传感器及检测技术.pptx
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1、教材介绍本书包括自动检测技术的基本知识、传感器原理与应用、检测仪表以及自动检测的新进展和共性技术四部分内容。p第一部分介绍传感器与检测技术的基本概念、测量误差与数据处理以及传感器的静动态特性和标定方法。p第二部分介绍电阻式传感、变阻抗式传感器、光电式传感器和电势式传感器的工作原理与应用。p第三部分介绍温度检测、流量检测和成分量检测。p第四部分介绍误差修正技术、现场总线、虚拟仪器和多传感器数据融合等。上一页下一页返 回第1章 绪论l1.1 自动检测技术概述自动检测技术概述l1.2 传感器概述传感器概述l1.3 测量误差与数据处理测量误差与数据处理l1.4 传感器的一般特性传感器的一般特性l1.5
2、 传感器的标定和校准传感器的标定和校准上一页返 回下一页1.1 自动检测技术概述1.1.1 自动检测技术的重要性自动检测技术的重要性1.1.2 自动检测系统的组成自动检测系统的组成1.1.3 自动检测技术的发展趋势自动检测技术的发展趋势上一页下一页返 回上一页下一页返 回1.1.1 自动检测技术的重要性l测试手段就是仪器仪表。测试手段就是仪器仪表。在工程上所要测量的参数大多数为非电量,促使在工程上所要测量的参数大多数为非电量,促使人们用电测的方法来研究非电量,即研究用电测人们用电测的方法来研究非电量,即研究用电测的方法测量非电量的仪器仪表,研究如何能正确的方法测量非电量的仪器仪表,研究如何能正
3、确和快速地测得非电量的技术。和快速地测得非电量的技术。l非电量电测量技术优点:非电量电测量技术优点:测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测测量精度高、反应速度快、能自动连续地进行测量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算量、可以进行遥测、便于自动记录、可以与计算机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能机联结进行数据处理、可采用微处理器做成智能仪表、能实现自动检测与转换等。仪表、能实现自动检测与转换等。l 机械制造业机械制造业l 化工行业化工行业l 烟草行业烟草行业l 环境保护等部门环境保护等部门l 现代物流行业现代物流行业l 科学研究和产品开发中科学研究和产品开发中l 文物保护领域文物
4、保护领域l综上所述,自动检测技术与我们的生产、生活密切综上所述,自动检测技术与我们的生产、生活密切相关。它是自动化领域的重要组成部分,尤其在自相关。它是自动化领域的重要组成部分,尤其在自动控制中,如果对控制参数不能有效准确的检测,动控制中,如果对控制参数不能有效准确的检测,控制就成为无源之水,无本之木。控制就成为无源之水,无本之木。上一页返 回下一页1.1.2 自动检测系统的组成图1.1.1 测量系统的组成 上一页返 回下一页传感器测量电路输出单元被测量l传感器传感器:把被测非电量转换成为与之有:把被测非电量转换成为与之有确定对应关系,且便于应用的某些物理确定对应关系,且便于应用的某些物理量(
5、通常为电量)的测量装置。量(通常为电量)的测量装置。l测量电路测量电路:把传感器输出的变量变换成:把传感器输出的变量变换成电压或电流信号,使之能在输出单元的电压或电流信号,使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录;或者能指示仪上指示或记录仪上记录;或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。够作为控制系统的检测或反馈信号。l输出单元输出单元:指示仪、记录仪、累加器、:指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。报警器、数据处理电路等。上一页返 回下一页1.1.3 自动检测技术的发展趋势(1)不断提高仪器的性能、可靠性,扩大应用范围。)不断提高仪器的性能、可靠性,扩大应用范围。(2)开发新型传
6、感器。)开发新型传感器。(3)开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。)开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。(4)微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪)微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合,构成新一代智能化测试系统,使测量精表和传感器的结合,构成新一代智能化测试系统,使测量精度、自动化水平进一步提高。度、自动化水平进一步提高。(5)研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。)研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。上一页返 回下一页1.2 传感器概述l1.2.1 1.2.1 传感器的定义传感器的定义l1.2.2 1.2.2 传感
