李新光现代检测技术基础PPT课件.ppt

现代检测技术基础FundamentalsofModernTest MeasurementTechnology 自动化仪表研究所李新光 1 可编辑 1光电检测技术雷玉堂主编 叶声华主审中国计量出版社 第二版 2009年6月 教材 2微弱信号检测高晋占编著 清华大学出版社 年 月第 版 年第三次印刷 第七章重要参考 3光电测试技术浦昭邦主编 机械工业出版社 2004年10月 重要参考教材 4过程检测技术李新光 张华等编著机械工业出版社 2004年10月5现代检测技术周杏鹏 仇国富等编著高等教育出版社 2004年7月6 光电检测技术与应用 郭培源付扬编著北京航空航天大学出版社 教材与参考教材 2 可编辑 第一章检测技术概述 一 检测的作用与意义二 检测的基本概念三 检测系统构成四 检测方法分类五 检测仪表分类六 有关误差的几个基本概念七 现代检测技术发展趋势 3 可编辑 历史时代 手工化 机械化 自动化 信息化 生产方式 人与简单工具 动力机与机械 自动测量控制 智能机械装置 第一章检测技术概述 一 检测的地位和作用1 信息化是科学技术发展的必然 4 可编辑 人与机器的机能对应关系 一 检测的地位和作用 5 可编辑 信息流组成 信息流 获取 传输 处理 控制 信息获取是信息流的一环 一 检测的地位和作用 2 信息流是客观世界的一个主流 6 可编辑 获取信息是仪器科学的基本任务仪器仪表是信息产业的重要组成部分仪器仪表是信息工业的源头 一 检测的地位和作用 7 可编辑 3检测仪器仪表的作用 一 检测的地位和作用 工业生产倍增器 科学研究先行官 社会物化法官 军事战斗力 8 可编辑 一 检测的地位和作用 工业生产倍增器 检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域在美国 检测技术占4 拉动经济增长66 9 可编辑 检测技术在工业生产领域的应用 一 检测的地位和作用 在线检测 零件尺寸 产品缺陷 装配定位 10 可编辑 11 2020 2 28 可编辑 12 应用举例 五机架冷连轧机所用检测仪表 1 3 测厚仪 4 13 测速仪 14 18 辊缝仪 19 20 轧制力测量仪 21 25 压力测量仪 26 29 张力测量仪 30 开卷机 31 卷取机 可编辑 TRT发电 煤气清洗 减压阀组 脱水器 分配器 喷吹煤 煤粉仓 干燥煤粉 煤场 弃渣场 水渣沉淀池 水渣装车 干渣罐 送钢厂铁水 铸铁机 成品库 铁水罐 返矿 槽下筛分 槽下称重 料车或皮带 返回烧结厂 杂矿仓 焦炭仓 烧结矿仓 块矿仓 助燃风机 燃气空气换热器 热风炉 烟气预热器 煤气预热器 富氧站 风机 烟囱 烧结厂 铁矿 焦炭 溶剂 制氧厂 高炉 喷煤 渣口 出铁口 风口 重力除尘 梅山生产过程 炼铁 13 可编辑 一 检测技术的作用和地位 检测技术在工业生产领域的应用离线检测 零件参数 尺寸与形位公差 品质参数作用 现代工程装备中 检测环节的成本约占50 70 14 可编辑 检测技术在汽车中的应用日新月异 一 检测技术的作用和地位 发动机 向发动机的电子控制单元 ECU 提供发动机的工作状况信息 对发动机工作状况进行精确控制温度 压力 位置 转速 流量 气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器 汽车电子控制系统的信息源 关键部件 核心技术内容 普通轿车 约安装几十到近百只传感器 豪华轿车 传感器数量可多达二百余只 底盘 控制变速器系统 悬架系统 动力转向系统 制动防抱死系统等车速 踏板 加速度 节气门 发动机转速 水温 油温 车身 提高汽车的安全性 可靠性和舒适性等温度 湿度 风量 日照 加速度 车速 测距 图象等 15 可编辑 16 可编辑 检测技术在日常生活中的应用与日俱增 一 检测技术的作用和地位 家用电器 数码相机 数码摄像机 自动对焦 红外测距传感器 数字体温计 接触式 热敏电阻 非接触式 红外传感器 自动感应灯 亮度检测 光敏电阻 空调 冰箱 电饭煲 温度检测 热敏电阻 热电偶 电话 麦克风 话音转换 驻极电容传感器 遥控接收 红外检测 光敏二极管 光敏三极管 办公商务 可视对讲 可视电话 图像获取 面阵CCD 扫描仪 文档扫描 线阵CCD 红外传输数据 红外检测 光敏二极管 光敏三极管 医疗卫生 