《自动检测技术》读书笔记
2021-08-23 15:17:07 12 举报AI智能生成
《自动检测技术》复习思维导图
作者其他创作
大纲/内容
检测仪表
检测仪表的构成和设计方法
检测仪表的组成
敏感元件
信号变换
处理数据
数据存储
显示装置
检测仪表的设计方法
直接串联式
相对误差为各个环节相对误差之和，精度一般较低
各个环节的性能均对整个仪表的性能有较大影响
线性度较差
稳定性较好、结构简单
差动式
实施方式
用两个性能完全相同的转换元件同时感受敏感元件的输出量，并转换成两个性质相同但沿反方向变化的物理量，以他们的差值作为输出
特性分析
改善信噪比
改善仪表非线性
提高灵敏度
参比式
实施方式
用两个性能一样的检测组件，一个感受被测量和环境条件作为主通道，一个只感受环境条件作为补偿通道，通过补偿操作把主通道的环境干扰消去
特性分析
根据干扰对被测量的作用效果决定补偿方式，以达到完全补偿
平衡式
为闭环反馈结构
有差随动式
向前通道可近似为一阶滞后环节
一阶系统
无差随动式
有积分环节，是一个二阶系统
主通道可近似为一个一阶滞后和一个积分环节组成
利用电桥进行电阻与电压的变换
优点：温度补偿、提高灵敏度、在被测量为0时电桥输出为0
形式
不平衡电桥
电压灵敏度
电流灵敏度
分类
等臂电桥、单臂工作
第一对称、单臂工作
等臂电桥、双臂工作
等臂电桥、四臂工作
表3.1
电桥的设计：确定电源电压、电桥工作方式、各桥臂电阻值
平衡电桥
双电桥
温度检测仪表
温标
分类
接触式
膨胀式
压力式
热电阻式
热电偶温度检测仪表
非接触式
辐射式
非接触式温度检测仪表
原理：利用物体的辐射能随温度变化的原理
方法
全辐射法
亮度法
比色法
辐射温度计
全辐射高温计
光电温度计
比色温度计
红外温度计
接触式温度检测仪表
热电偶温度计
八个标准热电偶，热电偶的相关计算可查各自对应的分度表
热电偶自由端(冷端)的处理
补偿导线法：要求补偿导线的热电特性在一定范围内要和要与热电偶的相同
计算修正法：E(t,t0) = E(t,0)-E(t0,0)
自由端恒温法：自由端引至恒温器中
自动补偿法：采用电桥，成为自由端温度补偿器，型号要和热电偶配对
结构
普通型热电偶
铠装热电偶
薄膜热电偶
热电阻温度计
为减小误差，采用三线制接法
分类
铂电阻温度计
铜电阻温度计
测温系统
显示仪表或变送器要与热电阻配套
显示仪表或变送器需要有非线性补偿或处理功能
其他接触式温度检测仪表
玻璃管温度计
压力式温度计
双金属温度计
集成温度传感器
压力检测仪表
压力的表示方式
绝对压力
表压力：仪表指示压力为表压力
真空度
压差
分类
液体压力计
原理：流体静力学原理 p2=p1+ρgh
误差分析
温度误差：工作液密度随温度变化、标尺长度变化
安装误差：不垂直会产生误差
重力加速度误差
读数误差：毛细作用
使用
测量较低压力、只能现场指示
压力计应垂直安装
工作条件偏离标准条件应对读数进行修正(温度、重力加速度等)
弹性式压力计
弹簧管压力表
波纹管差压计
其他弹性式压力表
膜片压力表
膜盒压力表
电远传式压力仪表
力平衡式压力变送器
电容式压差变送器
其他
霍尔压力传感器
电感式压力传感器
谐振式压力传感器
物性型压力传感器
原理：基于物质定律基础，这类传感器也是电远传的
分类
应变式压力传感器
压阻式压力传感器
压电式压力传感器
使用
仪表的选用
量程的选择
准确度等级的选择