7、器的组成传感器的组成l1.2.3 1.2.3 传感器分类传感器分类上一页下一页返 回1.2.1 传感器的定义l根据中华人民共和国国家标准(根据中华人民共和国国家标准(GB7665-87)l传感器(传感器(Transducer/Sensor):能感受规定):能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。号的器件和装置。上一页下一页返 回包含的概念:传感器是测量装置,能完成检测任务;传感器是测量装置,能完成检测任务;它的输出量是某一被测量,可能是物理量,也可能是它的输出量是某一被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量等;化学量、生物量
8、等;它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等等,这种量可以是气、光、电量,但主处理、显示等等,这种量可以是气、光、电量,但主要是电量;要是电量;输出输入有对应关系,且应有一定的精确程度。输出输入有对应关系,且应有一定的精确程度。上一页下一页返 回1.2.1.2.2 2传感器的组成传感器的组成l敏感元件敏感元件 直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的物理量直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件转换元件 敏感元件的输出就是它的输入,抟换成电路参量敏感元件的输出就是它的输入,抟换成电路参量l转换电路转换电路 上
9、述电路参数接入基本转换电路,便可转换成电量输出上述电路参数接入基本转换电路,便可转换成电量输出敏感元件转换元件转换电路被测量电量上一页下一页返 回1.2.3 1.2.3 传感器分类传感器分类工作机理:物理型、化学型、生物型物理型传感器:物理基础的基本定律。场的定律、物质定律、守恒定律和统计定律构成原理结构型:物理学中场的定律物性型:物质定律能量转换能量控制型能量转换型物理原理用 途:位移、压力、振动、温度上一页下一页返 回1.3 测量误差与数据处理测量误差与数据处理1.3.1 测量误差的概念和分类测量误差的概念和分类1.3.2 精度精度1.3.3 测量误差的表示方法测量误差的表示方法1.3.4
10、 随机误差随机误差1.3.5 系统误差系统误差1.3.6 粗大误差粗大误差1.3.7 数据处理的基本方法数据处理的基本方法上一页下一页返 回1.3.1 测量误差的概念和分类测量误差的概念和分类l1.有关测量技术中的部分名词有关测量技术中的部分名词l2.误差的分类误差的分类上一页下一页返 回1.有关测量技术中的部分名词有关测量技术中的部分名词(1)等精度测量:)等精度测量:(2)非等精度测量:)非等精度测量:(3)真值:)真值:(4)实际值:)实际值:(5)标称值:)标称值:(6)示值:)示值:(7)测量误差:)测量误差:上一页下一页返 回2.误差的分类误差的分类(1)系统误差)系统误差(2)随
11、机误差)随机误差(3)粗大误差)粗大误差上一页下一页返 回1.3.2 精度精度反映测量结果与真值接近程度的量反映测量结果与真值接近程度的量 (1)准确度准确度 (2)精密度精密度 (3)精确度精确度 对对于于具具体体的的测测量量,精精密密度度高高的的而而准准确确度度不不一一定定高高,准准确确度度高高的的精精密密度度不不一一定定高高,但精确度高,则精密度和准确度都高。但精确度高,则精密度和准确度都高。上一页下一页返 回1.3.3 测量误差的表示方法l(1)绝对误差绝对误差l(2)相对误差相对误差上一页下一页返 回(1)绝对误差绝对误差l绝绝对对误误差差是是示示值值与与被被测测量量真真值值之之间间
12、的的差差值值。设设被被测测量量的的真真值值为为A0,器器具具的的标标称称值值或或示示值值为为x,则绝对误差为,则绝对误差为 (1.3.1)l由由于于一一般般无无法法求求得得真真值值A0,在在实实际际应应用用时时常常用用精精度度高高一一级级的的标标准准器器具具的的示示值值,即即实实际际值值A代代替替真真值值A0。x与与A之之差差称称为为测测量量器器具具的的示示值值误误差差,记为记为 (1.3.2)l通常以此值来代表绝对误差。通常以此值来代表绝对误差。上一页下一页返 回修正值修正值l为为了了消消除除系系统统误误差差用用代代数数法法加加到到测测量量结结果果上上的的值值称称为为修修正正值值,常常用用C
