导图社区 检测与仪表
这是一篇关于十二章,检测与仪表的思维导图,主要内容包括:检测仪表,传感器,电工电子测量仪表及其性能,检测的基本概念。对于每一个物理对象,都包含有一些能表征其特征的定量信息,这些定量信息往往可用一些物理量的量值来表示。测量就是借助一定的仪器或设备(计量器具),采用一定的方法和手段,对被测对象获取表征其特征的定量信息的过程,其结果体现形式是被测对象物理量的量值。
编辑于2024-06-12 15:59:53十二章,检测与仪表
检测的基本概念
测量与检测
1.测量的基本概念 对于每一个物理对象,都包含有一些能表征其特征的定量信息,这些定量信息往往可用一些物理量的量值来表示。测量就是借助一定的仪器或设备(计量器具),采用一定的方法和手段,对被测对象获取表征其特征的定量信息的过程,其结果体现形式是被测对象物理量的量值。测量的实质是将被测量与同种性质的标准单位量进行直接或间接比较的过程,可用公式表示为X =nE 式中,X为被测量的测量结果,E为测量单位的标准量,风为两者的比值(是一个纯数测量结果可用一定的数值表示,也可以用曲线或图表表示。无论表示形式如何,测量结果都应包括两个部分:一部分是比值的大小(含符号),另一部分是相应标准量的单位,测量结果若不注明单位是没有意义的。 由测量的定义可知,测量过程的核心环节是比较,在大多数情况下,被测量和测量单位不便于直接比较,这时需把被测量和测量单位都变换到某个便于比较的中间量,然后再进行比较。 测量过程的三要素为测量装置、测量方法和测量单位。 2.检测与测量的关系 通过测量可以得到被测量的测量值,但是在有些情况下测量的目标还没有全部达到。为了准确地获取表征对象特性的定量信息,往往还要对测量数据进行数据处理和误差分析,并估计测量结果的可靠程度。 检测则是意义更为广泛的测量,包括测量、信息提取、信号转换与传输、存储与显示等环节。检测技术包括测量方法、检测装置和检测信号处理等内容。
测量方法的分类
选择何种测量方法是由被测对象的种类、数值大小、所需的测量精度和测量速度、测量环境和测量条件等一系列因素决定的。 测量方法可从不同的角度进行分类,按获取被测量的手段可以分为直接测量和间接测量;按测量敏感元件(传感器)是否与被测介质接触,可以分为接触式测量和非接触式测量;按测量的方式可以分为偏差测量法、零位测量法、微差测量法和组合测量法;按测量系统是否向被测对象施加能量,可以分为主动式测量和被动式测量。
1.直接测量法与间接测量法 1)直接测量法 在使用仪表进行测量时,对仪表读数不需要经过任何运算,就能直接表示测量所需要的结果,称为直接测量。例如,使用米尺测长度、用玻璃管水位计测水位等均为直接测量。直接测量过程简单、迅速,缺点是测量准确度往往不高。 需要注意的是,直接测量法并不限于用直读式仪表进行的测量,例如,使用电压表(直读式仪表)和电位差计(比较式仪表)测量电压,两者均属于直接测量。只要参与测量的对象就是被测量本身,都属于直接测量。 2)间接测量 某些被测量的量值不能通过直接测量获取。对这类被测量进行测量时,首先应对与被测量有确定函数关系的几个量进行直接测量,然后将测量结果代入函数关系式,经过计算得到所需要的结果,这种测量方法称为间接测量。对于未知待测变量y有确切函数关系的其他变量x(或n个变量)进行直接测量,然后再通过确定的函数关系式y=f(x1, X2,.,xn),计算出待测量y。
2.接触式测量与非接触式测量 1)接触式测量 在测量过程中,检测仪表的敏感元件或传感器与被测介质直接接触,感受被测介质的作用,这种测量方法称为接触式测量,典型例子为使用金属热电阻测量介质温度。接触式测量比较直观、可靠,但传感器会对被测介质造成干扰。且当被测介质具有腐蚀性、氧化性等特殊性质时,对传感器的性能会有特殊要求。 2)非接触式测量 在测量过程中,检测仪表的敏感元件或传感器不直接与被测介质接触,而是采用间接方式来感受被测量的作用,这种测量方法称为非接触式测量,非接触式测量在测量时不干扰被测介质,适于对运动对象、腐蚀性介质及在危险场合下的参数测量。