仪表类型的选择
被测介质的性质
对输出信号的要求
使用的环境
取压点和引压管路的设计
物位检测仪表
物位：容器中物质的高度或位置
分类
与容器连通的玻璃管显示液体高度
静压式物位计
原理：液位高度变化，液柱产生的压力也随之变化
与液体密度有关、与差压仪表的安装位置有关
量程迁移
原因：取压口与压力检测仪表的入口可能不在同一水平高度
无迁移
正迁移
负迁移
浮力式液位计
电容式物位计
超声波物位计
原理：超声波从一个介质向另一个介质传播时，会在分界面上发生反射和折射
误差补偿方法
温度补偿：安装温度传感器
设置校正具
射线式物位计
原理：射线穿过介质时，部分能量会被吸收，射线强度衰减
微波物位计
和超声波物位计的对比 表3.7
优点：测量准确、可靠性强、几乎可以测量所有介质、安全节能
磁致伸缩液位计
流量检测仪表
流量：单位时间内介质流经管道中某截面的数量
流量的相关参数
单相流
体积流量：单位时间流过某截面的体积
质量流量：单位时间流过某截面的质量
多相流
检测方法
体积流量
直接法，适于高粘度、低雷诺数的流体
间接法(速度法)：管路条件的影响很大
节流式流量计
电磁流量计
转子流量计
涡街流量计
涡轮流量计
超声波流量计
质量流量
直接法
间接法
节流式流量计
节流件
标准节流件
标准孔板
标准喷嘴
标准文丘里管
特殊节流件
流量方程
流量系数
节流件形式和开孔直径
直径比β 越小，流量系数α越小
取压方式
角接取压法
法兰取压法
D-D/2取压法
流体的流动状态
雷诺数Re
管道状态
可膨胀系数
节流件开孔面积与温度
温度高，直径变大，面积变大
流体密度
压力损失
前后应该有足够的直管段长度
转子流量计
原理：流体对浮子产生的压差和浮子本身受到的浮力与浮子的重力，导致浮子的位置变化
使用
仪表前直管段长度要求不高，但要求垂直安装
适于中小流量的检测
涡街流量计
不受流体温度、压力、密度、黏度等变化的影响
安装时要求有足够的直管段长度，周围避免有大的振动源
电磁流量计
线性，与流体的温度、压力、密度和黏度无关
被测流体必须是导电的，不能测气体、蒸汽、石油等，但是可以含有颗粒、悬浮物
容积式流量计
椭圆齿轮流量计
刮板流量计
适于测量黏度较高的液体流量，被测介质必须干净，不能有杂质
对前后直管段长度无要求
涡轮流量计
原理：动量矩守恒
可测脉动流量，仅适用于干净的介质，流量计前后有一定的直管段长度
质量流量计
直接式质量流量计
间接式质量流量计
补偿式质量流量计
超声波流量计
优点：非接触式测量
仪表的使用
仪表的选择
仪表的安装
气体成分分析仪表
氧量分析仪(氧化锆)
热导式气体分析仪
使用前提
被测组分的热导率应与其他组分的有较大差异
其他组分应该比较一致
原理：不同的气体，热导率不同，热传导速率不同，将热导率变化转变成热丝电阻值的变化
红外式气体分析仪
原理：气体对红外线的波长有选择地吸收和热效应----红外吸收光谱图
色谱仪
色谱图
定性分析
滞留时间法
加纯物质法
定量分析
定量进样法
面积皈依法
外标法
机械量测量仪表
测量原理：表3.10
位移式检测仪表
电容式
光纤式
激光扫描测长仪
厚度测量仪表
接触式
滚轮接触式电感厚度计
超声波测厚仪
非接触式
高频涡流测厚仪
射线式测厚仪
力测量仪表
转矩测量仪表
振动与加速度测量仪表
转速表
脉冲式转速表
频闪式转速表
离心式转速表
检测技术基础
检测仪表的定义
检测仪表
