自动检测技术与仪表控制系统检测技术及方法分析.ppt

自动检测或自动控制系统与外界的信息界面关系有三种情况：获取检测对象所处状态的传感器，以及控制并调节对象状态的执行器。图图3-1 检测与控制仪器与外界检测与控制仪器与外界环境之间的三种界面环境之间的三种界面3.检测技术及方法分析检测技术及方法分析操作人员与仪器装置之间的界面。监控仪器与其他系统之间的信息往来。传感器是所有被测对象信息的输入端口。传感器的作用是感受被测量的变化，直接从对象中提取被测量的信息，并转换成相应的输出信号，即完成信号的检测与转换，是整个系统中的关键。相当于人体的感觉器官，可以把非电量转换成电信号。如温度计：温度位移。传感器的好坏直接影响仪表的质量，对它的要求有：准确性：输出准确反映输入，输出、输入之间是严格的单值关系，即只有被测量才对传感器有作用。稳定性：输入和输出之间的单值关系不随时间和温度变化，受外界其它因素干扰的影响小。灵敏性：较小的输入量就有较大的输出信号。其它：经济性、耐腐蚀性、低能耗等。实际使用时还应考虑的有体积小、价廉、易于维修更换等传感器的种类千差万别，传感器的分类分类方法有很多种：1.根据检测对象检测对象分类，如温度、压力、位移等。2.从传感器原理或反应效应传感器原理或反应效应分类，如光电、压电等。3.根据传感器的材料材料分类，如导电体、半导体等。4.按应用领域应用领域分类，如化工、纺织、造纸、环保等5.5.按输出信号形式输出信号形式分类，如模拟和数字式等。6.6.按反映形式或能量供给方式反映形式或能量供给方式分类，如能动型和被动型、能量变换型和能量控制型等。能动型：依据敏感元件材料本身的物理、化学性质的变化实现信号转换，如水银温度计。被动型：依据传感器结构参量变化而实现信号转换，如电容式位移传感器。能量转换型：直接由被测对象输入的能量使其工作的，如热电偶温度计和弹性压力计。能量控制型：由外界辅助能量使其工作的，如电阻应变计，电阻接于电桥上。检测方法及基本概念-开环型检测与闭环型检测、直接检测与间接检测、绝对检测与比较检测、偏差法与零位法、强度变量检测与容量变量检测、微差法、替换法、能量变换型与能量控制型检测及主动探索与信息反馈型检测检测系统的模型与结构分析-检测系统的基本功能、模型与结构提高检测精度的方法-时域信号选择法和频域信号选择法多元化检测技术-多元复合检测、多元识别检测、多传感器融合检测、构造化检测、多点时空检测主要内容：主要内容：3.1.检测方法及基本概念只有传感器并不等于具有完备的检测技术或方法。除了传感器之外还需要一定的检测结构，用于有选择地实现信号转换。检测技术理论检测技术理论就是针对复杂问题的检测方法、检测结构以及检测信号处理等方面进行研究的一门综合性科学。检测技术与方法中有许多基本概念。为比较起见，下面分别解释成对的一些概念。开环型检测与闭环型检测、直接检测与间接检测、绝对检测与比较检测、偏差法与零位法、强度变量检测与容量变量检测、微差法、替换法、能量变换型与能量控制型检测及主动探索与信息反馈型检测一、开环型检测与闭环型检测一、开环型检测与闭环型检测开环型检测系统如图(a)所示。一般由传感器、信号放大器、转换电路、显示器等串联组成。闭环型检测系统如图(b)所示。正向通道中的变换器通常是将被测信号转换成电信号，反向变换器则将电信号变为非电信号。对象信息处理器传感器输出(a)+反变换器变换器放大器被测量输出-(b)平衡式仪表及检测系统一般采用这种结构二、直接检测与间接检测二、直接检测与间接检测与同类基准进行简单的比较，就能得到测量值的检测方法称为直接检测直接检测。比如：用电压表测电压、温度计测温度等。直接测量一般可以直接读出被测量的量值。间接检测间接检测就是测量与被测量有一定关系的2个或2个以上物理量，然后再推算出被测量。比如，测量电流和电阻求电压、v=L/t。间接测量需要进行2次以上的测量，一般要分析误差的传递。三、绝对检测与比较检测三、绝对检测与比较检测绝对检测绝对检测是指由基本物理量测量而决定被测量的方法。例如，用水银压力计测压力时，从水银柱的高度、密度、和重力加速度等基本量测量决定压力值。与同种类量值进行比较而决定测量值的方法称为比较检测方法比较检测方法。