自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)課件(第三章)

第三章檢測技術(shù)及方法分析檢測（Detection）定義：利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法，賦予定性或定量結(jié)果的過程稱為檢測技術(shù)。

檢測技術(shù)的作用美國國家導(dǎo)彈防御計劃---NMD檢測技術(shù)在國防領(lǐng)域的應(yīng)用：先行官1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng):探測和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；攔截器：能識別真假彈頭，敵友方檢測技術(shù)的作用檢測技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用：舉足輕重火箭測控---檢測火箭狀況、姿態(tài)、軌跡飛行器測控---檢測飛行器姿態(tài)、發(fā)電機工況，控制與操縱檢測技術(shù)的作用“阿波羅10”：火箭部分---2077個傳感器飛船部分---1218個傳感器檢測參數(shù)---加速度、溫度、壓力、振動、流量、應(yīng)變、聲學(xué)神州飛船：185臺（套）儀器裝置檢測技術(shù)的作用檢測技術(shù)的作用檢測技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用：與日俱增

檢測技術(shù)的作用檢測技術(shù)的作用智能電子警察監(jiān)測系統(tǒng)號檢測技術(shù)的作用檢測技術(shù)的作用自動收費系統(tǒng)檢測控制對象傳感器執(zhí)行器系統(tǒng)界面儀表與控制裝置人機界面操作人員其他系統(tǒng)的儀器裝置檢測及控制裝置與外界環(huán)境之間的三種界面關(guān)系獲取檢測對象的狀態(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。傳感器的分類1、根據(jù)檢測對象分類：溫度、壓力、位移等2、從傳感原理或反應(yīng)效應(yīng)：光電、壓電、熱阻等3、根據(jù)傳感器的材料：導(dǎo)電體、半導(dǎo)體、有機、無機等4、按應(yīng)用領(lǐng)域分類：化工、紡織、造紙、電力、環(huán)保等5、按反應(yīng)形式或能量供給方式分：能動型、被動型、能量變換型、能量控制型等6、按輸出信號形式分：模擬量、數(shù)字量3.1檢測方法及其基本概念3.1.1開環(huán)型檢測與閉環(huán)型檢測放大器變換器反變換器被檢測量x+-輸出y反饋型閉環(huán)檢測系統(tǒng)對象傳感器信息處理器輸出y

開環(huán)型檢測系統(tǒng)3.1.2直接檢測與間接檢測直接檢測：與同類基準(zhǔn)進行簡單的比較，就能得到測量值的檢測方法稱為直接檢測間接檢測：測量與被檢測量有一定關(guān)系的2個或2個以上的物理量，然后再推算出被檢測量。3.1.3絕對檢測與比較檢測絕對檢測：由基本物理量測量而決定被測量的方法。比較檢測：與同種類量值進行比較而決定測量值的方法。偏差法：是指在測量過程中,用儀器表指針的位移(即偏差)來表示被測量的測量方法。彈簧秤開環(huán)結(jié)構(gòu)）零位法：采取與同種類的已知量取平衡的方法進行測量。（反饋型閉環(huán)結(jié)構(gòu)）(例如天平）3.1.4偏差法與零位法3.1.5強度變量檢測與容量變量檢測

