检测与转换技术总复习课件.ppt
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1、总 复 习精品资料v 检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称,它是以研究自动检测系统中的信息获取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。v 在人类进入信息时代的今天,人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心,传感器作为信息获取与信息转换的重要手段,是信息科学最前端的一个阵地,是实现信息化的基础技术之一。v “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样(yyng),源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息,成为人们认识自然、改造自然的有利工具。 精品资料 由于检测与控制对象常常为非电量,这就需要通
2、过由于检测与控制对象常常为非电量,这就需要通过(tnggu)传感器转换为电量,然后经过系列的处理,传感器转换为电量,然后经过系列的处理,将非电量参数显示出来,其原理框图如下图所示。将非电量参数显示出来,其原理框图如下图所示。电量数据处理装置执 行 机 构信号处理电路传 感 器非电量自动检测系统原理框图Uo(Io,f)显 示 器精品资料v1传感器v 传感器是把被测非电量转换成为与之有确定对应关系,且便于应用的某些物理量(通常为电量)的测量装置。v2信号处理电路v 信号处理电路的作用是把传感器输出(shch)的电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号等,以推动后级的显示器、数据处理装置
3、及执行机构。精品资料v3显示器v 为了记录检测的过程与结果,常常需要将信号处理电路传送过来的电信号以比较直观的形式显示出来,以供观测和分析,这就需要有显示器。目前常用的显示器有四类:模拟显示、数字显示、图像显示及记录仪等。 v4数据处理装置v 数据处理装置用来对测试(csh)所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换,对动态测试(csh)结果作频谱分析(幅值谱分析、功率谱分析)、相关分析等。v5执行机构v 所谓执行机构通常是指各种继电器、电磁阀门等在电路中起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。许多检测系统能输出与被测量有关的电流或电压信号,作为自动控制系统的控制信号,去驱动这些执行机
4、构。精品资料1.2.1 检测方法(fngf)的分类v检测方法的分类形式有多种,从不同的角度(jiod)出发有不同的分类方法。下面介绍几种常见的分类方法。v1按测量手段分类v 按测量手段分有直接测量、间接测量、组合测量。v2按被测量的性质分类v 按被测量的性质分类有时域测量、频域测量、数据域测量和随机测量。 精品资料 根据仪表的等级可以确定测量的满度相对误差根据仪表的等级可以确定测量的满度相对误差(xin du w ch)和最大和最大绝对误差。例如,正常情况下,用绝对误差。例如,正常情况下,用0.5级、量程为级、量程为1000C温度表来测量温度时,温度表来测量温度时,可能产生的最大绝对误差为:可
5、能产生的最大绝对误差为: CAXmm05 . 0%)5 . 0(仪表(ybio)的准确度等级和基本误差 1.3 测量误差的概念和分类精品资料解: 测量25V电压,选用准确度0.5级、量程150V的电压表,测量结果中可能(knng)出现的最大绝对误差由公式可得 x m1 0.5%1500.75V 测量25V时的最大相对示值误差为 %3%1002575. 0%10011UUmx例:测量例:测量25V电压,选用电压,选用(xunyng)准确度准确度0.5级、量程级、量程150V的电的电压表和选用压表和选用(xunyng)准确度准确度1.5级、量程级、量程30V的电压表,请问选的电压表,请问选择哪只表
6、更适宜一些?择哪只表更适宜一些?精品资料 如果选用准确度1.5级、量程30V的电压表,测量(cling)结果中可能出现的最大绝对误差为 x m2 1.5%300.45V 测量(cling)25V时的最大相对示值误差为 计算结果表明1.5级、量程30V的电压表比0.5级、量程150V的电压表的示值相对误差小,所以更合适。%8 . 1%1002545. 0%10022UUmx 由上例可知,测量结果的精确度,不仅与仪表的准确度等级由上例可知,测量结果的精确度,不仅与仪表的准确度等级(dngj)(dngj)有关,有关,而且与它的量程也有关。因此,选择仪表量程时应尽可能使示值在满刻度的三而且与它的量程也
