绪论一、本课程的研究内容及性质《自动检测技术》是自动控制、工业

1、绪论一、本课程的研究内容及性质?自动检测技术?是自动控制、工业自动化等专业的专业技术根底课程。 “检测包含： 定量的测量 定性的试验 就被测对象而言，工业上需要检测的参量有电量、非电量两大类。随着科学技术的开展， 对测量的准确度、速度提出了新的要求 对动态变化的物理过程进行测量 对物理量进行远距离测量电子测量法电测法：将非电量电量进行测量。非电量的电测法是自动检测技术的重要组成局部，优点如下： 可进行微量测量，精度高，反响速度快。 可实现远距离遥测、遥控。 能连续进行测量、记录及显示。 可利用计算机技术对测量数据进行处理，实现测量 的微机化和智能化。非电量的电测法涉及两个根本问题： 怎样利用传

2、感器将非电量电量 怎样对电量进行测量 此外，单片机的出现，引起自动检测仪表结构的根本性变革。 以单片机为主体，将计算机技术与自动检测技术结合在一起，组成新一代智能化检测仪表，在测量过程自动化、测量结果的数据处理、功能的多样性方面取得了巨大的进展。本课程主要学习： 常用的传感器工作原理、相应测量电路以及应用技术 智能化测量仪表的软、硬件设计通过本课程教学，要求获取以下方面的知识： 理解自动检测仪表的根本组成； 传感器静态、动态性能指标； 仪表测量误差的根本知 识。 掌握各种类型传感器的工作原理； 相应的测量电路以及应用技术。 了解以单片机为核心的智能化测量仪表的软、硬件设计。 了解检测与转换过程

3、中干扰信号的来源、传播的途径以及抗干扰的常用措施。二、自动检测技术的地位和作用现代信息技术三大支柱： 信息的采集技术检测技术 信息的传输技术通信技术 信息的处理技术计算机技术在工业生产中，提高产品质量的现代化方法如下： 采用自动检测系统完成产品的实时测量、性能分析，框图如下：被控对象传感器信号变换处理显示记录 利用自动控制系统对产品加工过程进行实时控制，框图如下：三、自动检测技术的功能 参数测量 参数监控 测量分析功能控制器被控对象传感器信号变换处理显示记录四、自动检测技术研究的主要内容 对与被测量有关的测量原理、测量方法、测量系统和数据处理等4方面进行研究。测量的定义借助于专用的技术工具或手

4、段，通过实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，从而得到被测量数值大小的过程。在测量过程中，需要：选用适宜的传感器，设计合理的测量系统，选择正确的实验方法和进行必要的数据处理。一测量原理 指采用何种原理或依据何种效应测量被测参量。二测量方法指被测量与其单位进行比较的实验方法。也就是在测量原理确定后，采用何种方法测量被测参量。大致分类如下：1按测量性质分类 时域测量法 测量与时间有函数关系的量。 频域测量法 测量与频率有函数关系的量。 数字域测量法 对数字逻辑量进行测量。 2按测量过程的特点分类1 直接测量法 选用专用的标准测量仪器，对某一未知参量进行测量，从而直接得到被测量值的测量方法。

5、按照所用仪表和比较过程特点分为： 偏差法直读式测量 用事先分度好的测量仪表进行测量，根据被测量引起指示器的偏移值直接读取被测量的值。优点：测量过程简单、方便，在工程测量方面应用广泛，但精确度较低。 零位测量法 通过调整一个或几个与被测量有平衡关系的量标准量，用平衡法确定被测量的测量方法。优点：获得较高的精度缺点：测量过程比较复杂 微差测量法零位法和偏差法结合 将被测量与同它的量值只有微小差异的量相比较，测出这两个量值间差值以确定被测量的测量方法。特征：测量被测量与量之间的差值。优点：用精度较低的测量仪表可得到较高的测量结果。直接测量法特点：简单、方便、响应迅速，是电气测试中最常用的方法。2间接

6、测量法 对一个与被测量有密切函数关系的物理量进行直接测量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表格，求出被测量值的方法。间接测量一般是在无法进行直接测量时采用。间接测量法特点：测量比较复杂，费时，多在实验室中使用，在工程测量中很少用。3组合测量法 在某些测量中，被测量与多个未知量有关系，测量一次无法得出完整结果，那么可改变测量条件进行屡次测量，然后按照被测量与未知量之间的函数关系，组成联立方程求解得出被测量。组合测量法特点：操作复杂，费时，一般适合于科学实验或特殊场合。例说明：在选择测量方案时，最好选用直接测量法，少用间接测量法，在不得已时选择测量数目少的组合函数。例3、按测量仪表特点分类1接