如用弹簧管压力计测量压力时，要用已知压力校正压力计的刻度，被测压力使指针摆动而指示的压力是通过比较或校正得出的。四、偏差法与零位法四、偏差法与零位法偏差法偏差法也叫非零检测法。一般都是开环型结构，增益大。结构简单，测量结果直观。如弹簧秤称重信号转换需要的能量要从被测对象上获得。这样，会使检测仪器的状态发生变动。例如，用接触式温度计测量温度，热量会被温度计吸收这种开环检测对排除干扰很不利。零位法零位法是反馈型闭环检测方法。采取与同类的已知量取平衡的方法进行测量。如用天平测量质量。零位法的平衡操作绝大多数已经完全自动化。电位差计、平衡电桥等。五、强度变量检测与容量变量检测五、强度变量检测与容量变量检测被测物理量中，有强度变量与容量变量之分。如压力、温度、电压等表示作用的大小，与体积、质量无关的，称作强度变量强度变量。而像长度、重量、热量、电流等与占据空间相关，与体积、质量成比例关系的，是容量变量容量变量。一般在传感器的输入输出端分别存在成对的强度变量与容量变量，它们的乘积分别表示传感器的输入、输出能量。以热电偶测温为例，温度差温度差即强度变量是输入信号，输出信号是热电势热电势，也是强度变量。输入端的容量变量是热流热流，输出端的容量变量是电电流流。如图3-4所示。热电偶热流温度差电流热电势图3-4热流和电流都不是热电偶的输入输出变量。但是它们都对检测系统有影响对检测系统有影响：热流是从被测物体流向检测系统的。被检测物体的热容量过小或检测系统的热容过大，都将使被测物温度发生变化而产生误差。同时，输出端电路里有电流流动，受内阻影响输出信号的电压有所降低，也会造成系统误差。+-被测物热电偶示意图环境强度变量与容量变量是在检测系统的输入输出端共轭存在的变量。一方传递信息的同时，另一方总是直接或间接地与误差有关。为了使测量不影响被测对象的状态，而且减少测量误差，需尽量抑制共轭变量的影响。六、微差法六、微差法此方法是测量被测量与已知量的差值。差值通常较小，可以提高检测精度。如游标卡尺。这是利用主尺与游标刻线的微差提高测量精度的方法七、替换法七、替换法由于系统误差的存在，当把被测物与标准比较物的主次或先后顺序置换过来时，可以排除测量过程中因顺序所造成的误差影响。例如，改变天平放砝码托盘的左右位置，两次测量质量取平均值求得被测量的比较准确的质量。01cm游标卡尺示意图主尺游标01cm00.9cm分度值（分辨率）0.1mm被测尺寸的小数部分为40.1=0.4mm八、能量变换与能量控制型检测元件八、能量变换与能量控制型检测元件这是根据传感元件的能量供给方式来划分的。如太阳能电池作为光传感器、热电偶作为温度传感器使用时，输出信号的能量是传感器吸收的光能、热能的一部分，由于输入信号的能量的一部分转换成输出信号，所以称作能量变换能量变换型检测型检测。光敏电阻、热敏电阻分别在光照、热辐射的条件下，电阻值发生变化，这种类型的传感器的输出信号能量不是来自光源或热源，而是检测阻值变化的电路电源提供的。此时，可以看作是被测量控制了从电源转向输出信号的能量的流动。所以称为能量控制型检测能量控制型检测。九、主动探索与信息反馈型检测九、主动探索与信息反馈型检测随着智能化检测的发展，出现了带有探查和信息反馈功能的主动检测方式。主动探索检测的信息反馈有多种形式：反馈给信息处理部，如神经元网络学习等处理；反馈给传感器，如改变传感器的工作温度，使传感器的灵敏度提高或改变量程等；反馈给被测对象，如调整其位置，姿态，使检测结果具有确定性。例如在检测气体浓度时，首先要观测随检测装置移动的浓度值的变化，探索浓度最大值的空间位置，然后输出检测结果被测对象检测结果单传感器或多传感器信息处理3.2.检测系统模型与结构分析检测系统模型与结构分析检测系统的基本功能-信号转换与信号选择、基准保持与比较、显示与操作信号转换模型与信号选择性检测系统的结构分析-差分式、补偿式和调制式 内容：内容：一、检测系统的基本功能一、检测系统的基本功能检测系统的基本功能可总结为：信号转换与信号选择、基准保持与比较、显示与操作 三大部分。测量测量是把被测量与同种类单位量进行比较，以数值表示被测量大小的过程。因此，检测仪表中必须具有基准保持部位。