检测系统
相关术语
敏感元件：能灵敏的感受被测参数并将它的变化转换成另一个物理量的变化的元件
传感器：能直接感受被测参数并将它的变化转换成一种易于传输的物理量
变送器
被测参数：敏感元件直接感受的测量值
待测参数：需要获取的测量参数
直接测量
间接测量
仪表分类
按被测参数分
温度检测仪表
压力检测仪表
流量检测仪表
物位检测仪表等
按被测参数的响应形式分
连续式检测仪表
开关式检测仪表
按仪表中使用的能源和主要信息的类型分
机械式仪表
电式仪表
气式仪表
光式仪表
按是否具有远传功能分
就地显示仪表
远传式仪表
按信号的输出形式分
模拟式仪表
数字式仪表
按应用的场所
按仪表的结构形式分
开环结构仪表----结构简单、准确度低
闭环结构仪表----结构复杂、准确度高、灵敏度高、稳定性差
检测仪表基本性能
测量范围和量程----量程=测量值上限-测量值下限
输入-输出特性
灵敏度----S=Δy/Δx
死区----输入量的变化没有引起输出量的变化、灵敏度为0
线性度----实际输出值和理论输出值之间的偏离程度
回差----正反行程的输出值之间的最大误差
误差
绝对误差----测量值与被测参数真值之间差值 Δx = x-x0
相对误差----Δx/x0
引用误差----Δx/量程
仪表基本误差----全量程范围内最大的绝对误差
仪表满刻度相对误差----仪表基本误差/量程*100%
允许误差----设定的误差限值
准确度和准确度等级
准确度：仪表满刻度相对误差略去%
准确度等级：数值上最接近准确度且比准确度大的作为准确度等级
动态响应特性
稳定性
时间稳定性
工作条件稳定性
重复性与再现性
重复性：相同测量条件、同一被测参数、同一方向、多次测量
再现性：相同测量条件、同一被测参数、两个方向、重复测量
可靠性
指标
狭义可靠性
有效性
保险期
定量描述
可靠度R(t)：仪表在规定时间内无故障的概率
故障率：工作到t时刻时单位时间内发生故障的概率
平均无故障工作时间：相邻两次故障间隔时间的平均值
测量误差
获得约定真值的方法
标准表法：准确度等级更高的仪表输出作为约定真值
计量器具法
平均值法
测量误差的分类
按误差出现的规律
系统误差：无法消除
恒值系统误差：误差不变
变值系统误差：误差按一定规律变化
随机误差：没有规律、多次重复测量中误差总体符合统计规律
粗大误差：超出规定条件下预期的误差
按误差本身因次
绝对误差
相对误差
按工作条件
基本误差：在标准条件下产生的误差
附加误差：工作条件偏离标准工作条件
按误差的特性分
静态误差：被测量不随时间变化
动态误差：被测量随时间变化
误差的估计和评价处理方法
随机误差的处理：标准差、样本标准差
粗大误差的判别
拉依达法：要求样本数大于30
格拉布斯法：适用于样本数少的
系统误差的判别
实验对比法：以标准表为基准
残余误差观察法
标准差判据
误差的合成
减少误差的方法
减少随机误差
提高检测系统准确度
抑制噪声干扰
对测量结果的统计处理
减少系统误差
消除误差源法(四线制)
引入修正值法
比较法
零示法
微差法
替代法
对照法
检测技术与检测元件(以检测元件为主线)
检测技术的一般原理
参数检测的方法
敏感元件的选择
适用范围
参数测量范围
输出特性
机械式检测元件
弹性式检测元件
原理：弹性变形原理
基本性能
弹性性能
灵敏度：S=dx/dF(单位输入引起的输出量)
刚度：k=dF/dx(单位变形所需要的外加作用力)
