第1章 检测技术基础课程辅导.doc

本文由jasonhu928贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第1章 检测技术基础 章 1.1 检测技术概述 1.2 测量方法 1.3 检测系统的基本特性 1.4 传感器概述 第1页总计 63页 1.1 检测技术概述 检测技术的含义 检测系统的组成 检测技术的发展 第2页总计 63页 检测技术的含义 现代信息技术的三大支柱： 现代信息技术的三大支柱： 传感检测技术 采集 通讯技术 传输 处理 计算机技术 第3页总计 63页 检测技术的含义 检测(Detection)，是利用各种物理效应， ，是利用各种物理效应， 检测 选择合适的方法与装置，将生产、科研、 选择合适的方法与装置，将生产、科研、 生活 中的信息通过检查与测量的方 生活 法赋予定性或定量结果的过程。 法赋予定性或定量结果的过程。 能自动完成整个检测处理过程的技术成为 自动检测与转换技术。 自动检测与转换技术。 第4页总计 63页 含义理解 检测就是使用专门的工具，通过实验和计算， 检测就是使用专门的工具，通过实验和计算， 进行比较， 进行比较，找出被测参数的量值或判定被测 参数的有无。 参数的有无。 检测的结果可能是一个具体的量值， 检测的结果可能是一个具体的量值，也可以 是一个“ 的信息。 是一个“有”或“无”的信息。 (天气预报系统 天气预报系统) 天气预报系统 第5页总计 63页 例：工业检测控制系统 1 传感器 2 被研磨工件 3 研磨盘 第6页总计 63页 检测系统的组成 信息获取 信息转换 显示和处理 第7页总计 63页 计算机辅助检测系统的组成 第8页总计 63页 1 传感器 国家标准（ 国家标准（GB7665-87）中认为，传感器是 ）中认为， 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换 成可用输出信号的器件或装置。 成可用输出信号的器件或装置。 检测系统获取信息的质量取决于传感器的性 能指标。 能指标。 第9页总计 63页 2 测量电路 测量电路的功能是将传感器输出的电信 号经过必要的转换和信号处理， 号经过必要的转换和信号处理 ， 使之便 于驱动显示、 记录、 于驱动显示 、 记录 、 执行机构或进行微 机数据处理。 机数据处理。 第10页总计 63页 3 微机数据处理 微机在检测系统中的应用， 微机在检测系统中的应用，使检测系统产生 了质的飞跃。 了质的飞跃。 计算机数据采集系统 智能数据采集系统 虚拟设备技术 第11页总计 63页 4 显示输出单元 是检测系统向观察者显示或输出被测量数值 的装置。 的装置。 显示和打印记录装置 数据处理和控制装置 显示方式： 显示方式： 指针式 数字式 图像式 第12页总计 63页 检测技术的发展 1 不断扩大测量范围，提高可靠性和精度 不断扩大测量范围， 2 传感器集成化、多功能化 传感器集成化、 3 非接触测量技术 4 计算机技术使检测系统智能化 第13页总计 63页 1 不断扩大测量范围，提高可靠性和精度 不断扩大测量范围， 利用超导体的约瑟夫逊效应已开发出能测量 106K的超低温传感器； 的超低温传感器； 的超低温传感器 辐射型温度传感器最高测量温度可达10 ， 辐射型温度传感器最高测量温度可达 5K， 但可控聚核反应理想温度却要达到10 ； 但可控聚核反应理想温度却要达到 8K； 超高压测量、大吨位(3107吨)以上。 以上。 超高压测量、大吨位 以上 第14页总计 63页 2 传感器集成化、多功能化 传感器集成化、 同样功能的传感器集成化， 同样功能的传感器集成化，从而使对一个点 的测量变成对一个平面和空间的测量。 的测量变成对一个平面和空间的测量。 用由电荷耦合器件形成的固体图像传感器进行 的文字和图形识别。 的文字和图形识别。 把传感器和后续电路集成化。 把传感器和后续电路集成化。 减少干扰，提高灵敏度，方便使用。 减少干扰，提高灵敏度，方便使用。 