7、有关。因此,选择仪表量程时应尽可能使示值在满刻度的三分之二以上。分之二以上。 精品资料1.4.4 测量(cling)数据的处理v1. 数字修约规则v由于测量数据和测量结果均是近似数,其位数各不相同。为了使测量结果的表示准确唯一,计算(j sun)简便,在数据处理时,需对测量数据和所用常数进行修约处理。v数据修约规则:v(1) 小于5舍去末位不变。v(2) 大于5进1在末位增1。v(3) 等于5时,取偶数当末位是偶数,末位不变;末位是奇数,在末位增1(将末位凑为偶数)。1.4 测量误差的估计和处理精品资料v例:将下列数据舍入到小数第二位。v12.434412.43 63.7350163.74v0
8、.694990.69 25.325025.32v17.695517.70 123.1150123.12v需要注意(zh y)的是,舍入应一次到位,不能逐位舍入。v 上例中0.69499,正确结果为0.69 ,错误做法是:v 0.694990.69500.6950.70。v在“等于5”的舍入处理上,采用取偶数规则,是为了在比较多的数据舍入处理中,使产生正负误差的概率近似相等。精品资料1.5传感器及其特性(txng)v根据(gnj)我国的国家标准(GB7765-87),传感(Transducer/Sensor)的定义是:“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。 v定义
9、包含的意思:v1传感器是测量装置,能完成检测任务;v2它的输入量是某一种被测量,可能是物理量,也可能是化学量、生物量等。v3它的输出量是某种物理量,这种量应便于传输、转换、处理、显示等等,这种量不一定是电量,还可以是气压、光强等物理量,但主要是电物理量;v4输出与输入之间有确定的对应关系,且能达到一定的精度。 精品资料1.5.1 传感器的组成(z chn)v通常(tngchng)情况下,输出量为电量的传感器,一般由敏感元件、传感元件和信号调节转换电路组成,如图所示。信号调节转换电路传感元件敏感元件被 测 量输入量测量电路电 源电量输出量精品资料v1敏感元件v直接感受被测非电量,并按一定规律转换
10、成与被测量有确定关系的其它量(一般仍为非电量)的元件。v2传感元件v传感元件又称变换器,能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量。v3信号调节与转换电路v能把传感元件输出(shch)的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。精品资料1.5.3 传感器性能(xngnng)评价 传感器的各种特性一般是根据输入和输出的对应关系来描述的。 传感器在稳态(静态或准静态)信号作用下,输入和输出的对应关系称为静态特性;在动态(周期或暂态)信号作用下,输入和输出的对应关系称为动态特性。 衡量(hng ling)传感器的输入-输出静态特性的重要指标是:灵敏度、线性度、滞后、稳定性、重复性。精品
11、资料1灵敏度(Sensitivity) 灵敏度是指传感器在稳态下输出灵敏度是指传感器在稳态下输出(shch)(shch)变化值与输入变化值之比,用变化值与输入变化值之比,用K K 来表示:来表示: dyyKdxx精品资料2线性度(Linearity) 线性度又称非线性误差,是指输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线(zhxin)的程度,又称非线性误差。线性度的计算公式如下: max输出量与输入量实际曲线与拟合直线输出量与输入量实际曲线与拟合直线(zhxin)之间之间 的最大偏差的最大偏差yFS输出满量程值输出满量程值)(71 00100 FSymaxE 精品资料第三章第三章 热电偶型传感器热
12、电偶型传感器精品资料 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。 可以利用物体的某些物理性质(电阻、电势或磁导等)随着可以利用物体的某些物理性质(电阻、电势或磁导等)随着(su zhe)温度变化的特征进行测量。其中将温度转换为电势大小的热电传温度变化的特征进行测量。其中将温度转换为电势大小的热电传感器叫做热电偶。将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫热电阻。感器叫做热电偶。将温度转换为电阻值大小的热电式传感器叫热电阻。 热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。热电偶是工程上应用最广泛的温度传感器。 它构造简单它构造简单, 使用方使用方便便
