自動(dòng)檢測技術(shù).緒論-09.10

1、自動(dòng)檢測技術(shù),林 敏,本課程共計(jì)：授課40+實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí)主教材－自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng).張毅等編著.化工社參考教材－自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用.梁森等編著.機(jī)械社自動(dòng)檢測技術(shù)與裝置.張宏建主編.化工社 現(xiàn)代檢測技術(shù)及儀表.孫傳友等編著.高教社現(xiàn)代檢測技術(shù)與系統(tǒng).蔡萍等編著.高教社自動(dòng)化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)施.林敏等編著.電子社微機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用.林敏等編著.高教社,自動(dòng)檢測技術(shù)和儀表裝置是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本課程

2、將以工業(yè)儀表控制系統(tǒng)為主線，介紹工業(yè)生產(chǎn)中有關(guān)過程參數(shù)檢測和自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)。第一篇 檢測技術(shù)和儀表系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)；第二篇 過程參數(shù)檢測技術(shù)，包括溫度、壓力、 流量、物位、成分分析、機(jī)械量等參數(shù)；第三篇 儀表系統(tǒng)所包含的變送、顯示等單元儀 表；第四篇 系統(tǒng)控制技術(shù)（過程控制和計(jì)算機(jī)控制課程） 第五篇 現(xiàn)代檢測和儀表技術(shù)的最新發(fā)展和應(yīng)用。,第一篇 基礎(chǔ)知識(shí)

3、引論1. 緒論2. 誤差分析與數(shù)據(jù)處理3. 檢測系統(tǒng)的組成及分類,檢測：是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。自動(dòng)檢測技術(shù)：能夠自動(dòng)完成整個(gè)檢測處理過程的技術(shù)。檢測技術(shù)的地位和作用：（1）在連續(xù)生產(chǎn)過程中－－（2）在機(jī)械制造行業(yè)中－－（3）在交通控制管理中－－（4）在國防科技開發(fā)中－－（5）在日常家電技術(shù)中－－,緒論

4、,,任何一個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)都必然要應(yīng)用一定的檢測技術(shù)和相應(yīng)的儀表單元，而檢測技術(shù)與儀表兩部分是緊密相關(guān)的、相輔相成的。它們是控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。檢測單元完成對各種過程參數(shù)的測量，并實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理；儀表單元?jiǎng)t是實(shí)現(xiàn)各種控制作用的手段和方法，它將檢測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，并通過相應(yīng)的單元實(shí)現(xiàn)對被控變量的調(diào)節(jié)。 隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，特別是先進(jìn)檢測技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系

5、統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)，并由此引出許多新的發(fā)展，如虛擬儀器、軟測量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合理論與方法以及最新發(fā)展的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。 本章給出常規(guī)檢測儀表控制系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)，并介紹有關(guān)檢測和儀表相關(guān)技術(shù)的基本概念和名詞術(shù)語。,1.1檢測儀表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.2檢測儀表基本概念 1.3檢測儀表技術(shù)發(fā)展趨勢,1.1檢測儀表控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),工業(yè)生產(chǎn)過程必然會(huì)受到各種干擾因素的影響，使得工藝參數(shù)經(jīng)常偏離所希望的數(shù)值。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和

6、保證生產(chǎn)安全平穩(wěn)地運(yùn)行，必須對生產(chǎn)過程實(shí)施有效地控制。人工操作:盡管人工操作也能控制生產(chǎn)，但由于受到生理上的限制，人工控制滿足不了大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。自動(dòng)控制：在人工控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以借助于一整套自動(dòng)化裝置，自動(dòng)地克服各種干擾因素對工藝生產(chǎn)過程的影響，使生產(chǎn)能夠正常運(yùn)行。下面我們以液體貯糟的液位控制為例來說明檢測儀表控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。,1.1.1控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成,在生產(chǎn)中液體貯槽常被用來作為進(jìn)料罐、成品罐