主动式测量与被动式测量 1)主动式测量 主动式测量通过投射能量或使用某种辅助工具等手段主动对被测对象施加影响以求获得更好的测量效果。测量过程中,需从外部辅助能源向被测对象施加能量。主动式测量相当于用被测量对一个能量系统的参数进行调制,故又称为调制式测量。主动式测量往往可以取得较强的信号,但测量装置的结构一般比较复杂。 2)被动式测量 被动式测量依据一定的几何和物理定律,对直接来自被测对象的、不受观测者控制的某种可用信息进行处理,以获得被测对象有关参量的数值。测量过程中,无须从外部向被测对象施加能量。被动式测量所需能量由被测对象提供,被测对象的部分能量转换为测量信号,故又称为转换式测量。被动式测量的测量装置一般比较简单,但所取得的信号较弱。
测量误差
1.测量误差的定义 心1心命测流速工作原理图 图12-10基于目标辐射强度测量的被动测距原理 测量是一个变换、放大、比较、显示、读数等环节的综合过程。由于检测系统(仪表)不可能绝对精确,测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等,也使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而总存在一定的偏差(误差公理),这个偏差就是测量误差。简而言之,测量误差就是测量结果与被测量真值之间的差,即8=x-u 式中,8表示测量误差;x表示示值或测量结果(由测量所得到的被测量值);u表示被测量的真值。 与真值相关的几个概念: (1)真值:某一被测量在一定条件下客观存在的、实际具有的量值。如三角形三内角和为180o等。 (2)约定真值:指人们定义的,得到国际上公认的某个物理量的标准值,通常用于在测量中代替真值。例如,保存在国际计量局的1kg铂铱合金原器就是1 kg 质量的约定真值。 (3)标称值:计量或测量器具上标注的量值,称为标称值。如天平的砝码上标注的100g、精密电阻器上标注的250 等。由于制造工艺的不完备或环境条件发生变化,这些计量或测量器具的实际值与标称值之间通常存在一定的误差,使计量或测量器具的标称值存在不确定度,通常需要根据精度等级或误差范围进行测量不确定度的评定。 (4)相对真值:日常工作中的测量仪器不可能一一都与国家计量院的基准仪器进行对比,即真值或约定真值很难获得。通常只能通过多级计量网,按照法定的规程,进行一系列的标准的逐级传递来作为相对真值。高级标准器的误差与低级标准器或普通仪器的误差相比,为其1/5时,可认为前者的示值是后者的相对真值。 注意:计量器具一般是由计量检测部门(质量技术监督局)授权企业制造,生产的 计量器具需要定期检定。
绝对误差:如上式 相对误差:绝对误差与真值之比
随机误差,系统误差,粗大误差
测量数据的读取
1.数据的有效数字及运算规则 1)有效数字的概念 为了保证测量数据的有效性,记录的测量数据应当由准确数字、估计数字和单位三 部分组成。其中,“准确数字”和“估计数字”两部分合起来称为有效数字。关于有效 数字,应掌握以下概念: (1)在一个数据的有效数字中,仅最末一位数字是欠准确的(称之为估计数字),其 余数字都是准确的。即只允许保留一位估计数字。 (2)一个数据的全部有效数字所占有的位数称为该数的有效位数。 (3)有效数字位数越多,准确度越高。
2)有效数字的表示法 在应用有效数字记录测量数据时,应遵循以下原则。 (1)数字“0”是否有效数字的判别规则:处于第一个非零数字前的“0”不是有效数字,如0.00326的前面三个“0”不是有效数字,它的有效数字是最后三位,即0.00326 有3位有效数字;而30.00的有效数字是4位,30的有效数字是2位。需要注意的是: 数字末尾的"0”不能随意增减,它是由测量仪器的准确度来决定的。 (2)大数值与小数值要用幂的乘积形式来表示。 (3)一般情况下,误差只取一位有效数字;对重要的或是比较精密的测量,误差通常应取两位有效数字,最多可取三位有效数字。 (4)对需要标明误差的数据,其有效位数应取到与误差同一数量级。