1.檢測與傳感技術(shù)

　　檢測是認識自然界的主要手段，是科學(xué)研究，工業(yè)生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域中不可缺少的過程。

　　傳感技術(shù)是研究如何獲取被測參數(shù)信息的一門科學(xué)。

　　檢測的過程就是用敏感元件將被測參數(shù)的信息轉(zhuǎn)換成另一種形式的信息，通過信息顯示或其他形式被人們所認識。

　　2.檢測儀表

　　一臺檢測儀表通常包括敏感元件、信號變換、信號傳輸和處理以及顯示裝置等環(huán)節(jié)組成，其中敏感元件和顯示裝置是必須有的，其余的環(huán)節(jié)視測量的要求和敏感元件的性能等的不同而異。

　　測量系統(tǒng)是指由若干臺檢測儀表(或敏感元件)以及其他配套設(shè)備組成，完成一個確定的測量任務(wù)。

　　敏感元件是一種能夠靈敏地感受被測參數(shù)并將被測參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成另一種物理量的變化的元件。

　　傳感器包含敏感元件，直接感受被測參數(shù)，并將被測參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成一種易于傳送的物理量。

　　變送器是一種特殊的傳感器，它使用統(tǒng)一的電源，輸出統(tǒng)一的標準化信號。目前變送器輸出的標準信號有4～20mA(稱Ⅲ型儀表)和0～10mA(Ⅱ型儀表)等幾種。

　　3.檢測儀表的分類

　　檢測儀表按照技術(shù)特點或使用范圍的不同有各種的分類方法。

　?、侔幢粶y參數(shù)分類 檢測儀表有溫度檢測儀表、壓力檢測儀表、流量檢測儀表等。

　　②按對被測參數(shù)的響應(yīng)形式分類 檢測儀表可分為連續(xù)式檢測儀表和開關(guān)式檢測儀表。

　　③按儀表中使用的能源和主要信息的類型分類 檢測儀表可分為機械式儀表、電式儀表、氣式儀表和光式儀表。

　　④按是否具有遠傳功能分類 檢測儀表可分為就地顯示儀表和遠傳式儀表。

　?、莅葱盘柕妮敵?顯示)形式分類 檢測儀表可分為模擬式儀表和數(shù)字式儀表。

　?、薨磧x表應(yīng)用的場所 檢測儀表有普通型、隔爆型及本安型儀表。

　　⑦按儀表的結(jié)構(gòu)方式分類，檢測儀表可分為開環(huán)結(jié)構(gòu)儀表和閉環(huán)結(jié)構(gòu)儀表。

　　4.開環(huán)結(jié)構(gòu)儀表和閉環(huán)結(jié)構(gòu)儀表

　　開環(huán)結(jié)構(gòu)儀表由若干個環(huán)節(jié)串聯(lián)組成，如圖1.1所示?？偟膫鬟f函數(shù)為各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之積，而整臺儀表的相對誤差為各個環(huán)節(jié)相對誤差之和。

　　

 

　　圖1.1 開環(huán)結(jié)構(gòu)儀表框圖

　　開環(huán)式的儀表一般結(jié)構(gòu)較為簡單，但準確度較低，特別是當組成儀表的環(huán)節(jié)較多時。

　　閉環(huán)結(jié)構(gòu)儀表也稱平衡變換式儀表，由正向通道和反饋通道組成，如圖1.2所示。設(shè)正向傳遞函數(shù)為一階滯后環(huán)節(jié)，即，則可以推得

(1.1)

 

　　式中,

為反饋通道的總傳遞函數(shù)。

 

　　

 

　　圖1.2　閉環(huán)結(jié)構(gòu)儀表框圖

　　由式(1.1)可知，閉環(huán)結(jié)構(gòu)儀表的放大倍數(shù)和時間常數(shù)皆為開環(huán)結(jié)構(gòu)儀表的。當足夠大時，總放大倍數(shù)(靜態(tài))為。

　　閉環(huán)結(jié)構(gòu)儀表相對開環(huán)結(jié)構(gòu)儀表要復(fù)雜一些，穩(wěn)定性較差，但反應(yīng)速度快，線性好，準確度高。

　　5.檢測儀表的基本性能

　　(1)測量范圍和量程

　　檢測儀表在保證符合要求的前提下能夠測量被測參數(shù)的最小值(測量下限)和最大值(測量上限)的范圍。測量上限和測量下限的代數(shù)差稱為儀表的量程。

　　(2)輸入-輸出特性

　　①靈敏度S是檢測儀表對被測量變化的靈敏程度，以在被測量改變時，經(jīng)過足夠時間檢測儀表輸出值達到穩(wěn)定狀態(tài)后，儀表輸出變化量與引起此變化的輸入變化量之比，即

(1.2)

 