滞弹性效应：非线性现象
弹性滞后(类似回差)
弹性后效：应力不变而应变持续增加直到平衡
应力松弛
热弹性效应：温度引起的变化
弹性模量的温度系数
频率温度系数
线膨胀系数
固有频率：固有频率越高，响应越快
种类
弹簧管：在一定的压力范围内，位移与压力的关系是线性的
薄壁圆筒：线性关系，只能把压力转换成应变，径向应变大于轴向应变，需要借助电阻应变片，并沿径向粘贴
波纹管：线性好、弹性位移大
膜片、膜盒：压力与位移是非线性关系
振动式检测元件
原理：把被测量的变化转化为谐振元件固有频率的变化
种类
振弦式检测元件：体积小、重量轻、分辨率高
振筒式检测元件：主要用于测量气体的压力和密度
电阻式检测元件
原理：将被测物理量的变化转变为电阻值的变化
应变式检测元件
原理：应变效应，将检测件上的应变转化为电阻变化
特点：测量范围宽、准确度高，响应速度快，可在恶劣环境下工作
应变灵敏系数K：ΔR/R=K*应变
种类
金属应变片：主要是改变电阻丝的几何尺寸
性能稳定、准确度高，但是应变灵敏系数K小
半导体应变片：主要改变电阻率
灵敏系数高、动态特性好，但受温度影响大、测量较大应变时非线性严重
温度效应补偿
原因
应变片电阻本身具有电阻温度系数
弹性元件与应变片两者的线膨胀系数不同，产生测量误差
补偿方法
需要工作片、温度补偿片以及应变电桥
半桥单臂接法
半桥双臂接法
全桥接法
热电阻检测元件
原理：热电阻效应，利用导体的电阻率随温度变化
特点：灵敏度高、稳定性好、适用于中、低温度的测量
分类
金属热电阻
正电阻温度系数，阻值与温度呈非线性关系
误差
自热误差：电阻通电后发热造成的误差
解决方法：限制电流
引线电阻
金属热电阻的电阻值较小，不能忽略引线电阻的影响
解决方法：三线制、四线制
半导体热敏电阻
测温范围：-50-350℃，热电特性为非线性，适用于温度控制、精度要求不高的温度测量
分类
NTC：温度系数为负
PTC：温度系数为正
其他检测元件
湿敏电阻
气敏电阻
电容式检测元件
原理：将物理量的变化转变为电容量的变化
特点：结构简单、非接触式测量、动态特性好
分类
变极距式电容器
采用差动式结构可以提高灵敏度、改善线性特性、减小温度误差
变面积式电容器
输入输出呈线性，有圆筒式、平板式，圆筒式测量范围大
变介电常数式电容器
线性，可测量含水量、物位、介质厚度等物理量
误差处理
温度补偿
温度变化引起几何尺寸的变化，导致电容变化，引起附加误差
解决方法：选用温度系数小且稳定的材料做元件
温度变化引起介电常数的变化
解决方法：在转换电路中进行补偿措施
寄生电容的影响：电容式传感器初始电容小，寄生电容大且不稳定
增加初始电容值
集成法(减少寄生电容且使其固定不变)
双层屏蔽等电位传输技术
整体屏蔽技术
热电式检测元件
原理：将温度变化转化为电量的变化
热电偶检测元件
原理：热电效应，两个不同的导体连接，将两个接点置于不同温度下，回路内会产生热电动势
热电效应特点
热电动势的大小只与热电极材料和两端温度有关，与几何尺寸无关
热电偶两个电极的材料如果一样，那么热电势为0
如果两接触端温度相同，不产生热电动势
如果热电极由两种均质导体组成，温差电势可忽略
热电偶基本定律
均质导体定律
中间导体定律
中间温度定律
标准导体定律
冷端温度补偿
3.2节
误差
分度引起的误差
冷端温度引起的误差
测量线路及仪表误差
测量中必须使用与热电偶配套的测量电路和相应仪表