如5.324±0.003。 (5)在对数据判定应取的有效位数以后,就应当把数据中的多余数字舍弃进行修约。修约的基本原则是:“4舍6入5凑偶”。对于应舍弃数字的第一位数字是5”的情况,若“5”后面的数字不全是0,则将数字舍弃,并把应保留部分的末位数字加1,例如,在保留3位有效数字情况下,6.34501 应记为6.35。而对于“5”后面的数字全是0 没有数字的情况,则应将保留数字的最后一位“凑偶”,例如,5.43500 应记为5.44,而7.26500应记为7.26。 (6)表示常数(Π、e)或非检测所得的计算因子(倍数、分数)的数字可认为其有效数字位数无限制,可按需要取任意位。
数据处理
列表,作图
电工电子测量仪表及其性能
分类与型号
指示符号
工作原理
测量线路的作用是把各种不同的被测量按一定的比例转换为能被测量机构所接受的过渡量(通常是电流或电压信号)。测量机构中通入电流信号后产生的电磁作用,将使其可转动部分受到电磁转矩而发生偏转,偏转角a与通入电流成一定的比例关系,从而反映出被测量的大小,它是电测指示仪表的核心。 电工测量指示仪表通常由三个部分组成:转动力矩装置、反作用力装置和阻尼器。转动力矩装置在被测量或过渡量的作用下,能产生使仪表偏转的转动力矩。而且这个转动力矩的大小要随被测量或过渡量的变化而按一定的关系变化。根据测量机构产生转动力矩的原理的不同,指示仪表可分为磁电系、电磁系、电动系等。反作用力装置在可动部分偏转时,能产生随偏转角增加而增加的反作用力矩以平衡转动力矩,使偏转角能够反映被测量的大小。反作用力矩一般由游丝或张丝产生,还有利用磁力来产生反作用力矩的,其大小与偏转角成正比。阻尼器的作用是在可动部分作偏转运动时,能产生适当的阻尼力矩以限制其摆动,从而使可动部分(指针)尽快地稳定在平衡的位置上。
电流测量
2.交流电流的测量 指针式交流电流表通常由电磁式或电动式仪表构成。使用电磁式表头的交流电流表,由于其固定线圈允许通过较大电流,一般不必并联分流器。当被测电流不是很大时,只要把交流电流表直接串入被测电路中即可,其接线不必考虑极性。当被测交流电流较大时,则采用加接电流互感器来实现。 电流互感器是一种特殊的变压器,其一次绕组的匝数很少而导线很粗,与被测电流电路串联;而二次绕组匝数很多,导体较细,与电流表、继电器等的电流线圈串联,形成一个闭合回路。带电流互感器的交流电流测量如图12-26所示(注意:电流互感器一、二次侧的同名端不要接错)。根据变压器工作原理,电流互感器二次侧通过的电流为被测电流的1/K(K为电流互感器的变比)。测量时,被测电流应为电流表的读数乘以K。
电压测量
2.交流电压的测量 交流电压表可由电磁式测量机构(表头)与附加电阻串联而成,或者由电动式测量机构的可动线圈与固定线圈串联后再与附加电阻串联构成。 当被测交流电压不是很大时,可把交流电压表与被测负载并联直接测量,其接线不必考虑极性问题。 当被测交流电压较大时,则需通过电压互感器扩大量程。电压互感器的工作原理、构造和接线方式相当于一个降压变压器,其一次绕组并联在被测电压上,匝数较多,二次绕组与二次回路中的交流电压表并联,匝数较少,一次绕组与二次绕组的匝数比称为变比K,当使用电压互感器时,被测电压为交流电压表的读数乘以电压互感器的变比K。相当于交流电流表的量程扩大了K倍。
直流电阻测量
伏安法,电桥法,欧姆表法
传感器
定义,作用,特点
传感器是能感受到被测量(如压力、温度、流量等)的信息,并能将信息按一定规律变换成为易处理(放大、滤波、存储、远传、显示和计算)的电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说,传感器的基本功能就是信号检测和信号转换。 目前的传感器大多是将被测物理量转换为电压、电流、频率、电阻、电感、电容等电量或电参数。
组成
传感器一般由敏感元件和转换元件两部分组成,如图12-34中的虚线框内所示。随着半导体、集成电路、微机电系统(micro electro-mechanical systems, MEMS)等技术的发展,部分传感器将信号调理电路集成在其壳体或同一芯片上,从而能够将被测量转换成标准电信号输出,这类传感器又称为变送器。