第15页总计 63页 2 传感器集成化、多功能化 传感器集成化、 多功能化是指把两种或两种以上敏感元件集 成于一体，在一块芯片上可实现多种功能。 成于一体，在一块芯片上可实现多种功能。 半导体温湿敏传感器，多功能气体传感器等。 半导体温湿敏传感器，多功能气体传感器等。 如测量血液中各种成分的多功能传感器。 测量血液中各种成分的多功能传感器。 降低生产成本、减小体积；提高传感器 降低生产成本、减小体积； 的稳定性、可靠性等性能指标。 的稳定性、可靠性等性能指标。 第16页总计 63页 3 非接触测量技术 接触式测量， 接触式测量，有时会使被测对象工作状态受 到干扰； 到干扰； 如温度传感器贴在被测物体上，会使被测物体散热、 如温度传感器贴在被测物体上，会使被测物体散热、导 热状态发生变化，影响测温精度。 热状态发生变化，影响测温精度。 有些被测体上不可能安装传感器。 有些被测体上不可能安装传感器。 如测量高速旋转体的转速、振动等。 如测量高速旋转体的转速、振动等。 非接触测量技术 光电式、电涡流式、 光电式、电涡流式、超声波及微波等传感器 第17页总计 63页 4 计算机技术使检测系统智能化 微电子技术 微型计算机技术 仪器仪表和传感器 现场总线技术 新一代智能化测试系统 不仅有检测功能，还具有信息处理、 不仅有检测功能，还具有信息处理、逻 辑判断、自动诊断等功能。 辑判断、自动诊断等功能。 第18页总计 63页 1.2 测量方法 测量的基本概念 测量方法 第19页总计 63页 测量的基本概念 测量或检测是指人们用实验的方法， 测量或检测是指人们用实验的方法，借助于 一定的仪器或设备， 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， 位标准量进行比较，并确定被测量对标准量 的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。 的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。 第20页总计 63页 测量的基本概念 测量的结果包括： 测量的结果包括：数值大小和测量单位 数值的大小可以用数字表示， 数值的大小可以用数字表示，也可以是曲 线或者图形。 线或者图形。 在测量结果中必须注明单位。 在测量结果中必须注明单位。否则测量结 果是没有意义的。 果是没有意义的。 第21页总计 63页 检测技术 检测技术比测量有更加广泛的含义。 检测技术比测量有更加广泛的含义。 它是指下述的全面过程： 它是指下述的全面过程： 按照被测量的特点， 按照被测量的特点，选用合适的检测装置 与实验方法； 与实验方法； 通过测量和数据处理及误差分析， 通过测量和数据处理及误差分析，准确得 到被测量的数值； 到被测量的数值； 为进一步提高测量精度、 为进一步提高测量精度、改进实验方法及 测量装置性能提供可靠的依据。 测量装置性能提供可靠的依据。 第22页总计 63页 测量方法 1 开环检测与闭环检测 2 直接测量间接测量 3 偏差法、零位法、微差法 偏差法、零位法、 4 主动探索与信息反馈型检测 第23页总计 63页 1 开环测量与闭环测量 简单 直观 明了 测量精度不高 开环型检测系统一般由传感器、信号放大器、 开环型检测系统一般由传感器、信号放大器、 转换电路、显示器等串联组成。 转换电路、显示器等串联组成。 第24页总计 63页 1 开环测量与闭环测量 精度高 复杂 成本高 要求高 反馈型闭环检测系统的正向通道中的变换器 通常是将被测信号转换成电信号， 通常是将被测信号转换成电信号 ，反向变换 器则将电信号变换为非电信号。 器则将电信号变换为非电信号。 平衡式仪表及检测系统一般采用这种伺服结构。 平衡式仪表及检测系统一般采用这种伺服结构。 第25页总计 63页 2 直接检测与间接检测 用事先分度或标定好的测量仪表， 用事先分度或标定好的测量仪表，直接读 取被测量测量结果的方法称为直接测量。 取被测量测量结果的方法称为直接测量。 用温度计测量温度，用电压表测量电压等。 