7、或者中間緩沖容器。從前一個(gè)工序來的物料連續(xù)不斷地流人槽中，而槽中的液體又被送至下一道工序進(jìn)行處理。為了保證生產(chǎn)過程的物料平衡，工藝上要求將貯槽內(nèi)的液位控制在一個(gè)合理的范圍。由于液體的流入量受到上一工序的制約是不可控的，因此流入量的變化是影響槽內(nèi)液體波動(dòng)的主要因素，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使槽內(nèi)液體溢出或抽空。解決這一問題的最簡單方法，就是根據(jù)槽內(nèi)液位的變化相應(yīng)地改變液體的流出量。,,1.人工操作－靠人眼觀察玻璃管液位計(jì)（測量元件）的指示高度，并通過神

8、經(jīng)系統(tǒng)傳人大腦；大腦將觀察的液位高度與所期望的液位高度進(jìn)行比較，判斷出液位的偏離方向和程度，并經(jīng)過思考估算出需要改變的流出量，然后發(fā)出動(dòng)作命令；手根據(jù)大腦的指示，改變出口閥門的開度，相應(yīng)地增減流出量，使液位保持在合理的范圍內(nèi)。2.自動(dòng)控制－通過在生產(chǎn)設(shè)備、裝置或管道上配置自動(dòng)化儀表裝置，部分或全部地替代現(xiàn)場工作人員的手動(dòng)操作，使生產(chǎn)過程能在不同程度上自動(dòng)地進(jìn)行。,圖1-1人工操作圖,在進(jìn)行控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)時(shí)，按工藝流程的順序和要求，

9、將所確定的控制方案標(biāo)注到工藝流程圖中。這種將測量控制點(diǎn)與工藝流程圖相結(jié)合的圖形文檔就稱為工藝控制流程圖。如圖l-2所示，槽內(nèi)液體的高度由液位變送器檢測并將其變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后送到控制器；控制器將接收到的變送器信號(hào)與事先置入的液位期望值進(jìn)行比較。并根據(jù)兩者的偏差按某種規(guī)律運(yùn)算，然后將結(jié)果發(fā)送給執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）；執(zhí)行器將控制器送來的指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位移信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)閥門的動(dòng)作，從而改變液體流出量，以實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制。,圖1-2 工藝

10、控制流程圖,1.1.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的描述工藝控制流程圖自動(dòng)控制系統(tǒng)原理（方框）圖,1.工藝控制流程圖,（2）字母代號(hào),,,,,,,,,,,,圖1-17 計(jì)算機(jī)控制流程圖示例,2.自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖 為了更清楚的表示控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的組成、特性和相互間的信號(hào)聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個(gè)方框表示組成系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，兩個(gè)方框之間用帶箭頭的線段表示信號(hào)聯(lián)系；進(jìn)入方框的信號(hào)為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。,圖1-3 自

11、動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖,被控對象 指需要實(shí)現(xiàn)檢測控制的設(shè)備、機(jī)器或生產(chǎn)過程。如本例中的液體貯槽。檢測元件和變送器的作用是對被控變量進(jìn)行直接或間接的測量并把其轉(zhuǎn)換為測量值。比較機(jī)構(gòu)的作用是比較設(shè)定值與測量值并輸出其差值?？刂蒲b置的作用是根據(jù)偏差的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律給出控制作用。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執(zhí)行器的作用是接受控制器送來的控制作用，相應(yīng)地去改變操縱變量。顯示單元是控制系統(tǒng)的附屬單元

12、，它將檢測單元測量獲得的有關(guān)參數(shù)顯示給操作人員。,使用常規(guī)儀表的中央控制室1,使用常規(guī)儀表的中央控制室2,1.2檢測儀表基本概念,1.2.1測量范圍、上下限和量程1.2.2零點(diǎn)調(diào)整和滿度調(diào)整1.2.3靈敏度和分辨力、分辨率1.2.4誤差1.2.5精確度1.2.6滯環(huán)、死區(qū)和回差1.2.7重復(fù)性和再現(xiàn)性1.2.8可靠性,1.2.1測量范圍、測量上下限和量程,測量范圍：儀表在滿足精度情況下進(jìn)行正常測量的被測變量的變化范圍。測

