自動檢測技術與儀表控制系統(tǒng)-檢測技術及方法分析.ppt

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自動檢測或自動控制系統(tǒng)與外界的信息界面關系有三種情況：,獲取檢測對象所處狀態(tài)的傳感器，以及控制并調節(jié)對象狀態(tài)的執(zhí)行器。,3.檢測技術及方法分析,,,,操作人員與儀器裝置之間的界面。,監(jiān)控儀器與其他系統(tǒng)之間的信息往來。,傳感器是所有被測對象信息的輸入端口。,傳感器的作用是感受被測量的變化，直接從對象中提取被測量的信息，并轉換成相應的輸出信號，即完成信號的檢測與轉換，是整個系統(tǒng)中的關鍵。相當于人體的感覺器官，可以把非電量轉換成電信號。如溫度計：溫度→位移。傳感器的好壞直接影響儀表的質量，對它的要求有：準確性：輸出準確反映輸入，輸出、輸入之間是嚴格的單值關系，即只有被測量才對傳感器有作用。穩(wěn)定性：輸入和輸出之間的單值關系不隨時間和溫度變化，受外界其它因素干擾的影響小。靈敏性：較小的輸入量就有較大的輸出信號。其它：經濟性、耐腐蝕性、低能耗等。實際使用時還應考慮的有體積小、價廉、易于維修更換等,傳感器的種類千差萬別，傳感器的分類方法有很多種：,根據檢測對象分類，如溫度、壓力、位移等。從傳感器原理或反應效應分類，如光電、壓電等。根據傳感器的材料分類，如導電體、半導體等。按應用領域分類，如化工、紡織、造紙、環(huán)保等5.按輸出信號形式分類，如模擬和數(shù)字式等。6.按反映形式或能量供給方式分類，如能動型和被動型、能量變換型和能量控制型等。能動型：依據敏感元件材料本身的物理、化學性質的變化實現(xiàn)信號轉換，如水銀溫度計。被動型：依據傳感器結構參量變化而實現(xiàn)信號轉換，如電容式位移傳感器。能量轉換型：直接由被測對象輸入的能量使其工作的，如熱電偶溫度計和彈性壓力計。能量控制型：由外界輔助能量使其工作的，如電阻應變計，電阻接于電橋上。,檢測方法及基本概念----開環(huán)型檢測與閉環(huán)型檢測、直接檢測與間接檢測、絕對檢測與比較檢測、偏差法與零位法、強度變量檢測與容量變量檢測、微差法、替換法、能量變換型與能量控制型檢測及主動探索與信息反饋型檢測檢測系統(tǒng)的模型與結構分析----檢測系統(tǒng)的基本功能、模型與結構提高檢測精度的方法----時域信號選擇法和頻域信號選擇法多元化檢測技術----多元復合檢測、多元識別檢測、多傳感器融合檢測、構造化檢測、多點時空檢測,主要內容：,3.1.檢測方法及基本概念,只有傳感器并不等于具有完備的檢測技術或方法。除了傳感器之外還需要一定的檢測結構，用于有選擇地實現(xiàn)信號轉換。檢測技術理論就是針對復雜問題的檢測方法、檢測結構以及檢測信號處理等方面進行研究的一門綜合性科學。檢測技術與方法中有許多基本概念。為比較起見，下面分別解釋成對的一些概念。開環(huán)型檢測與閉環(huán)型檢測、直接檢測與間接檢測、絕對檢測與比較檢測、偏差法與零位法、強度變量檢測與容量變量檢測、微差法、替換法、能量變換型與能量控制型檢測及主動探索與信息反饋型檢測,一、開環(huán)型檢測與閉環(huán)型檢測,開環(huán)型檢測系統(tǒng)如圖(a)所示。一般由傳感器、信號放大器、轉換電路、顯示器等串聯(lián)組成。,閉環(huán)型檢測系統(tǒng)如圖(b)所示。