检测技术及传感器S02.基本概念.ppt

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1、检测技术及仪器,T&M Technologyand Instrumentation,CISTBUCT 2010,第部分基础知识,第一章绪论,检测技术的基本概念 仪表组成和技术分类 仪器仪表的技术指标,T&M,I 绪论,检测技术的概念 准确度、误差的分类 检测仪表的组成 检测技术的分类 仪器仪表的指标 静态特性 动态特性,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量 计量单位 测量的准确度 误差的分类,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量 测量是以确定量值为目的的一组操作采集和表达被测物理量 量值是被测量与同类型计量单位的比值与标准作比较,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量 测量是以确定量值为目

2、的的一组操作采集和表达被测物理量 量值是被测量与同类型计量单位的比值与标准作比较 将量值 q 作为计量单位 N 的倍数赋予被测量 x 则有 x = qN 从量纲上考虑对应上式有x = -x,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量 测量的前提 被测量必须有明确的定义 计量单位必须事先通过协议确定 没有明确定义的量是不可测的 如：气候的“舒适度”或人的“智力”等,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 计量单位基本标准绝对标准，彼此相互独立的标准。 在国际度量衡大会（Confrence Gnrale des Poids et Msures，CGPM）上定义了七个基本标准：长度、质量、时间、温度

3、、电流、光强和原子物理中的物质量由其构成的计量单位系统称为国际单位制（Systme International dUnits，SI）,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 国际单位制（SI）,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 国际单位制（SI）基本单位的定义 1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983 年）。 1千克定义为国际千克原型器的质量（1889 年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。 1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）

4、。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 国际单位制（SI）基本单位的定义 1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983 年）。 1千克定义为国际千克原型器的质量（1889 年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。 1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 国际单位制（SI）基本单位的定义 1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983 年）。 1千克定义为国际千克

5、原型器的质量（1889 年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。 1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 国际单位制（SI）基本单位的定义 1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983 年）。 1千克定义为国际千克原型器的质量（1889 年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。 1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续

6、时间（1967年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 国际单位制（SI）基本单位的定义 1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983 年）。 1千克定义为国际千克原型器的质量（1889 年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。 1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 国际单位制（SI）基本单位的定义 1米被定义为真空中的光在1/299792458秒时间内所经过的距离的长度（1983 年）。 1

7、千克定义为国际千克原型器的质量（1889 年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。 1秒定义为铯133原子基态两个超精细结构能级间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间（1967年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 国际单位制（SI）基本单位的定义 1安培定义为流经在真空中两根平行且相距1米的无限长直导线（其圆横截面可忽略不计）上，并能在其每米长导线之间产生 0.210-6 牛顿的电动力的不随时间变化的电流量（1948年）。 1开尔文被定义为水的三相点的热力学温度的1/273.16（1967年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念

8、计量单位 国际单位制（SI）基本单位的定义 1摩尔定义为一个由确定成份组成的系统，如果它含有粒子的个数等于碳12原子核的12/1000千克质量中所含原子的个数，则该系统的物质量为1摩尔（1971年）。 1坎德拉定义为一个在一定方向上发送频率为5401012赫兹的单色光辐射的辐射源， 在该方向上的辐射强度为1/683瓦特每立方角时的光强（1979年）。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 在我国最高精度的测量基准保留在“中国计量科学研究院”。根据测量的不同要求，采用不同的测量精度，以及相应的仪器。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位 导出单位从基本单位出发，用乘、除符号以代数式表

9、达。 SI 辅助单位 具有专有名称的导出单位 国家选定的非 SI 单位,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位,T&M,I 绪论,检测技术的概念 计量单位,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量的准确度 真值是指被测量的客观真实值。一般来说这一客观真值是未知的，仅在一些特殊的场合真值才是已知的（如一些理论分析值）。 约定真值是对于给定目的具有适当不确定度的、赋予特定量的值，是约定采用的。国际计量大会规定的最高基准是约定真值。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量的准确度 测量的准确度是指测量结果与被测量的真值之间的一致程度。 测量结果的精密度

10、测量结果的正确度,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量的准确度 测量的准确度是指测量结果与被测量的真值之间的一致程度。 测量结果的精密度 测量结果的正确度,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量的准确度 测量误差是测量结果与被测量的真值的差，也称绝对误差。 测量误差测量结果真值 测量误差的正负号 量纲与被测量的量纲相同 示值误差是测量仪器示值与被测量的真值的差。 示值误差仪器示值真值,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量的准确度 相对误差是测量误差与被测量的真值的商。 相对误差测量误差真值 无量纲 当测量误差很小时相对误差测量误差测量结果,T&M,I 绪论,检测技术的概念 测量的准确度 引

