1检测技术基础知识-概述

检测技术基本知识经典传感器：包括温度传感器（热电偶，热电阻）；力类传感器（电阻应变，压阻类，压电类，霍尔式）；物位测量；流量测量（差压，容积，电磁，浮子，涡轮，涡街流量计等）；机械量类（自感，互感类，电涡流，电容类）；位移类传感器（数控机床用如编码盘，感应同步器等）新型传感器：光电类（光电管，光电倍增管，光敏电阻，光电二极管，三极管，光电池）；光纤类；超声类；气敏，湿敏，色敏等。传感器接口和检测电路：阻抗匹配，电桥，放大电路；滤波，调制解调电路；采样保持，模数转换等电路；噪声抑制等。第一章检测技术基础知识第一节检测技术概述（绪论）第二节检测的基本方法第三节误差理论第四节检测系统的基本特性第一节检测技术概述1.1检测技术定义风向计辐射计风速计雨量计温度计太阳热量计显示器打印机绘图机软盘磁盘遥测发射机测量用计算机系统湿度计遥测接收机显示硬拷贝记录软拷贝记录传感器（输入设备）（输出设备）例2：电炉TS加热器控制装置控制用计算机系统绘图仪显示屏输入指令控制台显示记录TS：温度传感器：电加热器检测技术定义检测技术：是以研究与控制系统中信息的提取、信息的转换及处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。1.2检测系统一般组成框图：传感器测量电路显示器测控对象控制系统执行器控制电路记录器报警器输出单元传感器：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。测量电路：把传感器输出的变量变换成电压或电流信号，使之能在输出单元的指示仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。1.3传感器定义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。简言之，一种将被测的非电量变换成电量的装置。传感器的组成：敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，转换成电量参数转换电路：上述电量参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出敏感元件转换元件转换电路被测量电量1.4自动检测技术的发展趋势（1）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。（2）开发新型传感器。（3）开发传感器的新型敏感元件材料和采用新的加工工艺。（4）微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。（5）研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。1、工业自动化中的应用a)机械手、机器人中的传感器转动/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。1.5测试技术的工程应用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。1.5测试技术的工程应用香港理工AGV模型c)生产加工过程监测1.5测试技术的工程应用切削力传感器，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1.5测试技术的工程应用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。扬子石化50MW热电机组监测系统阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统荆门电厂200MW机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢30KW以上风机监测系统宝钢精轧F2轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统1.5测试技术的工程应用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。通过对抽样汽车的测试，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1.5测试技术的工程应用4、楼宇控制与安全防护为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器1.5测试技术的工程应用5、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测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器1.5测试技术的工程应用5、其他应用航天农业交通医学1.5测试技术的工程应用鼠标: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第二节检测的基本方法2.1按测量手续分类1.直接测量用事先标定好的测量仪器或仪表，将被测量与标准量直接比较，直接读取被测量测量结果的方法。2.间接测量被测量本身不易测量，但可以通过与被测量有一定函数关系的其他量的测量结果求出被测量数值，这种测量方法称为间接测量。24lRd3.组合测量如果被测量有多个，而且被测量又与某些可以通过直接或间接测量得到结果的其他量存在着一定的函数关系，可先测量这几个量，再求解函数关系组成的联立方程组，从而得到被测量的数值，这种方法兼有直接测量和间接测量的方式。