分类
1.按测量原理分类 传感器是基于物理、化学、生物等学科的某种原理、规律或效应将被测量转换为电信号的,因此可按其测量原理分为应变式、压电式、电感式、电容式、光电式等。该分类方法利于研究和掌握传感器的工作原理和性能,但是不利于用户选择传感器。 2.按被测量的性质分类 根据被测量的性质将传感器分为温度传感器、力/压力传感器、位移传感器、流量传感器、加速度传感器等,有多少种被测量,就有多少种传感器。这种分类方法阐明了传感器的用途,这对传感器的选用来说是很方便的,但是将不同测量原理的传感器归为一类,不利于研究各类传感器的共性和差异。 3.按信号转换机制分类 传感器可分为物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器和物性传感器。物理型传感器的信号转换机制是基于某些物理效应和物理定律。化学型传感器的信号转换机制是基于某些化学反应和化学定律。生物型传感器的信号转换机制是基于某些生物活性物质的特性。物性型传感器利用检测元件材料的物理特性或化学特性的变化,将被测量转换为信号。 4.按能量传递方式分类 按能量传递方式可将传感器分为有源传感器和无源传感器。有源传感器又称为发电型传感器,能够将非电功率转换为电功率,传感器起能量转换的作用,如热电式传感器、压电式传感器等。有源传感器的信号调理电路通常是信号放大器。无源传感器不能将能量转换为电信号,被测量仅对能量起控制作用,又称为能量控制型传感器,因此必须有辅助电源。典型的无源传感器为电阻式、电感式传感器等。无源传感器的信号调理电路通常是电桥或谐振电路。 5.按输出信号形式分类 按输出信号形式可将传感器可分为模拟式传感器和数字式传感器。模拟式传感器的输出信号为电压、电流、电阻、电容、电感等模拟量。模拟式传感器的输出信号需要经模数转换环节后,才能被计算机、数字控制器处理和显示。数字式传感器能够将被测量直接转换为数字量或频率量输出,具有较强的抗干扰能力
温度传感器
温度是一个重要的物理量,任何物理、化学过程都与温度相联系,它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数。 温度是无法直接测量的,只能通过测量装置的某些特性(如体积、长度、电阻、辐射强度等)随温度变化的情况来间接测量。例如,水银温度计就是通过测量水银体积来测量温度的。 温度传感器是将温度值不失真地转换为电量的装置。它利用敏感元件的某个电量参数随温度变化而变化的特性来达到测量温度的目的。敏感元件与被测对象相接触,两者之间若存在温度差,则必然会进行充分的热交换,热量由高温物体向低温物体传递,最后两者达到相同的温度,处于热平衡状态,这时敏感元件的某一电量参数的量值就代表了被测对象的温度值。 常见的温度传感器有金属热电阻、半导体热敏电阻、热电偶、集成温度传感器等。
检测仪表
基本功能
1.检出变换 检出变换是检测仪表最基本和最核心的功能,它是指把某一个物理量按一定的规律变换成便于被后一个环节接受和处理的另一个物理量的过程。检测仪表的输出量为电压、电流、频率等标准电信号。 要求得到的测量信号y与被测量x之间有确定的关系,最简单也是最理想的变换规律是线性变换,即变换后的量y与变换前的量×呈线性关系,亦即 y一kx,k为常数,称为变换系数。 2.信号选择 信号选择功能是指检测仪表仅对被测物理量x有响应,而对干扰量的影响有抑制作用。实际的检测系统中,除了被测量x外,还有许多其他的影响量,它们以不同程度影响输出信号y,这些影响量称为干扰量。为了保证输出信号y与被测量x之间有一一对应的单值函数关系,检测仪表必须具有信号选择功能。 3. 运算比较和数据处理 现代检测仪表往往以计算机为核心,具有极强的运算功能。检测仪表通常能按照一定的规则和方法对测量数据进行分析、加工和处理,以便从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中将被测物体的运行规律和特点提炼出来。 4.结果显示 结果显示功能是检测仪表实现人机联系的一种手段,即把测量结果用便于人们观察的形式表示出来。通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况,在现代检测仪表中,LCD显示器是人机交互的主要环节。
