自動檢測技術(shù).緒論-09.10

1、自動檢測技術(shù),林 敏,本課程共計：授課40+實驗12學(xué)時主教材－自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng).張毅等編著.化工社參考教材－自動檢測技術(shù)及應(yīng)用.梁森等編著.機械社自動檢測技術(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.高教社自動化系統(tǒng)工程設(shè)計與實施.林敏等編著.電子社微機控制技術(shù)及應(yīng)用.林敏等編著.高教社,自動檢測技術(shù)和儀表裝置是實現(xiàn)自動化控制系統(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)檢測和自動化儀表系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和應(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；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)（過程控制和計算機控制課程） 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

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。自動檢測技術(shù)：能夠自動完成整個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、,,任何一個自動化控制系統(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，并實現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理；儀表單元則是實現(xiàn)各種控制作用的手段和方法，它將檢測得到的數(shù)據(jù)進行運算處理，并通過相應(yīng)的單元實現(xiàn)對被控變量的調(diào)節(jié)。 隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，特別是先進檢測技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計算機技術(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。為了實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和

6、保證生產(chǎn)安全平穩(wěn)地運行，必須對生產(chǎn)過程實施有效地控制。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。自動控制：在人工控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的自動控制系統(tǒng)，可以借助于一整套自動化裝置，自動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料罐、成品罐

7、或者中間緩沖容器。從前一個工序來的物料連續(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)液體波動的主要因素，嚴重時會使槽內(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（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.自動控制－通過在生產(chǎn)設(shè)備、裝置或管道上配置自動化儀表裝置，部分或全部地替代現(xiàn)場工作人員的手動操作，使生產(chǎn)過程能在不同程度上自動地進行。,圖1-1人工操作圖,在進行控制系統(tǒng)的工程設(shè)計時，按工藝流程的順序和要求，

9、將所確定的控制方案標注到工藝流程圖中。這種將測量控制點與工藝流程圖相結(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)一的標準信號后送到控制器；控制器將接收到的變送器信號與事先置入的液位期望值進行比較。并根據(jù)兩者的偏差按某種規(guī)律運算，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轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位移信號，去驅(qū)動閥門的動作，從而改變液體流出量，以實現(xiàn)液位的自動控制。,圖1-2 工藝

10、控制流程圖,1.1.2自動控制系統(tǒng)的描述工藝控制流程圖自動控制系統(tǒng)原理（方框）圖,1.工藝控制流程圖,（2）字母代號,,,,,,,,,,,,圖1-17 計算機控制流程圖示例,2.自動控制系統(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聯(lián)系，一般都采用方框圖。每個方框表示組成系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，兩個方框之間用帶箭頭的線段表示信號聯(lián)系；進入方框的信號為環(huán)節(jié)輸入，離開方框的為環(huán)節(jié)輸出。,圖1-3 自

11、動控制系統(tǒng)方框圖,被控對象 指需要實現(xiàn)檢測控制的設(shè)備、機器或生產(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行直接或間接的測量并把其轉(zhuǎn)換為測量值。比較機構(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、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。,1.2.2零點遷移和量程遷移,零點遷移：根據(jù)測量要求，對零點的調(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。,零點遷移是把零點調(diào)離“零”，零點調(diào)整是把零點調(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，所謂一個量的真值，是指在某一時刻和某一狀態(tài)下體現(xiàn)出的客觀值，也即被測量所具有的客觀真實大小。1）理論真值　一個量嚴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 是一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計。實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 是指當高一等級標準儀器或儀表示值為低一級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數(shù)表是，有三種表示方法： 實際相對誤差＝絕對誤差/約定真值 ×100% 示值（標稱）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（準確度）是最大引用誤差去掉“±”號及“%”后的數(shù)值來衡量的。精度等級是按國家儀表工業(yè)統(tǒng)一規(guī)定，把儀表精確度劃分成的若干等級。常用儀表的精度等級有0.05級，0.1級，0.2級，0.4級，0.5級，1.0級，1.5級，2.5級等。精度等級(允許誤差)是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標之一，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)計測控系統(tǒng)選用儀

19、表時，應(yīng)兼顧精度等級和量程大小，通常希望示值落在儀表滿度值的2/3處。,儀表在出廠時要規(guī)定它的精度等級，以便使用時能根據(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(校表)？——取計算以后的允許誤差所對應(yīng)相等的或低一級的等級。例題1:某臺測溫儀表，其測量范圍為100~600℃，經(jīng)檢驗發(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。 設(shè)計測控系統(tǒng)時，如何選用適宜的儀表等級(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——取計算以后相等的或高一級的儀表等級。例題2:設(shè)計某個測溫系統(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的儀表？ 。,儀表在出廠時要規(guī)定它的精度等級，以便使用時能根據(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(校表)？——取計算以后的允許誤差所對應(yīng)相等的或低一級的等級。例題1:某臺測溫

21、儀表，其測量范圍為100~600℃，經(jīng)檢驗發(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。 解：該儀表的最大引用誤差 ±6/（600-100）×100%＝ ±1.2% 1.0級，1.5級 設(shè)計測控系統(tǒng)時，如何選用適宜的儀表等級(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——取計算以后相等的或

22、高一級的儀表等級。例題2:設(shè)計某個測溫系統(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，1.5級,思考題：某彈簧管壓力表的測量范圍為0～1.6MPa，準確度等級為2.5級，校驗時在某點出現(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，準確度等級為2.5級，校驗時在某點出現(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（準確度）是最大引用誤差去掉“±”號及“%”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能效應(yīng)（彈性變形、磁滯現(xiàn)象），使儀表測量時獲得的上升曲線與下降曲線形成環(huán)狀?；夭睿ㄗ儾睿簩嶋H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)（傳動間隙），使儀表測量

25、很小值時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行測量所得的多個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：表示儀表實際上升曲線和實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的值表示。穩(wěn)定性,1.2.8可靠性,平均無故障工作時間：以相鄰兩次故障時間間隔的平均值。（儀表正常工作方面）。（MTBF－Mean Time Be

26、tween Failures） 平均故障修復(fù)時間：儀表修復(fù)故障所用的平均時間。（儀表出現(xiàn)故障方面）（MTTR－Mean Time To Repair） 綜合性指標： 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。目前，人們正在不斷努力進一步提高檢測系統(tǒng)的各項性能指標。 隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，特別是先進檢測技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、計算機技術(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。目前，人們正在不斷努力進一步提高檢測系統(tǒng)的各項性能指標。,

29、提高測量精度,[數(shù)字電壓、歐姆表],將量程切換到2V時，最小顯示值為1μV,,提高可靠性,承受劇烈振動,2.應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴大檢測領(lǐng)域,月球車,火星車,土衛(wèi)六表面,歐洲“惠更斯”號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,4.采用計算機技術(shù)，使檢測技術(shù)智能化,面部 識別技術(shù),單片機芯片,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