檢測技術(shù)與智能儀表設(shè)計第一專題

檢測技術(shù)與智能儀表設(shè)計第一專題第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一1、信號檢出部分傳感器（Sensor）----檢出功能的器件信號提取（被測量）、傳輸（信號變換部分）特點：1）輸出量為電壓、電流、頻率2）輸出的電信號一般較微弱：電壓----毫伏級、微伏級；電流----毫安級、納安級3）輸出信號與噪聲混雜在一起----傳感器內(nèi)部噪聲傳感器的信噪比小、輸出信號弱----信號淹沒在噪聲中4）傳感器的輸出特性呈線性或非線性選擇：測量精度要求、被測量變化范圍、被測對象所處的環(huán)境條件以及對傳感器體積和整個檢測系統(tǒng)的成本等的限制電阻、電容、電感兩種：數(shù)字量、模擬量5）外界環(huán)境的變化會影響傳感器的輸出特性檢測系統(tǒng)中形式最多樣、與被測對象關(guān)聯(lián)最密切的部分第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一2、信號變換部分檢出信號適合于分析和處理的信號信號調(diào)理電路阻抗變換----輸出阻抗很高時；電壓/電流（V/A）轉(zhuǎn)換----需要電流輸出時；目的：4）簡化后續(xù)系統(tǒng)的組成2）消除或抑制傳感器輸出量中的無用信號3）提高測量、分析的準(zhǔn)確度信號放大----輸出信號微弱時；噪聲抑制----信號淹沒在噪聲中；模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換----需要輸出數(shù)字信號時1）對傳感器的輸出量變換成易于處理或放大的量第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一3、分析處理部分功能：管理不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息的傳輸和交換不斷注入新內(nèi)容----檢測系統(tǒng)的研究中心通用標(biāo)準(zhǔn)接口---不同的系統(tǒng)尤其是不同廠家的產(chǎn)品能夠互聯(lián)4、通信接口與總線部分計算機(jī)系統(tǒng)----強(qiáng)大問題分析能力、復(fù)雜系統(tǒng)的實時控制自動化、智能化USB、IEEE-488、RS-232（串行）、并行總線：傳送數(shù)字信號的公共通道----信號線的集合RS-232C、VXI、Centronics（并行）（硬件系統(tǒng)）（規(guī)范、結(jié)構(gòu)形式）接口---分系統(tǒng)和上位機(jī)之間/分系統(tǒng)之間交換信息第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一二、模擬信號制信號制----指在成套設(shè)備儀表中，各個儀表的輸入、輸出采用何種統(tǒng)一的聯(lián)絡(luò)信號問題。直流信號的優(yōu)點直流電流做統(tǒng)一信號第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一直流電壓做統(tǒng)一信號第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一三、變送器及其信號傳輸方式1.變送器----transmitter變送器----傳感器是能夠接受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號時，則稱為變送器。第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一四線制變送器：（直流電流做統(tǒng)一信號）國際電工委員會（IEC）規(guī)定：過程控制系統(tǒng)的模擬電流信號是4mA-20mA，電壓為1VDC-5VDC。2.變送器信號傳輸方式第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一兩線制變送器：（直流電流做統(tǒng)一信號）兩線制變送器：電源、負(fù)載串聯(lián)在一起，有一公共點，而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的信號聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線，這兩根電線既是電源線又是信號線。第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

.元器件及儀表連線有一臺兩線制壓力變送器，量程范圍為0~1MPa，對應(yīng)的輸出電流為4~20mA。請將下圖中的各元器件及儀表正確地連接起來。（注意：Uo一定要從取樣電阻兩端取出?。┑?1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一壓力變送器接線演示接地Uo第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一實現(xiàn)兩線制必須具備以下條件：1.采用有活零點的電流信號；2.必須是單電源供電。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中遇到的一個棘手問題就是如何在惡劣環(huán)境下遠(yuǎn)距離可靠地傳送微小信號。第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一三線制變送器：（直流電流做統(tǒng)一信號）第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一絕對誤差：

Δ=Ax－Ａ0某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？第二章測量誤差及數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一相對誤差及精度等級

幾個重要公式：示值相對誤差滿度相對誤差準(zhǔn)確度(精度)第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一儀表的準(zhǔn)確度等級和基本誤差

例：某指針式電壓表的準(zhǔn)確度為2.5級，用它來測量電壓時可能產(chǎn)生的最大滿度相對誤差為2.5%。某公司生產(chǎn)測量溫度的儀表，滿度誤差均在1.1~1.6％之間，該系列產(chǎn)品屬于哪一級溫度表？某車間希望測量溫度的儀表滿度相對誤差控制在1.1~1.6％之間，應(yīng)購買哪一級溫度表？第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一例：某指針式萬用表的面板如圖所示，問：用它來測量直流、交流（~）電壓時，可能產(chǎn)生的滿度相對誤差分別為多少？第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

用2.5V量程測量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問示值相對誤差哪一個大？第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一1.某壓力表準(zhǔn)確度為2.5級，量程為0～1.5MPa，求：1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對誤差m。2）可能出現(xiàn)的最大絕對誤差m為多少kPa？3）測量結(jié)果顯示為0.70MPa時，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差x。