13、, 具有较高的准确度、稳定性及复现性具有较高的准确度、稳定性及复现性, 温度测量范围宽温度测量范围宽, 在温度测在温度测量中占有重要的地位。量中占有重要的地位。精品资料3.2热电偶热电偶v 在两种不同(b tn)的导体或半导体所组成的闭合回路中,当两接触处的温度不同(b tn)时,回路中就会产生热电势(也称塞贝克电势)。这种现象称为热电效应。 3.2.1热电效应(r din xio yng) 热电效应是由珀尔帖效应和汤姆逊效应引起的,则热电势EAB(T,T0)由接触电势(珀尔帖电势)和温差电势(汤姆逊电势)组成。精品资料v1珀尔帖效应珀尔帖效应v 当当A、B两种不同材料的导体相互紧密地连接两种
14、不同材料的导体相互紧密地连接在一起时,如图在一起时,如图3-1所示,由于导体中都有大量所示,由于导体中都有大量自由电子,而且不同导体材料的自由电子的浓度自由电子,而且不同导体材料的自由电子的浓度不同(假设导体不同(假设导体A的自由电子浓度大于导体的自由电子浓度大于导体B的的自由电子浓度),那么在单位时间内,由导体自由电子浓度),那么在单位时间内,由导体A扩散到导体扩散到导体B的电子数要比由导体的电子数要比由导体B扩散到导体扩散到导体A的电子数多。这时导体的电子数多。这时导体A因失去电子而带正电,因失去电子而带正电,导体导体B得到电子而带负电,于是在接触处便形成得到电子而带负电,于是在接触处便形
15、成了电位差。该电位差称为接触电势(即珀尔帖电了电位差。该电位差称为接触电势(即珀尔帖电势)。这个电势将阻碍电子进一步扩散;当电子势)。这个电势将阻碍电子进一步扩散;当电子扩散能力与电场的阻力平衡时,接触处的电子扩扩散能力与电场的阻力平衡时,接触处的电子扩散就达到了动平衡,接触电势则达到一个稳态值。散就达到了动平衡,接触电势则达到一个稳态值。接触电势的大小与两导体材料的性质和接触点的接触电势的大小与两导体材料的性质和接触点的温度温度(wnd)有关,其数量级约为有关,其数量级约为0.0010.01 V。精品资料)()(ln)(TnTneKTTeBAAB由物理学可知(k zh),两导体两端接触电势为
16、式中, k玻耳兹曼常数,k1.38110-23J/K; e电子电荷量,e=1.60210-19C; T结点处的绝对温度(wnd)(K); nA(T),nB(T)材料A,B在温度(wnd)T时的自由电子浓度 精品资料v2汤姆逊效应汤姆逊效应v 如图如图3-2所示,对于唯一均质导体所示,对于唯一均质导体A,当其,当其两端的温度不同时(假设一端的温度为两端的温度不同时(假设一端的温度为T,另,另一端的温度为一端的温度为T0,而且,而且T T0),由于温度较),由于温度较高的一端(高的一端(T端)的电子能量高于温度较低的端)的电子能量高于温度较低的一端(一端(T0端)的电子能量,因此产生了电子端)的电
17、子能量,因此产生了电子扩散,形成了温差电势,称作单一导体的温差扩散,形成了温差电势,称作单一导体的温差电势(即汤姆逊电势)。该电势形成新的不平电势(即汤姆逊电势)。该电势形成新的不平衡衡(pnghng)电场将阻碍电子进一步扩散;当电场将阻碍电子进一步扩散;当电子扩散能力与电场的阻力平衡电子扩散能力与电场的阻力平衡(pnghng)时,时,电子扩散就达到了动态平衡电子扩散就达到了动态平衡(pnghng),温差,温差电势达到一个稳态值。温差电势的大小与导体电势达到一个稳态值。温差电势的大小与导体材料的性质和导体两端的温度有关,其数量级材料的性质和导体两端的温度有关,其数量级约为约为10-5。由物理学
18、可知,导体。由物理学可知,导体A的温差热电的温差热电势为势为TTAAdTTTe00),(精品资料3.2.2热电偶的工作热电偶的工作(gngzu)原理原理 图图3-3(a)、()、(b)为热电偶的原理结构与)为热电偶的原理结构与热电势示意图,热电势示意图,A,B两种不同导体材料两端两种不同导体材料两端相互紧密地连接在一起,组成一个闭合回路。相互紧密地连接在一起,组成一个闭合回路。这样就构成了一个热电偶。当两结点温度不等这样就构成了一个热电偶。当两结点温度不等(TT0)时,回路中就会产生热电势,从而)时,回路中就会产生热电势,从而形成电流,这就是热电偶的工作原理。形成电流,这就是热电偶的工作原理。
19、 通常通常T0端又称为参考端又称为参考(cnko)端或冷端;端或冷端;T端又称为测量端或热端。端又称为测量端或热端。图3-3 热电偶的原理结构与热电势示意图精品资料图3-3(a)、(b)所示热电偶的总接触电势(dinsh)(珀尔帖电势(dinsh))为)()(ln)()(ln)()(0000TnTneKTTnTneKTTeTeBABAABABdTTTeTTeTTBABA0)(),(),(00总温差(wnch)电势(汤姆逊电势)为 则总热电势为),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABAB(3-8)(3-7)(3-6)精品资料3.2.3热电偶的基本定律 热电偶测温完