用温度计测量温度，用电压表测量电压等。 工程技术中大量采用的方法 优点：直观、简便、 优点：直观、简便、迅速 缺点： 缺点：测量精度不高 第26页总计 63页 2 间接检测 间接检测就是测量与被检测量有一定关 系的2个或 个以上物理量， 个或2个以上物理量 系的 个或 个以上物理量，然后再推算 出被检测量。 出被检测量。 负载电阻功率 = 电压 电流 （关系） 关系） 目标变量 直接测量） 自变量 （直接测量） 第27页总计 63页 3 偏差法、零位法、微差法 偏差法、零位法、 偏差法 零位法 微差法 第28页总计 63页 偏差法 在测量过程中， 在测量过程中，利用测量仪表指针相对于 刻度初始点的位移(即偏差 来决定被测量 刻度初始点的位移 即偏差)来决定被测量 即偏差 的测量方法，称为偏差式测量。 的测量方法，称为偏差式测量。 偏差式测量 第29页总计 63页 零位法 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测量系统的平 衡状态， 衡状态，从而判定被测量值等于已知标准 量的方法称做零位式测量。 量的方法称做零位式测量。 零位式测量 第30页总计 63页 微差法 综合零位法和偏差法的优点。 综合零位法和偏差法的优点。 基本思路是将被测量x的大部分作用先与己知 基本思路是将被测量 的大部分作用先与己知 标准量N的作用相抵消 的作用相抵消； 标准量 的作用相抵消；剩余部分即两者差 值xN，再用偏差法测量。 ，再用偏差法测量。 设法使差值很小， 设法使差值很小，可选用高灵敏度的偏差 式仪表测量。最终可达到较高的精度。 式仪表测量。最终可达到较高的精度。 第31页总计 63页 微差法的优点 反应速度快 测量精度高 适合于在线控制参数的测量 第32页总计 63页 4 主动探索与信息反馈型检测 根据探索行为得到的检测结果来判断被检测对 象的状态及性质，并重复进行探索， 象的状态及性质，并重复进行探索，深入掌握 其状态。 其状态。 如在检测气体浓度时， 如在检测气体浓度时，首先要观测随检测装置 移动的浓度值的变化， 移动的浓度值的变化，探索浓度最大的空间位 然后输出检测结果等。 置，然后输出检测结果等。 第33页总计 63页 主动探索与信息反馈检测的形态 反馈给信息处理部，如神经元网络学习理； 反馈给信息处理部，如神经元网络学习理； 反馈给传感器，如改变传感器的工作温度， 反馈给传感器，如改变传感器的工作温度， 使传感器的灵敏度提高或改变量程等； 使传感器的灵敏度提高或改变量程等； 反馈给被检测对象，如调整其位置， 反馈给被检测对象，如调整其位置，姿态使 检测结果具有确定性。 检测结果具有确定性。 第34页总计 63页 1.3 检测系统的基本特性 静态特性 动态特性 第35页总计 63页 静态特性 当被测量不随时间变化或变化极其缓慢时， 当被测量不随时间变化或变化极其缓慢时， 可以认为检测系统的输入量和输出量都和时 间无关。 间无关。 可用不含时间变量的代数方程表示它们之间 的关系， 的关系，在这种关系的基础上确定的检测装 置的性能参数通常称为静态特性 静态特性。 置的性能参数通常称为静态特性。 第36页总计 63页 动态特性 当被测量随时间变化很快时， 当被测量随时间变化很快时，必须考虑输入 量和输出量之间的动态关系。 量和输出量之间的动态关系。 用含时间变量的微分方程表示它们之间的关 系，检测系统针对快速变化的被测量的相应 特性称为动态特性。 特性称为动态特性。 第37页总计 63页 对检测系统的一般要求 由于各种检测的原理、结构、使用环境、 由于各种检测的原理、结构、使用环境、 条件、目的的不同， 条件、目的的不同，其技术指标也不可 能完全相同， 能完全相同，但是有些基本要求却是共 同的。 同的。 (1)可靠性 (2)精度高 (3)抗干扰能力 1)可靠性 (2)精度高 (3)抗干扰能力 (4)通用性 (5)低成本 (6)低能耗 (4)通用性 (5)低成本 (6)低能耗 第38页总计 63页 静态特性 静态标准条件 1.