八检测及检测系统.docx
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八检测及检测系统
酒泉职业技术学院《信息检测与控制》学习领域教案
NO：
18
班级
13机电、13电气
周次
时间
节次
复习提问
1.湿敏传感器有哪几类？
2.湿敏传感器的工作原理是什么？
3.湿敏传感器是线性的吗？
必须经过什么处理？
学习情境
检测与检测系统
课程内容
测量误差的处理
课时
2
学习目标
1.掌握测量的基本概念及常用的测量方法。
2.掌握误差的基本概念及几种测量误差的表示。
3.掌握测量误差的分类及处理方法。
主要内容（*重点、难点）
教学设计与组织
重点：
常用的测量方法及测量误差的处理方法
难点：
测量误差的处理方法
【教学设计】
1.提问
2.引入新课
3.讲授新课
4.课堂小结
5.布置作业
【教学组织】
分析法、讲授法、举例法
教学地点
教学仪器设备
教学楼402；教学楼301；
教学及参考资料
练习与习题
《传感器与检测技术》
学习情境八检测与检测系统
任务一：
测量误差的处理
一、测量的概念及方法
（一）测量的概念
早期的定义：
研究地球的形状和大小，确定地面点的坐标的学科。
当前的定义：
研究三维空间中各种物体的形状、大小、位置、方向和其分布的学科。
更为一般的定义：
测量是利用合适的工具，确定某个给定对象在某个给定属性上的量的程序或过程）。
作为测量结果的量通常用数值表示。
该数值是在一个给定的量纲或尺度系统下，由属性的量和测量单位的比值决定的。
（二）测量的四个要素
1.测量对象
主要指几何量，包括长度、角度、表面粗糙度以及形位误差等。
由于几何量的特点是种类繁多，形状又各式各样，因此对于他们的特性，被测参数的定义，以及标准等都必须加以研究和熟悉，以便进行测量。
2.计量单位
3.测量方法
指在进行测量时所用的按类叙述的一组操作逻辑次序。
对几何量的测量而言，则是根据被测参数的特点，如公差值、大小、轻重、材质、数量等，并分析研究该参数与其他参数的关系，最后确定对该参数如何进行测量的操作方法。
4.测量的准确度
指测量结果与真值的一致程度。
由于任何测量过程总不可避免地会出现测量误差，误差大说明测量结果离真值远，准确度低。
因此，准确度和误差是两个相对的概念。
由于存在测量误差，任何测量结果都是以一近似值来表示。
（三）测量步骤
测量的步骤包括了比较、示差、平衡和读数四个步骤。
（四）测量方法
1.按照测量手续分类
直接测量：
无需对被测量与其他实测量进行一定函数关系的辅助计算而直接得到被测量值得测量。
间接测量：
通过直接测量与被测参数有已知函数关系的其他量而得到该被测参数量值的测量。
联立测量：
被测量与多个元素有关，必须经过求解联立方程才能得到最后的结果。
2.按照测量方式分类
按测量方式分类有偏差法、零位法、微差法。
二、测量误差的分析基础
（一）测量误差的基本概念
1.真值：
确定的时间、地点和状态下，被测量表现出来的实际大小。
真值客观存在，又是未知的。
2.测量误差：
检测结果与被测量的了客观真值之间的差值。
3.标称值：
计量或测量器具上标注的量值。
4.市值：
测量值。
测量仪器给出货提供的量值。
5.精确度（精度）：
测量结果与真值的一致程度。
是测量结果中系统误差与随机误差的综合。
6.重复性：
在相同条件下，对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的一致性。
7.误差公理：
一切测量都具有误差，误差自始至终存在于所有科学实验的过程之中。
（二）测量误差的表示方法
绝对误差：
绝对误差=测得值-真值。
相对误差：
绝对误差与被测量的真值之比值称为相对误差。
引用误差：
绝对误差与仪表量程比值的百分数。
最大引用误差：
最大绝对误差与仪表量程比值的百分数。
三、测量误差的分类
（一）按误差出现的规律分类
按照误差的性质和特点，误差分为系统误差、随机误差、和粗大误差。
1.系统误差
在同一测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变，或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。
产生原因：
测量仪器、量具本身制造、安装或使用不当造成的。
2.随机误差
在同一测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预定方式变化的误差称为随机误差。
产生原因：
周围环境的随机因素引起。
3.粗大误差
超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差。
产生原因：
外界重大干扰或仪器故障或人为因素造成的。
几个概念：
准确度：
反映测量结果中系统误差的影响程度
精密度：
反映测量结果中随机误差的影响程度。
随机误差的大小表明测量结果重复一致的程度，及分散性，用精密度表示。
精确度：
反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影响程度。
（二）按被测量与时间的关系分类
按被测量与时间的关系分类，可分为静态误差和动态误差。