电子血压计 血压检测 压力传感器 血糖测试仪 胆固醇检测仪 离子传感器 17 可编辑 一 检测技术的作用和地位 科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者R R Ernst说 现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展 俄国化学家门捷列夫指出 科学是从测量开始的 近80年来 与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人 18 可编辑 一 检测技术的作用和地位 军事战斗力 1991年海湾战争精确制导炸弹和导弹占8 2003年伊拉克战争90 1994年美国防部建立自动测试系统执行局 立体作战 19 可编辑 一 检测技术的作用和地位 检测技术在军事上的应用 美军研制的未来单兵作战武器 OICW 夜视瞄准机系统 非冷却红外传感器技术 激光测距仪 可精确的定位目标 在发射20毫米高爆弹时 激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信 以便精确的设定引爆时间 20 可编辑 美国国家导弹防御计划 NMD 一 检测技术的作用和地位 检测技术在国防领域的应用 监测系统 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道 拦截器 能识别真假弹头 敌友方 21 可编辑 检测技术在航天领域举足轻重 一 检测技术的作用和地位 飞行器测控 检测飞行器姿态 发电机工况 控制与操纵 火箭测控 检测火箭状况 姿态 轨迹 22 可编辑 一 检测技术的作用和地位 阿波罗10 火箭部分 2077个传感器 飞船部分 1218个传感器 检测参数 加速度 温度 压力 振动 流量 应变 声学 神州飞船 185台 套 仪器装置 23 可编辑 一 检测技术的作用和地位 物化法官 检查产品质量 监测环境污染 识别指纹假钞 查服违禁药物 侦破刑事案件 24 可编辑 一 检测技术的作用和地位 教学实验 气象预报 大地测绘 灾情预报 交通指挥 涵盖吃穿用 农轻重 海陆空 25 可编辑 定义 被测信息 传感器 检测仪器 检测装置 检测系统 全部操作 检测过程 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 二 检测的基本概念 信号采集 信号处理 信号显示 信号输出 物理量 光 电 力 热 磁 声 被测对象 宇宙万物 固液气体 动物 植物 天体 检测器具 化学量 PH 成份 生物量 酶 葡萄糖 26 可编辑 例 空调机测量控制室温 二 检测的基本概念 空气 被测对象 被测信息 检测器具 操作过程 室内空气 温度 温度传感器 热电阻 热电偶 热敏电阻 电信号 处理 显示 空调机 27 可编辑 三 检测系统的构成 力位移速度加速度压力流量温度 电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式 电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器 笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡 数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机 被测对象 传感器 中间变换测量装置 显示及记录装置 实验结果处理装置 激发装置 一般构成 28 可编辑 四 检测方法分类 1 直接测量 绝对测量 相对测量 间接测量2 开环测量与闭环测量3 偏差法 零位法 微差法 29 可编辑 四 检测方法分类 1 直接测量与间接测量 直接测量 直接将被测量与标准量进行比较 标准量 标准计量单位 如米尺 光栅尺 激光 绝对测量 定值标准量 如某一固定尺寸 相对测量 30 可编辑 四 检测方法分类 绝对测量 采用仪器 设备 手段测量被测量 直接得到测量值 测量结果 20 1mm 相对测量 将被测量直接与基准量比较 得到偏差值 特点 简单 直观 明了 测量精度不高 基准量 20 00mm 测量值 0 08mm 结果 20 08mm 特点 精度高 复杂 成本高 要求高 31 可编辑 四 检测方法分类 间接测量 