正向通道中的變換器通常是將被測信號轉換成電信號，反向變換器則將電信號變?yōu)榉请娦盘枴?平衡式儀表及檢測系統(tǒng)一般采用這種結構,二、直接檢測與間接檢測,與同類基準進行簡單的比較，就能得到測量值的檢測方法稱為直接檢測。比如：用電壓表測電壓、溫度計測溫度等。直接測量一般可以直接讀出被測量的量值。間接檢測就是測量與被測量有一定關系的2個或2個以上物理量，然后再推算出被測量。比如，測量電流和電阻求電壓、v=L/t。間接測量需要進行2次以上的測量，一般要分析誤差的傳遞。,三、絕對檢測與比較檢測,絕對檢測是指由基本物理量測量而決定被測量的方法。例如，用水銀壓力計測壓力時，從水銀柱的高度、密度、和重力加速度等基本量測量決定壓力值。與同種類量值進行比較而決定測量值的方法稱為比較檢測方法。如用彈簧管壓力計測量壓力時，要用已知壓力校正壓力計的刻度，被測壓力使指針擺動而指示的壓力是通過比較或校正得出的。,四、偏差法與零位法,偏差法也叫非零檢測法。一般都是開環(huán)型結構，增益大。結構簡單，測量結果直觀。如彈簧秤稱重信號轉換需要的能量要從被測對象上獲得。這樣，會使檢測儀器的狀態(tài)發(fā)生變動。例如，用接觸式溫度計測量溫度，熱量會被溫度計吸收這種開環(huán)檢測對排除干擾很不利。零位法是反饋型閉環(huán)檢測方法。采取與同類的已知量取平衡的方法進行測量。如用天平測量質量。零位法的平衡操作絕大多數(shù)已經完全自動化。電位差計、平衡電橋等。,五、強度變量檢測與容量變量檢測,被測物理量中，有強度變量與容量變量之分。如壓力、溫度、電壓等表示作用的大小，與體積、質量無關的，稱作強度變量。而像長度、重量、熱量、電流等與占據空間相關，與體積、質量成比例關系的，是容量變量。一般在傳感器的輸入輸出端分別存在成對的強度變量與容量變量，它們的乘積分別表示傳感器的輸入、輸出能量。,以熱電偶測溫為例，溫度差即強度變量是輸入信號，輸出信號是熱電勢，也是強度變量。輸入端的容量變量是熱流，輸出端的容量變量是電流。如圖3-4所示。,熱流和電流都不是熱電偶的輸入輸出變量。但是它們都對檢測系統(tǒng)有影響：熱流是從被測物體流向檢測系統(tǒng)的。被檢測物體的熱容量過小或檢測系統(tǒng)的熱容過大，都將使被測物溫度發(fā)生變化而產生誤差。同時，輸出端電路里有電流流動，受內阻影響輸出信號的電壓有所降低，也會造成系統(tǒng)誤差。,,,,,,,,+,-,,,被測物,熱電偶示意圖,環(huán)境,強度變量與容量變量是在檢測系統(tǒng)的輸入輸出端共軛存在的變量。一方傳遞信息的同時，另一方總是直接或間接地與誤差有關。為了使測量不影響被測對象的狀態(tài)，而且減少測量誤差，需盡量抑制共軛變量的影響。,六、微差法此方法是測量被測量與已知量的差值。差值通常較小，可以提高檢測精度。如游標卡尺。這是利用主尺與游標刻線的微差提高測量精度的方法,七、替換法由于系統(tǒng)誤差的存在，當把被測物與標準比較物的主次或先后順序置換過來時，可以排除測量過程中因順序所造成的誤差影響。例如，改變天平放砝碼托盤的左右位置，兩次測量質量取平均值求得被測量的比較準確的質量。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,游標卡尺示意圖,主尺,游標,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,分度值（分辨率）0.1mm,被測尺寸的小數(shù)部分為40.1=0.4mm,八、能量變換與能量控制型檢測元件,這是根據傳感元件的能量供給方式來劃分的。