四、测量误差的处理
（一）系统误差的处理
1.从产生误差的根源上消除系统误差
2.用修正方法消除系统误差
3.不变系统误差消除法，包括代替法、抵消法、交换法
4.线性系统误差消除法，采用对称法
5.自动消除系统误差，在系统中采取补偿措施。
（二）随机误差的处理
随机误差的大小，对单次测量具有随机性，但多次重复测量时具有以下特性：
（1）绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等，这称为误差的对称性。
（2）绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多，这称为误差的单峰性。
（3）在一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的界限，这称为误差的有界性。
（4）随着测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零，这称为误差的抵偿性。
（三）粗大误差的处理
1.定性分析
分析测量设备、测量条件、测量步骤，看是否存在问题而引起异常数据出现。
2.定量判断
以概率统计和误差理论知识建立的粗大误差判断准则为依据。
课后分析及小结
教研室主任签名
累计课时
52
酒泉职业技术学院《信息检测与控制》学习领域教案
NO：
19
班级
13机电、13电气
周次
时间
节次
复习提问
1.测量误差有哪几种类型？
2.什么是准确度？
什么是精密度？
什么是精度？
它们分别是用来表示哪一种误差的大小？
学习情境
检测与检测系统
课程内容
干扰的抑制
课时
4
学习目标
1.掌握传感器的分类
2.掌握传感器的性能指标
3.掌握干扰及干扰的种类
4.掌握干扰源及抗干扰的措施
主要内容（*重点、难点）
教学设计与组织
重点：
1.传感器的性能指标
2.抗干扰的措施
难点：
1.传感器的性能指标在具体评价传感器时的应用
2.抗干扰技术的应用
【教学设计】
1.提问
2.引入新课
3.讲授新课
4.课堂小结
5.布置作业
【教学组织】
分析法、讲授法、举例法
教学地点
教学仪器设备
教学楼409；教学楼403
教学及参考资料
练习与习题
《传感器与检测技术》
学习情境九检测与检测系统
任务二：
干扰的抑制
一、传感器的选用
（一）传感器定义
能够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，通常由敏感元件和转换元件组成。
顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。
根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：
敏感元件、转换元件、转换电路。
（二）传感器的分类
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。
（三）传感器的性能指标
1.传感器的静态特性
传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。
通常用来描述静态特性的指标有：
测量范围、精度、灵敏度、稳定性、非线性度、重复性、灵敏阈和分辨力、迟滞。
（1）稳定性
传感器的稳定性，一是指传感器测量输出值在一段时间内的变化，即用所谓的稳定度表示；二是指在传感器外部环境和工作条件变化时而引起输出值的变化，即用影响量来表示。
（2）灵敏度
传感器灵敏度是表示传感器的输入增量与由它引起的输出增量之间的函数关系。
更确切地说，灵敏度k等于传感器输出增量与被测量增量之比，是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率。
用公式表示为：
（3）灵敏阈与分辨力
灵敏阈是指传感器能够区分出的最小读数变化量。
对模拟式仪表，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨力就是输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小。
对于数字式仪表，灵敏度阈就是分辨力，即仪表指示数字值的最后一位数字所代表的值。
从物理含义看，灵敏度是广义的增益，而灵敏度阈则是死区或不灵敏度。
（4）迟滞
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞。
（5）线性度
传感器的输出——输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为该传感器的“非线性误差”或称“线性度”，也称“非线性度”。
2.传感器的动态特性
动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。
只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间的函数。
研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。
（1）零阶传感器动态特性指标
