《自动检测概述》PPT课件.ppt

自动检测与过程控制 主讲:欧阳奇 副教授,冶金工程,参考教材：1.自动检测与过程控制 刘玉长主编，冶金工业出版社（第四版）。2.工业系统的测量、驱动与控制，王孙安主编，西南交通大学出版社，2003年；3.冶金过程检测与控制，冶金工业出版社，郭爱民主编，2004年；4.自动检测技术及应用，机械工业出版社，武昌俊主编，2005年；5.微机自动检测与系统设计，电子工业出版社，雷霖主编，2003年6.PLC编程与应用，廖常初，机械工业工业出版社。,上篇 自动检测技术基础,任务一 概述掌握自动检测基本构成与原理任务二 掌握检测技术的误差任务三 掌握传感器的定义、组成、分类任务四 掌握A/D,D/A及I/O模板与编程接口方法任务五 了解PLC工作原理与编程,冶金工程,下篇 自动控制,任务一 概述掌握自动控制部分构成与原理任务二 掌握自动控制接口与执行元件驱动方法任务三 掌握几种常见PID控制算法、整定方法任务四 掌握计算机自动检测与过程系统设计,1、检测技术的概念2、检测技术的作用3、自动检测系统的组成4、自动检测技术的发展趋势,任务一 概述课程内容,1 检测技术的概念,检测（Detection）定义：利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。,检测技术在工业生产领域的应用：,2 检测技术的作用,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位离线检测：零件参数、尺寸与形位公差、品质参数作 用：现代工程装备中，检测环节的成本约占5070%,2 检测技术的作用,检测技术在军事上的应用：战斗力,美军研制的未来单兵作战武器-OICW,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。,检测技术的作用,炼铁甚至全厂的数据采集监控,检测技术在航天领域应用：举足轻重,火箭测控-检测火箭状况、姿态、轨迹飞行器测控-检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵,检测技术的作用,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器,检测参数-加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学,神州飞船：,185台（套）仪器装置,检测技术的作用,检测技术在日常生活中的应用：与日俱增,检测技术的作用,检测技术的作用,智能电子警察监测系统,号,检测技术的作用,检测技术的作用,自动收费系统,社会：“物化法官”,机械制造业化工行业烟草行业环境保护现代物流行业产品开发文物保护领域,检测技术的作用,检查产品质量,监测环境污染,识别指纹假钞,查服违禁药物,侦破刑事案件,其它应用：,3 自动检测系统的组成,自动检测系统原理框图,指一个能将被测的非电量变换成电量的器件。,将温度转换为电压的传感器热电偶,传感器：,把传感器输出的电量变成具有一定驱动和传输能力的信号，以推动后级的显示电路、数据处理装置及执行机构。,信号处理电路：,模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等。,模拟显示：直观,显示器：,图像显示：能显示复杂的图形和曲线，但价格昂贵。,记录仪：主要用来记录被检测对象的动态变化过程,主要是指计算机，将复杂的系统用到频谱分析仪。,数据处理装置：,通常是指各种继电器，电磁铁、电磁阀门、电磁调节阀、伺服电动机等，它们在电路中是起通断、控制、调节、保护等作用的电器设备。,继电器,执行机构：,电磁阀门,固态继电器,执行机构：,电磁铁,电磁调节阀,执行机构：,伺服型雷达天线,报警器,执行机构：,智能化虚拟化网络化微型化集成化,4 自动检测技术的发展趋势,不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性。,提高测量精度,将量程切换到2V时，最小显示值为1V,提高可靠性,承受剧烈振动,发展微型化、集成化、智能化、虚拟化的传感器,智能化,面部识别技术,单片机芯片,可拍照的手机,集成化,应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域,火星车,月球车,应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域,安全检查,应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域,网络化传感器及检测技术逐步发展,DeviceNet 或 ControlNet 或 RIO,Drive,Sensor/Switch,Fieldbus Foundation,FLEX Ex I/O,Ethernet,RSVIEW SE Remote Clients,ControlLogix,RedundantServer,ControlNet Redundant 或 EtherNet/IP,RSVIEW SEWork Stations,罗克韦尔自动化：面向未来的 控制方案,One control architecture,one companywith the right solution for your application,FLEX I/O,Starter,PanelView,Industry PC based on Win2000/CE,应用实例 冶金行业-大型高炉控制,热风炉,高炉控制,高炉控制炉顶压力,高炉控制煤气清洗,高炉控制炉顶料面,高炉控制冷却壁,1 测量的分类2 测量误差及分类3 自动检测系统的组成,任务二掌握检测技术的误差,1 测量的分类,静态测量和动态测量直接测量与间接测量接触式测量与非接触式测量在线测量和离线测量,静态测量和动态测量静态测量是指输入不随时间而变化条件下进行测量，它表示传感器在 被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态测量是指输入随时间而变化的条件下进行测量，它表示传感器对 随时间变化的输入量的响应特性。,电子卡尺,直接测量与间接测量,接触式测量与非接触式测量,雷达测速,测体温,在线测量和离线测量,2 测量误差及分类,测量误差：测量值与真实值之间的误差。分类：绝对误差和相对误差。,绝对误差,绝对误差是测量值Ax与真实值A0之间的差值，即：,相对误差,相对误差用百分比的形式表示。一般多取正值。相对误差有以下表现形式：示值相对误差：用绝对误差与被测量Ax的百分比表示满度（引用）相对误差：绝对误差与仪器满度值Am的百分比。,准确度等级,当取仪表的最大绝对误差时，常用引用误差来表示仪表的准确度等级S，即：,根据给出的准确度等级S及满度值Am，可以推算出该仪表可能出现的最大绝对误差、示值相对误差等。,仪表的准确度等级和基本误差,例：某指针式电压表的精度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的满度相对误差为2.5%。,思考题：,（1）某加热炉最高温度为1000，工艺要求仪表的最大绝对误差不大于10，问怎么选择仪表？如果选择1.5级或选择0.5级仪表行不行？（2）今有两台测温仪表，其范围分别为0-800和600-1000，已知其绝对误差的最大值均为6，试求它们的精度等级。