1、 自動檢測技術及儀表控制系統第一編基礎知識引論第一編基礎知識引論1 緒論2 誤差分析基礎及測量不確定度3檢測技術及方法分析檢測及控制裝置與檢測及控制裝置與外界環境之間的三種界面關系外界環境之間的三種界面關系3檢測技術及方法分析檢測與控制裝置與外界環境間的三種信息界面關系：檢測與控制裝置與外界環境間的三種信息界面關系：1 1、通過傳感器、執行器對控制對象的檢測與控制；、通過傳感器、執行器對控制對象的檢測與控制；2 2、裝置與其他系統之間的信息交換；、裝置與其他系統之間的信息交換；3 3、裝置的人機界面，實現人機交互；、裝置的人機界面，實現人機交互； 傳感器的分類方法： 1）檢測對象：溫度、壓力、

2、位移 2）傳感原理或反應效應：光電、壓電、熱阻 3）傳感器材料：半導體、有機、無機、生物材料 4）應用領域：化工、紡織、造紙、電力、家電、交通 5）反應形式或能量供給方式：能動被動，能量變換能量控制 6）輸出信號形式：模擬量，數字量3檢測技術及方法分析3.1 檢測方法及其基本概念只有傳感器并不等于具有完備的檢測技術或方法，除只有傳感器并不等于具有完備的檢測技術或方法，除傳感器外還需要一定的檢測結構，用于有選擇地實現信號傳感器外還需要一定的檢測結構，用于有選擇地實現信號轉換。檢測技術理論就是針對復雜問題的檢測方法、檢測轉換。檢測技術理論就是針對復雜問題的檢測方法、檢測結構以及檢測信號處理等方面進

3、行研究的一門綜合性科學。結構以及檢測信號處理等方面進行研究的一門綜合性科學。下面分別介紹與其有關的一些基本概念下面分別介紹與其有關的一些基本概念3.1.1 開環型檢測與閉環型檢測3.1 檢測方法及其基本概念1 1、開環型檢測系統：、開環型檢測系統：由傳感器、信號放大器、轉換電路、由傳感器、信號放大器、轉換電路、顯示器等串聯組成。顯示器等串聯組成。2 2、反饋型閉環檢測系統：、反饋型閉環檢測系統：如圖。如圖。正向通道中的變換器通常是將被測信號轉換成電信號，正向通道中的變換器通常是將被測信號轉換成電信號，反向變換器則將電信號變換為非電信號。反向變換器則將電信號變換為非電信號。平衡式儀表及檢測系統一

4、般采用這種伺服結構。平衡式儀表及檢測系統一般采用這種伺服結構。3.1 檢測方法及其基本概念1 1、直接檢測：、直接檢測：與同類基準進行簡單的比較，就能得到測量值的檢測與同類基準進行簡單的比較，就能得到測量值的檢測方法稱作直接檢測。方法稱作直接檢測。例如：利用電橋將阻抗值與已知標準阻抗相比較，用例如：利用電橋將阻抗值與已知標準阻抗相比較，用電壓表測電壓，用速度檢測儀測速度等都屬于直接檢測電壓表測電壓，用速度檢測儀測速度等都屬于直接檢測2 2、間接檢測：、間接檢測：就是測量量與被檢測量有一定關系的就是測量量與被檢測量有一定關系的2 2個或個或3 3個以上物個以上物理量，然后再推算出被檢測量的方法。

5、理量，然后再推算出被檢測量的方法。例如：例如： 由測量移動距離和所要時間求速度，測量電流由測量移動距離和所要時間求速度，測量電流和電阻值求電壓等。和電阻值求電壓等。間接檢測需要進行間接檢測需要進行2 2次以上的測量，一般要分析間接誤次以上的測量，一般要分析間接誤差的傳遞。差的傳遞。3.1.2 直接檢測間接檢測3.1.3 絕對檢測與比較檢測1、 絕對檢測絕對檢測是指由基本物理量測量而決定被測量的方法。是指由基本物理量測量而決定被測量的方法。例如用水銀壓力計測量壓力時，從水銀柱的高度、密例如用水銀壓力計測量壓力時，從水銀柱的高度、密度和重力加速度等基本量測量決定壓力值。度和重力加速度等基本量測量決