13、表表示示。将将测测得得示示值值加加上上修修正正值值后后可可得得到到真值的近似值,即真值的近似值,即 A0=x+C (1.3.3)由此得由此得C=A0-x (1.3.4)l在在实实际际工工作作中中,可可以以用用实实际际值值A近近似似真真值值A0,则则(1.3.4)式变为)式变为C=A-x=-x (1.3.5)l修正值与误差值大小相等、符号相反,测得值加修正修正值与误差值大小相等、符号相反,测得值加修正值可以消除该误差的影响值可以消除该误差的影响 上一页下一页返 回(2)相对误差相对误差l相相对对误误差差是是绝绝对对误误差差与与被被测测量量的的约约定定值值之比。相对误差有以下表现形式:之比。相对误
14、差有以下表现形式:实际相对误差。实际相对误差。示值相对误差。示值相对误差。满度(引用)相对误差满度(引用)相对误差 上一页下一页返 回l 实际相对误差。实际相对误差。(1.3.6)l 示值相对误差。示值相对误差。(1.3.7)l 满度(引用)相对误差满度(引用)相对误差上一页下一页返 回最大允许误差最大允许误差l指指示示仪仪表表的的最最大大满满度度误误差差不不许许超超过过该该仪仪表表准准确确度度等等级级的的百分数,即百分数,即 (1.3.9)当示值为当示值为x时可能产生的最大相对误差为时可能产生的最大相对误差为 (1.3.11)用用仪仪表表测测量量示示值值为为x的的被被测测量量时时,比比值值越
15、越大大,测测量量结结果果的的相相对对误误差差越越大大。选选用用仪仪表表时时要要考考虑虑被被测测量量的的大大小小越越接接近近仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的仪表上限越好。被测量的值应大于其测量上限的2/3。上一页下一页返 回1.3.4 随机误差随机误差1.正态分布正态分布2.随机误差的评价指标随机误差的评价指标3.测量的极限误差测量的极限误差上一页下一页返 回1.正态分布正态分布l随机误差是以不可预定的方式变化着的随机误差是以不可预定的方式变化着的误差,但在一定条件下服从统计规律误差,但在一定条件下服从统计规律 上一页下一页返 回正态分布的随机误差分布规律正态分布的随机误差分布规律(1
16、)对称性。)对称性。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。(2)单峰性。)单峰性。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。(3)有界性。)有界性。一一定定的的测测量量条条件件下下,随随机机误误差差的的绝绝对对值值不不会会超超过过一一定定界界限。限。(4)抵偿性。)抵偿性。随测量次数的增加,随机误差的算术平均值趋向于零。随测量次数的增加,随机误差的算术平均值趋向于零。上一页下一页返 回2.随机误差的评价指标随机误差的评价指标l由由于于随随机机误误差差大大部部分分按按正正态态分分布布规规律律出出现现的的,
17、具具有有统统计计意意义义,通通常常以以正正态态分分布布曲曲线线的的两两个个参参数数算算术术平平均均值值和和均均方方根根误误差作为评价指标。差作为评价指标。(1)算术平均值)算术平均值 (2)标准差)标准差上一页下一页返 回(1)算术平均值)算术平均值 当测量次数为无限次时,所有测量值的算术平均值即等于真值,事实上是不可能无限次测量,即真值难以达到。但是,随着测量次数的增加,算术平均值也就越接近真值。因此,以算术平均值作为真值是既可靠又合理的。上一页下一页返 回()标准差标准差l 测量列中单次测量的标准差测量列中单次测量的标准差l 测量列算术平均值的标准差测量列算术平均值的标准差上一页下一页返
18、回 测量列中单次测量的标准差测量列中单次测量的标准差在等精度测量列中,单次测量的标准差 (1.3.18)式中,n测量次数;每次测量中相应各测量值的随机误差。上一页下一页返 回图1.3.2 三种不同值的正态分布曲线实际工作中用残差来近似代替随机误差求标准差的估计值 贝塞尔(Bessel)公式 上一页下一页返 回 测量列算术平均值的标准差测量列算术平均值的标准差式中,算术平均值标准差(均方根误差);测量列中单次测量的标准差;n 测量次数当测量次数n愈大时,算术平均值愈接近被测量的真值,测量精度也越高。上一页下一页返 回.测量的极限误差测量的极限误差l测测量量的的极极限限误误差差是是极极端端误误差差