2.現(xiàn)有準(zhǔn)確度為0.5級的0～300℃的和準(zhǔn)確度為1.0級的0～100℃的兩個溫度計，要測量80℃的溫度，試問采用哪一個溫度計好？第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

P20：4.用一臺3位半（或稱3?位）、精度為0.5級（已包含最后一位的+1誤差）的數(shù)字式電子溫度計，測量汽輪機(jī)高壓蒸汽的溫度，數(shù)字面板上顯示出如圖所示的數(shù)值。假設(shè)其最后一位即為分辨力，求該儀表的……

第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一解析：

關(guān)于數(shù)字表顯示位及位數(shù)的概念介紹數(shù)字多用表（DigitalMultimeter,簡稱DMM）的顯示位數(shù)目前一般為3位~8?位（即8位半，以下同）。具體地說，有3位、3?位、32/3位、33/4位、4?位、43/4位、5?位、6?位、7?位、8?位等。最近國外還推出83/4位、10?位等規(guī)格，使數(shù)字測量向更高精確度沖刺。數(shù)字表位數(shù)的提高涉及穩(wěn)定性、抗干擾等諸多技術(shù)問題，A/D轉(zhuǎn)換器只是其中的一個環(huán)節(jié)，能否真正達(dá)到額定的準(zhǔn)確度，還必須掌握正確的使用方法。第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一判定數(shù)字儀表位數(shù)的兩條原則

1.能顯示0~9所有數(shù)字的“位”是“整位”；

2.分?jǐn)?shù)位的判定：在最大顯示值中，以最高位所能顯示的數(shù)值作為分子，用滿量程的最高位作為分母。例如，當(dāng)某一數(shù)字表最大顯示值為±1999（不考慮小數(shù)點），滿量程計數(shù)值為±2000時，則它共有3個整位。最高位只能顯示1，滿量程最高位為2，所以它是3?位表。第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一判定數(shù)字儀表位數(shù)（續(xù)）又如，一臺數(shù)字表最大值為2999，滿量程為3000，則它是32/3位表；右下圖所示的溫度數(shù)字表最大值為399，滿量程為400，則它是23/4位表。第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一判定數(shù)字儀表位數(shù)（續(xù)）再如，一臺如右圖的數(shù)字電壓表，其最大顯示值為399.9V，最高位只能顯示0、1、2、3這四個數(shù)字（有時0不予顯示），所以它是33/4位表。用普通的3?位DMM測量220V或380V工頻電壓時，量程必須選擇700VAC檔；相比之下，使用33/4位的DMM只需選擇400VAC檔，準(zhǔn)確度優(yōu)于700VAC檔，既不欠量程也不超量程，分辨力也提高了許多。第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一判定數(shù)字儀表位數(shù)的練習(xí)請判斷下圖數(shù)字表的位數(shù)第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一解析：分辨力分辨力是指儀器能檢出和顯示被測信號的最小變化量，是有量綱的數(shù)。當(dāng)被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，一般可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。例如，下圖所示的數(shù)字式溫度計分辨力為0.1℃，若該儀表的精度為1.0級，則最大絕對誤差將達(dá)到±2.0℃，與分辨力相比差得多。

在右圖中，溫度每變化0.1℃，數(shù)字表就能跳變1個字，這個溫度的相對變化基本上是可信的，但該數(shù)字表所顯示的絕對數(shù)值是有較大誤差的。第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一解析：分辨率數(shù)字表的最大示值的倒數(shù)為數(shù)字表的分辨率。例如，3?位表的最大示值為1999，則分辨率為：

1/1999≈1/2000=0.0005=0.05%

即萬分之五。

請判斷右圖數(shù)字表的位數(shù)、分辨力及分辨率。儀表背面的接線端子第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一判斷數(shù)字表的位數(shù)、

分辨力及分辨率（續(xù)）第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一判斷數(shù)字表的位數(shù)、

分辨力及分辨率（續(xù)）第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一誤差產(chǎn)生的因素：

1.粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應(yīng)予以剔除。

第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)生粗大誤差的一個例子

第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一在重復(fù)性條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。

2.系統(tǒng)誤差：夏天擺鐘變慢的原因是什么？第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一3.隨機(jī)誤差

測量結(jié)果與在重復(fù)條件下，對同一被測量進(jìn)行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差稱為隨機(jī)誤差。也可以采用如下的表達(dá)：在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負(fù)以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機(jī)誤差。

存在隨機(jī)誤差的測量結(jié)果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機(jī)的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一隨機(jī)事件與隨機(jī)誤差有區(qū)別，并不一定符合正態(tài)分布規(guī)律。

彩票搖獎第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值次數(shù)統(tǒng)計第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一

1）集中性：大量的測量值集中分布于算術(shù)平均值附近。隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律2）對稱性：測量值大致對稱地分布于兩側(cè)。３）有界性：在一定的條件下，測量值有一定的分布范圍，超過這個范圍的可能性非常小，即出現(xiàn)絕對誤差很大的情況很少。粗大誤差的測量值應(yīng)予以剔除。第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期一nxi/mm