6、定壓力值。2 2、比較檢測、比較檢測與同種類量值進行比較而決定測量值的方法稱為比較與同種類量值進行比較而決定測量值的方法稱為比較檢測方法。檢測方法。例如用彈簧管壓力計測量壓力時，要用已知壓力校正例如用彈簧管壓力計測量壓力時，要用已知壓力校正壓力計的刻度，被測壓力使指針擺動而指示的壓力是通過壓力計的刻度，被測壓力使指針擺動而指示的壓力是通過比較或校正得出的。比較或校正得出的。3.1 檢測方法及其基本概念3.1 檢測方法及其基本概念3.1.4 3.1.4 偏差法與零位法偏差法與零位法1、 偏差法：偏差法：又稱偏位檢測方法又稱偏位檢測方法因檢測而使被測對象的狀態發生變動的檢測方法。這因檢測而使被測對

7、象的狀態發生變動的檢測方法。這種方法結構簡單，測量結果直觀，被檢測量與測量值的關種方法結構簡單，測量結果直觀，被檢測量與測量值的關系容易理解。系容易理解。偏差法一般都是開環型結構，增益大。信號轉換需要偏差法一般都是開環型結構，增益大。信號轉換需要的能量要從被檢測對象上獲得。的能量要從被檢測對象上獲得。例如用彈簧秤檢測重量；用接觸式溫度計測量溫度，例如用彈簧秤檢測重量；用接觸式溫度計測量溫度，2 2、零位法、零位法零位法屬于反饋型閉環檢測方法，采取與同種類的已零位法屬于反饋型閉環檢測方法，采取與同種類的已知量取平衡的方法進行測量。知量取平衡的方法進行測量。例如用天平測量質量，觀察平衡指針的擺動，

8、判斷并例如用天平測量質量，觀察平衡指針的擺動，判斷并調整砝碼的輕重，達到平衡時的砝碼質量則等于被測物體調整砝碼的輕重，達到平衡時的砝碼質量則等于被測物體的質量。的質量。3.1.5 強度變量檢測與容量變量檢測輸入輸出端的強度變量輸入輸出端的強度變量與容量變量與容量變量信號變量（粗箭頭）與信號變量（粗箭頭）與誤差變量（細箭頭）誤差變量（細箭頭）3.1 檢測方法及其基本概念1、 概念：概念：強度變量：強度變量：對應變量作用的大小，與體積、質量等無關對應變量作用的大小，與體積、質量等無關的檢測，如壓力、溫度、電壓等。的檢測，如壓力、溫度、電壓等。容量變量：容量變量：與占據空間相關，與體積、質量成比例關

9、系與占據空間相關，與體積、質量成比例關系的量。如長度、重量、熱量、電流等。的量。如長度、重量、熱量、電流等。2 2、舉例：熱電偶測溫、舉例：熱電偶測溫3.1.5 強度變量檢測與容量變量檢測3.1 檢測方法及其基本概念3 3、強度變量與容量變量是在檢測系統的輸入、輸出兩端共、強度變量與容量變量是在檢測系統的輸入、輸出兩端共軛存在的變量，一方傳遞信息，另一方總是直接或間接地軛存在的變量，一方傳遞信息，另一方總是直接或間接地與誤差有關。因此，為了使測量不影響被測對象的狀態，與誤差有關。因此，為了使測量不影響被測對象的狀態，而且減少測量誤差，需要盡量抑制共軛變量的影響。而且減少測量誤差，需要盡量抑制共

10、軛變量的影響。3.1.6 微差法3.1 檢測方法及其基本概念1、 概念：概念：測量被檢測量與已知量的差值。測量被檢測量與已知量的差值。這種方法盡管測量值的有效數字位數少，只要對差值這種方法盡管測量值的有效數字位數少，只要對差值的檢測精度高，很容易達到高精度檢測的要求。的檢測精度高，很容易達到高精度檢測的要求。2 2、舉例：游標卡尺測量、舉例：游標卡尺測量游標卡尺游標卡尺主尺與游標刻線精度均不高，但通過微差法主尺與游標刻線精度均不高，但通過微差法大大提高測量精度。大大提高測量精度。3.1.7 替換法3.1 檢測方法及其基本概念由于系統誤差的存在，當把被測物與標準比較物的主由于系統誤差的存在，當把

11、被測物與標準比較物的主次或先后順序置換過來時，可以排除測量過程中因順序所次或先后順序置換過來時，可以排除測量過程中因順序所造成的誤差影響。造成的誤差影響。例如改變天平放砝碼托盤的左右位置，兩次測量質量例如改變天平放砝碼托盤的左右位置，兩次測量質量取其平均值的方法等。取其平均值的方法等。3.1.8 能量變換與能量控制型檢測元件 能量變換型檢測： 輸出信號的能量是傳感器吸收的能量的一部分，輸入信號的能量部分轉換成輸出信號 太陽能電池、熱電偶 能量控制型檢測： 被檢測量控制了從電源轉向輸出信號的能量的流動 光敏電阻、熱敏電阻3.1 檢測方法及其基本概念3.1.9 主動探索與信息反饋型檢測 根據探索行