如太陽能電池作為光傳感器、熱電偶作為溫度傳感器使用時，輸出信號的能量是傳感器吸收的光能、熱能的一部分，由于輸入信號的能量的一部分轉換成輸出信號，所以稱作能量變換型檢測。光敏電阻、熱敏電阻分別在光照、熱輻射的條件下，電阻值發(fā)生變化，這種類型的傳感器的輸出信號能量不是來自光源或熱源，而是檢測阻值變化的電路電源提供的。此時，可以看作是被測量控制了從電源轉向輸出信號的能量的流動。所以稱為能量控制型檢測。,九、主動探索與信息反饋型檢測,隨著智能化檢測的發(fā)展，出現(xiàn)了帶有探查和信息反饋功能的主動檢測方式。,主動探索檢測的信息反饋有多種形式：反饋給信息處理部，如神經元網絡學習等處理；反饋給傳感器，如改變傳感器的工作溫度，使傳感器的靈敏度提高或改變量程等；反饋給被測對象，如調整其位置，姿態(tài)，使檢測結果具有確定性。例如在檢測氣體濃度時，首先要觀測隨檢測裝置移動的濃度值的變化，探索濃度最大值的空間位置，然后輸出檢測結果,3.2.檢測系統(tǒng)模型與結構分析,檢測系統(tǒng)的基本功能----信號轉換與信號選擇、基準保持與比較、顯示與操作信號轉換模型與信號選擇性檢測系統(tǒng)的結構分析----差分式、補償式和調制式,內容：,一、檢測系統(tǒng)的基本功能,檢測系統(tǒng)的基本功能可總結為：信號轉換與信號選擇、基準保持與比較、顯示與操作三大部分。測量是把被測量與同種類單位量進行比較，以數(shù)值表示被測量大小的過程。因此，檢測儀表中必須具有基準保持部位。,下面從信號轉換的數(shù)學模型入手，分析信號選擇的意義，再對一些檢測結構進行分析。,二、信號轉換模型與信號選擇性,1.信號轉換的數(shù)學模型設檢測系統(tǒng)獨立的輸入變量為u1,u2,…,ur，輸出變量為y1，y2，…，ym，系統(tǒng)內部變量為x1，x2，…，xn，系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：,標定是改變輸入量u，記錄輸出量y的過程。檢測是在標定的基礎上由y求u的解逆問題的過程。檢測系統(tǒng)信號轉換的基本條件：變換特性能用簡單公式描述或輸入與輸出之間的關系確定。,設u1為被檢測量（輸入信號），y1為測量值（輸出信號）時,,則代表了u1→y1的檢測方程特性。如果把上式所示的信號轉換關系看成是u1與y1單變量模型時，這個函數(shù)必須是一對一的，所以要固定u1以外的變量，或者使其他變量不影響y1。,2.信號選擇性設計檢測系統(tǒng)時要選擇必要的信號，消除其他變量的影響，以提高檢測精度。這是一種在成本、開發(fā)周期等經濟條件和時間條件的制約下的優(yōu)化選擇問題，從許多檢測系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)信號變換特性與信號選擇特性之間優(yōu)化結合的例子。,以金屬絲的電阻值變化為例，它與金屬種類、純度、形狀、溫度有關。當用作熱電阻測溫時，選擇其溫度變化的特性，而要防止變形影響；當用作應變測量時，則選擇其形狀變化的特性，而要設計抵消溫度影響的檢測結構。,有時還可以主動地控制其他變量的影響。如熱式質量流量計，空氣流從熱金屬線上帶走的熱量和熱線溫度有關，但加熱電流和熱線溫度不能同時變化，可以采用控制熱線通電電流而檢測溫度的方法，還可以采用控制熱線溫度而檢測電流值的方法。