检测技术及方法分析

3检测技术及方法分析自动检测控制系统与外界环境之间的信息界面关系有三种情况：●获取检测对象所处状态的传感器以及控制并调节对象状态的执行器；●操作人员与仪器装置之间的界面；●监控仪器与其他系统之间的信息往来。1整理课件传感器的分类方法：①检测对象：温度、压力、流量、液位等；②传感原理或反响效应：光电、压电、热阻等；③传感器的材料：半导体、无机材料、生物材料等；④应用领域：化工、电力、家电、科学计量等系统；⑤反响形式或能量供给方式：能量变换型和能量控制型；能量变换型〔被动型〕：检测输出信号能量来自输入信号能量〔特点：不需外加电源〕。如：太阳能电池。能量控制型〔能动型〕：外部供给电源。如：热敏电阻。⑥输出信号形式：模拟量和数字量。2整理课件3.1检测方法及其根本概念3.1.1开环型检测与闭环型检测闭环型检测特点：精度高，系统复杂。比较：精度？复杂性？3整理课件3.1.2直接检测与间接检测●直接检测：与同类基准进行简单的比较，就能得到测量值的检测方法。比方：用电压表测电压。●间接检测：测量与被检测量有一定关系的2个或2个以上物理量，然后再推算出被检测量。比方：测量电流和电阻值求电压。3.1.3绝对检测与比较检测●绝对检测：由根本物理量测量而决定被测量的方法。例如用水银压力计测量压力时，从水银柱的高度、密度和重力加速度等根本量测量决定压力值。●比较检测：与同种类量值进行比较而决定测量值的方法。用弹簧管压力计测量压力时，要用压力校正压力计的刻度，被测压力使指针摆动而指示的压力是通过比较或校正得出的。4整理课件3.1.4偏差法与零位法●偏差法：标准量具不装在仪表中，而是事先用标准量具对仪表刻度进行校准，用间接方法实现被测量与标准量具的比较。比方：用弹簧秤检测重量。偏差法一般都是开环型结构。●零位法：采取与同种类的量取平衡的方法进行测量。零位法是反响型闭环检测方法。例如用天平测量质量，等比天平的一个托盘上放被测物体，另一个托盘上放砝码，观察平衡指针的摆动，判断并调整砝码的轻重，到达平衡时的砝码质量那么等于被测物体的质量〔砝码：标准量具〕。5整理课件3.1.5强度变量检测与容量变量检测强度变量：与体积、质量无关的。如压力、温度、电压等。容量变量：与体积、质量成比例关系的。如电阻。

一般在传感器的输入输出端分别存在成对的强度变量与容量变量。6整理课件3.1.7替换法由于系统误差的存在，当把被测物与标准比较物的主次或先后顺序置换过来时，可以排除测量过程中因顺序所造成的误差影响。例如改变天平放砝码托盘的左右位置，两次测量质量取其平均值的方法等。3.1.6微差法测量被检测量与量的差值。例如，游标卡尺的主尺刻线间距为lmm，游标的零刻线与尺身的零刻线对准，尺身刻线的第9格(9mm)与游标刻线的第10格对齐时，游标的刻线间距为9／10=0．9mm，此时游标卡尺的分度值是0．1mm。当游标零刻线以后的第n条刻线与尺身对应的刻线匹配对准时，被测尺寸的小数局部等于n与分度值的乘积。这是利用主尺与游标刻线的微差提高测量精度的方法之一。7整理课件3.2检测系统模型与结构分析3.2.1检测系统的根本功能三大局部：信号转换与信号选择、基准保持与比较和显示与操作。测量是把被测量与同种类单位量进行比较，因此，检测仪表中必须具有基准保持部位。3.2.2信号转换模型与信号选择性〔1〕信号转换的数学模型设检测系统独立的输入变量为u1，u2，…，ur，附属的输出变量为y1，y2，…，ym，内部变量为x1，x2，…，xn。系统状态方程式为：8整理课件标定：改变输入量u，记录输出量y的过程。检测：在标定的根底上由y求u的解逆问题的过程。设u1为被检测量〔输入信号〕，y1为测量值〔输出信号〕时如果把上式所示的信号转换关系看成是u1与y1单变量模型时，这个函数必须是一对一的，所以要固定u1以外的变量，或者使其他变量不影响y1。〔2〕信号选择性设计检测系统时要选择必要的信号，消除其他变量的影响，以提高检测精度。以金属丝的电阻值变化为例，它与金属种类、纯度、形状、温度有关。当用作热电阻测温时，选择其随温度变化的特性，而要防止变形影响；当用作应变测量时，那么选择其形状变化的特性，而要设计抵消温度影响的检测结构。9整理课件3.2.3检测系统的结构分析一般传感器可视为多输入单输出系统。10整理课件1.补偿结构

设被检测量为u1，干扰量为u2，传感器A为测量用传感器，同时受u1、u2的作用，并在u1、u2有微小变化时，输出信号分别为：

yA＝fA(u1，u2)

→yA＝fA(u1＋△u1，u2＋△u2)

传感器B为补偿用传感器，受干扰量u2及其微小变化的影响，并在设定的u1时输出分别为：yB＝fB(u1，u2)

→yB＝fB(u1，u2＋△u2)补偿结构是利用传感器B的输出结果，补偿传感器A中的干扰量作用，使检测系统的输出结果不受被检测参数以外的干扰参数的影响，实现信号选择性。11整理课件补偿结果输出y为：y＝yA－yB＝fA(u1＋△u1，u2＋△u2)－fB(u1，u2＋△u2)上式按级数展开，并展开到△u1，△u2的二次项，可得到：在△u2的变化范围内，补偿传感器B的输出特性假设满足：fB(u1，u2)=fA(u1，u2)式(3—6)可简化成：式(3—8)中还有△u1·△u2项，因此补偿不一定是完全的。（3－6）（3－8）12整理课件用上述差值补偿结构是不能实现完全补偿的。在这种情况下如果f(u1，u2)是u1，u2单函数的乘积时，即可以实现对u2的完全补偿。因为式(3—9)的二次偏微分为零。如果f(ul，u2)是u1，u2单函数的线性组合，即取两传感器输出的比值作为补偿结果y，那么有：补偿结果Y中已不包含△u2的影响，实现了完全补偿。这种补偿方式称为比率补偿。（3－9）(3—10)13整理课件满足补偿精度要求：补偿用传感器的特性在干扰量变化范围内应与检测用传感器特性相一致。例：应变式压力传感器的补偿结构其中：R1、R3为应变片；R2、R4为固定电阻。R1：受拉力(u1+△u)变化R3：受拉力u1＝固定值△u＝0压力电阻变化温度电阻变化△u=0：R1=R3=R2=R4△u≠0：R1增加，Uo增加温度t升高时：R1增加，R3增加，Uo保持不变R3作用：温度补偿14整理课件其中△u1反对称地作用于两个传感器。由于f1和f2的对称作用，可以保证：2差分结构差分结构可以看做是补偿结构的特例。差动结构的两传感要素一般采用空间对称结构形式，使测量参数反对称地发生作用；干扰或影响参数起对称作用。两结构的差值：(3—14)15整理课件将式(3—14)级数展开到二次项，得到：与补偿结果式子(3—8)相比，△u1的二次项也抵消了，即差动结构起到了线性化的作用，也提高了对△u