7、触测量法传感器直接与被测对象接触，承受被测参数作用， 感受其变化，从而获得信号并测量其大小的方法。2非接触测量法传感器不与被测对象接触，间接承受被测参数作用，感受其变化，从而获得信号并测量其大小的方法。针对运动对象、腐蚀性介质以及危险场合的参数检测。4、按测量对象特点分类1静态测量法被测对象处于稳定情况下的测量，此时被测参数不随时间而变化。2动态测量法在被测对象处于不稳定的情况下进行测量，被测参数随时间变化，测量必须在很快时间内完成。如果被测参数随时间变化缓慢，测量所需时间相对较短，可近似为静态测量。5、按被测参数分布分类1点参数测量法对被测对象某个局部点的参数进行测量。2场参数测量法测量被测

8、对象某个参数的平面分布或空间分布。三测量系统测量系统：用于测量的系统，一般由假设干个功能元件组成。根据系统中处理信号类型的不同可分为：模拟式测量系统、数字式测量系统和微机测量系统。1 模拟式测量系统传感器信号调理电路输出装置被测量 传感器：将被测量转换成与其有一定函数关系的另一物理量。 信号调理电路传感器测量电路对传感器输出信号进行变换和处理为便于传输、显示和记录的信号。 输出装置显示记录装置显示、记录被测量大小，常用各种表盘、示波器以及笔式记录仪。2数字式测量系统传感器测量电路数字显示非电量A/D3 微机测量系统多参数 输入接口 将模拟信号转换为数字信号。 计算机 按设定的程序自动进行信号的

9、采集、存储、数据的分析与处理。被测量（非电量）传感器1测量电路1输入接口计算机输出接口传感器n测量电路n模拟量数字量开关量 输出接口 将处理后的数字信号转换为外设所需的信号。在设计自动检测系统时，应考虑以下要求： 性能稳定 测量精度符合要求 有足够的动态响应 具有实时和事后数据处理能力 具有开放性和兼容性(四测量误差的根本知识1误差的定义 对某物理量进行测量，所测得的数值Xi与真值Xo之间的差，即： Xi=Xi-Xo 误差的大小反映了测得值对于真值的偏离程度，具有大小，符号和单位。例误差特点： 任何测量总有误差存在。测量仪表及标准量本身精度有限；实验手段不完善；有些测量原理在理论上就是近似的；

10、被测量随时间变化；外界噪声干扰等等。 屡次重复测量某物理量时，各次测量值并不完全相等。 误差是未知的。测量的目的仅在于根据实际需要求得被测量真实值的逼近值。测量值无论表现形式如何，均应包含：数值、单位和误差。为了能正确表达测量的精确度，给出Xo :真值：被测量本身具有的真实大小或用数学、物理公式计算出的给定值。约定真值：非常接近真值，与真值的差可忽略不计。2、误差分类1按测量误差的表示方法分类 绝对误差 测量结果X与被测量的真值Xo之差 ，即 ： X=X-Xo 适用于标准器具的校准。 相对误差 绝对误差与真值之比，即： xo%= (X/Xo )100% xm% = 100% 可以确切说明测量质

11、量。例 引用误差 绝对误差与测量仪表满量程之比，精度等级由此划分。 实际测量值确定工业过程检测仪表常以最大引用误差作为判断精度等级的尺度，规定：取最大引用误差百分数的分子作为检测仪表精度等级的标志，用符号G表示。仪表的精度等级反映了仪表的测量精度。国家标准规定测量指示仪表的精度等级分为：0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0 七个等级检测仪表的精度等级由生产厂商根据其最大引用误差的大小并以选大不选小的原那么就近套用上述精度等级得到。例，例在测量时要合理选择测量仪表的精度和量程。例2按误差性质分类 系统误差在相同的条件下，屡次测量同一量时，按某种规律变化而产生的误差。可以分为：

12、恒定误差恒定系差 在一定条件下，误差的数值、符号都保持不变的系统误差。 变值误差未定系差 在一定条件下，误差按某一确切规律变化的系统误差。可分为：a 累进性误差 在整个测量过程中误差数值在逐渐增加或逐渐减少。 b 周期性误差 在测量过程中系统误差的数值呈周期性变化。c 按复杂规律变化的误差 变化规律十分复杂的系统误差，一般用曲线、表格或经验公式表示。 系统误差说明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。 系统误差越小，测量就越准确。系统误差的特征：误差出现的规率和产生原因的可知性。在测量结果处理中可以分析各种系统误差的成因，设法消除其影响和估计出未能消除的系统误差值。 随机误差在相同条件下进行屡