零阶传感器，其输入量无论随时间如何变化，其输出量的幅值总是与输入量成确定的比例关系，在时间上也不滞后，幅角φ等于零。
所以零阶传感器的动态特性指标就是静态特性指标。
（2）一阶传感器动态特性指标
一阶传感器动态特性指标有：
静态灵敏度和时间常数τ。
如果时间常数τ越小，系统的频率特性就越好。
在弹簧阻尼系统中，就要求系统的阻尼系数小，而弹簧刚度要大。
（3）二阶传感器动态特性指标
二阶传感器的传递函数：
频率函数为：
幅频特性为：
相频特性为：
上面各式中：
——系统无阻尼时的固有振动角频率；
——弹簧常数；
——质量；
——相对阻尼系数；
——阻尼器阻尼系数；
——静态灵敏度。
由于大多数传感器均为二阶系统，所以我们要专门讨论二阶系统的阶跃响应。
根据二阶系统相对阻尼系数
的大小，将其二阶响应分成三种情况：
既
时过阻尼；
时临界阻尼；
时欠阻尼。
在一定的值下，欠阻尼系统比临界阻尼系统更快地达到稳态值；过阻尼系统反应迟钝，动作缓慢，所以一般传感器都设计成欠阻尼。
一般取值为0.6~0.8。
二、干扰现象的抑制
传感器的应用非常广泛，不论是在工业、农业、国防建设，还是在日常生活、教育事业以及科学研究等领域，处处可见传感器的身影。
但在传感器的设计和使用中，都有一个如何使其测量精度达到最高的问题。
而众多的干扰一直影响着传感器的测量精度，如：
现场大耗能设备多，特别是大功率感性负载的启停往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲干扰；工业电网欠压或过压（涉县钢铁厂供电电压在160V～310V波动），常常达到额定电压的35％左右，这种恶劣的供电有时长达几分钟、几小时，甚至几天；各种信号线绑扎在一起或走同一根多芯电缆，信号会受到干扰，特别是信号线与交流动力线同走一个长的管道中干扰尤甚；多路开关或保持器性能不好，也会引起通道信号的窜扰；空间各种电磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会干扰传感器的正常工作；此外，现场温度、湿度的变化可能引起电路参数发生变化，腐蚀性气体、酸碱盐的作用，野外的风沙、雨淋，甚至鼠咬虫蛀等都会影响传感器的可靠性。
模拟传感器输出的一般都是小信号，都存在小信号放大、处理、整形以及抗干扰问题，也就是将传感器的微弱信号精确地放大到所需要的统一标准信号（如1VDC～5VDC或4mADC～20mADC），并达到所需要的技术指标。
这都要求我们必须注意到传感器电路图上未表示出来的某些问题，即抗干扰问题。
只有搞清楚传感器的干扰源以及干扰作用方式，设计出消除干扰的电路或预防干扰的措施，才能达到应用传感器的最佳状态。
传感器及仪器仪表在现场运行所受到的干扰多种多样，具体情况具体分析，对不同的干扰采取不同的措施是抗干扰的原则。
这种灵活机动的策略与普适性无疑是矛盾的，解决的办法是采用模块化的方法，除了基本构件外，针对不同的运行场合，仪器可装配不同的选件以有效地抗干扰、提高可靠性。
在进一步讨论电路元件的选择、电路和系统应用之前，有必要分析影响模拟传感器精度的干扰源及干扰种类。
（一）主要干扰源
1．静电感应
静电感应是由于两条支电路或元件之间存在着寄生电容，使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去，因此又称电容性耦合。
2．电磁感应
当两个电路之间有互感存在时，一个电路中电流的变化就会通过磁场耦合到另一个电路，这一现象称为电磁感应。
例如变压器及线圈的漏磁、通电平行导线等。
3．漏电流感应
由于电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳等绝缘不良，特别是传感器的应用环境湿度较大，绝缘体的绝缘电阻下降，导致漏电电流增加就会引起干扰。
尤其当漏电流流入测量电路的输入级时，其影响就特别严重。
4．射频干扰
主要是大型动力设备的启动、操作停止的干扰和高次谐波干扰。
如可控硅整流系统的干扰等。
5．其他干扰
现场安全生产监控系统除了易受以上干扰外，由于系统工作环境差，还容易受到机械干扰、热干扰及化学干扰等。
（二）干扰的种类
1．常模干扰
常模干扰是指干扰信号的侵入在往返2条线上是一致的。
常模干扰来源一般是周围较强的交变磁场，使仪器受周围交变磁场影响而产生交流电动势形成干扰，这种干扰较难除掉。
2．共模干扰
共模干扰是指干扰信号在2条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返2个线路中流过。
共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本身具有对地干扰等。
由于线路的不平衡状态，共模干扰会转换成常模干扰，就较难除掉了。
3．长时干扰
长时干扰是指长期存在的干扰，此类干扰的特点是干扰电压长期存在且变化不大，用检测仪表很容易测出，如电源线或邻近动力线的电磁干扰都是连续的交流50Hz工频干扰。
4．意外的瞬时干扰
意外瞬时干扰主要在电气设备操作时发生，如合闸或分闸等，有时也在伴随雷电发生或无线电设备工作瞬间产生。
干扰可粗略地分为3个方面：
（a）局部产生（即不需要的热电偶）；
