第1章 检测技术的 基本知识目目 录录 1.1 1.1 概述概述 1.2 测量方法 1.3 检测系统的基本特性 1.4 误差的概念 1.5 随机误差的处理方法 1.6 系统误差的消除方法 检测工作的任务：检测技术是实验科学的检测技术是实验科学的 一部分，主要研究各种物理一部分，主要研究各种物理 量和几何量的量和几何量的测量原理测量原理和和测测 量信号的分析处理量信号的分析处理方法。方法。 解决如何获取有关研究对象的状态，运动和特性等方面的信息的问题。您在发烧， 请 检测技术的研究内容： 检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参 数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。“科学只有人懂得测量时才开始-门捷列夫”简单的检测系统可 以只有一个模块， 如玻璃管温度计。 它直接将被温度变 化转化液面示值。 没有电量转换和分 析电路，很简单， 但精度底，无法实 现测量自动化。 为提高测量精度和 自动化程度，以便 于和其它环节一起 构成自动化装置， 通常先将被测物理 量转换为电量，再 对电信号进行处理 和输出。如图所示 的声级计。 1.1 1.1 概述概述一、检测技术的含义、作用和地位 测量：以确定量值为目的的一组操作。 检验：分辨出被测参数的量值是否归属某 一范围带，从而判别被测参数是否合格、 现象是否存在等。 检测：包含了测量与检验两方面的内容。 自动检测：在自动化领域中，需要对某些 重要参数进行实时、自动的测量、检验。 这类无需人手工操作而自动完成的检测。地位与作用： 科学研究的手段:诺贝尔物理和化学奖中有1/4是属于测试方法和仪器创新。 促进生产的主流环节 国民经济的“倍增器” 军事上的战斗力 现代生活的好帮手 信息产业的源头产品检验和质量控制(在线检测) 大型设备的安全、经济运行监测(故障自 诊断) 自动化系统中的重要组成部分(反馈控制 ) 检测技术的发展推动着科学技术的发展 （科学技术的发展带动检测技术发展）地位：主要应用：与生产、生活、科技息息相关，正发挥 着愈来愈重要的作用。检测系统是指由相关的器件、仪器和测试装置有机组合 而成的具有获取某种信息之功能的整体。如下图所示。 为了准确的获得被测对象的信息，要求测试系统中的 每一个环节的输出量与输入量之间必须具有一一对应关系 。而且，其输出的变化能够准确地反映出其输入的变化， 即实现不失真的检测。 被测对象传感器信号 调理信号 处理数据显示 与记录反馈、控制二、检测系统的组成传感器传感器传感器是感受被 测量并将其转换成可 用信号输出，这种输 出量通常是电信号。绪论调理环节调理环节 信号的调理环节是把来 自传感器的信号转换成 更适合于进一步传输和 处理的形式。这种信号 的转换，多数是电信号 之间的转换。如幅值放 大，将阻抗的变化转换 成电压的变化或频率的 变化等等。 基本放大器信号的调制与解调绪论信号处理环节信号处理环节 信号处理环节对来自 信号调理环节的信号 进行各种运算、滤波 和分析四种滤波器的幅频特性 绪论显示记录环节显示记录环节 信号显示、记录环节是 将来自信号处理环节的 信号以观察者易于观察 的形式来显示或存贮测 试的结果。 光线示波器绪论绪论 反馈控制环节主要应用于闭环控制系统中的检测系统。反馈、控制环节反馈、控制环节机床轴承故障监测系统 报警信息控制信息执行装置绪论检测技术的工程应用 工程技术领域工程研究产品开发 生产监督 质量控制 性能试验1、工业自动化中的应用 a)机械手、机器人中的传感器 绪论在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作 用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传 感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉 传感器。b) AGV自动送货车 超声波测距传感器：判断建筑物内人和物所在位置；红 外线色彩传感器：运动轨迹和AGV小车位置识别；条形 码传感器：货品识别。绪论香港理工AGV模型Automated Guided Vehicleshttp:/v.ku6.com/show/82dOpAG_pwz7Twmr.htmlc) 生产加工过程监测 绪论切削力传感器，加 工噪声传感器，超 声波测距传感器、 红外接近开关传感 器等。密歇根大学数字化工厂绪论2、流程工业设备运行状态监控在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上 设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在 线监测系统。 石化企业输 油管道、储 油罐等压力 容器的破损 和泄露检测 。绪论3、产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时 ，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参 数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压 力及发动机转速等。通过对抽样汽车的检 测，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量风机性能自动测试系统绪论绪论4、家庭与办公自动化在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用 了传感器和检测技术来提高产品性能和质量。指纹传感器1、全自动洗衣机中应检测哪些物理量？2、举出一些生活中常见的家电及办公自动化产品应用 传感器的例子想一想绪论5、其他应用航天农业交通医学绪论鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器声位笔:超声波传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡 + D/A卡软驱:速度,位置伺服6、PC机中的测试技术应用传感器按被测量的性质分为：机械量（位 移、力、速度、加速度）、热工量（温度、压 力、流量）、化学量、生物量传感器等。