检测技术复习资料版较完善

SMU 测控专业检测技术考试基础复习资料 测控 122 班委会编辑1检测技术复习资料一、检测技术的基本知识1、检测技术定义： 以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。2、检测技术三大功能：参数测量功能、参数监测控制功能、测量数据分析判断功能 。3、检测技术包括：寻找某种信号，确定被测量与显示量两者间的定性、定量关系，并进一步提高测量精度、改进实验方法以及测量装置能提供可行一句的整个过程。 5、任务 1.寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，以及确定二者间的定性、定量关系；(确定传感器类型及输入输出关系 ) 2.从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等的方法和相应的设备。(确定传感器输出信号及其调理电路) 4、测量过程的核心是比较，在大多数情况下，是将被测量和标准量变换为双方易于比较的某个中间量来进行比较。5、为提高测量精度以及动态性能，通常将被测量转换为电压或电流信号，利用电子装置完成 比较、示差、平衡读数的测量过程，因此，转换是实现测量的必要手段，也是非电量电测法的核心。6、被测参数主要有电工量（电压、电流、电功率、电阻、电感、电容、磁场强度等） 、热工量（温度、热量、压力、压差、流量、液位等） 、机械量（位移、形状、应力、力矩、重量、转速、线速度、噪声等） 、物性量（气体成分） 、状态量(颜色) 等。7、非电量电测法：利用传感器，将非电量转换为电学量，再使用丰富、成熟的电子测量手段对传感器的输出信号进行各种处理和显示记录。非电量电测法便于对被测量进行连续的测量、记录和远距离集中控制；便于实验测量过程的自动化，电测装置具有，精度高、频率响应高、人机交互性好等优点。8、评定检测设备的性能指标有：精确度、稳定性（随时间、和外部环境） 、输入输出特性。9、测量三要素：一是(测量单位 )、二是(测量方法) 、三是( 测量仪器与设备)。10、测量分类：按测量方式分 直接测量 、间接测量 和 联立测量； 按测量方法分偏差式测量、零位测量和微差式测量；按测量精度分等精度测量、非等精度测量。 偏差式测量 定义：用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的方法，称为偏差式测量法。 特点：这种测量方法过程比较简单、迅速，但精度低，广泛用于工程测量中。 零位式测量 定义：用指零仪表的零位指示检测系统的平衡状态，在系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量。 特点：这种测量方法精度较高，但过程比较复杂，不适于测量变化迅速的信号。 微差式测量 定义： 综合了偏差式测量法和零位式测量法的优点而提出的测量方法，它是将被测的未知量与已知的标准量进行比较，并取得差值后，用偏差法测得此值。SMU 测控专业检测技术考试基础复习资料 测控 122 班委会编辑2 特点：是反应快、精度高，适用于在线控制参数的检测。11 基本误差大小的表示方法：i 绝对误差： 带量纲的实际误差值，以绝对数值表示。ii 相对误差 ：以被测量的百分数表示。 实际相对误差、 标称相对误差iii 引用误差（又称为相对百分误差） ：以仪表的绝对误差与仪表量程之比的百分数表示12、相对误差较绝对误差更能说明测量的精确程度。选用仪表量程时，应尽可能将测量值接近仪表满量程值，一般不小于满量程值的 2/313、系统误差 是指在一定条件下，数值遵循某一确切函数规律的误差，如不平衡的零电位、温湿度、电磁干扰引起的误差。 系统误差 -在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化特点：有一定规律的，一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素，引入相应的校正补偿措施，便可以消除或大大减小。误差产生的原因：系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。发现系统误差的常用方法如下： （1）实验对比法 （2）剩余误差观察法 （3）不同公式计算标准误差比较法 （4）计算数据比较法 系统误差的校正 ：1）替代法 2）零位式测量法 3）差值法（微差法）4）补偿法 5） 引入修正值法 6）对称观测法 7）正负误差补偿法 随机误差，服从某些规律，如正态分布、均匀分布、离散双值分布等。-在相同条件下多次重复测量同一量时，误差的大小、符号均为无规律变化，又称偶然误差。特点：变化难以预测，无法修正，只能通过理论的方式给与估计。误差产生的原因：随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的各种随机因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起的综合结果。粗大误差 是指显然与事实不符、无规律的误差。14、测量误差的来源：原理性误差、构造误差、环境误差、人员误差15、误差-测量值和真实值之间的差值误差产生的原因：选用的仪表精确度有限，实验手段不够完善、环境中存在各种干扰因素，以及检测技术水平的限制等原因.16、完整的监测系统包括：传感器、测量电路和显示测量电路以及电源和传输通道等部分组成。分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。一、测量的一般概念用专门的技术工具，并实验和计算找到被测量的值。二、测量过程：1、能量形式的一次或多次转换过程。2、将被测参数与相应的测量单位进行比较的过程。