第3章 檢測(cè)儀表與傳感器

1、第3章 檢測(cè)儀表與傳感器,概述 壓力檢測(cè)及儀表 流量檢測(cè)及儀表 物位檢測(cè)及儀表 溫度檢測(cè)及儀表,秒的定義,以銫原子(133)的原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射9,192,631,770周所持續(xù)的時(shí)間。,千克的定義,以鉑銥合金制成、底面直徑為39毫米、高為39毫米的國(guó)際千克原器（圓柱體）的質(zhì)量被規(guī)定為1千克。目前它保存在法國(guó)巴黎的國(guó)際計(jì)量局里。,一米是怎樣定義的,國(guó)際單位制中長(zhǎng)度的單位，是七個(gè)基本單位之一。1983年被定義為光在真

2、空中1/299792458秒的時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的距離。（第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)，第一號(hào)決議） 由于我們已經(jīng)事先定義光速精確值為299，792，458米每秒，米的這個(gè)定義使得它的長(zhǎng)度只依賴(lài)于一秒的持續(xù)時(shí)間?，F(xiàn)在，光在真空中兩點(diǎn)間傳播的時(shí)間長(zhǎng)短不再關(guān)系到光的速度，而是決定著兩點(diǎn)間的距離！,3.1 概述,檢測(cè)過(guò)程與測(cè)量誤差 儀表的性能指標(biāo) 工業(yè)儀表的分類(lèi),概述,檢測(cè)儀表用來(lái)檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)有關(guān)參數(shù)的技術(shù)工具。傳感器用來(lái)將生產(chǎn)過(guò)

3、程中的各個(gè)有關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)換為一定的便于傳送的信號(hào)（電信號(hào)或者氣壓信號(hào)）的儀表。變送器當(dāng)傳感器的輸出為單元組合儀表中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)事，通常稱(chēng)為變送器。,3.1.1 檢測(cè)過(guò)程與測(cè)量誤差,檢測(cè)過(guò)程,參數(shù)檢測(cè)就是用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)工具，依靠能量的變換、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算找到被測(cè)量的值。,傳感器、變送器定義參見(jiàn)P35。,測(cè)量誤差,測(cè)量誤差——儀表測(cè)得的測(cè)量值 與被測(cè)真值 之差,由于 xt 在理論上是無(wú)法真正被獲取的，因此，測(cè)量誤差就是指檢測(cè)儀表

4、和標(biāo)準(zhǔn)表（精度較高）在同一時(shí)刻對(duì)同一被測(cè)變量進(jìn)行測(cè)量所得到的2個(gè)讀數(shù)之差。 即：,x0——標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù),測(cè)量誤差的幾種表示形式：,絕對(duì)誤差,相對(duì)誤差,儀表的精確度,一臺(tái)0～1000kPa的壓變，其最大絕對(duì)誤差10kPa(在整個(gè)量程范圍內(nèi))另一臺(tái)0～400kPa的壓變，其最大絕對(duì)誤差5kPa， 哪臺(tái)精度更高？,雖然后者的最大絕對(duì)誤差較小，但這并不說(shuō)明后者較前者精度高。在自動(dòng)化儀表中，通常是以最大相對(duì)百分誤差來(lái)衡量?jī)x表的精確度，定義儀表的精度

5、等級(jí)。,由于儀表的絕對(duì)誤差在測(cè)量范圍內(nèi)的各點(diǎn)上是不相同的，因此在工業(yè)上通常將絕對(duì)誤差中的最大值，即把最大絕對(duì)誤差折合成測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)表示，稱(chēng)為最大相對(duì)百分誤差:,儀表的精度等級(jí)（精確度等級(jí)）是指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對(duì)百分誤差。,3.1.2 檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo),檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo),儀表的精確度等級(jí)：指儀表在規(guī)定的工作條件下允許的最大相對(duì)百分誤差。（把儀表允許的最大相對(duì)百分誤差去掉“±”號(hào)和“％”號(hào)，便可

6、用來(lái)確定其精度等級(jí)）,目前，按照國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的儀表精度等級(jí)有： 0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。所謂的0.5級(jí)儀表，表示該儀表允許的最大相對(duì)百分誤差為±0.5％，以此類(lèi)推。精度等級(jí)一般用一定的符號(hào)形式表示在儀表面板上：,1.5,也有以 ±0.2％FS 等形式寫(xiě)出儀表的精度等級(jí)是衡量?jī)x表質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一。精度等級(jí)數(shù)值越

7、小，儀表精確度越高。精度等級(jí)數(shù)值小于等于0.05的儀表通常用來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)表，而工業(yè)用表的精度等級(jí)數(shù)值一般大于等于0.5。,檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo),☆☆儀表的精確度等級(jí)☆☆,例1：某壓力變送器測(cè)量范圍為0～400kPa，在校驗(yàn)該變送器時(shí)測(cè)得的最大絕對(duì)誤差為—5kPa，請(qǐng)確定該儀表的精度等級(jí)。,解：先求最大相對(duì)百分誤差,去掉?和%為1.25，因此該變送器精度等級(jí)為1.5級(jí),例2：根據(jù)工藝要求選擇一測(cè)量范圍為0~40m3/h的流量計(jì)，要求測(cè)

