均應(yīng)包含：數(shù)值、單位和誤差。為了能正確表達測量的精確度，給出Xo :真值：被測量本身具有的真實大小或用數(shù)學(xué)、物理公式計算出的給定值。約定真值：非常接近真值，與真值的差可忽略不計。2、誤差分類1按測量誤差的表示方法分類 絕對誤差 測量結(jié)果X與被測量的真值Xo之差 ，即 ： X=X-Xo 適用于標(biāo)準(zhǔn)器具的校準(zhǔn)。 相對誤差 絕對誤差與真值之比，即： xo%= (X/Xo )100% xm% = 100% 可以確切說明測量質(zhì)

11、量。例 引用誤差 絕對誤差與測量儀表滿量程之比，精度等級由此劃分。 實際測量值確定工業(yè)過程檢測儀表常以最大引用誤差作為判斷精度等級的尺度，規(guī)定：取最大引用誤差百分?jǐn)?shù)的分子作為檢測儀表精度等級的標(biāo)志，用符號G表示。儀表的精度等級反映了儀表的測量精度。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測量指示儀表的精度等級分為：0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 七個等級檢測儀表的精度等級由生產(chǎn)廠商根據(jù)其最大引用誤差的大小并以選大不選小的原那么就近套用上述精度等級得到。例，例在測量時要合理選擇測量儀表的精度和量程。例2按誤差性質(zhì)分類 系統(tǒng)誤差在相同的條件下，屢次測量同一量時，按某種規(guī)律變化而產(chǎn)生的誤差?？梢苑譃椋?

12、恒定誤差恒定系差 在一定條件下，誤差的數(shù)值、符號都保持不變的系統(tǒng)誤差。 變值誤差未定系差 在一定條件下，誤差按某一確切規(guī)律變化的系統(tǒng)誤差?？煞譃椋篴 累進性誤差 在整個測量過程中誤差數(shù)值在逐漸增加或逐漸減少。 b 周期性誤差 在測量過程中系統(tǒng)誤差的數(shù)值呈周期性變化。c 按復(fù)雜規(guī)律變化的誤差 變化規(guī)律十分復(fù)雜的系統(tǒng)誤差，一般用曲線、表格或經(jīng)驗公式表示。 系統(tǒng)誤差說明了一個測量結(jié)果偏離真值或?qū)嶋H值的程度。 系統(tǒng)誤差越小，測量就越準(zhǔn)確。系統(tǒng)誤差的特征：誤差出現(xiàn)的規(guī)率和產(chǎn)生原因的可知性。在測量結(jié)果處理中可以分析各種系統(tǒng)誤差的成因，設(shè)法消除其影響和估計出未能消除的系統(tǒng)誤差值。 隨機誤差在相同條件下進行屢

13、次測量，每次測量結(jié)果出現(xiàn)無規(guī)那么的隨機性變化的誤差。 在一定條件下服從統(tǒng)計規(guī)律，可以從理論上估計其對測量結(jié)果的影響。隨機誤差表現(xiàn)了測量結(jié)果的分散性。 粗大誤差 在一定條件下，測量結(jié)果明顯偏離真值時所對應(yīng)的誤差，結(jié)果不可取。說明： 粗大誤差并非單獨的類別，本身既可能具有系統(tǒng)誤差的性質(zhì)，也可能具有具有隨機誤差的性質(zhì)。 在實際測量中，三種誤差可能同時存在。 測量中，假設(shè)系統(tǒng)誤差小，稱測量的正確度高。 假設(shè)隨機誤差小，稱測量的精密度高。 假設(shè)二者都很小，稱測量的精確度高。 3按被測量與時間關(guān)系分類靜態(tài)誤差，動態(tài)誤差動態(tài)誤差是由于檢測系統(tǒng)對輸入信號響應(yīng)滯后，或?qū)斎胄盘栔胁煌l率成分產(chǎn)生不同衰減和延遲造

14、成。3檢測儀表誤差的主要來源 原理誤差檢測儀表中某些部件如傳感器在設(shè)計中采用了近似的理論、近似的數(shù)學(xué)模型等造成。減小原理誤差影響的方法： 研究原理誤差的規(guī)律，建立誤差數(shù)學(xué)模型，用計算法對誤差進行補償。 運行誤差 檢測儀表在使用過程中由于力變形、溫度變化、干擾與環(huán)境變化等因素引起的誤差。減小運行誤差影響的方法： 采用誤差補償措施或抗干擾措施。4誤差理論 運用數(shù)理統(tǒng)計的理論和方法推導(dǎo)隨機誤差的規(guī)律性。應(yīng)用誤差理論主要解決： 判斷一組測量值中是否有系統(tǒng)誤差，以便修正。 判斷一組測量值中是否有粗大誤差，以便舍棄。 處理后的測量數(shù)據(jù)在符合隨機誤差條件下確定誤差范圍和測量結(jié)果最正確估計值。1減小系統(tǒng)誤差的