三、测量系统的基本构成：值标 尺 上 限 值 标 尺 下 限 或量 程 10100x %10xr10xrSMU 测控专业检测技术考试基础复习资料 测控 122 班委会编辑31、传感器：功能、技术特点2、变送器：功能、技术特点、盘后、现场的区别3、显示、记录仪表：常规型、新型四、测量方法的分类1、直接测量法： a）偏差法 b）零位法 c）微差法2、间接测量法3、组合测量法五、测量仪表的基本构成1、直接变换型结构2、平衡变换型结构六、测量仪表的基本性能及主要技术指标1、测量仪表的误差：1）基本误差 2）附加误差2、误差的表示方法：1）绝对误差： ， ，2）相对误差：a）实际相对误差 b）标称相对误差3）引用误差：3、测量仪表的精度4、测量仪表的几种常见误差1）非线性误差 2）变差5、仪表的测量范围和量程6、仪表的输入、输出特性 1）灵敏度 2）分辩力 3）灵敏限7、仪表的动态特性七、测量仪表的分类八、检测过程及误差二、传感器概述传感器 1、定义：是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 2、含义：（1）传感器是测量装置，能完成信号的获取任务；（2）它的输入量是某一被测量；（3）它的输出量是某种物理量，这种物理量要便于传输、转换、处理、显示等；（4）输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。3、传感器的组成 功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。一般由敏感元件、转换元件、变换电路三部分组成。 有时还需要加上辅助电源。4、传感器的主要应用表现：信息的收集、信息数据的交换、控制信息的采集等。5、传感器的分类方法：按工作原理、能量关系、转换原理、用途、信号变换的特征、测量方式、输出信号等。按作用原理可分为：应变式、电容式、热电式等；按输入量分为；位移、压力、流量等。6、传感器的发展趋势：微型化、智能化、多功能化。SMU 测控专业检测技术考试基础复习资料 测控 122 班委会编辑4传感器静态特性传感器的静态输入输出特性 静态特性是指输入的被测参数不随时间而变化 或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输入量 的关系1、 衡量传感器静态特性的重要指标有：线性度、迟滞、重复性和灵敏度。 线性度 迟滞 传感器在正反行程中输出输入特性曲线不重合程度称为迟滞，迟滞误差大小用下式表达：迟滞误差又叫回程误差，用绝对误差表示。 重复性 重复性是指传感器的输入在按同一方向变化时，在全量程内连续进行重复测试时，所得到的各特性曲线的重复程度，用下式表示：灵敏度 灵敏度表示传感器的输入增量x 与由它引起 的输出增量y之间的函数关系。即灵敏度 S 等于 传感器输出增量与被测增量之比，它是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜率，用下式表示： 灵敏度 表示单位被测量的变化所引起传感器输出值的变化量。S 值越高表示传感器越灵敏。 传感器的动态特性 1、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，则其输出量也将是时间的函数。研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。通常标准输入信号有正弦信号、阶跃信号。2、动态响应有：频率响应、阶跃响应等。三、温度的测量温度 是表征物体冷热程度的物理量； 温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物理量；温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量； 温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。温标为了定量地描述温度高低，必须建立温度标尺，即温标。 温标是温度数值化的标尺，它规定了温度的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。历史上提出过多种温标，如早期经验温标（摄氏温标和华氏温标） ，理论上热力学温标，当前世界通用的国际温标。 摄氏温标所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为 100 度，水银体积膨胀被分为 100 等份，对应每份温度定义为 1 摄氏度，单位为华氏温标 标准大气压力下，水的冰点为 32 度，沸点是 212 度，分为 180 等份，每份温度定义为华氏 1 度，单位为F，摄氏温度和华氏温度的关系为32tT59SMU 测控专业检测技术考试基础复习资料 测控 122 班委会编辑5热力学温标 这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。由此而得的温度称为热力学温度。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基准。国际实用温标为了使用方便，国际上经协商，决定建立一种既使用方便，又具有一定科学技术水平的温标，这就是国际温标的由来。在 ITS-90 中同时使用国际开尔文温度（符号为 T90）和国际摄氏温度（符号为 t90） ，其关系为 t90 = T90 273.15T90 单位为开尔文（K） ， t90 单位为摄氏度（） 。这里所说的摄氏度符合国际实用温标（ITS-90 ）的规定。温度测量方法及分类：测量方法按感温元件是否与被测介质接触, 可以分成接触法与非接触法两大类。 接触法测量精度较低接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度。 优点：直观、可靠。 