下面从信号转换的数学模型入手，分析信号选择的意义，再对一些检测结构进行分析。二、信号转换模型与信号选择性二、信号转换模型与信号选择性1.信号转换的数学模型 设检测系统独立的输入变量为u1,u2,ur，输出变量为y1，y2，ym，系统内部变量为x1，x2，xn，系统的状态方程为：标定标定是改变输入量u，记录输出量y的过程。检测检测是在标定的基础上由y求u的解逆问题的过程。检测系统信号转换的基本条件检测系统信号转换的基本条件：变换特性能用简单公式描述或输入与输出之间的关系确定。设u1 为被检测量（输入信号），y1 为测量值（输出信号）时则代表了u1y1的检测方程特性。如果把上式所示的信号转换关系看成是u1与y1单变量模型时，这个函数必须是一对一的，所以要固定u1以外的变量，或者使其他变量不影响y1。2.信号选择性 设计检测系统时要选择必要的信号，消除其他变量的影响，以提高检测精度。这是一种在成本、开发周期等经济条件和时间条件的制约下的优化选择问题，从许多检测系统中可以发现信号变换特性与信号选择特性之间优化结合的例子。以金属丝的电阻值变化为例，它与金属种类、纯度、形状、温度有关。当用作热电阻测温时，选择其温度变化的特性，而要防止变形影响；当用作应变测量时，则选择其形状变化的特性，而要设计抵消温度影响的检测结构。有时还可以主动地控制其他变量的影响。如热式质量流量计，空气流从热金属线上带走的热量和热线温度有关，但加热电流和热线温度不能同时变化，可以采用控制热线通电电流而检测温度的方法，还可以采用控制热线温度而检测电流值的方法。一个传感器的输入信号，除被测参数以外，还有其他未知参数或干扰参数，因此，一般传感器可视为多输入单输出系统，如图3-6所示。为减小和消除这些多余信号，实际上常常采取一些特殊结构。传感器传感器输入量输出量x1x2x3y图3-6 传感器的多输入单输出形式三、检测系统的结构分析三、检测系统的结构分析设被检测量为u1，干扰量为u2，传感器A为测量用测量用传感器，同时受u1、u2 的作用，在u1、u2有微小变化的前后，输出信号分别为：yA=fA(u1，u2)yA=fA(u1+u1，u2+u2)。传感器B为补偿用补偿用传感器，受干扰量u2及其微小变化的影响。在固定u1时，输出分别为：yB=fB(u1，u2)yB=fB(u1，u2+u2)。1.补偿结构补偿结构补偿结构是利用传感器B的输出结果，补偿传感器A中的干扰量作用，使检测系统的输出结果不受被测参数以外的干扰参数的影响，实现信号选择性。补偿结果输出为y=yA-yB=fA(u1+u1，u2+u2)-fB(u1，u2+u2)。（3-6）即两传感器的传输特性相同，那么，它们对u2的各阶次偏微分也分别相同，（3-6）式可化简成上式中，u2的一次相和二次相被抵消了。因此，这种结构可以减少u2的影响，实现对u2的补偿。但这不是完全补偿，因为还有u1u2的一项。此时相当于fA(u1，u2)=fB(u1，u2)=a f1(u1)+b f2(u2)这样，补偿结果中就不含u2的影响，实现了完全补偿。这种补偿方式称为比率补偿，其结构是将两传感器输出信号的相减改为相比。总之，利用补偿结构实现对干扰的补偿时，必须有检测干扰的传感器，而且在干扰量变化范围内补偿用传感器的特性应与检测用传感器特性相一致，满足这一条件的严密与否决定了补偿精度。差分结构可以 看作是补偿结构的特例，是排除干扰、选择必要的测量参数的重要方法。如图3-8所示，差动结构的两传感要素一般采用空间对称结构形式即f1(u1，u2)=f2(-u1，u2)。同样将上式利用泰勒级数展开到二次项，得到：与补偿结果式子相比，u1的二次项也抵消了。即差动结构起到了线性化作用，也提高了对u1 的灵敏度。如果u1、u2是单函数的线性组合，式子中u2的残存影响也可以完全消除。2.差分结构差分结构y=y1-y2=f1(u1+u1，u2+u2)-f2(u1-u1，u2+u2)差动原理利用了对称与反对称的输入输出特性，在消除共模干扰，降低漂移，提高灵敏度，改善线性关系等方面有明显效果，是常见的、基本的检测结构。基于对称结构的差动检测不仅可以使输入输出特性成为线性的，而且可以实现高精度的检测。