按输出量的性质分为：参量型（输出为电 阻、电感、电容等无源电参量）、发电型传感 器（输出为电压或电流，如热电偶传感器、光 电传感器、磁电传感器、压电传感器）等。本教材采用哪一种分类法？ 自动检测技术的核心是如何将各种非电量转换 为电信号，通过对该电信号的测量来检测原非 电量，常称之为非电量检测技术。 优越性： 便于扩展测量的幅值范围(量程) 便于扩宽测量的频率范围(频带) 便于实现远距离的自动测量 便于与计算机技术相结合, 实现测量的智能化 和网络化 被控制的参数一般为非电量。要对被控对象实 施闭环控制，检测装置是必须配置的，它将被 控制的参数转换为控制器能够接受的电信号。三、非电学量电测法四、检测技术的发展方向1、传感器方面 a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效 应开发出的新型传感器光纤流速传感器 生物酶血样分析传感器荧光材料 制作的电 子鼻传感 器绪论2、测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术 用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路优 点我们的工作第二节 测量方法 一.测量的基本概念二.测量方法一.测量的基本概念 测量：用实验方法，借助于一定的仪器或设备 ，将被测量与同性质的单位标准量进行比较， 确定被测量对标准量的倍数，获得被测量的定 量信息。(数值+标准单位) 测量的四个步骤：比较、示差、平衡、读数。( 卷尺测量长度) 测量过程的核心是比较，而为了能够具有“可 比性”，转换很关键。二.测量方法 按测量手续分类 1.直接测量：利用测 量仪器，直接读取被 测量的测量结果。2.间接测量：已知被 测量与其他几个量有 确定的函数关系，可 以分别测出其他几个 量,再利用函数关系求 出被测量。电子卡尺阿基米德测量皇冠的比重 根据传感器是否与 被测对象接触分类 1.接触式测量2.非接触式测量 雷达测速车载电子警察按被测对象的变化特点分类 1.静态测量：被测量不随时 间变化或变化缓慢，测比较 稳定的量值。2.动态测量：被测量随时间 变化，测变化过程。 按获得测量结果的方式分类 1.偏差式测量2.零位式测量3.微差式测量1.偏差式测量利用测量仪表指针对于 刻度初始点的偏移来读出被 测量的的测量方法。如万用 表测量。特点：表内没有标准量 具（如单位电流、单位电阻 ），只有经标准量具校准过 的刻度盘。比较是将被测量 与刻度盘比较。精度低，但 简单迅速。2.零位式测量调节已知标准量与被测量达到平衡状 态（相等），读取标准量作为被测值。特点：测量装置中有标准量具（如天 平的砝码、电桥的标准电阻），测量过程 是将被测量与标准量具比较，在平衡或指 针指零时，读取标准量具的大小。精度高，操作复杂，反应速度较慢。3.微差式测量零位式与偏差式测量的综合应用。测量前先把被测量U调到基准数值大 小，调节已知标准量使二者相等，读取被 测值的基准大小U0先用零位式测量出被 测量的绝大部分量。测量中只读取被测值的微小变化偏差 式测量剩余差值计算得测量结果为： 特点：测量装置中有标准量具。对微小信号实行偏差式测量。减小了偏差式测量的范围，精度高，小信 号反应速度快，适合于在线测量。第三节 检测系统的基本特性一.静态特性二.动态特性一.静态特性 灵敏度与分辨率分辨率：检测仪表能够精确 检测出被测量的最小变化的 能力。即输入量最小变化多 少，能被测量出来。灵敏度：输出变化与输入变 化的比值。有量纲。*灵敏度越高，分辨率越好。但往往灵敏度愈高测量 范围愈窄。 *模拟仪表的分辨率=最小刻度分格值/2 *数字仪表的分辨率=最后一位数字为1所代表的值。 *如果串联环节组成检测系统，总灵敏度为各部分灵 敏度的乘积。 线性度(非线性误差)图中曲线为检测系统的实 际输入输出关系。直线为理论上的输入输出 关系，称为拟合直线。为实测直线与拟合曲 线的最大偏差。为输出满量程值。线性度定义： 迟滞迟滞特性指检测系统 在正向(输入量增大) 和 反向（输入量减小）行 程期间，输入输出特性 曲线不一致的程度。为正反向检测曲 线的最大差值。迟滞的定义： 测量范围与量程测量范围：正常工作条件下，检测系统能够测 量的被测量的总范围，以下限值与上限值来表示。量程 =（代数）差 =上限值 - 下限值 精度等级测量仪表均具有精度等级。(精度等级与误差有 关，下一节介绍） 二动态特性：检测系统对随时间变化的输入量 的响应特性。一般由实验方法求得。时域内，常用阶跃信号来分析系统的瞬态响 应，包括超调量、上升时间、响应时间频域内，常用正弦输入信号来分析系统的瞬 态响应，包括包括幅频特性和相频特性自控原理第四节 误差的概念 真值：被测量的准确数值（只能靠近，无法准 确知道）。误差：检测结果与真值的差（永远存在）。精度：测量所能达到的误差范围。误差来源：工具、环境、方法、人员误差等。 按误差出现的规律划分相对误差绝对误差随机误差系统误差按误差的表示方法划分误差分类：一绝对误差与相对误差绝对误差-有单位、有正负测量值与真值的差修正量定义真值计算： *适合于测量同一量时，比较测量结果的精度 。相对误差 绝对误差与真值的（百分）比*实际测量中，由于真值未知，指示值又接近真值，求相 对误差时，可用x取代x0近似计算。 *可适用于不同被测量的测量精度比较，比绝对误差更好 的衡量测量结果的精度。 *不适用于衡量仪表本身的质量。同一台仪表，被测量小 ，相对误差大，反之，被测量大，相对误差小。 *对仪表测量精度的衡量，使用引用误差。仪表的引用误差：绝对误差与量程之（百分）比。*该式虽然分母一定，但绝对误差不是确定的。不实用。仪表的最大引用误差：最大绝对误差与量程之（百分）比。*该式分子是指整个量程中最大绝对误差，为定值，分 母也是