11、用误差是测量误差与仪表量程的商。 引用误差测量误差仪表量程 无量纲 最大引用误差最大测量误差仪表量程最大引用误差的规定是便于仪器准确度等级的评定。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 误差的分类 测量误差是不可避免的，只是其大小不同而已。,T&M,I 绪论,检测技术的概念 误差的分类 系统误差 在顺次测量的系列测量结果中，其值固定不变或按某确定规律变化的误差。 测量误差具有确定的值 在相同的考察条件下可重复表现 原则上可用函数的解析式、曲线或数表示 这一规律性并不一定确知,T&M,I 绪论,检测技术的概念 误差的分类 随机误差（偶然误差） 在同一条件下对同一被测量进行多次重复测量时，各测量数据的

12、误差或大或小，或正或负，其取值的大小没有确定的规律性，是不可预知的。 随机误差具有随机变量的一切特征 不能通过“修正”的方法消除掉 用统计的方法做出估计,T&M,I 绪论,检测技术的概念 误差的分类 粗大误差（过失误差） 超出正常范围的大误差。 正常范围是误差的正常分布规律决定的分布范围，只要误差取值不超过这一正常的范围，应是允许的。 粗大误差是随机的，但不同于随机误差，仅表现在数值大小上的差别，因此差别不明显时，不太容易区分。 一般粗大误差是由测量中的失误造成的。,第部分基础知识,第一章绪论,检测技术的基本概念 仪表组成和技术分类 仪器仪表的技术指标,T&M,I 绪论,检测仪表的组成 检测仪

13、表,T&M,I 绪论,检测仪表的组成 检测仪表 检测元件：将被测量变换为另一种易于处理的物理量 变换装置：将该物理量变换为信号（一般为电信号） 信号调理：将信号变换为适于处理的标准信号 信号传输：将信号分配到其它信号处理装置 测量装置：将信号与计量单位进行比较获得测量值 呈现装置：呈现测量结果（如显示、打印、存储等）,T&M,I 绪论,检测仪表的组成 检测元件（敏感元件） 能够将被测量变换为另一种物理量的元件 其输出信号能够反映被测量的大小和变化 信号 易于处理的物理量：机械量、气压液压量、电量、光 一般情况下是指电信号,T&M,I 绪论,检测仪表的组成 传感器 能够将被测量变换为另一种易于传

14、输的物理量（信号） 变送器 特殊的传感器，使用统一的动力源，输出标准信号 标准电信号：420 mA（型仪表）010 mA（型仪表） 标准气压信号：20100 kPa（气动仪表）,T&M,I 绪论,检测仪表的组成 检测系统 可以由检测仪表构成，但并不都是由检测仪表构成。 检测仪表或检测系统和必须的辅助设备所构成的整体称为检测装置。,T&M,I 绪论,检测仪表的分类 按被测参数分类：温度、压力、流量、物位 按响应形式分类：连续参数检测、状态检测 按使用的能源分类：机械、电动、气动、光式 按是否具有信号远传功能分类：就地显示、远传 按信号的输出形式分类：模拟式、数字式 按应用的领域场所分类：普通、隔

15、爆、本安 按仪表结构分类：开环、闭环,T&M,I 绪论,检测仪表的分类 开环结构仪表 仪表的传递函数为各环节传递函数之积 仪表的相对误差为各环节相对误差之和,T&M,I 绪论,检测仪表的分类 闭环结构仪表 仪表的传递函数为,T&M,I 绪论,检测仪表的分类 闭环结构仪表 仪表的传递函数为 仪表的相对误差检测元件的相对误差减去反馈通道的相对误差 当正向传递函数很大时，正向通道的性能对仪表影响较小，通过设计反馈通道可以获得较好的精确度和灵敏度。,第部分基础知识,第一章绪论,检测技术的基本概念 仪表组成和技术分类 仪器仪表的技术指标,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 测量范围和量程 输入输

16、出特性：线性度、灵敏度、死区、回差 稳定性、重复性与再现性、可靠性 误差、准确度与准确度等级 动态特性 响应时间,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 测量范围和量程 仪表能正常工作（满足准确度要求）的可测的被测量的下限和上限的范围，它们之间的代数差为量程。 关系到仪表的准确度、准确度等级以及仪表的选用。,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 输入输出特性 线性度在规定条件下，仪表校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（Full Scale）输出值的百分比。,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 输入输出特性 灵敏度输出变化量与引起该变化的输入变化量之比。,T&M,I 绪论,仪