220212011222022232033(20)(20)(20)(20)(20)(20)(20)(20)ttttRRttRRttRRttRRtt2.1按测量方式分类1.偏差式测量在测量过程中，利用测量仪表指针相对于刻度初试点的位移（即偏差）来决定被测量的测量方法，称为偏差式测量。该种测量方法标准量具并没有在仪表内，仪表只有经过标准量具校准过的标尺或刻度盘。该测量方法过程比较简单、迅速，但测量结果精度低，因此广泛用于工程测量。2.零位式测量用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用，并用指零式仪表来检测系统的平衡状态，从而判定被测量值等于已知标准量的方法称为零位式测量。用天平测量物体的质量就是零位式测量的典型例子。该测量方法测量准确度很高，但检测速度比较慢，比较适合于实验室作为精确测量。3.微差式测量这是综合零位式测量和偏差式测量的优点而提出的一种测量方法。基本思路是将被测量x的大部分作用先于已知标准量N的作用相抵消，剩余部分即两者的差值Δ=x-N，这个差值再用偏差法测量。该测量方法反应速度快，测量精度高，兼有零位式测量和偏差式测量的优点。2.3按被测量的性质分类1.时域测量（瞬态测量）主要测量被测量随时间的变化规律。2.频域测量（稳态测量）主要目的是获取待测量与频率之间的关系。3.数据域测量（逻辑量测量）主要是用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑状态进行测量。4.随机测量（统计测量）主要是对各类噪声信号进行动态测量和统计分析。第三节误差理论3.1测量误差的基本概念误差公理真值指定真值（约定真值）实际值（相对真值）标称值示值（测量值）3.2测量误差的分析1.按表示方法分析（1）绝对误差：示值AX与被测量真值A0之间的差值。ΔA=AX-A0式中：ΔA为绝对误差，AX为示值（测量值），A0为被测量的真值，但该值一般很难得到，所以一般用实际值A来代替被测量的真值。即绝对误差一般表示为ΔX=AX-A修正值：实际值A与示值AX之间的差值。C=A-AXC为修正值，其绝对值和绝对误差ΔX相等，但符号相反。即：C=-ΔX=A-AX注意：1.绝对误差是有单位的量，其单位与测量值和实际值相同；2.绝对误差是有符号的量，其符号表示测量值与实际值之间的大小关系；3.测量值与实际值之间的偏差程度和方向用绝对误差来表示，但绝对误差通常不能说明测量质量的好坏。（2）相对误差：用来说明测量精度的高低。①实际相对误差：绝对误差与实际值的百分比值。②示值相对误差：绝对误差与示值的百分比值。③满度相对误差：仪器量程内最大绝对误差与测量仪器满度值的百分比值。又叫满度误差或引用误差。满度误差实际上给出了仪表各量程内绝对误差的最大值。%100AxAxx100%Ax%100xxmmm例1：某电压表S=1.5，试标出它在0-100V量程中的最大绝对误差。解：该表在0-100V量程内上限值（仪表满度值）为Xm=100V，而S=1.5，所以1.51001.5100mmmxxVm0.5%m0.5%我国电工仪表的准确度等级S就是按满度相对误差分级的，按大小依次划分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七级。如某电压表S=0.5，即表明它的准确度等级为0.5级，也就是它的满度相对误差不超过0.5%，即，习惯上写成。例2：某1.0级电流表，满度值Xm=100uA，求测量值X1=100uA，X2=80uA，X3=20uA时的绝对误差和示值相对误差。解：绝对误差不随测量值而改变：而测量值不同示值相对误差也不同：11001100mmmxxA1112223331100%100%100%1%1001100%100%100%1.25%801100%100%100%5%20mxmxmxxxxxxxxxxxxx可见：同一量程内，测得值越小，示值相对误差越大。因此测量中所用仪表的准确度并不是测量结果的准确度，一般测得值的准确度是低于仪表的准确度，在示值和满度值相等时两者才相等。测量时，为减小误差，示值应尽量接近满度值，一般也不小于满度值的2/3为宜。例3：要测量100℃的温度，现有0.5级，测量范围为0-300℃和1.0级，测量范围为0-100℃的两种温度计，分析那种测量效果更好。（即那种示值误差较小）0.5级温度计，可能最大绝对误差：因此其示值误差：同样1.0级温度计的最大绝对误差：示值误差：1110.53001.5100mnnxx2221.01001.0100mnnxx1111.5100%100%1.5%100xxx2221.0100%100%1.0%100xxx2.按误差出现的规律分析（1）系统误差系统误差是在一定的测量条件下，测量值中含有固定不变或按一定规律变化的误差。其变化规律服从某种已知函数，它表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度，系统误差越小，测量就越准确。（2）随机误差随机误差又称偶然误差，是由很多复杂因素的微小变化的总和所引起的误差。其变化规律未知，它表明了测量结果的分散性。（3）粗大误差粗大误差是指在一定条件下测量结果显著地偏离其实际值所对应的误差。3.按误差来源分析（1）工具误差是由测量工具本身不完善引起的误差，主要包括读数误差、内部噪声引起的误差两方面因素。（2）方法误差是指测量时方法不完善，所依据的理论不严密以及被测量定义不明确等诸多因素所产生的误差，又称理论误差。4.按被测量随时间变化的速度分析（1）静态误差是指在被测量随时间变化很慢的过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差。（2）动态误差是指在被测量随时间变化很快的过程中，测