,一個傳感器的輸入信號，除被測參數(shù)以外，還有其他未知參數(shù)或干擾參數(shù)，因此，一般傳感器可視為多輸入單輸出系統(tǒng)，如圖3-6所示。為減小和消除這些多余信號，實際上常常采取一些特殊結構。,三、檢測系統(tǒng)的結構分析,設被檢測量為u1，干擾量為u2，傳感器A為測量用傳感器，同時受u1、u2的作用，在u1、u2有微小變化的前后，輸出信號分別為：yA=fA(u1，u2)→yA=fA(u1+△u1，u2+△u2)。,傳感器B為補償用傳感器，受干擾量u2及其微小變化的影響。在固定u1時，輸出分別為：yB=fB(u1，u2)→yB=fB(u1，u2+△u2)。,1.補償結構,補償結構是利用傳感器B的輸出結果，補償傳感器A中的干擾量作用，使檢測系統(tǒng)的輸出結果不受被測參數(shù)以外的干擾參數(shù)的影響，實現(xiàn)信號選擇性。補償結果輸出為y=yA-yB=fA(u1+△u1，u2+△u2)-fB(u1，u2+△u2)。,（3-6）,即兩傳感器的傳輸特性相同，那么，它們對u2的各階次偏微分也分別相同，（3-6）式可化簡成,上式中，△u2的一次相和二次相被抵消了。因此，這種結構可以減少△u2的影響，實現(xiàn)對u2的補償。但這不是完全補償，因為還有△u1△u2的一項。,此時相當于fA(u1，u2)=fB(u1，u2)=af1(u1)+bf2(u2),這樣，補償結果中就不含△u2的影響，實現(xiàn)了完全補償。這種補償方式稱為比率補償，其結構是將兩傳感器輸出信號的相減改為相比。,,,總之，利用補償結構實現(xiàn)對干擾的補償時，必須有檢測干擾的傳感器，而且在干擾量變化范圍內補償用傳感器的特性應與檢測用傳感器特性相一致，滿足這一條件的嚴密與否決定了補償精度。,差分結構可以看作是補償結構的特例，是排除干擾、選擇必要的測量參數(shù)的重要方法。如圖3-8所示，差動結構的兩傳感要素一般采用空間對稱結構形式即f1(u1，u2)=f2(-u1，u2)。,同樣將上式利用泰勒級數(shù)展開到二次項，得到：,與補償結果式子相比，△u1的二次項也抵消了。即差動結構起到了線性化作用，也提高了對△u1的靈敏度。如果u1、u2是單函數(shù)的線性組合，式子中u2的殘存影響也可以完全消除。,2.差分結構,y=y1-y2=f1(u1+△u1，u2+△u2)-f2(u1-△u1，u2+△u2),差動原理利用了對稱與反對稱的輸入輸出特性，在消除共模干擾，降低漂移，提高靈敏度，改善線性關系等方面有明顯效果，是常見的、基本的檢測結構。,基于對稱結構的差動檢測不僅可以使輸入輸出特性成為線性的，而且可以實現(xiàn)高精度的檢測。如電橋、差動變壓器等。,3.3.提高檢測精度的方法,利用檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性實現(xiàn)信號選擇功能。主要是依據信號與噪聲在時域和頻域上的不同特性。這些方法同樣是提高檢測精度，抗噪聲的基本方法。,一、時域信號選擇方法基于同步加算的去噪方法信號一般都具有周期性，而噪聲是隨機變化的。如果進行同步加算，即使埋沒在噪聲中的微弱信號也能夠檢測出來。,★時域信號選擇方法----基于同步加算的去噪方法、基于響應速度的分離方法★頻域信號選擇方法--濾波放大與調頻放大方法、陷波放大方法、鎖定放大方法,如圖3-9所示，虛線表示信號波形。