第三章-检测技术及方法分析

1、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。,传感器的分类方法： 检测对象：温度、压力、流量、液位等； 传感原理或反应效应：光电、压电、热阻等； 传感器的材料：半导体、无机材料、生物材料等； 应用领域：化工、电力、家电、科学计量等系统； 反应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

2、阻。 输出信号形式：模拟量和数字量。,3.1 检测方法及其基本概念,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？,3.1.2 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。比如：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。比如：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：由基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基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

3、方法。用弹簧管压力计测量压力时，要用已知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。,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。 比如：用弹簧秤检测重量。偏差法一般都是开环型结构。 零位法：采取与同种类的已知量取平衡的方法进行测量。 零位法是反馈型闭环检测方法。 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，达到平衡时的砝码质量则等于被测物体的质量（砝码：标准量具）。,3.1.5 强度变量检测与容量变量检

4、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。,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 测量被检测量与已知量的差值。 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910=09mm，此时游标卡尺的分度值是01

5、mm。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，被测尺寸的小数部分等于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。,3.2 检测系统模型与结构分析,3.2.1 检测系统的基本功能 三大部分：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，从属的输出变量为y1，y2，ym，内部变量为x1，x2，xn。系统状态方程式为：,标定：改变输入量u，记录输出量y的过程。 检测：在标

6、定的基础上由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，则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。,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。,1. 补偿

7、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( u1u1，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。,补偿结果输出y为： y yAyBfA(u1u1，u2u2)fB(u1，u2u2) 上式按级数展开，并展开到u1 ，

8、 u2的二次项，可得到：,在u2的变化范围内，补偿传感器B的输出特性若满足： fB(u1，u2)=fA(u1，u2) 式(36)可简化成：,式(38)中还有u1u2项，因此补偿不一定是完全的。,（36）,（38）,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(39)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，则有：,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。,（39）,(310),满足补偿精度要求：补偿

9、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u0,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,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：,(314),将式(314)级数展开到二次项，得到：,与补偿结果式子(38)相比，u1的二次项也抵消了，即差动结构起到了线性化