没有加速度 振动、 没有加速度、 1.没有加速度、振动、冲击 除非这些参数本身就是被测量）； （除非这些参数本身就是被测量）； 2.环境温度一般为205； 环境温度一般为20 2.环境温度一般为205； 3.相对湿度不大于85； 相对湿度不大于85 3.相对湿度不大于85； 4.大气压力为101327 大气压力为101327 4.大气压力为1013277800Pa(760 60mmHg); 第39页总计 63页 1 灵敏度 传感器或检测系统的灵敏度是指到达稳定工作状 态时， 态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之 比。 Y K = 输出变化量 输入变化量 Y ?X O Y ?Y K= ?X X K= O dY dX X 非线性传感器的灵敏度用dy/dx表示，其数值 等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率。 第40页总计 63页 2 线性度（非线性误差） 线性度（非线性误差） 用实测的检测系统输入 用实测的检测系统输入输出特性曲线与拟 合直线间最大偏差与满量程(Full Scale)输出 合直线间最大偏差与满量程 输出 值的百分比称为线性度。 值的百分比称为线性度。 Y max L = 100 % Y F .S 第41页总计 63页 最小二乘法拟合 设拟合直线方程为： 设拟合直线方程为： y=kx+b 若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟 合直线上响应值之间的残差为： 2 i = y i ? (kx i + b ) 最小二乘法设拟合直线的原理使： ? 最小，即： ? = y ? (kx + b ) = min i n n i =1 2 i 2 i =1 i i 即 ?k ? ?b 2i = 2 ? 2i = 2 (y i (y i kx i ? b )(? x i ) = 0 ? kx i ? b )(? 1 ) = 0 第42页总计 63页 求出k和b的表达式 求出 和 的表达式 k = b = x y n x ? ( x ) x y ? x n x ? ( x ) n x iy i i 2 i 2 i 2 i i i 2 i i i xi y i 2 第43页总计 63页 3 精度（精确度） 精度（精确度） 精度的指标： 精度的指标：精密度 正确度 精确度 精密度 它说明测量结果的分散性(随机误差） 精密度 它说明测量结果的分散性(随机误差） 正确度 说明测量结果偏离真值大小的程度( 正确度 说明测量结果偏离真值大小的程度(系统 误差) 误差) 精确度 它含有精密度和正确度之和的意思， 精确度 它含有精密度和正确度之和的意思，即测 量的综合优良程度。 量的综合优良程度。 第44页总计 63页 4. 迟滞 迟滞是指在相同工作条件下全测量范围校准 时，在同一次校准中对应同一输入量的正行 程和反行程其输出值间的最大偏差。 程和反行程其输出值间的最大偏差。 Y YF.S H max H= 100 % Y F .S Hmax H max H= 100 % 2Y F .S ?H max 输出值在正反 第45页总计 63页 O XF.S X 行程间的最大偏差。 5. 重复性 重复性是指同一工作条件下， 重复性是指同一工作条件下，输入量按同一方 向在全测量范围内连续变动多次所得特性曲线 的不一致性。数值上用各测量值正、 的不一致性。数值上用各测量值正、反行程标 准偏差的两倍或三倍与满量程的百分比。 准偏差的两倍或三倍与满量程的百分比。 Y YF.S K = 2 3 100 % Y F .S 标准偏差。 Hmax O XF.S X (Y n i=1 i Y ) 2 n ? 1 ) 第46页总计 63页 ( 贝塞尔公式 迟滞和重复性的差异 迟滞反映传感检测系统机械结构和制造工艺 上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺丝松动。 