自動檢測技術及應用1檢測教案-第一章

自動檢測技術課程授課教案PAGEPAGE3第一章檢測技術的基本概念課題：檢測技術的基本概念課時安排：3課次編號：1~2教材分析難點：測量結果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理重點：傳感器的特性教學目的和要求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環(huán)節(jié)和內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（標稱）相對誤差x（1-3）（2）引用誤差m（1-4）式（1-4）中，當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確度（DegreeofAccuracy）等級S，即（1-5）我國的模擬儀表有下列七種等級，準確度等級的數(shù)值越小，儀表的就越昂貴。表1-1儀表的準確度等級和基本誤差準確度等級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%儀表的準確度與“精度”舉例，在正常情況下，用0.5級、量程為100℃Δm＝（±0.5%）×Am＝±（0.5%×100）℃＝±0例1-1某壓力表準確度為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)有準確度為0.5級的0～300℃的和準確度為1.0級的0～100℃的兩個溫度計，要測量80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。由上例得到的結論：在選用儀表時應兼顧準確度等級和量程，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。當發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應予以剔除。（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，也可以重新調整測量儀表的有關部件使系統(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、負以不可預見的方式變化，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。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果。存在有隨機誤差的測量結果中，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，并進行測量結果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。（課堂上，以下面的例題代替繁雜的計算）。例．用核輻射式測厚儀對鋼板的厚度進行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，用算術平均值公式求出鋼板厚度。＝表1鋼板測量結果的數(shù)據(jù)列表nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.98（三）測量系統(tǒng)靜態(tài)誤差的合成“環(huán)節(jié)”、“誤差合成”：由n個環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的開環(huán)系統(tǒng)如圖1-6所示。輸入量為x，輸出量yo=f（x）。圖1-6由n個環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的開環(huán)系統(tǒng)若第i個環(huán)節(jié)的滿度相對誤差為γi時，則輸出端的滿度相對誤差γm與γi之間的關系可用以下兩種方法來確定：（1）絕對值合成法（誤差的估計偏大）（1-13）（2）方均根合成法（1-14）例1-4用圖1-2核輻射鋼板測厚儀測鋼板厚度，已知PIN型射線二極管的測量誤差為±5%，微電流放大器誤差為±2%，指針表誤差為±1%，求測量的總誤差。解1）用絕對值合成法計算測量誤差2）用方均根合成法≈5.5%結論：測量系統(tǒng)中的一個或幾個環(huán)節(jié)的精度特別高，對提高整個測量系統(tǒng)總的精度意義不大，反而提高了測量系統(tǒng)的成本，造成了資源浪費。請學生找出減小本系統(tǒng)總誤差的努力方向。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）靈敏度結論：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。可以通過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1-11所示。由切線的斜率可以看出，x2點的靈敏度比x1點高。圖1-11用作圖法求取傳感器的靈敏度（二）分辨力（Resolution）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。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，一般可以認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作儀表的最大絕對誤差。例：作業(yè)中的圖1-18所示數(shù)字式溫度計的分辨力為0.1℃，若該儀表的準確度為1.0級，則最大絕對誤差將達到±2.0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)。（三）線性度（Linearity）人們總是希望傳感器的輸入與輸出的關系成正比，即線性關系。這樣可使顯示儀表的刻度均勻，在整個測量范圍內具有相同的靈敏度，并且不必采用線性化措施。但大多數(shù)傳感器的輸入輸出特性總是具有不同程度的非線性，可以用下列多項式代數(shù)方程表示y＝a0＋a1x＋a2x2＋a3x3＋···＋ann上式中，y為輸出量，x為輸入量，a0為零點輸出，a1為理論靈敏度，a2、a3、···、an為非線性項系數(shù)。各項系數(shù)決定了傳感器的線性度的大小。如果a2＝a3＝···＝an＝0，則該系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。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滿量程范圍內的輸出之百分比，如圖1-12a（四）遲滯（Hysteresis）遲滯是指傳感器正向特性和反向特性的不一致程度。可用下式表示（五）穩(wěn)定性（Regulation）穩(wěn)定性包含穩(wěn)定度（Stability）和環(huán)境影響量（InfluenceQuantity）兩個方面。穩(wěn)定度指的是儀表在所有條件都恒定不變的情況下，在規(guī)定的時間內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：某儀表輸出電壓值在8h內的最大變化量為1.2mV，則表示為1.2mV/(8h)。實際應用中的穩(wěn)定度調整方法：在測量前，可以將輸入端短路通過重新調零來克服。靈敏度漂移將使儀表的輸入/輸出曲線的斜率產(chǎn)生變化。方法：將標準信號，例如由“能隙穩(wěn)壓二極管”產(chǎn)生的2.500V電壓經(jīng)確定的衰減器之后施加到儀表的輸入端，測出受環(huán)境影響前后輸出信號之比例系數(shù)，將其作為乘法修正系數(shù)。例：某放大器的輸入為0～10mV，K＝1000倍，滿度輸出為10V。在野外工作現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)溫度升高后，數(shù)據(jù)漂移嚴重，請調整之。解：1．將輸入端短路發(fā)現(xiàn)放大器的輸出為0.30V，調整“調零電位器”，使之為零。2．將10.00mV的標準信號施加于輸入端，調整“調滿度電位器”，使之為10.00V。即：根據(jù)線性儀表的y＝a0＋a1x設計方程，使a0＝0，a1恢復設計值1000。課堂輔導作業(yè)：10．射擊彈著點示意圖如圖所示，請分別說出圖a、b、c各包含什么誤差。11．市售電子秤多以應變片作為傳感元件來測量物體的重量，其原理框圖如圖1-21所示。圖1-21電子秤原理框圖各環(huán)節(jié)的準確度如下：應變梁的蠕變及遲滯誤差：0.03%；應變片溫漂：0.1%；應變電橋：0.07%；放大器：0.08%；A/D轉換器：0.02%，橋路電源：0.01%。求：1）在課堂上分別用絕對值合成法和方均根合成法計算系統(tǒng)可能產(chǎn)生的總的最大滿度相對誤差。2）你認為哪一個環(huán)節(jié)引起的誤差起主要作用？應采取哪些措施才可以提高該電子稱的測量準確度？課外學習