1、过程参数检测及仪表,火电厂,在火力发电厂中，一台小型的20万千瓦机组，它的检测点约有500600个，各种传感器、变送器、仪表、阀门有上千台。它的锅炉产汽量为670T/h，每小时耗煤66T，每天耗煤1584T，需要一列火车运输。如果按补水率3计算，每天需补水482.4T，热效率为38左右。,典型的过程参数检测系统工业锅炉检测系统,典型的过程参数检测系统工业锅炉检测系统,检测技术在探月工程中的应用,检测技术在卫星中的应用,红外扫描区域,人造卫星,检测技术在海啸预报中的应用,海浪振动检测系统,浮标,深海地沟,四川地震中的生命探测仪及其使用,奥运会中电子报靶：提高了射击比赛结果的可靠性,大直径电涡流探
2、雷器,光电自动门,自动门光电传感器放大图,有效检测区域,压电式脚踏报警器,检测技术在飞机安全检查中的应用,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开检测技术。检测技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。,检测技术在国民经济中的地位和作用,第一章 检测技术概述,1.1 检测技术的基本概念,1.1.1 检测的基本概念,测量：,以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作,检测技术：,检测过程：,测量,+,信号检出（极为重要）,信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理,检测：,是意义更为广泛的测量,1、检测与测量,测量的定义：人们借助某种工具，通过某
3、种方法，将被测量X显示出来(单位为b)。,1)测量过程的三要素：测量方法；测量单位； 测量工具,3)测量误差原因: 方法?工具?数值化后的比值位数方法合理；单位稳定；工具准确,2) 测量值，真值,测量值，与真值有误差,真值，被测量的真实数值,4）测量单位,被测量 基准量,避免混乱 - 国际单位制（SI）：,长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 光量,实物单位-千克标准原器,米,-光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485,能量（J）=力 距离,大得多/小得多-词头：mm、m、nm（10-9m）； kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz）,单位,测量：,SI 基本单位
4、：,倍数（结果）,SI 组合单位：,七个物理量单位 - 相互独立,由基本单位导出,=质量 加速度 距离,J = kg（m/s2）m = m2kg/s2,能量 - 焦（耳）：长度、质量、时间,（m）,（kg）,（s）,（A）,（K）,（mol）,（cd）,2、检测过程,由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量 例：水银温度检测系统和流量检测系统。,1.1.2 检测系统构成,1.1.2 检测系统构成,（信号检出部分）,（信号变换部分）,（分析处理部分、通信接口及总线）,1、信号检出部分,传感器（Sensor）- 检出功能的器件,信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）,特点：,1）输出量为电压、电
5、流、频率,2）输出的电信号一般较微弱：,电压 - 毫伏级、微伏级；电流 - 毫安级、纳安级,3）输出信号与噪声混杂在一起 - 传感器内部噪声传感器的信噪比小、输出信号弱 - 信号淹没在噪声中,4）传感器的输出特性呈线性或非线性,选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制,电阻、电容、电感,两种：数字量、模拟量,5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性,检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分,2、信号变换部分,检出信号,适合于分析和处理的信号,信号调理电路,阻抗变换 - 输出阻抗很高时；,电压/电流（V/A）转换 - 需要电流
6、输出时；,目的：,4）简化后续系统的组成,2） 消除或抑制传感器输出量中的无用信号,3）提高测量、分析的准确度,信号放大 - 输出信号微弱时；,噪声抑制 - 信号淹没在噪声中；,模拟/数字（A/D）转换 - 需要输出数字信号时,1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量,3、分析处理部分,功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换,不断注入新内容 - 检测系统的研究中心,通用标准接口 - 不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联,4、通信接口与总线部分,计算机系统 - 强大问题分析能力、复杂系统的实时控制,自动化、智能化,USB、 IEEE-488、 RS-232（串行）、并行,
7、总线：传送数字信号的公共通道 - 信号线的集合,RS-232C、VXI、Centronics（并行）,（硬件系统）,（规范、结构形式）,接口 - 分系统和上位机之间/分系统之间交换信息,1、产品检验和质量控制的重要手段,1.1.3 检测技术的作用与意义,被动检测,主动检测（在线检测）,质量控制领域,2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用,故障监测系统,动态监测,保证设备和人员安全提高经济效益,3、自动化系统中不可缺少的组成部分,生产过程：,“物流”,“信息流”,检测,获取信息,分析判断,自动控制,自动化：,信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行,4、检测技术的完善和发展推动着现