如电桥、差动变压器等。3.3.提高检测精度的方法 利用检测系统的动态特性实现信号选择功能。主要是依据信号与噪声在时域和频域上的不同特性。这些方法同样是提高检测精度，抗噪声的基本方法。一、时域信号选择方法 基于同步加算的去噪方法 信号一般都具有周期性，而噪声是随机变化的。如果进行同步加算，即使埋没在噪声中的微弱信号也能够检测出来。时域信号选择方法-基于同步加算的去噪方法、基于响应速度的分离方法 频域信号选择方法-滤波放大与调频放大方法、陷波放大方法、锁定放大方法 如图3-9所示，虚线表示信号波形。根据随机误差分析结果可知，当加算次数为N时，信号成分变成N倍，而噪声只有 倍，信噪比S/N改善了 倍。基于响应速度的分离方法 如气体色谱分析仪，色谱柱内填充 的吸附剂对不同成分的吸附能力不同 1.滤波放大与调频放大方法 信号和噪声所占有的频率段频率段不同时，利用滤波器可以很容易地将两者分离开来，称之为滤波放大方法滤波放大方法。如果2.信号和噪声的频率段3.接近时，先将信号频4.带移动到噪声功率较5.小的频率段，再分离6.噪声，即进行信号调7.制和解调，如图3-108.所示，称之为调频放调频放9.大方法大方法。图图3-10 调频带通放大原理调频带通放大原理二、频域信号选择方法如图3-11所示，当噪声信号频带非常窄时采用此方法。如商用电源附近有大型电机时 图图3-11 陷波放大原理陷波放大原理2.陷波放大方法陷波放大方法可检测埋没在噪声中的微弱信号。方法是先调制抑制噪声，再提取微弱信号的幅值和相位信息。图图3-12设有用信号为Vi(t)，调制频率为0，调制后的信号为Vicos0t，噪声为n(t)。传感器输出信号为：Vs(t)=Vi(t)cos0t+n(t)3.锁定放大方法锁定放大方法调制后的信号与参考信号经过乘法器相乘得：Vo(t)=cos(0t+)Vi(t)cos0t+n(t)=0.5Vi(t)cos+cos(20t+)+n(t)cos(0t+)*积化和差公式：cosA*cosB=0.5cos(A+B)+cos(A-B)当噪声与信号不相关时，上式的第二项为0，再经过低通滤波滤（LPF)掉20的信号成分，此时 Vo(t)=0.5Vi(t)cos。相位为信号传输过程中的信号延迟，可以将参考信号的相位通过移动器逐渐移动而检测出Vo(t)的最大值，与最初的Vo(t)的比值可以得到 cos。信号的调制可以在输入端进行，也可以在信号传输过程中进行，取决于噪声和干扰的混进部位，搞清楚主要噪声的来源，在噪声混入之前调制才能使信号区别于噪声。功率频率调制噪声功率谱调制频率决定方法锁定放大检测的调制频率，应该根据噪声频率谱分布情况来决定。受实际限制调制频率不能太高，如放大器带宽、传感器的反映速度等。3.4.多元化检测技术 在检测精度要求高的情况下，要使用多个传感器或不同类型的传感器群。多元化检测是指高度智能化检测，即运用多个传感器自身的形态和并行检测结构进行信号处理以得到新的信息。一、多元检测方程式一、多元检测方程式 实际单输入检测系统是将检测量以外的量看作不变或是控制成一定的值，需要进行校正，如果把校正看成检测的一部分，实质就是进行多元检测。二、多元复合检测二、多元复合检测若被检测量有n个，则最少需要n个独立的方程式。如果一种检测方法决定一个方程式，要有n种检测方法，这不容易，在非线性多元检测中，可以给未知参数加上已知量，采用同一检测原理构成另一检测方程。多元检测方法就是利用非线性响应特性，不增加新检测原理而增加独立方程式的个数。例：吹气式液位检测三、多元识别检测三、多元识别检测多传感器气体成分分析。传感器的个数少于气体的种类，但多传感器对多成分气体的反映交叉灵敏性是非线性的。利用特征提取和模式识别可识别气体的种类。多传感器与信号处理芯片集成在一起。将多个（种）传感器的信息进行复合（多个检测结构互补，量程切换）、集成（将多个传感器的信息综合运算，得统一的信息，如三维位置检测）、融合（如视觉和听觉的融合）、联想（为理解多个传感器之间的关系而带有建模与预测等处理功能）等处理，实现单一传感器所不具备的功能。如提高检测精度、数据的可靠性等。四、多传感器融合四、多传感器融合作业P41.3-1、3-2