強度變量：被檢測物理量中，與體積、質(zhì)量無關(guān)。容積變量：被檢測物理量中，與體積、質(zhì)量成比例關(guān)系。強度變量與容積變量一般都是成對出現(xiàn)。例如熱電偶測溫3.1.6微差法微差法測量被檢測量與已知量的差值例如游標(biāo)卡尺測量3.1.7替換法由于系統(tǒng)誤差的存在，當(dāng)把被測量物體與標(biāo)準(zhǔn)比較物體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系統(tǒng)誤差。（改變天平砝碼）3.18能量變換與能量控制型傳感器能量供給方式考慮能量變換：輸入信號的能量的一部分轉(zhuǎn)換成輸出信號。（太陽能電池作為光傳感器、熱電偶作為溫度傳感器），不需要外加能源。將非電能量轉(zhuǎn)化為電能量,只轉(zhuǎn)化能量本身,并不轉(zhuǎn)化能量信號的傳感器稱為有源傳感器，也稱為能量轉(zhuǎn)換性傳感器或換能器.一般配有電壓測量電路和放大器。能量控制型：光敏電阻、熱敏電阻分別在光照、熱輻射條件下，電阻值發(fā)生變化，傳感器的輸出信號能量不是來自光源或熱源，而是檢測阻值變化的電路電源提供。可以看做是被檢測量（光強、熱量）控制了從電源轉(zhuǎn)向輸出信號的能量的流動。

無源傳感器，不需要電池或電源供電的傳感器，內(nèi)置微型能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將機械能、光能等自然界能量轉(zhuǎn)換為微弱的電量存儲起來，由于工作時消耗的電量極小，因此微弱的電量可以使其長時間工作。

無源傳感器廣泛用于綠色節(jié)能建筑，由于免去了線纜布設(shè)、電池安裝的開銷，因此非常節(jié)能環(huán)保，長期使用還可以節(jié)省大量維護成本

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如何直觀的分辨出他是有源的還是無源的？最直接的辦法是看看有沒有電源線，是無源的話，傳感器的引線很少。只有兩根。如果是有源的話，傳感器至少有四根引線（最直觀的分辨方法）。能量變換型檢測是被動型檢測能量控制型是能動型檢測3.1.9主動探索與信息反饋型檢測被檢測對象信息處理檢測結(jié)果單傳感器或多傳感器信息反饋圖：各種主動探索與信息反饋檢測的形態(tài)3.2檢測系統(tǒng)模型與機構(gòu)分析

3.2.1檢測系統(tǒng)的基本功能信號轉(zhuǎn)換與信號選擇；基準(zhǔn)保持與比較；顯示與操作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)獨立的輸入變量為從屬的輸出變量為內(nèi)部變量為系統(tǒng)狀態(tài)方程為：兩個方面問題：①標(biāo)定是改變輸入量u，記錄輸出量y的過程；②檢測則是在標(biāo)定的基礎(chǔ)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）時則代表了的檢測方程特性。若上式的轉(zhuǎn)換關(guān)系是u1到y(tǒng)1單變量模型時時，這個函數(shù)必須是一一對應(yīng)的，必須固定u1以外的變量，或使其他變量不影響y1。在變換特性不能用簡單的公式描述時，則要求輸入與輸出之間的關(guān)系是確定的，這是檢測系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換的基本條件。（2）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，要防止變形影響。當(dāng)用作應(yīng)變測量時，選擇其形狀變化的特性，要設(shè)計抵消溫度影響的檢測結(jié)構(gòu)。3.2.3檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析傳感器x1x2xn輸入量輸出量y多輸入單輸出系統(tǒng)3.2.3.1補償結(jié)構(gòu)干擾量u2+△u2傳感器AfA傳感器BfB被檢測量u1+△u1u1○+-輸出y基本補償結(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：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。輸出y上式按泰勒級數(shù)展開到的二次項，可得到在的變化范圍內(nèi)，補償傳感器B的輸出特性滿足即兩傳感器在干擾變化范圍內(nèi)特性相同，那么兩傳感器對u2的一次偏微分，二次偏微分也分別相同，則y可簡化為上式中△u2的一次和二次項被抵消了，實現(xiàn)了對u2的補償，但還有△u1.△u2項，補償是不完全的。如果f(u1,u2)是u1,u2單函數(shù)的線性組合，即f(u1,u2)=af1(u1)+bf2(u2)可以實現(xiàn)對u2的完全補償如果f(u1,u2)是u1,u2單函數(shù)的乘積，取兩傳感器的比值作為補償結(jié)果y,則有3.2.3.2差分結(jié)構(gòu)干擾量u2+△u2傳感器AfA傳感器BfB被檢測量u1+△u1U1-△u1○+-輸出yy1y2差動結(jié)構(gòu)示意圖差動結(jié)構(gòu)的兩傳感要素采用空間對稱結(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。由于f1，f2的對稱作用可以得到與補償結(jié)果比較，的二次項也抵消了，即差動結(jié)構(gòu)起到了線性化的作用，也提高了的靈敏度。差分結(jié)構(gòu)的有利之處是采取了對稱結(jié)構(gòu)，容易實現(xiàn)高精度選擇的檢測結(jié)構(gòu)。在消除共模干擾，降低飄逸，提高靈敏度，改善線性關(guān)系等方面有明顯效果。3.3提高檢測精度的方法靜態(tài)補償動態(tài)補償3.3.1時域信號選擇方法1.基于同步加算的去噪方法信號一般有周期性，而噪聲是隨機變化的，如果進行同步加算，即使埋沒在噪聲中的微弱信號也能夠檢測出來。2.基于響應(yīng)速度的分離方法氣象色譜儀