20、全(wnqun)是建立在利用实验热特性和一些热电定律的基础上的。下面引述几个常用的热电定律。1中间温度定律 热电偶AB的热电势仅取决于热电偶的材料和两个(lin )结点的温度,而与温度沿热电极的分布以及热电极的参数和形状无关。 如热电偶AB两结点的温度分别为T、T0,则所产生的热电势等于热电偶AB两结点温度为T、TC与热电偶AB两结点温度为TC、T0时所产生的热电势的代数和(如图3-4所示),用公式表示为),(),(),(00TTETTETTECABCABAB图3-4 中间温度定律 中间温度定律为制定热电偶分度表奠定了理论基础。根据中间温度定律,只需列出自由端温度为0时,各工作端温度与热电势的
21、关系表。当自由端温度不是0时,所产生的热电势就可按式(3-8)计算。精品资料【例3-1】用镍铑-镍硅热电偶测炉温,当冷端温度为30时,测得热电势(dinsh)为38.50mV,实际温度是多少?解: 由 Tc=30,查分度表得mV203.10,30E0,3030,0,ETETE703.39203.150.38根据中间(zhngjin)温度定律得:备注:K型热电偶的分度号以前为EU-2,现为K 精品资料 镍铬一镍硅热电偶镍铬一镍硅热电偶K分度表分度表 用39.703mV反查镍铬一镍硅热电偶K分度表可得960,即为实际(shj)炉温。精品资料2中间导体定律 在热电偶测温过程中,必须在回路中引入测量导
22、线和仪表。当接入导线和仪表后,会不会影响热电势的测量呢?中间导体定律说明,在热电偶AB回路中,只要接入的第三导体两端(lin dun)温度相同,则对回路的总热电势没有影响。下面考虑两种接法1)在热电偶AB回路中,断开参考结点,接入第三种导体C。只要保持两个新结点AC和BC的温度仍为参考结点温度T0,如图3-5(a)所示,就不会影响回路的总热电势,即),(),(00TTETTEABABC2)热电偶AB回路中,将其中一个导体(dot)A断开,按入导体(dot)C,如图3-5(b)所示。在导体(dot)C与导体(dot)A的两个结点处保持相同的温度TC,则有),(),(00TTETTTEABCABC
23、图3-5 中间导体定律上面两种接法表明: 在热电偶回路中接入中间导体,只要中间导体两端的温度相同,就不会影响回路的总热电势;若在回路中接入多种导体,只要每种导体两端温度相同,也不会影响回路的总热电势。 精品资料3标准电极定律当热电偶回路的两个结点温度为T,T0时,用导体AB组成的热电偶的热电势(dinsh)等于热电偶AC和热电偶CB的热电势(dinsh)的代数和,即),(),(),(),(),(00000TTETTETTETTETTEBCACCBACAB图3-6 标准(biozhn)电极定律 导体C称为标准电极。这一规律称标准电极定律。 标准电极C通常采用纯铂丝制成,因为铂的物理、化学性能稳定
24、,易提纯,熔点高。如果已求出各种热电极对铂极的热电势值,就可以用标准电极定律,求出其中任意两种材料配成热电偶后的热电势值。这就大大简化了热电偶的选配工作。精品资料4均质导体(dot)定律如果组成热电偶的两个热电极的材料相同。无论两接点的温度是否相同,热电偶回路中的总热电动势均为0,均质导体(dot)定律有助于检验两个热电极材料成分是否相同及热电极材料的均匀性。5零电势(dinsh)定律由两种相同材料组成的热电偶和在两接点处温度相同的热电偶,其回路中总的热电势(dinsh)等于零或者说表现为热电偶不产生热电势(dinsh)。 精品资料4.1 电阻(dinz)应变式传感器4.1.1 电阻应变片的结
25、构(jigu)与工作原理ALR1电阻应变效应 导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)的作用时,会产生机械变形,同时机械变形会导致其阻值变化,这种因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。导体或半导体材料的电阻 当其受外力作用时,电阻率、长度L、横截面积A都会发生变化,从而引起R的变化。那么通过测量阻值的变化情况,就可反映出外界作用力的大小。第第4章章 电阻式传感器电阻式传感器精品资料v热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。v热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。v它的主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛
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