13、次测量，每次测量结果出现无规那么的随机性变化的误差。 在一定条件下服从统计规律，可以从理论上估计其对测量结果的影响。随机误差表现了测量结果的分散性。 粗大误差 在一定条件下，测量结果明显偏离真值时所对应的误差，结果不可取。说明： 粗大误差并非单独的类别，本身既可能具有系统误差的性质，也可能具有具有随机误差的性质。 在实际测量中，三种误差可能同时存在。 测量中，假设系统误差小，称测量的正确度高。 假设随机误差小，称测量的精密度高。 假设二者都很小，称测量的精确度高。 3按被测量与时间关系分类静态误差，动态误差动态误差是由于检测系统对输入信号响应滞后，或对输入信号中不同频率成分产生不同衰减和延迟造

14、成。3检测仪表误差的主要来源 原理误差检测仪表中某些部件如传感器在设计中采用了近似的理论、近似的数学模型等造成。减小原理误差影响的方法： 研究原理误差的规律，建立误差数学模型，用计算法对误差进行补偿。 运行误差 检测仪表在使用过程中由于力变形、温度变化、干扰与环境变化等因素引起的误差。减小运行误差影响的方法： 采用误差补偿措施或抗干扰措施。4误差理论 运用数理统计的理论和方法推导随机误差的规律性。应用误差理论主要解决： 判断一组测量值中是否有系统误差，以便修正。 判断一组测量值中是否有粗大误差，以便舍弃。 处理后的测量数据在符合随机误差条件下确定误差范围和测量结果最正确估计值。1减小系统误差的

15、措施 改进测量仪表的制造工艺、选择质量优良的元器件 加强各种屏蔽措施，防护外界环境对仪表的影响 选择正确的测量方法 可以引入修正值对测量仪表的校准加以消除。 针对恒定系差利用改变测量条件的屡次测量结果进行比较以确定其存在与否。消除或减弱的方法：适当安排测量方法，对同一量进行2次测量，使恒定系差在2次测量中方向相反，取2次读数的算术平均值。 针对未定系差剩余误差观测法：观测一系列等精度测量剩余误差的数值和符号，假设数值有规律递增或递减，并在开始和末尾符号变反，那么有线性系差；假设符号有规律地正负交替变化屡次，那么有周期性系差。采用变化规律消除线性系差。对于周期性变化的系差，读取相隔半个周期的2次

16、测量值，取其算术平均值即可消除。2随机误差的处理随机误差一般比较小，只有在精密测量中，才考虑随机误差的处理。国内外广泛采用标准误差均方根误差评定随机误差大小。i = xi xx = xi 1n其中：剩余误差残差： = i2n1随机误差具有以下统计特性： 对称性 单峰性 互抵性对一系列等精度的n次测量，当n时，各次测量的随机误差的代数和为0。 有界性绝对值很大的误差出现的概率趋于0。0P+- 标准法贝赛尔公式设n次等精度测量的测得值为x1, x2，., xn，计算测得值的算术平均值：x = xi 1n计算各测得值的剩余误差：i = xi x计算标准误差的估计值： = i2n1 极差法在x1, x

17、2，., xn中的最大值与最小值之差，用Rn表示。Rn=xmaxxmin然后根据测量次数n查阅极差系数表得到极差系数dn那么标准误差 = Rn / dn应用贝赛尔公式精度高，计算复杂；极差法计算方便迅速，当测量次数不太多时n10，其计算精度与贝赛尔公式相当。算术平均值的标准误差设有m组测量数据，每组有n次等精度测量，m组的算术平均值分别为x1, x2，., xm，其标准误差分别为1, 2，., m可得算术平均值的标准误差为：例： 3测量数据中的几个问题 测量系统中测量误差的合成一个测量系统由假设干局部组成,各环节变量分别为X1, X2,., Xn, 那么系统总的输入输出关系为: y= f(X1

18、, X2,., Xn) ,假设各局部都存在测量误差。误差的合成：各局部误差对整个测量系统误差的影响。 = i2n(n1)n =xa 系统误差的合成 系统总的输入输出关系为: y= f(x1, x2 , . , xn) 假设x1, x2 , . , xn之间彼此独立无关， 各环节变量定值系统误差分别为x1, x2,., xn,那么： y+ y=f(x1+x1, x2+x2 , , xn+xn)其合成表达式为： y = f x1 x1 f x2 x2 f xn xn+ . +合成后总的系统误差为：y = f xi xii=1n例(2)随机误差的合成设各局部均方根误差标准误差分别为1, 2,., n,随机误差的合成表达式方差合成关系为：y =+ . + f x1 212 f x2 222 f xn 2n2假设y= f(X1, X2 , . , Xn) 为线性函数，即： y= a1x1+ a2x2 +.+ anxn 那么：y =a12 21+ a22 22 +.+ an2 2n(3)总合成误差 设测量系统的系统误差和随机误差均为相互独立，那么总的合成误差 表示为： = y y5. 用经验公式拟合实验数据 回归分析利用数理统计的方法，对实验数据进行分析和处理，从而得出反映变量间相互关系的