　?、谒绤^(qū) 是指檢測儀表的輸入量的變化不致引起輸出量可察覺的變化的有限區(qū)間，在這個區(qū)間內(nèi)，儀表的靈敏度為零。

　?、刍夭?也稱變差，是反映檢測儀表對于同一被測量在其上升和下降時對應(yīng)輸出值間的差值。儀表的回差用所有測量點上的最大差值與儀表量程比的百分數(shù)表示。

(1.3)

 

　　④線性度 它是衡量檢測儀表實際輸入-輸出特性偏離線性的程度，用非線性誤差來表示，它是實際值與理論值之間的絕對誤差的最大值與儀表量程比的百分數(shù)，即

 (1.4)

 

　　(3)穩(wěn)定性

　　在工作條件保持恒定時，儀表輸出值在一段時間內(nèi)隨機變動量的大小稱時間穩(wěn)定性;而儀表在規(guī)定的使用條件內(nèi)某個條件的變化對儀表輸出的影響稱使用條件變化穩(wěn)定性。

　　(4)重復(fù)性與再現(xiàn)性

　　在相同測量條件下，對同一被測量，按同一方向多次測量時，檢測儀表提供相近輸出值的能力稱為檢測儀表的重復(fù)性。在規(guī)定的相對較長的時間內(nèi)，對同一被測量從兩個方向(由小到大以及由大到小)上重復(fù)測量時，檢測儀表的各輸出值之間的一致程度稱儀表的再現(xiàn)性。

　　(5)可靠性

　　儀表的可靠性也稱可靠度，是指儀表在確定的時期內(nèi)和確定的外界條件下儀表工作在允許的性能水平(即無故障)的概率，用R(t)表示。

　　故障率λ也是描述儀表可靠性的一個指標，它是指儀表工作到t時刻時單位時間內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)，許多檢測儀表在其多數(shù)工作時間內(nèi)λ近似為常數(shù)，那么可靠度與故障率間有如下關(guān)系

(1.5)

 

　　平均無故障工作時間(MTBF)是儀表在相鄰兩次故障間隔內(nèi)有效工作時的平均時間，設(shè)有N個檢測儀表經(jīng)受試驗，在時間為T內(nèi)儀表失效總次數(shù)為，則觀測到的MTBF為

　(1.6)

 

　　當n個檢測儀表串聯(lián)使用時，設(shè)它們各自的故障率為，則整個系統(tǒng)的可靠性是各個檢測儀表的可靠性的乘積，即，由此可得系統(tǒng)的故障率

　　(6)誤差

　?、俳^對誤差    是儀表輸出值與被測參數(shù)真值之間的差值，即(1.7)

　?、谙鄬φ`差     儀表的絕對誤差與約定真值比的百分數(shù)，即(1.8)

 

　　③引用誤差       儀表的絕對誤差與儀表的量程比的百分數(shù)，即(1.9)

 

　　④儀表基本誤差 在標準條件下，儀表在全量程范圍內(nèi)各輸出值誤差中絕對值最大者稱為儀表的基本誤差。儀表基本誤差與儀表量程比的百分數(shù)稱為儀表滿刻度相對誤差。

　　(7)準確度與準確度等級

　　儀表的準確度通常用儀表滿刻度相對百分誤差略去百分號來表示，也稱精度或精確度。將儀表的準確度劃分為若干等級，稱準確度等級。

　　按國家統(tǒng)一規(guī)定，準確度等級有 ……, 0.05, 0.1, 0.25, 0.35, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0, ……。儀表的準確度等級按以下方法確定，先計算儀表的準確度，選其中數(shù)值上最接近又比該準確度大的準確度等級作為該儀表的準確度等級。準確度等級的數(shù)字越小,儀表的準確度越高，或者說儀表的測量誤差越小。

　　(8)動態(tài)特性

　　檢測儀表的動態(tài)特性是指在動態(tài)測量時，隨時間變化的輸出量與輸入量之間的關(guān)系。常見的檢測儀表多為零階、一階或二階系統(tǒng)。

　?、倭汶A系統(tǒng) 零階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，其中K為靜態(tài)靈敏度。說明輸出與輸入量成確定比例關(guān)系，沒有時間滯后。

 

　?、谝浑A系統(tǒng) 一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為(1.10) 式中為一階系統(tǒng)的時間常數(shù)。

 

　　③二階系統(tǒng) 二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為(1.11)

 

　　式中為系統(tǒng)的固有頻率;為阻尼比。顯然和決定了系統(tǒng)的動態(tài)特性。當>1時，系統(tǒng)阻尼較大，上升時間較長;當小于1并逐漸減小，系統(tǒng)為欠阻尼，上升時間縮短，但出現(xiàn)超調(diào)，

越小，超調(diào)越大。為了兼顧有短的上升時間和小的超調(diào)量，阻尼比在0.7比較合適。