如测导线的导电率 测量与被测量有一定函数关系的参量 被测量由计算获得 32 可编辑 四 检测方法分类 2 开环测量与闭环测量 开环测量 反馈测量 特点 简单 直观 明了 测量精度不高 特点 精度高 复杂 成本高 要求高 33 可编辑 四 检测方法分类 3 偏差法 零位法和微差法 偏差法 零位法 利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值 利用指零机构的作用 使用被测量和已知标准量两者达到平衡 根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值 微差法 偏差法和零位法的结合 34 可编辑 五检测仪表分类 随着科技和生产的迅速发展 检测系统 仪表 的种类不断增加 对其分类方法也很多 工程上常用的几种分类法如下所述 1 按被测参量分类2 按被测参量的检测转换方法分类3 按使用性质分类常见的被测参量可分为以下几类 35 可编辑 1 按被测参量分类 1 电工量电压 电流 电功率 电阻 电容 频率 磁场强度 磁通密度等 2 热工量温度 热量 比热 热流 热分布 压力 压差 真空度 流量 流速 物位 液位 界面等 3 机械量位移 形状 力 应力 力矩 重量 质量 转速 线速度 振动 加速度 噪声等 4 物性和成分量气体成分 液体成分 固体成分 酸碱度 盐度 浓度 粘度 粒度 密度 比重等 5 光学量光强 光通量 光照度 辐射能量等 6 状态量颜色 透明度 磨损量 裂纹 缺陷 泄漏 表面质量等 36 可编辑 严格地说 状态量范围更广 但是有些状态量由于习惯已分别归入热工量 机械量 成分量中 因此 在这里不再重复列出 37 可编辑 2 按被测参量的检测转换方法分类 被测参量通常是非电物理或化学成分量 通常需用某种传感器把被测参量转换成电量 以便于作后续处理 被测量转换成电量的方法很多 最主要的有下列几类提供 1 电磁转换电阻式 应变式 压阻式 热阻式 电感式 互感式 差动变压器 电容式 阻抗式 电涡流式 磁电式 热电式 压电式 霍尔式 振频式 感应同步器 磁栅 2 光电转换光电式 激光式 红外式 光栅 光导纤维式 3 其它能 电转换声 电转换 超声波式 辐射能 电转换 X射线式 射线式 r射线式 化学能 电转换 各种电化学转换 38 可编辑 3 按使用性质分类 检测仪表按使用性质通常可分为标准表 实验室表和工业用表等三种 标准表 顾名思义是各级计量部门专门用于精确计量 校准送检样品和样机的标准仪表 标准表必须高于被测样品 样机所标称的精度等级 而其本身又根据量值传递的规定 必须经过更高一级法定计量部门的定期检定 校准 由更高精度等级的标准表检定之 并出具该标准表重新核定的合格证书 方可依法使用 39 可编辑 实验室表 多用于各类实验室中 它的使用环境条件较好 故往往无特殊的防水 防尘措施 对于温度 相对湿度 机械振动等的允许范围也较小 这类检测仪表与系统的精度等级虽较工业用表为高 但使用条件要求较严 只适于实验室条件下读数 不适于远距离观察及远传信号等 工业用表 是长期安装使用于实际工业生产现场上的检测仪表与检测系统 这类仪表与系统为数最多 根据安装地点的不同 又有现场安装及控制室安装之分 前者应有可靠的防护 40 可编辑 能抵御恶劣的环境条件 其显示也应醒目 工业用表的精度一般不很高 但要求能长期连续工作 并具有足够的可靠性 在某些场合下使用 还必须保证不因仪表引起事故 如在易燃 易爆环境条件下使用时 各种检测仪表都应有很好的防爆性能 此外 按检测系统的显示方式可分为指示式 主要是指针式 显示 数字式显示 屏幕式显示等几类 其余还有分成模拟式 数字式 智能型 以CPU为核心 具有常规数字系统所没有的性能 等等 41 可编辑 六 有关误差的几个基本概念 仪表指示装置所显示的被测值称为示值 它是被测真值的反应 实际中常将用适当精度的仪表测出的或者用特定的方法确定的约定真值代替真实 例如 用国家标准计量机构标定过的标准仪表进行测量 其测量值既可作为约定真值 42 可编辑 绝对误差 示值与公认的约定真值之差成为绝对误差绝对误差 示值 约定真值绝对误差简称为误差 误差为正时 示值偏大 反之偏小 43 可编辑 相对误差和引用误差 绝对误差与约定真值之比成为相对误差 相对误差 如果用量程取代约定真值 得到引用误差 引用误差 44 可编辑 