13、量上、下限：測量范圍的最大（高）值和最小值（低）。測量下限也稱零點(diǎn)測量上限也稱滿度。儀表量程（大小）：測量上限與測量下限之間的代數(shù)差。,1.2.2零點(diǎn)遷移和量程遷移,零點(diǎn)遷移：根據(jù)測量要求，對零點(diǎn)的調(diào)整； 量程大小不變，斜率不變。量程遷移：根據(jù)測量要求，對上限的調(diào)整； 量程大小改變，斜率改變。,零點(diǎn)遷移是把零點(diǎn)調(diào)離“零”，零點(diǎn)調(diào)整是把零點(diǎn)調(diào)至“零”,1.2.3靈敏

14、度和分辨力、分辨率,靈敏度：是指穩(wěn)態(tài)時(shí)儀表的輸出變化量ΔY與輸入變化量ΔX的比值。它表示儀表對被測參數(shù)變化的靈敏程度。K＝ ΔY/ΔX也即輸出輸入特性曲線的斜率。零點(diǎn)遷移則靈敏度不變；量程遷移則靈敏度發(fā)生變化。靈敏度實(shí)質(zhì)上等同于放大倍數(shù)。只是前者有量綱，后者無量綱。分辨力：在規(guī)定的測量范圍內(nèi)儀表能夠檢測出的被測量的最小變化量，是一個(gè)有量綱的數(shù)，數(shù)字式儀表的分辨力是指最低一位數(shù)碼所代表的輸入量。分辨率：將分辨力除于儀表的量程

15、。分辯率常以百分比或幾分之一表示。在多個(gè)儀表組成的測控系統(tǒng)中，其總靈敏度是各儀表靈敏度的乘積。,誤差理論中，所謂一個(gè)量的真值，是指在某一時(shí)刻和某一狀態(tài)下體現(xiàn)出的客觀值，也即被測量所具有的客觀真實(shí)大小。1）理論真值　一個(gè)量嚴(yán)格定義的理論值通常叫理論真值，這是可知的真值。例如：平面三角形三內(nèi)角之和恒為180°；圓周角為360°；同一量值自身之差為零而自身之比為1；等等。由于理論真值在實(shí)際測量工作中難以獲得，常用

16、約定真值或相對真值來代替理論真值。,1.2.4 誤差,2）約定真值 是一個(gè)接近真值的值，它與真值之差可忽略不計(jì)。實(shí)際測量中以在沒有系統(tǒng)誤差的情況下，足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。3）相對真值 是指當(dāng)高一等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)儀器或儀表示值為低一級(jí)儀器或儀表的相對真值。,測量誤差是儀表測量過程中獲得被測參數(shù)的測量值（示值）與約定真值之間的差距。絕對誤差是指測量值與約定真值之間的代數(shù)差。簡稱為誤差。 絕對誤差

17、＝測量值－約定真值相對誤差以百分?jǐn)?shù)表是，有三種表示方法： 實(shí)際相對誤差＝絕對誤差/約定真值 ×100% 示值（標(biāo)稱）相對誤差＝絕對誤差/測量值 ×100% 相對百分誤差或引用誤差＝絕對誤差/量程×100%最大引用誤差（％）＝最大絕對誤差/量程×100%允許誤差即允許的最大引用誤差或允許的相對百分誤差的最大值。,,允許誤差又稱為滿刻度相對誤