12、為所逐一得到的檢測結果來判斷被檢測對象的性質及狀態，并重復進行探索，深入掌握其狀態。各種主動探索與信息反饋檢測的形態各種主動探索與信息反饋檢測的形態3.1 檢測方法及其基本概念3.2.1 檢測系統的基本功能1信號轉換與信號選擇2基準保持與比較3顯示與操作3.2 檢測系統模型與結構分析3.2.2 信號轉換模型與信號選擇性 1）信號轉換的數學模型： 獨立的輸入變量： 從屬的輸出變量： 內部變量： 系統狀態方程： 標定：檢測：12,ru uu12,my yy12,nx xx12121212,;,;,iinrjjnrxgx xx u uuyfx xx u uuuyyu3.2 檢測系統模型與結構分析3.

13、2.2 信號轉換模型與信號選擇性3.2 檢測系統模型與結構分析設計檢測系統時要設計檢測系統時要選擇必要的信號選擇必要的信號，消除其他變量的，消除其他變量的影響，以提高檢測精度。這是一種在成本、開發周期等經影響，以提高檢測精度。這是一種在成本、開發周期等經濟條件和時間條件的制約下的優化選擇問題，即濟條件和時間條件的制約下的優化選擇問題，即實現信號實現信號變換特性與信號選擇特性之間的優化結合。變換特性與信號選擇特性之間的優化結合。例：以金屬絲的電阻值變化為例，它與金屬種類、純例：以金屬絲的電阻值變化為例，它與金屬種類、純度、形狀、溫度有關。度、形狀、溫度有關。當用作熱電阻測溫時當用作熱電阻測溫時，

14、選擇其隨溫度變化的特性，而，選擇其隨溫度變化的特性，而要防止變形影響；要防止變形影響；當用作應變測量時，當用作應變測量時，則選擇其形狀變化的特性，而要則選擇其形狀變化的特性，而要設計抵消溫度影響的檢測結構。設計抵消溫度影響的檢測結構。3.2.3 檢測系統的結構分析 傳感器的輸入信號，除被檢測參數外，還有其他未知參數或干擾參數，因此，一般傳感器可視為多輸入單輸出系統傳感器的多輸入單輸出形式傳感器的多輸入單輸出形式3.2 檢測系統模型與結構分析3.2 檢測系統模型與結構分析3.2.3 檢測系統的結構分析 3.2.3.1 補償結構基本補償結構基本補償結構3.2 檢測系統模型與結構分析3.2.3 檢測

15、系統的結構分析 3.2.3.2 差分結構 利用了對稱與反對稱的輸入輸出特性。差動結構示意差動結構示意3.2 檢測系統模型與結構分析3.3.1 時域信號選擇方法 1）基于同步加算的去噪方法 2）基于響應速度的分離方法基于同步加算的去噪結果基于同步加算的去噪結果3.3 提高檢測精度的方法3.3.2 頻域信號選擇方法 1）濾波放大與調頻放大方法 信號和噪聲所占有的頻率段不同調頻帶通放大原理調頻帶通放大原理3.3 提高檢測精度的方法3.3.2 頻域信號選擇方法 2）陷波放大方法 噪聲信號頻帶非常窄3.3 提高檢測精度的方法3.3.2 頻域信號選擇方法 3）鎖定放大方法 微弱信號埋沒在噪聲中時，主動調制

16、信號、抑制噪聲基于鎖定放大器的微弱信號檢測原理基于鎖定放大器的微弱信號檢測原理3.3 提高檢測精度的方法3.4.1 多元檢測與檢測方程式 被檢測量為 ，傳感器輸出為 ，多元檢測可以用聯立檢測方程式表示： 線性，非線性1,nXxx1,nYyy1,iinyfxxYHX3.4 多元化檢測技術3.4.2 多元復合檢測 若被檢測量有n個，那么最少需要n個獨立的檢測方程式。 獨立的檢測方程式個數不夠時，可以給未知參數加上已知量，采用同一檢測原理，構成另一檢測方程。 例：吹氣式液位檢測 通過測量導管內的壓力進而檢測液位吹氣式液位計的復合檢測原理吹氣式液位計的復合檢測原理3.4 多元化檢測技術3.4.3 多元識別檢測 例：多傳感器氣體成分分析 以金屬氧化物半導體膜為主 對多成分氣體的反應交叉靈敏性是非線性的多傳感器氣體成分分析系統及多