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自动检测技术及应用自动检测技术及应用1 1第一章第一章第一章第一章 检测技术的基本概念检测技术的基本概念检测技术的基本概念检测技术的基本概念自动检测技术及应用自动检测技术及应用2 2传感器的特性传感器的特性当输入量为常量，或变化极慢时，当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；这一关系称为静态特性；当输入量随时间较快地变化时，当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性这一关系称为动态特性。两种两种特性特性传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。特性的一个特例。自动检测技术及应用自动检测技术及应用3 3稳定性(零漂)传感器传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响 传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器特性的主要技术指标自动检测技术及应用自动检测技术及应用4 4一、静态特性技术指标一、静态特性技术指标1 1线性度线性度传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：下列多项式代数方程表示：式中：式中：y输出量；输出量；x输入量；输入量；a0零点输出；零点输出；a1理论灵敏度；理论灵敏度；a2、a3、an非线性项系数。非线性项系数。静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn自动检测技术及应用自动检测技术及应用5 5在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度通常用相对误差通常用相对误差L表示：表示：Lmax一最大非线性误差；一最大非线性误差；yFS量程输出。量程输出。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。理论拟合；理论拟合；端点连线平移拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合；端点连线拟合；过零旋转拟合；过零旋转拟合；最小二乘拟合；最小二乘拟合；最小包容拟合最小包容拟合一、静态特性技术指标一、静态特性技术指标L=(Lmax/yFS)100%自动检测技术及应用自动检测技术及应用6 6直线拟合方法直线拟合方法 a)理论拟合理论拟合 b)过零旋转拟合过零旋转拟合 c)端点连线拟合端点连线拟合 d)端点连线平移拟合端点连线平移拟合自动检测技术及应用自动检测技术及应用7 7设拟合直线方程：设拟合直线方程：0yyiy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有若实际校准测试点有n n个，则第个，则第i i个校准数据与拟合直线上响应个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为：值之间的残差为：最小二乘法拟合直线的原理就是使最小二乘法拟合直线的原理就是使 为最小值，即为最小值，即i=yi-(kxi+b)对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式一、静态特性技术指标一、静态特性技术指标自动检测技术及应用自动检测技术及应用8 8即即得到得到k和和b的表达式的表达式将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。一、静态特性技术指标一、静态特性技术指标自动检测技术及应用自动检测技术及应用9 92迟滞0yxHmaxyFS迟滞特性式中式中 Hmax正反行程间输出的最大差值。正反行程间输出的最大差值。传感器在正传感器在正(输入量增大输入量增大)反反（输入量减小）行程中输出输（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般是由实特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示满量程输出的百分数表示,即即一、静态特性技术指标一、静态特性技术指标自动检测技术及应用自动检测技术及应用1010一、静态特性技术指标一、静态特性技术指标3 3重复性重复性yx0Rmax2Rmax1重复性是指传感器在输入按同一重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度线不一致的程度。重重复复性性误误差差也也常常用用绝绝对对误误差差表表示示。检检测测时时也也可可选选取取几几个个测测试试点点，对对应应每每一一点点多多次次从从同同一一方方向向趋趋近近，获获得得输输出出值值系系列列yi1，yi2，yi3，yin，算算出出最最大大值值与与最最小小值值之之差差或或3作作为为重重复复性性偏偏差差Ri，在在几个几个Ri中取出最大值中取出最大值Rmax 作为重复性误差。作为重复性误差。Rmax1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。自动检测技术及应用自动检测技术及应用1111一、静态特性技术指标一、静态特性技术指标4灵敏度与灵敏度误差s=(k/k)100%由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即灵敏度误差用相对误差表示，即可见，传感器输出曲线的可见，传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度斜率就是其灵敏度。对线性。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。是一常数，与输入量大小无关。K=y/x传感器输出的变化量传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量与引起该变化量的输入变化量 x之比即为其静态灵敏度，其表达式为之比即为其静态灵敏度，其表达式为自动检测技术及应用自动检测技术及应用1212一、静态特性技术指标一、静态特性技术指标分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值阈值。5分辨力与阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器有些传感器,当输当输入量连续变化时入量连续变化时,输出量只作阶梯变化输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每则分辨力就是输出量的每个个“阶梯阶梯”所代表的输入量的大小。所代表的输入量的大小。6稳定性测测试试时时先先将将传传感感器器输输出出调调至至零零点点或或某某一一特特定定点点，相相隔隔4h、8h或或一一定定的的工工作作次次数数后后，再再读读出出输输出出值值，前前后后两两次次输输出出值值之之差差即即为为稳定性误差。它可用相对误差表示稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。也可用绝对误差表示。稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。自动检测技术及应用自动检测技术及应用1313被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。二、传感器的动态特性二、传感器的动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。标准输入有三种：u正弦变化的输入u阶跃变化的输入u线性输入自动检测技术及应用自动检测技术及应用14141 1、与测量条件有关的因素、与测量条件有关的因素 (1)(1)测量的目的；测量的目的；(2)(2)被测试量的选择；被测试量的选择；(3)(3)测量范围；测量范围；(4)(4)输入信号的幅值，频带宽度；输入信号的幅值，频带宽度；(5)(5)精度要求；精度要求；(6)(6)测量所需要的时间。测量所需要的时间。三、传感器的选用原则三、传感器的选用原则自动检测技术及应用自动检测技术及应用15152 2、与传感器有关的技术指标、与传感器有关的技术指标 (1)1)精度；精度；(2)(2)稳定度；稳定度；(3)(3)响应特性；响应特性；(4)(4)模拟量与数字量；模拟量与数字量；(5)(5)输出幅值；输出幅值；(6)(6)对被测物体产生的负载效应；对被测物体产生的负载效应；(7)(7)校正周期；校正周期；(8)(8)超标准过大的输入信号保护。超标准过大的输入信号保护。三、传感器的选用原则三、传感器的选用原则自动检测技术及应用自动检测技术及应用1616 3 3、与使用环境条件有关的因素、与使用环境条件有关的因素 (1)(1)安装现场条件及情况；安装现场条件及情况；(2)(2)环境条件环境条件(湿度、温度、振动等湿度、温度、振动等)；(3)(3)信号传输距离；信号传输距离；(4)(4)所需现场提供的功率容量。所需现场提供的功率容量。4 4、与购买和维修有关的因素、与购买和维修有关的因素 (1)(1)价格；价格；(2)(2)零配件的储备；零配件的储备；(3)(3)服务与维修制度，保修时间；服务与维修制度，保修时间；(4)(4)交货日期。交货日期。三、传感器的选用原则三、传感器的选用原则自动检测技术及应用自动检测技术及应用1717三、传感器的选用原则三、传感器的选用原则三、传感器的选用原则三、传感器的选用原则基本参数指标基本参数指标环境参数指标环境参数指标可靠性可靠性指标指标其他指标其他指标量程指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性 动态性能指标动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等 温度指标温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等 抗冲振指标：抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差 其他环境参数其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等自动检测技术及应用自动检测技术及应用1818下课湖南工业大学电气与信息工程学院