缺点：存在负载效应，受到测量条件的限制，不能充分接触，使检测元件温度与被测对象温度不一致。热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。 （动态误差）非接触法利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。膨胀式温度传感器根据液体、 固体、 气体受热时产生热膨胀的原理，这类温度传感器有液体膨胀式、固体膨胀式和气体膨胀式。在有刻度的细玻璃管里充入液体（称为工作液，如水银、 酒精等）构成液体膨胀式温度计。误差分析（1）玻璃材料有较大的热滞后效应。（2）温度计插入深度不够将引起误差，（3）非线性误差（4）工作液的迟滞性（5）读数误差固体膨胀式 是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的。它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片为提高灵敏度常作成螺旋形。螺旋形双金属片一端固定, 另一端连接指针轴, 当温度变化时, 双金属片弯曲变形, 通过指针轴带动指针偏转显示温度。 抗震性能好，读数方便, 但精度不太高, 用于工业过程测温、 上下限报警和控制。 气体膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的, 利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计, 组成 温包、毛细管、感压元件（弹簧管、波纹管等）压力温度计结构简单、抗振及耐腐蚀性能好, 与微动开关组合可作温度控制器用, 但K 275.1tTSMU 测控专业检测技术考试基础复习资料 测控 122 班委会编辑6它的测量距离受毛细管长度限制, 一般充液体可达 20m, 充气体或蒸汽可达 60m。 热电偶传感器热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。热电效应两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路，如图所示。当两个接触点(称为结点)温度 t 和 t0 不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这个电动势的大小同材料的性质以及节点温度有关。这种把热能转换成电能的现象称为热电效应，称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量结称工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。热电偶所产生的热电势由两部分组成: 温差电动势和接触电动势。接触电动势两种不同导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果 NANB电子密度大的导体 A 中的电子就向电子密度小的导体 B 扩散，从而由于导体 A 失去了电子而具有正电位。相反导体 B 由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时 A、B 之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电势。从理论上可以证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质（电子密度）和接触面温度的高低。温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。温差电势 （汤姆逊温差电势）同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, 因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 因此, 在导体两端便形成接触电势 ,。 热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。 只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。 热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果 T0 已知且恒定，则 f（T0）为常数，回路总热电势 EAB（T，T0）只是温度 T 的单值函数。 工程上所使用的各种类型的热电偶均把 E(t)和 t 的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度表。热电偶基本定理；1）均质导体定律：由一种均质导体组成的闭合回路中, 不论导体的截面和长度如何以SMU 测控专业检测技术考试基础复习资料 测控 122 班委会编辑7及各处的温度分布如何, 都不能产生热电势。这条定理说明, 热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。 （2）等值定理（中间导体定律）：在热电偶测温回路内, 接入第三种导体, 只要其两端温度相同, 则对回路的总热电势没有影响。 3）中间温度定律：热电偶 AB 在接点温度为 t、t0 时的热电势 EAB(t, t0)等于热电偶AB 在接点温度 t、tc 和 tc、t0 时的热电势 EAB(t, tc)和 EAB(tc, t0)的代数和两端点在任意温度时的热电势为：4）叠加定理 5）交换定理热电偶的结构形式为了适应不同生产对象的测温要求和条件, 热电偶的结构形式有 金属套管热电偶（普通型热电偶） 、铠装型热电偶和薄膜热电偶等。铠装热电偶结构：热电极，绝缘材料，保护套管。