干扰和漏电引起的误差
晶体管温度检测元件
原理：PN结的伏安特性与温度有关
具有较高的灵敏度
压电式检测元件
原理：压电效应，电介质在沿一定方向受外力作用时，内部产生极化现象，它的两个相对表面上出现正负相反的电荷
压电传感器只适用于动态测量
误差
温度引起的误差
解决：用受瞬变温度影响较小的检测元件、采用隔热片、采用温度补偿片
电缆噪声
采用低噪声电缆
灵敏度变化
每半年进行一次灵敏度校正
应用
压力
加速度
超声换能器
光电式检测元件
原理：光电效应，将光信号转换为电信号
外光电效应：内部电子溢出物体表面；光电管、光电倍增管
内光电效应：内部电子被释放，不溢出物体表面，改变物体电阻率或产生电动势；光电池、光敏二极管、光敏三极管
特点：结构简单、非接触、高可靠性、高精度、反应快，可用于检测烟尘排放量、气候分析
光敏元件
光照越强，阻值越小，适用于低温环境
主要参数
暗电阻和暗电流(无光照条件)
亮电阻和亮电流(有光照)
光电流：亮电流与暗电流之差
基本特性
光照特性：光电流和光照强度的关系，非线性
伏安特性：电阻两端电压与光电流的关系，线性
光谱特性：电阻在不同波长单色光照射下的灵敏度
温度特性：光电流随温度的变化
光电池
原理：光生伏特效应，光照射在PN结上产生电子-空穴对，从而产生光生电动势
基本特性
光照特性：光生电动势与光照强度呈非线性、光生电流与光照强度呈线性
光谱特性
频率特性：输出电流和调制光的调制频率之间的关系
温度特性
光敏晶体管
光敏二极管
光敏三极管
光电管
真空光电管
光电倍增管，灵敏度更高
磁电式检测元件
磁电感应式检测元件
原理：电磁感应，将物理量转化为感应电动势输出
特点：不需要供电电源、频率响应范围广、适用于动态测量，多用于振动、转速、扭矩的测量
恒磁阻式检测元件
变磁阻式检测元件，具有下限工作频率，转速过低无法测量
开磁路式
闭磁路式，测量精度更高
误差及补偿
温度误差
解决：采用热磁分流器
永久磁铁不稳定误差
解决：永磁材料在充磁之前先进行退火处理，消除内应力，充磁后再进行老化处理
非线性误差
解决：采用补偿线圈
霍尔检测元件
原理：霍尔效应
特点：结构简单、线性好、频带宽
霍尔系数：RH=1/ne； 灵敏度：KH=1/ned；霍尔电压：UH=IB*KH
应用
电流不变，磁感应强度为变量----磁场测量
电流、磁感应强度均为变量----乘法器、功率计
磁感应强度不变，电流为变量----回转器、隔离器
磁弹性式检测元件
原理：磁弹性效应
磁致伸缩效应：铁磁材料在外磁场作用下磁化，且形状发生变化而体积不变
压磁效应：铁磁材料伸缩或受到外部施加的作用力时，磁导率发生变化
特点：输出功率大、抗干扰能力强，但测量精度低、反应速度较慢
核辐射式检测元件
原理：利用被测物质对射线的吸收、散射、反射或射线对被测物质的电离作用来工作
特点：非接触式测量，适用腐蚀、高温、剧毒、爆炸性等物质的检测
放射源
射线种类
α射线：电离能力强，贯穿能力最小
β射线：较强的电离能力，较弱的贯穿能力
γ射线：电离能力小，贯穿能力强
与物质的作用
带电粒子与物质(α和β)
电离和激发
散射
γ射线和物质
光电效应
康普顿效应
电子对效应
探测器
气体探测器
电离室
正比室
G-M计数管
闪烁探测器
半导体探测器
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