信號與噪聲的功率譜對比(1)無重合(2)有重合(3)噪聲帶窄f頻率f頻率f頻率功率(4)信號帶窄功率功率功率f頻率信號的功率譜噪聲的功率譜00003.3.2頻域信號選擇方法1.濾波放大與調(diào)頻放大方法信號和噪聲所占的頻率段不同時，利用利用濾波器很容易將兩者分開——濾波放大方法；若信號和噪聲的頻率接近，先將信號頻帶移動到噪聲功率較小的頻率帶，在進行分離噪聲，——信號的調(diào)制解調(diào)。2.陷波放大方法噪聲信號頻帶非常窄時采用陷波放大方法P31窄帶對信號歪曲變形非常小，可以忽略。

3.鎖定放大法

3.4多元化檢測

信號檢測是檢測系統(tǒng)最前端的最前端部分，在復(fù)雜的檢測系統(tǒng)中，往往是檢測信號已包含了所需要的信息，但并不能直接反映所需要的信息。而且在檢測精度高的情況下，作為信號轉(zhuǎn)換的傳感器往往不止一個。使用多個傳感器或不同類型的傳感器群，實現(xiàn)高度智能檢測功能，發(fā)展的必然趨勢。半導(dǎo)體材料及計算機技術(shù)的發(fā)展，也促使人們對復(fù)雜問題的智能檢測系統(tǒng)的需求越來越大，并且是多元化檢測成為可能。所謂智能檢測一般包括干擾量的補償處理，輸入輸出特性的線性化改善（特性補償），以及自動校正、自動設(shè)定量程、自診斷、分散處理等，這些智能檢測功能可以通過傳感元件與信號處理元件的功能集成來實現(xiàn)?？偟恼f來，功能集成型智能化的發(fā)展與變遷仍然屬于實現(xiàn)自動、省力功能階段

智能化程度的提高，由功能集成型已漸漸發(fā)展成功能創(chuàng)新型，如復(fù)核檢測、成像、特征提取及識別等，即運用多個傳感器自身的形態(tài)和并行檢測結(jié)構(gòu)進行信號處理以得到新的信息，從而實現(xiàn)高度的智能化檢測。這里所說的多元化檢測代表智能檢測方法。多元復(fù)合檢測:

被檢測量的個數(shù)與檢測方程式的個數(shù)、模式識別、······

多傳感器信息融和:

動態(tài)信息處理、多任務(wù)協(xié)調(diào)、自組織、······多點時空檢測

大氣及地球環(huán)境監(jiān)測、舒適度監(jiān)測、······構(gòu)造化檢測（利用構(gòu)造光照明檢測物體高度）(a)兩平面光交叉(俯視圖)

(c)構(gòu)