最大引用误差 考虑整个量程范围内的最大绝对误差与量程的比值 则得到最大引用误差 最大引用误差 最大引用误差与仪表的具体示值无关 可以更好地说明仪表测量的准确程度 它是仪表基本误差的主要形式 是仪表的主要性能指标之一 45 可编辑 允许误差 仪表出厂时要规定引用误差的允许值 称为允许误差 如将允许误差记为Q 最大引用误差记为Qmax 那么Q和Qmax在大小上应该满足什么关系 Qmax Q 46 可编辑 基本误差和附加误差 任何测量都是与环境条件相关的 这些条件包括环境温度 相对湿度 电源电压和安装方式等多方面的因素 仪表严格按照规定的环境条件 即参比工作条件 工作时 此时获得的误差称为基本误差 如果在非参比工作条件进行测量 还会产生额外的误差成为附加误差 误差 基本误差 附加误差 47 可编辑 七 现代检测技术发展趋势 不断拓展测量范围和精度重视非接触式检测技术不断向智能化 微型化 网路化方向发展软测量技术 48 可编辑 随着科学技术的发展 对检测仪器和检测系统的性能要求 尤其是精度 测量范围 可靠性指标要求愈来愈高 以温度为例 为满足某些科研实验的需求 不仅要求研制测温下限接近绝对零度 273 15 且测温范围尽可能达到15K 约 258 的高精度超低温检测仪表 同时 某些场合需连续测量液态金属的温度或长时间连续测量2500 3000 的高温介质温度 目前虽然已能研制和生产最高上限超过2800 的热电偶 但测温范围一旦超过2500 其准确度将下降 而且极易氧化从而严重影响其使用寿命与可靠性 因此 寻找能长时间连续准确检测上限超过2000 被测介质温度的新方法 1 不断拓展测量范围 努力提高检测精度和可靠性 49 可编辑 新材料和研制 尤其是适合低成本大批量生产 出相应的测温传感器是各国科技工作者的许多年来一直努力试图解决的课题 目前 非接触式辐射型温度检测仪表测温上限原理上最高可达100000 以上 但与聚核反应优化控制理想温度相比还相差3个数量级 这就说明超高温检测的需求远远高于当前温度检测所能达到的技术水平 仅在十余年前 如果在长度 位移检测中仅存在几丝 米 的测量误差 则一定会被大家认为这是高精度测量 但随着近几年许多国家大力开展微机电系统 超精细加工等高技术研究 微米 米 纳米 米 技术 很快成了人们熟知的词汇 这就意味着科技的发展迫切需要有达到纳米级 甚至更高精度检测技术和检测系统 50 可编辑 目前 除了超高温 超低温度检测仍有待突破外 诸如混相流量检测 脉动流量检测 微差压 几十个帕 超高压检测 高温高压下物质成分检测 分子量检测 高精度 0 02 以上 大吨位重量检测等都是需要尽早攻克的检测课题 51 可编辑 各行各业随着自动化程度不断提高 其高效率的生产更依赖于各种检测 控制设备的安全可靠 努力研制在复杂和恶劣测量环境下能满足用户所需精度要求且能长期稳定工作的各种高可靠性检测仪器和检测系统将是检测技术的一个长期方向 对于航天 航空和武备系统等特殊用途的检测仪器的可靠性要求更高 例如 在卫星上安装的检测仪器 不仅要求体积小 重量轻 而且既要能耐高温 又要能在极低温和强辐射的环境下长期稳定工作 因此 所有检测仪器都应有极高的可靠性和尽可能长的使用寿命 52 可编辑 鉴于传感器与信号调理电路分开 微弱的传感器信号在通过电缆传输的过程中容易受到各种电磁干扰信号的影响 以及各种传感器输出信号形式众多 而使检测仪器与传感器的接口电路无法统一和标准化 实施起来颇为不便 随着大规模集成电路技术与产业的迅猛发展 采用贴片封装方式 体积大大缩小的通用和专用集成电路愈来愈普遍 因此 目前已有不少传感器实现了敏感元件与信号调理电路的集成和一体化 对外直接输出标准的4 20mA电流信号 成为名符其实的变送器 2 传感器逐渐向集成化 组合式 数字化方向发展 53 可编辑 这对检测仪器整机研发与系统集成提供了很大的方便 从而亦使得这类传感器身价倍增 其次 一些厂商把两种或两种以上的敏感元件集成于一体 而成为可实现多种功能新型组合式传感器 例如 将热敏元件和湿敏元件和信号调理电路集成在一起 一个传感器可同时完成温度和湿度的测量 54 可编辑 此外 还有厂商把敏感元件与信号调理电路 信号处理电路统一设计并集成化 成为能直接输出数字信号的新型传感器 例如 美国DALLAS公司推出的数字温度传感器DS18B20 可测温度范围为 55 150 精度0 5 封装