特点：测量端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，耐高压，耐振动，寿命长，适用各种工业测量。薄膜热电偶 （小惯性热电偶）具有热容量小, 反应速度快等的特点 , 热相应时间达到微秒级 , 适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。为什么要进行冷端温度补偿？ 1.在测温时，冷端温度 T0 随着环境温度变化，因而产生测量误差，故应采取补偿措施。热电偶的补偿导线及参考端温度补偿方法由热电偶原理可知，只有热电偶冷端温度恒定时，热电偶才是被测温度的单一函数关系，但实际应用中，冷端温度很难恒定，因此要进行冷端温度补偿。 热电偶补偿导线 作用 使热电偶冷端远离热源在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表, 这样参考端温度 t0 也比较稳定。热电偶一般做得较短 需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线, 它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成, 而且在 0100温度范围内, 要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 参考端温度补偿方法冷端恒温法、基准节点的温度校正（计算补偿法） 、冷端温度自补偿（补偿电桥法；利用电桥不平衡原理，桥臂热电阻随温度变化，产生补偿电压 V）利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势 。 例用镍铬-镍硅热电偶测温，冷端 Tn=25，EAB(T ， Tn)=40.347mV，求被测对象的实际温度。 由分度表知： EAB(25 ，0 )=1mVSMU 测控专业检测技术考试基础复习资料 测控 122 班委会编辑8EAB(T， 0 )=40.347+1.00mV41.347mV由分度表知，T1002 热电偶的串并联串联，同极性串联：总电动势为单个热电偶的倍数，可增强输入信号，也可检测多个测点的平均温度；反极性串联：目的测温差，采用时间常数不等的两热电偶反极性串联，当温度恒定不变时，总电动势为零。应注意避免短路或短路。热电偶测量误差 1.热电偶分度误差 2.补偿导线与热电偶的热电特性不完全相同带来的误差3.冷端温度变化引起的误差 4.热电极变质产生的误差5.绝缘不良引起的误差6.二次仪表的基本误差热电阻测温原理对于一个给定电阻，其电阻值是温度的单值函数，因而可以通过测量电阻值来推算温度。金属与半导体作为测温元件要具备的条件（1）电阻温度系数要大，以得到高敏感度；（2）在测温范围内化学与物理性能要稳定；（3）复现性要好；（4）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而保证热容量和热惯性小，使得对温度变化的响应比较快；（5）电阻温度特性尽可能接近线性，以便于分度和读数；（6）价格相对低廉。 热电阻的类型 金属热电阻 铂热电阻 铜热电阻 镍热电阻 半导体热敏电阻铂热电阻 特点：准确度高，稳定性好、性能可靠、有较高电阻率，广泛应用于基准、标准化仪器中，是目前测温复现性最好的一种。使用范围：-200850。电阻纯度：W（100）= 1.3850规格型号：Pt100、Pt10 、Pt1000。结构：电阻丝、绝缘管、保护套管、接线盒缺点：电阻温度系数较小，在还原性气氛中，特别是在高温下易被沾污变脆，价格较贵。 铜热电阻 特点：线性度高、电阻温度系数高、价格便宜、电阻率低、易氧化。 使用范围： -50180。 标准化热电阻 Cu50, Cu100 铜热电阻线性好 , 价格便宜 , 但它易氧化, 不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。SMU 测控专业检测技术考试基础复习资料 测控 122 班委会编辑9半导体热敏电阻 随着温度的增高阻值降低，具有负的温度系数，测温范围-40 350。 电阻值随温度按指数曲线变化， 半导体热敏电阻 大多数半导体热敏电阻具有负的温度系数，其电阻值与温度的关系为 RT = AeB/T 半导体热敏电阻通常用铁、镍、锰、钴、钼、钛、镁、铜等复合氧化物高温烧 结而成。 半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型，即负温度系数热敏电阻（NTC） 、正温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR） 。 与金属热电阻比较： 电阻温度系数大，热敏电阻的电阻温度系数约为-（36）%，金属热电阻约为 0.40.6% 。 电阻率大，可将电阻作的很大而体积很小，电阻阻值大，连接导线所用的电阻可忽略不计。 结构简单，体积小，可用于测量点温度 热惯性小缺点 是同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差，精度较低。温度变送器工业生产中广泛使用的温度变送器大多是与各种热电偶或热电阻配合, 把温度（或温差）信号转换成统一标准电流信号输出, 其中又分为输出直流 010mA 和输出直流420mA 的两类。半导体温度传感器按照工作机理，半导体温度传感器可分为电阻性和 PN 结两大类，它们分别以半导体材料的电阻率和 PN 结特性对温度的依赖关系作为工作基础。 温敏二极管及其应用 PN 结型温敏器件，它是根据半导体 PN 结的正向电压与温度之间具有良好的线性关系，实现温度检测。温敏二极管测温的基本原理 当正向电流 I 一定时，PN 结正向电压 U 与被测温度 T 之间呈现一定的线性关系；且随着温度的升高，正向电压将下降，表现出负的温度系数，这就是温敏二极管测温的基本原理 且正向恒定电流