19、,检检测测量量结结果果的的误误差差不不超超过过该该极极端端误误差差的的概概率率P,并并使使出出现现概概率率为为(-P)误误差差超超过过该该极极端端误差的检测量的测量结果可以忽略。误差的检测量的测量结果可以忽略。(1)单次测量的极限误差)单次测量的极限误差 (2)算术平均值的极限误差)算术平均值的极限误差上一页下一页返 回(1)单次测量的极限误差随机误差在至范围内概率为:经变换,(1.3.22)式为若某随机误差在t 范围内出现的概率为2(),则超出该误差范围的概率为上一页下一页返 回表1.3.1几个典型 t值的概率情况分析t|=t不超出|的概率2()超出|的概率1-2()0.670.670.49
20、720.5028110.68260.3174220.95440.0456330.99730.0027440.99990.0001上一页下一页返 回图1.3.3 单次测量列极限误差 当t=3时,即|=时,误差不超过|的概率为99.73%,通常把这个误差称为单次测量的极限误差limx,即limx=3 上一页下一页返 回(2)算术平均值的极限误差l测量列的算术平均值与被测量的真值之差测量列的算术平均值与被测量的真值之差 l当当多多个个测测量量列列算算术术平平均均值值误误差差为为正正态态分分布布时时,得得到到测测量列算术平均值的极限误差表达式为量列算术平均值的极限误差表达式为 式中的式中的t为置信系数
21、,为算术平均值的标准差。为置信系数,为算术平均值的标准差。通常取t=3,则上一页下一页返 回1.3.5 系统误差l1.系统误差的发现系统误差的发现l2.系统误差的削弱和消除系统误差的削弱和消除上一页下一页返 回1.系统误差的发现(1)理论分析及计算)理论分析及计算(2)实验对比法)实验对比法(3)残余误差观察法)残余误差观察法(4)残余误差校核法)残余误差校核法(5)计算数据比较法)计算数据比较法上一页下一页返 回l(1)理论分析及计算)理论分析及计算因因测测量量原原理理或或使使用用方方法法不不当当引引入入系系统统误误差差时时,可可以以通通过过理理论分析和计算的方法加以修正。论分析和计算的方法
22、加以修正。l(2)实验对比法)实验对比法实实验验对对比比法法是是改改变变产产生生系系统统误误差差的的条条件件进进行行不不同同条条件件的的测测量,以发现系统误差,这种方法适用于发现恒定系统误差。量,以发现系统误差,这种方法适用于发现恒定系统误差。l(3)残余误差观察法)残余误差观察法 根根据据测测量量列列的的各各个个残残余余误误差差的的大大小小和和符符号号变变化化规规律律,直直接接由由误误差差数数据据或或误误差差曲曲线线图图形形来来判判断断有有无无系系统统误误差差,这这种种方方法主要适用于发现有规律变化的系统误差。法主要适用于发现有规律变化的系统误差。上一页下一页返 回(4)残余误差校核法l 用
23、于发现累进性系统误差用于发现累进性系统误差马马利利科科夫夫准准则则:设设对对某某一一被被测测量量进进行行n次次等等精精度度测测量量,按按测测量量先先后后顺顺序序得得到到测测量量值值x1,x2,xn,相相应应的的残残差差为为v1,v2,vn。把把前前面面一一半半和和后面一半数据的残差分别求和,然后取其差值后面一半数据的残差分别求和,然后取其差值l 用于发现周期性系统误差用于发现周期性系统误差阿卑阿卑-赫梅特准则:赫梅特准则:则认为测量列中含有周期性系统误差。当存在 设 上一页下一页返 回(5)计算数据比较法l对同一量进行多组测量,得到很多数据,通过对同一量进行多组测量,得到很多数据,通过多组计算
24、数据比较,若不存在系统误差,其比多组计算数据比较,若不存在系统误差,其比较结果应满足随机误差条件,否则可认为存在较结果应满足随机误差条件,否则可认为存在系统误差。系统误差。l任意两组结果与间不存在系统误差的标志是任意两组结果与间不存在系统误差的标志是 上一页下一页返 回2.2.系统误差的削弱和消除系统误差的削弱和消除(1)从产生误差源上消除系统误差)从产生误差源上消除系统误差(2)引入修正值法)引入修正值法(3)零位式测量法)零位式测量法(4)补偿法)补偿法(5)对照法)对照法上一页下一页返 回1.3.6 粗大误差l判别粗大误差最常用的统计判别法判别粗大误差最常用的统计判别法:如果对被测量进行
25、多次重复等精度测量的测量数据为如果对被测量进行多次重复等精度测量的测量数据为x1,x2,xd,,xn 其其标标准准差差为为,如如果果其其中中某某一一项项残残差差vd大大于于三三倍倍标标准准差差,即即 则则认认为为vd为为粗粗大大误误差差,与与其其对对应应的的测测量量数数据据xd是是坏坏值值,应从测量列测量数据中删除。应从测量列测量数据中删除。上一页下一页返 回1.3.7 数据处理的基本方法数据处理的基本方法l数数据据处处理理:从从获获得得数数据据起起到到得得出出结结论论为为止止的的整整个个数据加工过程。数据加工过程。常用方法常用方法:列表法、作图法和最小二乘法拟合。列表法、作图法和最小二乘法拟
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