上的缺陷，如轴承摩擦、间隙、螺丝松动。 元件腐蚀或碎裂及积尘等。 元件腐蚀或碎裂及积尘等。 重复性反映测量结果偶然误差的大小，而不 表示与真值之间的差别。有时重复性很好， 但可能远离真值。 第47页总计 63页 动态特性 实际工作中， 实际工作中，检测系统的动态特性通常是用 实验方法求得的。 实验方法求得的。 动态特性取决于检测系统本身， 动态特性取决于检测系统本身，也与被测参 量的变化形式有关。 量的变化形式有关。 第48页总计 63页 常用的规律性输入信号 正弦输入 阶跃信号 线性输入 第49页总计 63页 动态性能指标 时域指标： 时域指标： 一阶系统： 一阶系统：时间常数 二阶系统：上升时间、稳定时间、 二阶系统：上升时间、稳定时间、超调量等 第50页总计 63页 一阶系统的阶跃响应 y 1 0.63 1 2 小 大 t 由图看出，随着时间的推移， 越来越接近 越来越接近1。 由图看出，随着时间的推移，y越来越接近 。 在一阶延迟系统中， 是决定响应速度的重要参数。 在一阶延迟系统中，是决定响应速度的重要参数。 t=时， 0.37 t=3时，0.05 t=5时，0.007 第51页总计 63页 二阶系统的阶跃响应 第52页总计 63页 检测系统动态性能指标 (1)时间常数：输出值上升到稳态值 )的63所 时间常数 输出值上升到稳态值y( 的 需的时间。 需的时间。 (2)上升时间 r：输出值从稳态值 )的10%上升到 上升时间t 输出值从稳态值y( 的 上升时间 上升到 90%所需的时间。 所需的时间。 所需的时间 (3)响应时间 s：输出值达到稳态值的 )的95%“或 响应时间t 输出值达到稳态值的y( 的 响应时间 或 98%所需的时间。 所需的时间。 所需的时间 (4)超调量：通常用过渡过程中超过稳态值的最大值 超调量 超调量 A(过冲 与稳态值之比的百分数表示。 过冲) A(过冲)与稳态值之比的百分数表示。 第53页总计 63页 1.4 传感器概述 传感器的概念 传感器的组成 传感器的命名 传感器的分类 第54页总计 63页 传感器的概念 传感器(S 传感器(Sensor or Measuring Transducer) (S 传感器是将各种非电量 包括物理量、化学量、 非电量(包括物理量 传感器是将各种非电量 包括物理量、化学量、 生物量等)按一定规律转化成便于处理和传输 生物量等 按一定规律转化成便于处理和传输 的另一种物理量(一般为电量 的装置。 一般为电量)的装置 的另一种物理量 一般为电量 的装置。 第55页总计 63页 1 传感器定义的理解 是测量装置，能完成检测任务； 是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量， 它的输入量是某一被测量，可能是物理 也可能是生物量和化学量等； 量，也可能是生物量和化学量等； 它的输出量是物理量， 它的输出量是物理量，这种量一定要便 于传输、转换、处理及显示。它可以是 于传输、转换、处理及显示。 电量等，但主要是电量。 气、光、电量等，但主要是电量。 输入输出间一定有对应关系，而且 输出间一定有对应关系， 输入 输出间一定有对应关系 有一定的精度。 有一定的精度。 第56页总计 63页 2 变送器（transmitter) 变送器（ 将非电量的信息转换成标准信号的装 置，即凡能输出标准信号的传感器就 称为变送器。 称为变送器。 标准信号： 标准信号： 420mA 20100kpa 第57页总计 63页 传感器的组成 传感器一般有敏感元件、 传感器一般有敏感元件、转换元件及转换 电路组成，有时还要加辅助电源。 电路组成，有时还要加辅助电源。 非电量 敏感元件 转换元件 测量电路 电量 辅助电源 第58页总计 63页 气体压力传感器示意图 磁芯 转换电路 电感 线圈 输出 膜盒 Pa 壳件 P 第59页总计 63页 传感器的命名 国标GB 7666规定，传感器的全称应由 规定， 国标 规定 主题词四级修饰语”组成， “主题词四