8、量誤差不超過(guò)?0.5 m3/h，請(qǐng)確定該儀表的精度等級(jí)。,解：同樣，先求最大相對(duì)百分誤差,因此該流量計(jì)必須選擇1.0級(jí)的流量計(jì),結(jié)論： 工藝要求的允許誤差 ≥ 儀表的允許誤差 ≥ 校驗(yàn)所得到的相對(duì)百分誤差,檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo),☆☆儀表的精確度等級(jí)☆☆,例3：某被測(cè)溫度信號(hào)在70～80℃范圍內(nèi)變化，工藝要求測(cè)量誤差不超過(guò)±1％，現(xiàn)有兩臺(tái)溫度測(cè)量?jī)x表，精度等級(jí)均為0.5級(jí)，其中一臺(tái)儀表的測(cè)量范圍是0～100℃，另一

9、臺(tái)儀表的測(cè)量范圍是0～200℃，試問(wèn)這兩臺(tái)儀表能否滿(mǎn)足上述測(cè)量要求。,解：由題意可知，被測(cè)溫度的允許最大絕對(duì)誤差為：|△max|＝80×1％＝0.8℃ 測(cè)量范圍為0～100℃的儀表的最大允許絕對(duì)誤差為：|△max|1＝100×0.5％＝0.5℃ 測(cè)量范圍為0～200℃的儀表的最大允許絕對(duì)誤差為：|△max|2＝200×0.5％＝1.0℃ 根據(jù)上述計(jì)算，雖然兩臺(tái)儀表的精度等級(jí)均為0.

10、5級(jí)，但只有測(cè)量范圍是0～100℃的溫度測(cè)量?jī)x表才滿(mǎn)足本題的測(cè)量要求。,檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo),變 差,在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對(duì)被測(cè)變量在全量程范圍內(nèi)進(jìn)行正反行程（即逐漸由小到大和逐漸由大到?。y(cè)量時(shí)，對(duì)應(yīng)于同一被測(cè)值的儀表輸出可能不等，二者之差的絕對(duì)值即為變差。變差的大小，根據(jù)在同一被測(cè)值下正反特性間儀表輸出的最大絕對(duì)誤差和測(cè)量?jī)x表量程之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示 ：,檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo),靈敏度和分辨力,靈敏度是表征

11、檢測(cè)儀表對(duì)被測(cè)量變化的靈敏程度，它是指儀表的指示位移變化量與被測(cè)參數(shù)變化量之比，即,靈敏度＝Δy/Δx,分辨力又稱(chēng)為靈敏限，是能引起儀表指針發(fā)生位移變化的被測(cè)參數(shù)的最小變化量。 它也是靈敏度的一種反映。對(duì)數(shù)字式儀表來(lái)說(shuō)，分辨力就是數(shù)字顯示儀表變化一個(gè)LSB（二進(jìn)制最低有效位）時(shí)輸入的最小變化量。,檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo),線(xiàn)性度,在通常情況下，總是希望測(cè)量?jī)x表的輸出量和輸入量之間呈線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)量?jī)x表的線(xiàn)性度就是用來(lái)表征儀表的輸出量和輸

12、入量的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系與理論直線(xiàn)的吻合程度。,通常線(xiàn)性度用實(shí)際測(cè)得的輸入－輸出特性曲線(xiàn)（也稱(chēng)為校準(zhǔn)曲線(xiàn)）與理論直線(xiàn)的之間的最大偏差和測(cè)量?jī)x表量程之比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示：,檢測(cè)儀表的主要性能指標(biāo),反應(yīng)時(shí)間,顯示值變化相對(duì)于實(shí)際值變化的滯后時(shí)間。用來(lái)衡量?jī)x表能不能盡快反應(yīng)出參數(shù)變化的品質(zhì)指標(biāo)。,3.1.3 工業(yè)儀表的分類(lèi),按儀表使用的能源分類(lèi)：電動(dòng)；氣動(dòng)。按信息的獲得、傳遞、反應(yīng)和處理的過(guò)程分類(lèi)：檢測(cè)儀表；顯示儀表；集中控制裝置；控制儀表、

13、執(zhí)行器。按儀表的組成形式分類(lèi)：基地式儀表；單元組合儀表。,過(guò)程參數(shù)的一般檢測(cè)原理,敏感元件（傳感器）是按照一定的原理把被測(cè)變量的信息轉(zhuǎn)換成另一種可進(jìn)行進(jìn)一步處理或表示的信息。這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程一般都是利用諸多的自然規(guī)律和基礎(chǔ)效應(yīng):,守恒定律,守恒定律是自然界最基本的定律，它包括能量守恒、動(dòng)量守恒等等。,場(chǎng)的定律,如靜電場(chǎng)、電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律、動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律等等。典型例子：電容傳感器。,熱電效應(yīng),把兩種不同的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體連接成閉合的回路，