8、代科学技术的进步,检测手段水平决定科学研究的深度和广度,理论研究成果离不开必要的检测手段,1.1.4 检测方法,选择：被测量的性质、特点和测量任务要求,分类：,（1）按测量手续：直接测量、间接测量,（2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、差分式测量,（3）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、非接触式测量,（4）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量,1、直接测量与间接测量,直接测量 - 与同类基准进行简单的比较以得到被测量,线纹尺 - 物体尺寸、天平 - 物体重量,间接测量 - 被测量无法或不易进行直接测量,自变量,目标变量,负载电阻功率 = 电压 电流,（直接测量）,直接测
9、量,电子卡尺,间接测量法：对无法直接测量的量，转换为对该量所产生的某种效应进行测量。 如：测酸、碱、盐溶液的浓度.,I,用压电传感器 测驾驶员座椅的 受力分布。,待测粮食,传送带,粮食烘干装置,待测粮食的含水量与反射光强 I 有关,间接测量,对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量（阿基米德测量皇冠的比重）。,曹冲称象,方法：比较法；,装置：船、石头、小秤；,检查、测量，从而得到：,定性、定量的结果。,一般来说，间接测量法需要测量的量较多，因此测量和计算的工作量较大，引起误差的因素也较多。,静态测量,动态测量,地震测量 振动波形,2、偏移法与零位法测量,1）偏移法 - 完全从被测量中获得信号转
10、换所需能量,例：弹簧秤,2）零位法 - 不从信号源获得能量,作用：,测量原理线性化、 提高灵敏度,结构：对称结构的两个传感器，被测量反对称作用在两个传感器上,（常见检测结构形式）,例：天平称量物体,3、差分式测量,消除干扰的影响,4、随动跟踪测量,- 基于零位法的测量,例：高精度电子秤、伺服加速度计、高精度压力传感器,- 智能化检测的标志之一,5、主动探索与信息反馈型检测,自适应能力：,被测对象,1.1.5 检测技术的发展趋势,检测技术,相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等,新的检测理论、方法和技术手段,1、传感器水平的提高,光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为敏
11、感元件）、超导传感器、焦平面陈列红外探测器等,不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性,提高测量精度,数字电压、欧姆表,将量程切换到2V时，最小显示值为1V,提高可靠性,承受剧烈振动,2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域,月球车,化学传感器、 微生物传感器、 仿生传感器（代替视觉、嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器,2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域（续）,火星车,2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域（续）,“惠更斯”号登陆土卫六的效果图,土卫六表面,微电子技术 - 多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上,
12、 一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体,多功能传感 - 不同功能的传感器集成化, 集成化：,特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数,例：测量血液中各种成分的多功能传感器,特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数据处理（传感器和数据处理电路集成）,3.发展集成化、小型化、微型化化的传感器,3.发展集成化、功能化的传感器,可拍照的手机,4.采用计算机技术，使检测技术智能化,生物特征识别：,人脸,脸部热量图,指纹,手形,手部血管分布,虹膜,视网膜,签名,语音,北京奥运开幕式人脸识别门票查验现场观众人脸身份验证,中科院人脸识别技术成功用于奥运会开幕式8月8日，数万名观众由国家体育
13、场鸟巢的100多个人脸识别系统快速身份验证关口有序入场，参加2008北京奥运会的开幕式。,4.采用计算机技术，使检测技术智能化（续）,单片机芯片,51,检测系统采用分布式结构：,网络化传感器：传感器在现场级实现TCP/IP协议，使现场检测数据就近登录网络，在网络所能及的范围内实时发布和共享。,5.发展网络化传感器及检测系统,52,网络化传感器基本结构如下图所示：,5.发展网络化传感器及检测系统,5.发展网络化传感器及检测系统,1.2 检测仪表的基本概念,1.2.1 检测仪表的定义,第一过程,第二过程,检测仪表是检测系统的基本单元,1、 检测仪表组成,2、主要名称术语,传感器（transduce
14、r）：,敏感元件（sensor）:,变送器（tansmitter）：,被测参数（measured）,待测参数（parameter to be measured）,直接测量（direct measurement）,间接测量（indirect measurement）,是内藏于传感器中的元件,是包含敏感元件及其辅助电路在内的功能器件,输出为标准信号的传感器,被测量值的物理属性：,电量、非电量,检测原理（物理的、化学的、生物学的）：,检测方法：,直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态,电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等,1.2.2 检测仪表的分类,1.2.2
15、 检测仪表的分类,1、按被测参数分类,2、按对被测参数的响应形式分类,3、按使用能源和主要信息的类型分类,4、按是否具有远传功能分类,5、按信号的输出（显示）形式分类,6、按应用场合,7、按仪表的结构方式分类,（1）开环结构仪表,传递函数：,相对误差,（2）闭环结构仪表,1.2.3 检测仪表的基本性能,1、测量范围和量程,量程测量上限值测量下限值,2、输入输出特性,（1）灵敏度,灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。可表示为,它是输入输出特性曲线的斜率。,如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度是一个常数。否则，它将随输入量的大小而变化。,一般希望灵敏