18、差。,1.2.5精確度儀表的精確度（準(zhǔn)確度）是最大引用誤差去掉“±”號(hào)及“%”后的數(shù)值來衡量的。精度等級(jí)是按國家儀表工業(yè)統(tǒng)一規(guī)定，把儀表精確度劃分成的若干等級(jí)。常用儀表的精度等級(jí)有0.05級(jí)，0.1級(jí)，0.2級(jí)，0.4級(jí)，0.5級(jí)，1.0級(jí)，1.5級(jí)，2.5級(jí)等。精度等級(jí)(允許誤差)是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，允許誤差（允許的最大引用誤差）越小，精度就越高，與最大絕對誤差、量程大小有關(guān)。在設(shè)計(jì)測控系統(tǒng)選用儀

19、表時(shí)，應(yīng)兼顧精度等級(jí)和量程大小，通常希望示值落在儀表滿度值的2/3處。,儀表在出廠時(shí)要規(guī)定它的精度等級(jí)，以便使用時(shí)能根據(jù)精度及量程估算出可能的最大絕對誤差；如何規(guī)定或確定正確的儀表等級(jí)(校表)？——取計(jì)算以后的允許誤差所對應(yīng)相等的或低一級(jí)的等級(jí)。例題1:某臺(tái)測溫儀表，其測量范圍為100~600℃，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)儀表的最大絕對誤差為±6℃，試確定該儀表的精度等級(jí)。 設(shè)計(jì)測控系統(tǒng)時(shí)，如何選用適宜的儀表等級(jí)(選表)

20、 ？通常是根據(jù)系統(tǒng)所允許的最大絕對誤差與測量量程來算出允許誤差——取計(jì)算以后相等的或高一級(jí)的儀表等級(jí)。例題2:設(shè)計(jì)某個(gè)測溫系統(tǒng)，其儀表的測量范圍為100~600℃，要保證測量值的最大絕對誤差不超過±6℃，試選用何種精度等級(jí)的儀表？ 。,儀表在出廠時(shí)要規(guī)定它的精度等級(jí)，以便使用時(shí)能根據(jù)精度及量程估算出可能的最大絕對誤差；如何規(guī)定或確定正確的儀表等級(jí)(校表)？——取計(jì)算以后的允許誤差所對應(yīng)相等的或低一級(jí)的等級(jí)。例題1:某臺(tái)測溫

21、儀表，其測量范圍為100~600℃，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)儀表的最大絕對誤差為±6℃，試確定該儀表的精度等級(jí)。 解：該儀表的最大引用誤差 ±6/（600-100）×100%＝ ±1.2% 1.0級(jí)，1.5級(jí) 設(shè)計(jì)測控系統(tǒng)時(shí)，如何選用適宜的儀表等級(jí)(選表) ？通常是根據(jù)系統(tǒng)所允許的最大絕對誤差與測量量程來算出允許誤差——取計(jì)算以后相等的或

22、高一級(jí)的儀表等級(jí)。例題2:設(shè)計(jì)某個(gè)測溫系統(tǒng)，其儀表的測量范圍為100~600℃，要保證測量值的最大絕對誤差不超過±6℃，試選用何種精度等級(jí)的儀表？ 解：所選用儀表的最大引用誤差 ±6/（600-100）×100%＝ ±1.2% 1.0級(jí)，1.5級(jí),思考題：某彈簧管壓力表的測量范圍為0～1.6MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)為2.5級(jí)，校驗(yàn)時(shí)在某點(diǎn)出現(xiàn)的最大

23、絕對誤差為0.05MPa，問這塊儀表是否合格？為什么？,,某彈簧管壓力表的測量范圍為0～1.6MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)為2.5級(jí)，校驗(yàn)時(shí)在某點(diǎn)出現(xiàn)的最大絕對誤差為0.05MPa，問這塊儀表是否合格？為什么？解1（求出該儀表的實(shí)際最大引用誤差）該壓力表的量程為1.6MPa，最大絕對誤差為0.05MPa，則滿刻度相對誤差為,所以這塊儀表不合格。,儀表的精確度（準(zhǔn)確度）是最大引用誤差去掉“±”號(hào)及“%”后的數(shù)值來衡量的。解2： （求