17、器仪表的指标 静态特性 输入输出特性 灵敏度输出变化量与引起该变化的输入变化量之比。线性仪表的灵敏度为常数，非线性仪表的灵敏度是变化的。,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 输入输出特性 死区（不灵敏区）被测量的变化不致引起输出值可察觉的变化的有限区间。死区内仪表的灵敏度为零。,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 输入输出特性 回差在相同的工作条件下做全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 稳定性 一是时间稳定性，它表示在工作条件保持恒定时，仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小。 二是使

18、用条件变化稳定性，它表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响。,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 重复性 在相同的测量条件（测量程序、观察者、测量设备、地点、短时间）下，对同一被测量，按同一方向多次测量。 不包含回差，衡量抗随机干扰的能力 再现性 （与重复性不同处）相对较长时间，从两个方向 包括了重复性、包括了回差,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 可靠性 衡量仪表的可靠性没有专门的尺度，目前主要有三个指标来描述：保险期、有效性、侠义可靠性 定量描述：平均无故障时间（Mean Time Between Failure，MTBF）仪表在相邻两次故障间隔内有效工

19、作的平均时间。,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 误差 按误差的量纲分类 绝对误差绝对误差通常不能作为仪表准确度的唯一尺度 相对误差实际相对误差标称相对误差引用相对误差,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 误差 按误差出现的规律、特征分类 系统误差、随机误差、粗大误差 按使用的工作条件分类 仪表基本误差标准条件下，全量程范围，最大绝对误差对给定的仪表，只有一个值 仪表附加误差,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 误差 按误差的性质分类 静态误差 动态误差,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 误差 仪表满刻度相对误差最大引用误差、准确度最大引用误差最大测量误差仪

20、表量程 允许误差仪表基本误差的限值,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 误差 仪表满刻度相对误差最大引用误差、准确度最大引用误差最大测量误差仪表量程 允许误差仪表基本误差的限值,最大允许误差是指“对给定的测量仪器，规范、规程等所允许的误差极限值”。这是指在规定的参考条件下，测量仪器在技术标准、计量检定规程等技术规范上所规定的允许误差的极限值。这里规定的是误差极限值，所以实际上就是测量仪器各计量性能所要求的最大允许误差值。可简称为最大允许误差，也可称为测量仪器的允许误差限。,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 准确度 仪表给出接近于真值的响应能力 用仪表的满刻度相对误差来衡量 精

21、度、精确度,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 准确度等级 仪表的最大引用误差乘以 100 后经过圆整后的值准确度等级 最大引用误差100系列 按照国际法制计量组织（OIML）建议书34的推荐系列110n、1.510n、1.610n、210n、2.510n、310n、410n、510n、610n其中，n = 1、0、-1、-2、-3 等 最大引用误差 准确度等级 %,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 准确度等级 例： 一台精度为 0.5 级的温度测量仪表，下限刻度为负值、为全量程的 25%，该仪表在全量程内的最大允许绝对误差为 1，求该仪表刻度的上、下限及量程。 例：一台精确

22、度等级为 1 的流量计，测量范围为 101000 l/min，在标称值为 50 l/min 时测量误差取得最大值，实测相对误差为 10%，请问这台流量计是否合格。,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 静态特性 准确度等级 要注意：相对误差和引用误差的不同引用误差与仪表满刻度相对误差的区别引用误差与仪表准确度等级的关系,T&M,I 绪论,仪器仪表的指标 动态特性 响应时间 仪表输出值达到或接近稳定值的时间 一般规定仪表输出值达到稳定值的 63.2%，所需的时间为响应时间，也称仪表的时间常数。 准确度与动态响应特性的关系 准确度好的仪表动态响应特性不一定好，反之亦然。 准确度与动态响应特性间有一定的矛盾，不可得兼。,T&M,I 绪论,小结 测量的误差：随机误差、粗大误差、系统误差 仪表的指标：静态特性、动态特性 输入输出特性与误差的关系 绝对误差：有单位；真值的获取；仪表基本误差 相对误差：与真值有关，不反映仪表的好坏 最大引用误差：仪表量程；仪表满刻度相对误差 非线性误差： 回差：上行程(正行程)，下行程(反/逆行程）,T&M,I 绪论,小结 输入输出特性与误差的关系 例：下列判断不正确的是 最大引用误差 非线性误差 满刻度相对误差 相对误差 回差 2最大引用误差 非线性误差 2回差,