第一章 檢測(cè)技術(shù)的基本概念

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程授課教案PAGEPAGE1第一章檢測(cè)技術(shù)的基本概念課題：檢測(cè)技術(shù)的基本概念課時(shí)安排：3課次編號(hào)：1~2教材分析難點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理重點(diǎn)傳感器的特性教學(xué)目的和要求1.了解測(cè)量方法的分類；2.掌握測(cè)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(shí)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(cè)量方法分類可分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量、直接測(cè)量和間接測(cè)量、模擬式測(cè)量和數(shù)字式測(cè)量、接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量、在線測(cè)量和離線測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的具體手段來分，又可分為偏位式測(cè)量、零位式測(cè)量和微差式測(cè)量測(cè)量誤差及數(shù)據(jù)處理介紹：真值Ａ0、絕對(duì)誤差：Δ=Ax–Ａ0（1-1）（1）示值（標(biāo)稱）相對(duì)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(duì)誤差值m時(shí)，引用誤差常被用來確定儀表的準(zhǔn)確度（DegreeofAccuracy）等級(jí)S，即（1-4）我國的模擬儀表有下列七種等級(jí)，準(zhǔn)確度等級(jí)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(jí)和基本誤差準(zhǔn)確度等級(jí)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(jí)、量程為100℃溫度表來測(cè)量溫度時(shí)，可能產(chǎn)生的最大絕對(duì)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(jí)，量程為0～1.5MPa，求：1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差m。2）可能出現(xiàn)的最大絕對(duì)誤差m為多少kPa？3）測(cè)量結(jié)果顯示為0.70MPa時(shí)，可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差x。解1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對(duì)誤差可以從準(zhǔn)確度等級(jí)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(duì)值總是大于（在滿度時(shí)等于）m例1-2現(xiàn)有準(zhǔn)確度為0.5級(jí)的0～300℃的和準(zhǔn)確度為1.0級(jí)的0～100℃的兩個(gè)溫度計(jì)，要測(cè)量80℃的溫度，試問采用哪一個(gè)溫度計(jì)好？解計(jì)算用0.5級(jí)表以及1.0級(jí)表測(cè)量時(shí)，可能出現(xiàn)的最大示值相對(duì)誤差分別為±1.88%和±1.25%。計(jì)算結(jié)果表明，用1.0級(jí)表比用0.5級(jí)表的示值相對(duì)誤差的絕對(duì)值反而小，所以更合適。由上例得到的結(jié)論：在選用儀表時(shí)應(yīng)兼顧準(zhǔn)確度等級(jí)和量程，通常希望示值落在儀表滿度值的2/3以上。（二）測(cè)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(shí)，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(shí)驗(yàn)的方法或引入修正值的方法計(jì)算修正，也可以重新調(diào)整測(cè)量儀表的有關(guān)部件使系統(tǒng)誤差盡量減小。（3）隨機(jī)誤差：在同一條件下，多次測(cè)量同一被測(cè)量，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)量值時(shí)大時(shí)小，誤差的絕對(duì)值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差反映了測(cè)量值離散性的大小。引起隨機(jī)誤差的因素稱為隨機(jī)效應(yīng)。隨機(jī)誤差是測(cè)量過程中許多獨(dú)立的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果。存在有隨機(jī)誤差的測(cè)量結(jié)果中，雖然單個(gè)測(cè)量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，多數(shù)隨機(jī)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(jì)規(guī)律。因此可以通過增加測(cè)量次數(shù)，利用概率論的一些理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)的一些方法，可以掌握看似毫無規(guī)律的隨機(jī)誤差的分布特性，并進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理。（課堂上，以下面的例題代替繁雜的計(jì)算）。補(bǔ)充例題：用核輻射式測(cè)厚儀對(duì)鋼板的厚度進(jìn)行6次等精度測(cè)量，所得數(shù)據(jù)如下表（單位為mm），請(qǐng)指出哪幾個(gè)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(cè)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(dòng)態(tài)誤差1．靜態(tài)誤差（Staticerror）在被測(cè)量不隨時(shí)間變化時(shí)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(dòng)態(tài)誤差（Dynamicerror）當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，系統(tǒng)的輸出量在時(shí)間上不能與被測(cè)量的變化精確吻合，這種誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差。例如，被測(cè)水溫突然上升到100℃，玻璃水銀溫度計(jì)的水銀柱不可能立即上升到100℃。如果此時(shí)就記錄讀數(shù)，必然產(chǎn)生誤差。引起動(dòng)態(tài)誤差的原因很多。例如，用筆式記錄儀記錄心電圖時(shí)，由于記錄筆有一定的慣性，所以記錄的結(jié)果在時(shí)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(hào)（例如很窄的矩形波）時(shí)，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(cè)量同一個(gè)人的心電圖時(shí)，由于其中一臺(tái)放大器的帶寬不夠，動(dòng)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(cè)量同一個(gè)人的心電圖時(shí)的曲線a）動(dòng)態(tài)誤差較小的心電圖儀測(cè)量結(jié)果b）動(dòng)態(tài)誤差較大的心電圖儀測(cè)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(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，有時(shí)也可以稱為換能器、檢測(cè)器、探頭等。常用傳感器的輸出信號(hào)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(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路）3－電刷4－傳動(dòng)機(jī)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(cè)量分類可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。（2）按測(cè)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(hào)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(cè)量各自不同的對(duì)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(duì)線性傳感器而言，靈敏度為一常數(shù)；對(duì)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(diǎn)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(diǎn)的靈敏度比x1點(diǎn)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(cè)信號(hào)的最小變化量，是有量綱的數(shù)。當(dāng)被測(cè)量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。對(duì)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(duì)誤差。例：作業(yè)中的圖1-17所示數(shù)字式溫度計(jì)的分辨力為0.1℃，若該儀表的準(zhǔn)確度為1.0級(jí)，則最大絕對(duì)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(shí)際特性曲線與擬合直線（有時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)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(duì)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(shí)，必須同時(shí)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(shí)，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(jì)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(cè)系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)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(shí)間（MTBF）它是指兩次故障間隔的時(shí)間；（2）平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）它是指排除故障所花費(fèi)的時(shí)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(gè)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(shí)間的增加而迅速降低。故障原因主要是設(shè)計(jì)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(shí)為了加速渡過這一危險(xiǎn)期，在檢測(cè)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(yàn)。老化之后的系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時(shí)，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(cè)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(shí)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(shí)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(shí)，即使還未發(fā)生故障也應(yīng)及時(shí)退休，以免造成更大的損失。上述故障率曲線形如一個(gè)浴盆，故稱“浴盆曲線”，如圖1-12所示。圖1-12故障率變