24、出該儀表的最大引用誤差）,所允許的最大絕對誤差＝1.6MPa×2.5％＝0.04MPa，而該儀表最大絕對誤差為0.05MPa >0.04MPa。所以這塊儀表不合格。,1.2.6滯環(huán)、死區(qū)和回差滯環(huán)：由于儀表元件具有儲(chǔ)能效應(yīng)（彈性變形、磁滯現(xiàn)象），使儀表測量時(shí)獲得的上升曲線與下降曲線形成環(huán)狀?；夭睿ㄗ儾睿簩?shí)際上升曲線與下降曲線之間的最大差值。死區(qū)(不靈敏區(qū))：由于儀表元件具有死區(qū)效應(yīng)（傳動(dòng)間隙），使儀表測量

25、很小值時(shí)不足于引起輸出的任何變化。,1.2.7重復(fù)性和再現(xiàn)性重復(fù)性：在同一工作條件下，同方向連續(xù)多次對同一輸入值進(jìn)行測量所得的多個(gè)輸出值之間相互一致的程度。用儀表上升曲線或下降曲線的最大離散程度表示。 再現(xiàn)性：表示儀表實(shí)際上升曲線和實(shí)際下降曲線之間的離散程度，取兩種曲線之間離散程度最大點(diǎn)的值表示。穩(wěn)定性,1.2.8可靠性,平均無故障工作時(shí)間：以相鄰兩次故障時(shí)間間隔的平均值。（儀表正常工作方面）。（MTBF－Mean Time Be

26、tween Failures） 平均故障修復(fù)時(shí)間：儀表修復(fù)故障所用的平均時(shí)間。（儀表出現(xiàn)故障方面）（MTTR－Mean Time To Repair） 綜合性指標(biāo)： 有效度＝ MTBF /（ MTBF＋ MTTR）,1.3檢測儀表技術(shù)發(fā)展趨勢,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā) 展，人們對檢測系統(tǒng)的測量精度要求也相應(yīng)地在提高。 近年來，人們研制出許多高精度和寬量程的檢測儀器以滿足各種需要。 人們還對傳感器的可靠性和故

27、障率的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了大量的研究，使得檢測系統(tǒng)的可靠性及壽命大幅度的提高。 現(xiàn)在，許多檢測系統(tǒng)可以在極其惡劣的環(huán)境下連續(xù)工作數(shù)十萬小時(shí)。目前，人們正在不斷努力進(jìn)一步提高檢測系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，特別是先進(jìn)檢測技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)，并由此引出許多新的發(fā)展，如虛擬儀器、軟測量技術(shù)、數(shù)據(jù)融合理論與方法以及最新發(fā)展的傳感器

28、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。,1.不斷提高檢測系統(tǒng)的測量精度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā) 展，人們對檢測系統(tǒng)的測量精度要求也相應(yīng)地在提高。近年來，人們研制出許多高精度和寬量程的檢測儀器以滿足各種需要。人們還對傳感器的可靠性和故障率的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了大量的研究，使得檢測系統(tǒng)的可靠性及壽命大幅度的提高?，F(xiàn)在，許多檢測系統(tǒng)可以在極其惡劣的環(huán)境下連續(xù)工作數(shù)十萬小時(shí)。目前，人們正在不斷努力進(jìn)一步提高檢測系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。,

29、提高測量精度,[數(shù)字電壓、歐姆表],將量程切換到2V時(shí)，最小顯示值為1μV,,提高可靠性,承受劇烈振動(dòng),2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域,月球車,火星車,土衛(wèi)六表面,歐洲“惠更斯”號(hào)探測器成功登陸土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六,安全檢查,3.發(fā)展集成化、功能化的傳感器,可拍照的手機(jī),4.采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化,面部 識(shí)別技術(shù),單片機(jī)芯片,5.發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及檢測系統(tǒng),,第1章作業(yè),書中P7： 1-1，1-2，1