16、度s在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。,由于输入和输出的变化量一般都 有不同的量纲，所以灵敏度s也是有量纲的。如输入量为温度(C)，输出量为标尺上的位移(格)，则s的量纲为格/C。如果输入量和输出量是同类量，则此时s可理解为放大倍数。,因此，灵敏度比放大倍数有更广泛的含义。,（2) 死区,当系统输出信号不发生变化时所对应的输入信号的变化范围,- 系统元件的摩擦及空程等现象引起的,(3) 回差,- 迟滞/滞后误差,正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间 - 检测装置输入 输出曲线的不重合程度,外界条件不变 - 同一大小的输入信号
17、- 正反行程的输出信号数值不相等,产生：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞 - 实验确定,- 满量程输出yFS的百分比表示,（4）线性度,a) 端点连线：连接最大与最小标定值的直线 - 端基直线,非线性误差 - 实测曲线偏离理想直线的程度,理想检测系统 - 输出与输入 - 比例关系：y(t)=kx(t),实际检测装置 - 输出与输入不是理性的线性关系,表示：实际测得的输入输出特性曲线（标定曲线）与其拟和直线之间的最大偏差与检测装置满量程输出范围之比：e =m/yFS,1 - 标定曲线,2 - 拟和直线,简单、方便，偏差大，与测量值有关,获取拟合直线方法：,作图法求线
18、性度演示 （ 1拟合曲线 2实际特性曲线 ）,作图法求线性度演示 （ 1拟合曲线 2实际特性曲线 ）,获取拟合直线方法：,(c) 最小二乘法：,计算：有n个测量数据: (x1,y1), (x2,y2), , (xn,yn)， (n2)残差：i = yi (a + k xi) 残差平方和最小：2i=min,使得正负行程的非线性偏差相等且最小,(b) 最佳直线法：,精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）,简单实用，三点作图法（两高一低/两低一高）,3、稳定性,4 、重复性与再现性,重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即,重复性是指在相同测量条件下，对同一被测量，按同一方向多次测量时，检测仪表的各输出
19、值之间的一致程度。,Rmax1正行程的最大重复性偏差， Rmax2反行程的最大重复性偏差。,重复性是指在相同测量条件下，在规定的相对较长的时间内，对同一被测量从两个方向上重复测量时，检测仪表的各输出值之间的一致程度。,重复性不包括回差， 再现性包括回差，也包括了重复性,5、 可靠性,保险期,有效性,狭义可靠性,6、误差,（1）绝对误差,绝对误差是仪表输出值与被测参数真值之间的差值，即,测量误差 测得值 真值,客观真实值（未知）,1m = 1650763.73 , 约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值, 相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值,如：米 - 公
20、制长度基准, - 氪-86的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长, 理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值,光在真空中1/299792485s时间内传播距离,（2）相对误差,测量的绝对误差与被测量的真值之比,绝对误差很小,定义：,表示：百分数（%）- 分子分母量纲相同,确切反映测量效果：被测量的大小不同 - 允许的测量误差不同,被测量的量值小 - 允许的测量绝对误差也越小,（3）引用误差,引用误差是绝对误差与仪表的量程比的百分数，即,质量G1=50g，误差1=2g；质量G2=2kg，误差2=50g，求各自相对误差。,- G2的测量效果较好,【例1-1 】,【解】,（4）仪
21、表基本误差,（5）仪表满刻度相对误差,在标准条件下，仪表全量程范围内各输出值误差中绝对值最大者称为仪表的基本误差。,仪表基本误差与仪表量程比的百分数在数值上就是仪表的准确度,（6）允许误差,这是仪表制造单位为保证仪表不超过基本误差而设的限值,7、准确度与准确度等级,仪表准确度：,仪表给出接近于真值的响应能力,我国电工仪表、压力表的准确度等级（accuracy class）就是按照引用误差进行分级的。,当一个仪表的等级s选定后，用此表测量某一被测量时，所产生的最大绝对误差为,最大标称相对误差为,绝对误差的最大值与该仪表的标称范围（或量程）上限xm成正比,选定仪表后，被测量的值越接近于标称范围（或
22、量程）上限，测量的相对误差越小，测量越准确,（公式2）,（公式1）,仪表准确度等级选择原则, 不应单纯追求测量仪表准确度越高越好，而应根据被测量的大小，兼顾仪表的级别和标称范围（或量程）上限合理进行选择。, 选择被测量的值应大于均匀刻度测量仪表量程上限的三分之二，即,测量的最大相对误差不超过,即测量误差不会超过测量仪表等级的1.5倍。,某被测电压为100伏左右，现有0.5级、量程为300伏和1.0级、量程为150伏两块电压表，问选用哪一块合适？,由公式2，当用0.5级、量程为300伏的电压表测量时，有,当用1.0级、量程为100伏的电表测量时，有,可见，如果量程选择适当，用1.0级电压表进行测
23、量与用0.5级一样准确。考虑到仪表等级越高，成本越高，故应选择1.0级电压表进行测量。,【例1-2 】,【解】,8、动态响应特性,动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。,如果规定仪表输出值变化量达到稳定值的63.2% ,则所需要的时间称为仪表的响应时间，也称为仪表的时间常数。,这个时间短，说明仪表的动态响应特性好,检定:根据规定的指标,评定仪表的性能,以确定仪表是否合格 标准：国家计量检定规程 检定方法:定点法和示值法 定点法:被检测表检测某种标准值,从而确定仪表的示值误差. 示值比较法:被检仪表与标准仪表同时去测量同一被测量,比较两者的指示值,确定仪表的质量指标,1.3 仪表的检定,