（b）子系统内部的耦合（即地线的路径问题）；
（c）外部产生（Bp电源频率的干扰）。
（三）干扰现象
在应用中，常会遇到以下几种主要干扰现象：
（1）发指令时，电机无规则地转动；
（2）信号等于零时，数字显示表数值乱跳；
（3）传感器工作时，其输出值与实际参数所对应的信号值不吻合，且误差值是随机的、无规律的；
（4）当被测参数稳定的情况下，传感器输出的数值与被测参数所对应的信号数值的差值为一稳定或呈周期性变化的值；
（5）与交流伺服系统共用同一电源的设备（如显示器等）工作不正常。
干扰进入定位控制系统的渠道主要有两类：
信号传输通道干扰，干扰通过与系统相联的信号输入通道、输出通道进入；供电系统干扰。
信号传输通道是控制系统或驱动器接收反馈信号和发出控制信号的途径，因为脉冲波在传输线上会出现延时、畸变、衰减与通道干扰，所以在传输过程中，长线的干扰是主要因素。
任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰，如果没有内阻，无论何种噪声都会被电源短路吸收，线路中也不会建立起任何干扰电压；此外，交流伺服系统驱动器本身也是较强的干扰源，它可以通过电源对其它设备进行干扰。
（四）抗干扰的措施
1．供电系统的抗干扰设计
对传感器、仪器仪表正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰，产生尖峰干扰的用电设备有：
电焊机、大电机、可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯，甚至电烙铁等。
尖峰干扰可用硬件、软件结合的办法来抑制。
（1）用硬件线路抑制尖峰干扰的影响
常用办法主要有三种：
①在仪器交流电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器，将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上，从而减弱其破坏性；
②在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器，利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲；
③在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻，利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以降低仪器从电源分得的电压，从而削弱干扰的影响。
2．利用软件方法抑制尖峰干扰
对于周期性干扰，可以采用编程进行时间滤波，也就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样，从而有效地消除干扰。
3．采用硬、软件结合的看门狗（watchdog）技术抑制尖峰脉冲的影响
软件：
在定时器定时到之前，CPU访问一次定时器，让定时器重新开始计时，正常程序运行，该定时器不会产生溢出脉冲，watchdog也就不会起作用。
一旦尖峰干扰出现了“飞程序”，则CPU就不会在定时到之前访问定时器，因而定时信号就会出现，从而引起系统复位中断，保证智能仪器回到正常程序上来。
4．实行电源分组供电，例如：
将执行电机的驱动电源与控制电源分开，以防止设备间的干扰。
5．采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其它设备的干扰。
该措施对以上几种干扰现象都可以有效地抑制。
6．采用隔离变压器
考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级寄生电容耦合的，因此隔离变压器的初、次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抵抗共模干扰能力。
7．采用高抗干扰性能的电源，如利用频谱均衡法设计的高抗干扰电源。
这种电源抵抗随机干扰非常有效，它能把高尖峰的扰动电压脉冲转换成低电压峰值（电压峰值小于TTL电平）的电压，但干扰脉冲的能量不变，从而可以提高传感器、仪器仪表的抗干扰能力。
课后分析及小结
教研室主任签名
累计课时
56
酒泉职业技术学院《信息检测与控制》学习领域教案
NO：
27
班级
13机电、13电气
周次
15
时间
节次
1-2；3-4
复习提问
1.传感器分为哪几类？
2.传感器的静态性能指标有哪些？
学习情境
检测与检测系统
课程内容
抗干扰的相关知识
课时
2
学习目标
1.掌握干扰及干扰的种类
2.掌握干扰源及抗干扰的措施
主要内容（*重点、难点）
教学设计与组织
重点：
1.干扰及干扰的种类
2.干扰源
3.抗干扰的措施
难点：
抗干扰的措施的实际应用
【教学设计】
1.提问
2.引入新课
3.讲授新课
4.课堂小结
5.布置作业
【教学组织】
分析法、讲授法、举例法
教学地点
教学仪器设备
教学楼301；教学楼403
教学及参考资料
练习与习题
《传感器与自动检测技术》
学习情境九检测与检测系统
任务三：
抗干扰的相关知识
课后分析及小结
教研室主任签名
累计课时
56
升级会员 