根據隨機誤差分析結果可知，當加算次數(shù)為N時，信號成分變成N倍，而噪聲只有倍，信噪比S/N改善了倍。,,基于響應速度的分離方法如氣體色譜分析儀，色譜柱內填充的吸附劑對不同成分的吸附能力不同,濾波放大與調頻放大方法信號和噪聲所占有的頻率段不同時，利用濾波器可以很容易地將兩者分離開來，稱之為濾波放大方法。如果信號和噪聲的頻率段接近時，先將信號頻帶移動到噪聲功率較小的頻率段，再分離噪聲，即進行信號調制和解調，如圖3-10所示，稱之為調頻放大方法。,圖3-10調頻帶通放大原理,二、頻域信號選擇方法,,,如圖3-11所示，當噪聲信號頻帶非常窄時采用此方法。如商用電源附近有大型電機時,圖3-11陷波放大原理,2.陷波放大方法,可檢測埋沒在噪聲中的微弱信號。方法是先調制抑制噪聲，再提取微弱信號的幅值和相位信息。,,圖3-12,設有用信號為Vi(t)，調制頻率為ω0，調制后的信號為Vicosω0t，噪聲為n(t)。傳感器輸出信號為：Vs(t)=Vi(t)cosω0t+n(t),3.鎖定放大方法,,調制后的信號與參考信號經過乘法器相乘得：Vo(t)=γcos(ω0t+φ)[Vi(t)cosω0t+n(t)]=0.5γVi(t)[cosφ+cos(2ω0t+φ)]+γn(t)cos(ω0t+φ),*積化和差公式：cosA*cosB=0.5[cos(A+B)+cos(A-B)],當噪聲與信號不相關時，上式的第二項為0，再經過低通濾波濾（LPF)掉2ω0的信號成分，此時Vo(t)=0.5γVi(t)cosφ。,相位φ為信號傳輸過程中的信號延遲，可以將參考信號的相位通過移動器逐漸移動而檢測出Vo(t)的最大值，與最初的Vo(t)的比值可以得到cosφ。,,信號的調制可以在輸入端進行，也可以在信號傳輸過程中進行，取決于噪聲和干擾的混進部位，搞清楚主要噪聲的來源，在噪聲混入之前調制才能使信號區(qū)別于噪聲。,,調制頻率決定方法,鎖定放大檢測的調制頻率，應該根據噪聲頻率譜分布情況來決定。受實際限制調制頻率不能太高，如放大器帶寬、傳感器的反映速度等。,3.4.多元化檢測技術,在檢測精度要求高的情況下，要使用多個傳感器或不同類型的傳感器群。多元化檢測是指高度智能化檢測，即運用多個傳感器自身的形態(tài)和并行檢測結構進行信號處理以得到新的信息。,一、多元檢測方程式,實際單輸入檢測系統(tǒng)是將檢測量以外的量看作不變或是控制成一定的值，需要進行校正，如果把校正看成檢測的一部分，實質就是進行多元檢測。,二、多元復合檢測,若被檢測量有n個，則最少需要n個獨立的方程式。如果一種檢測方法決定一個方程式，要有n種檢測方法，這不容易，在非線性多元檢測中，可以給未知參數(shù)加上已知量，采用同一檢測原理構成另一檢測方程。多元檢測方法就是利用非線性響應特性，不增加新檢測原理而增加獨立方程式的個數(shù)?！罾捍禋馐揭何粰z測,三、多元識別檢測,多傳感器氣體成分分析。傳感器的個數(shù)少于氣體的種類，但多傳感器對多成分氣體的反映交叉靈敏性是非線性的。利用特征提取和模式識別可識別氣體的種類。多傳感器與信號處理芯片集成在一起。,將多個（種）傳感器的信息進行復合（多個檢測結構互補，量程切換）、集成（將多個傳感器的信息綜合運算，得統(tǒng)一的信息，如三維位置檢測）、融合（如視覺和聽覺的融合）、聯(lián)想（為理解多個傳感器之間的關系而帶有建模與預測等處理功能）等處理，實現(xiàn)單一傳感器所不具備的功能。如提高檢測精度、數(shù)據的可靠性等。,四、多傳感器融合,作業(yè)P41.3-1、3-2,,