15、措施 改進測量儀表的制造工藝、選擇質(zhì)量優(yōu)良的元器件 加強各種屏蔽措施，防護外界環(huán)境對儀表的影響 選擇正確的測量方法 可以引入修正值對測量儀表的校準(zhǔn)加以消除。 針對恒定系差利用改變測量條件的屢次測量結(jié)果進行比較以確定其存在與否。消除或減弱的方法：適當(dāng)安排測量方法，對同一量進行2次測量，使恒定系差在2次測量中方向相反，取2次讀數(shù)的算術(shù)平均值。 針對未定系差剩余誤差觀測法：觀測一系列等精度測量剩余誤差的數(shù)值和符號，假設(shè)數(shù)值有規(guī)律遞增或遞減，并在開始和末尾符號變反，那么有線性系差；假設(shè)符號有規(guī)律地正負(fù)交替變化屢次，那么有周期性系差。采用變化規(guī)律消除線性系差。對于周期性變化的系差，讀取相隔半個周期的2次

16、測量值，取其算術(shù)平均值即可消除。2隨機誤差的處理隨機誤差一般比較小，只有在精密測量中，才考慮隨機誤差的處理。國內(nèi)外廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)誤差均方根誤差評定隨機誤差大小。i = xi xx = xi 1n其中：剩余誤差殘差： = i2n1隨機誤差具有以下統(tǒng)計特性： 對稱性 單峰性 互抵性對一系列等精度的n次測量，當(dāng)n時，各次測量的隨機誤差的代數(shù)和為0。 有界性絕對值很大的誤差出現(xiàn)的概率趨于0。0P+- 標(biāo)準(zhǔn)法貝賽爾公式設(shè)n次等精度測量的測得值為x1, x2，., xn，計算測得值的算術(shù)平均值：x = xi 1n計算各測得值的剩余誤差：i = xi x計算標(biāo)準(zhǔn)誤差的估計值： = i2n1 極差法在x1, x

17、2，., xn中的最大值與最小值之差，用Rn表示。Rn=xmaxxmin然后根據(jù)測量次數(shù)n查閱極差系數(shù)表得到極差系數(shù)dn那么標(biāo)準(zhǔn)誤差 = Rn / dn應(yīng)用貝賽爾公式精度高，計算復(fù)雜；極差法計算方便迅速，當(dāng)測量次數(shù)不太多時n10，其計算精度與貝賽爾公式相當(dāng)。算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差設(shè)有m組測量數(shù)據(jù)，每組有n次等精度測量，m組的算術(shù)平均值分別為x1, x2，., xm，其標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為1, 2，., m可得算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為：例： 3測量數(shù)據(jù)中的幾個問題 測量系統(tǒng)中測量誤差的合成一個測量系統(tǒng)由假設(shè)干局部組成,各環(huán)節(jié)變量分別為X1, X2,., Xn, 那么系統(tǒng)總的輸入輸出關(guān)系為: y= f(X1

18、, X2,., Xn) ,假設(shè)各局部都存在測量誤差。誤差的合成：各局部誤差對整個測量系統(tǒng)誤差的影響。 = i2n(n1)n =xa 系統(tǒng)誤差的合成 系統(tǒng)總的輸入輸出關(guān)系為: y= f(x1, x2 , . , xn) 假設(shè)x1, x2 , . , xn之間彼此獨立無關(guān)， 各環(huán)節(jié)變量定值系統(tǒng)誤差分別為x1, x2,., xn,那么： y+ y=f(x1+x1, x2+x2 , , xn+xn)其合成表達式為： y = f x1 x1 f x2 x2 f xn xn+ . +合成后總的系統(tǒng)誤差為：y = f xi xii=1n例(2)隨機誤差的合成設(shè)各局部均方根誤差標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為1, 2,., n,隨機誤差的合成表達式方差合成關(guān)系為：y =+ . + f x1 212 f x2 222 f xn 2n2假設(shè)y= f(X1, X2 , . , Xn) 為線性函數(shù)，即： y= a1x1+ a2x2 +.+ anxn 那么：y =a12 21+ a22 22 +.+ an2 2n(3)總合成誤差 設(shè)測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和隨機誤差均為相互獨立，那么總的合成誤差 表示為： = y y5. 用經(jīng)驗公式擬合實驗數(shù)據(jù) 回歸分析利用數(shù)理統(tǒng)計的方法，對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而得出反映變量間相互關(guān)系的