组成
1.信号调理 传感器输出的电参量往往不能直接被显示仪表所接受,因此,通常需要将传感器检测到的信号转换成电压或电流信号。当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时称为变送器。信号调理电路在检测系统中的作用就是,通过对传感器输出的微弱信号进行检波、隔离、滤波、放大、线性化、电平变换等处理后变换为方便检测仪表后续环节处理或显示的标准信号。 2.信息处理 对于经信号调理后的信号,现代检测仪表通常使用各类模/数(A/D)转换器进行采样、编码等离散化处理转换成与模拟信号相对应的数字信号,并传递给单片机、工业控制计算机、可编程逻辑控制器、数字信号处理、嵌入式微处理器等数字信号处理模块,进行特征提取、频谱分析、相关运算等信号处理与分析。 由于大规模集成电路技术的迅速发展和数字信号处理芯片的价格不断降低,数字信号处理模块相对于模拟式信号处理模块具有明显的性价比优势,在现代检测系统的信号处理环节都应尽量考虑选用数字信号处理模块,从而使所设计的检测系统获得更高的性能价格比。 3.显示仪表 显示仪表是一种能接受检测元件或传感器、变送器送来的信号,以一定的形式显示测量结果的装置。显示仪表由信号调理环节和显示器构成,并在结构上构成一个整体。有一些显示仪表仅由显示器构成。 显示仪表按照其显示结果的形式,可分为模拟式、数字式、图像式三种类型。 (1)模拟式显示仪表又称为指针式。被测量的数值大小由指针在标尺上的相对位置来表示。 (2)数字式显示仪表将被测量以数字形式直接显示在LED或液晶屏上,能有效地 克服读数的主观误差,并提高显示和读数的精度,还能方便地与计算机连接并进行数据传输。 (3)图像显示仪表通常采用较大的LED点阵或大屏幕LCD显示多个被测量的变化曲线和历史数据,这有利于对被测量进行比较和分析。 4.传输通道 传输通道的作用是联系仪表的各个环节,给各个环节的信号输入、输出提供通路。信号的传输方式可分为有线传输和无线传输,有线传输又分为模拟信号传输和数字信号传输。工业用仪表多采用有线传输方式,即采用电缆或导线传输电信号。
分类
1.按被测量分类 检测仪表按被测量分类可分为温度检测仪表、压力检测仪表、流量检测仪表、液位/物位检测仪表、成分检测仪表、转速检测仪表等。 2.按输出信号形式分类 检测仪表按输出信号形式分类可分为模拟式仪表和数字式仪表。模拟式仪表输出的为电压、电流等模拟信号。数字式仪表输出的为"0/1”“开/关”“通/断”等数字信号或二进制编码。 3.按是否具有远传功能分类 检测仪表按是否具有远传功能分类可分为就地测量显示式仪表和远传式仪表。4.按用户对象分类 检测仪表按使用性质分类可分为民用仪表、工业用仪表和军用仪表。民用仪表一般在常温、常压下工作,准确度要求不高。工业用仪表对精度和耐高温、耐腐蚀、防水等性能有较高要求。军用仪表抗震、抗电磁干扰性能有特别要求,测量准确度和可靠性也比工业用仪表要高。 5.按使用性质分类 检测仪表按使用性质分类可分为标准表、实验室表和工业用表。 “标准表”是专门用于校准非标准仪表的,它必须经过具有相关资质的部门定期检定,检定合格则发给检定合格证书,方可使用。标准表的精度等级一般要求比被校准仪表高一个数量级。 “实验室表”多用于实验室中。因使用环境较好,故对防水、防尘无特殊要求。对于温度、相对湿度、机械振动的要求也较低。此类仪表的精度等级比工业用表高,但只适合在实验室条件下使用。 “工业用表”是长期用于工业生产现场的仪表。一般精度要求不高,但要求能长期可靠地工作,对某些场合有防爆要求。
基本性能指标
测量范围,量程,精确度,线性度,灵敏度,分辨率和灵敏度