（3）今有1台测量范围为0-160KPa的压力表，其校验结果如下：被校表刻度值/KPa 0 40 80 120 160 正行程示值/KPa 0 39 80 120 159反行程示值/KPa 1 41 81 121 160试计算此被较表的变差。此表表盘上的标志为1.0级，问该表是否合适？根据校验所得结果计算，你认为应该定为哪一个精度级别？,误差产生的因素：,粗大误差系统误差随机误差,粗大误差,明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。,系统误差：,夏天摆钟变慢的原因是什么？,系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,随机误差,在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。,随机误差的正态分布规律,长度相对测量值,次数统计,静态误差与动态误差,静态误差：在被测量不随时间变化时所产生的误差称为静态误差。动态误差：当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。,由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差,动态误差：,1 传感器的定义2 传感器的组成3 传感器分类,任务三 了解传感器的定义、组成、分类,1 传感器的定义,根据中华人民共和国国家标准（GB7665-87）传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。,包含的概念：,传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输出量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,2传感器的组成,传感器组成框图,举例：测量压力的电位器式压力传感器,敏感元件：能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件。,弹性敏感元件（弹簧管）：将压力转换为角位移,将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。,传感元件（电位器）：将角位移转换为电参量-电阻的变化（R）,传感元件：,将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。,当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压Uo。,测量转换电路：,1根据被测物理量分类：速度传感器、位移传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。2按工作原理分类 应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变压器式等。3按能量的传递方式分类 有源的和无源的传感器。,3 传感器分类,1 传感器的静态特性2 传感器的动态特性,任务四 掌握传感器基本特性,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,1 传感器的静态特性,静特性指标,1、线性度2、灵敏度3、迟滞4、重复性5、零点漂移6、温度漂移,静态特性：输入量为常量，或变化极慢。,线性度,直线拟合线性化 非线性误差或线性度,最大非线性误差 满量程输出,指传感器实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比，表达式：,灵敏度,传感器输出的变化量 y 与引起该变化量的输入变化量x之比即为其静态灵敏度，表达式：,表征传感器对输入量变化的反应能力,(a)线性传感器(b)非线性传感器 图 1.4.2 传感器的灵敏度,灵敏度作图,迟滞,传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象称为迟滞，表达式：,正反行程间输出的最大差值。,满量程输出。,迟滞特性,正行程特性,反行程特性,影响：分辨力变差希望：迟滞越小越好。,重复性,传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。,正行程的最大重复性偏差反行程的最大重复性偏差,取较大者为,重复特性,y,零点漂移：,传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化。,零漂,式中Y0最大零点偏差；YFS 满量程输出。,温漂,传感器在外界温度下输出量发出的变化,温漂,式中max 输出最大偏差；T 温度变化范围；YFS 满量程输出。,2 传感器的动态特性,动态特性:指传感器的输出对随时间变化的输入量的响应特性。反映输出值真实再现变化着的输入量的能力。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。时域*：瞬态响应法频域*：频率响应法,瞬态响应特性：时间响应,一阶传感器的时间常数越小越好,一阶传感器的单位阶跃响应,二阶传感器的单位阶跃响应:,二阶传感器的响应在很大程度上取决于阻尼比和固有频率n。,瞬态响应特性指标:,上升时间tr:输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所用的时间。响应时间ts:系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。峰值时间tp:阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。超调量:传感器输出超过稳态值的最大值A，常用相对于稳态值的百分比表示。,频率响应特性,传感器对正弦输入信号的响应特性,一阶传感器频率响应特性,(a)幅频特性(b)相频特性,时间常数越小，频率响应特性越好,二阶传感器频率响应特性,传感器的频率响应特性好坏主要取决于阻尼比和传感器固有频率n。,频带：传感器增益保持在一定值内的频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。时间常数：用时间常数来表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越宽。固有频率n：二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。,频率响应特性指标,思考题：,（1）某加热炉最高温度为1000，工艺要求仪表的最大绝对误差不大于10，问怎么选择仪表？如果选择1.5级或选择0.5级仪表行不行？（2）今有两台测温仪表，其范围分别为0-800和600-1000，已知其绝对误差的最大值均为6，试求它们的精度等级。（3）今有1台测量范围为0-160KPa的压力表，其校验结果如下：被校表刻度值/KPa 0 40 80 120 160 正行程示值/KPa 0 39 80 120 159反行程示值/KPa 1 41 81 121 160试计算此被较表的变差。此表表盘上的标志为1.0级，问该表是否合适？根据校验所得结果计算，你认为应该定为哪一个精度级别？,（4）某弹簧管式压力计量程为0-10MPa，准确度为0.5级，试问此压力计允许误差是多少？如果此压力计的示值为8.5MPa，则仪表示值的最大相对误差和绝对误差各为多少？,谢谢！,