检测技术的基本知识

1、第一章第一章 检测技术的基本知识检测技术的基本知识 第一节第一节 概述概述 自动检测技术是人们对被测对象进行定性和自动检测技术是人们对被测对象进行定性和定量分析所采取的技术措施，包括信息的采定量分析所采取的技术措施，包括信息的采集、转换、显示和处理等。自动检测技术又集、转换、显示和处理等。自动检测技术又称为传感器技术，可认为是电子感官，可以称为传感器技术，可认为是电子感官，可以收集各种信息，并转化为电信号，供信号处收集各种信息，并转化为电信号，供信号处理电路使用。理电路使用。种类丰富、应用范围广。涉及到种类丰富、应用范围广。涉及到军事国防、工业生产、日常生活军事国防、工业生产、日常生活等各个领

2、域。许许多多仪器设备等各个领域。许许多多仪器设备都需要大量的传感器来提供环境都需要大量的传感器来提供环境信息，然后才能实现仪器的功能。信息，然后才能实现仪器的功能。我们身边的检测技术应用：感应我们身边的检测技术应用：感应灯、报警器（火灾、煤气、防盗灯、报警器（火灾、煤气、防盗等）、电视机、空调、电冰箱、等）、电视机、空调、电冰箱、手机、汽车手机、汽车第一节第一节 概述概述 检测技术的应用检测技术的应用 1、检测技术是产品检验和质量控制、检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。的重要手段。 被动检测被动检测 主动检测（在线检测）主动检测（在线检测） 2、检测技术在大型设备安全经济运、检测技术在大

3、型设备安全经济运行监测中得到广泛应用。行监测中得到广泛应用。 保证人机安全保证人机安全第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述 3、检测技术和装置是自动化系统中不可、检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。缺少的组成部分。4、检测技术的完善和发展推动着科学技、检测技术的完善和发展推动着科学技术的进步。术的进步。所有专业领域都离不开检测技术所有专业领域都离不开检测技术调节器调节器执行器执行器调节对象调节对象传感器传感器被被测测量量第一节第一节 概述概述 检测系统的组成检测系统的组成被测量被测量传感器传感器测量电路测量电路电源电源指示仪指示仪记录仪记录仪数据处数据处理仪器理仪器 传感器

4、的作用：传感器的作用： 把被测量变换为与之有对应函数关系的并把被测量变换为与之有对应函数关系的并且便于测量的输出量（且便于测量的输出量（通常是电学量通常是电学量）。）。 传感器的分类：传感器的分类： 按被测量性质分：按被测量性质分：机械量传感器、热工量机械量传感器、热工量传感器、化学量传感器、生物量传感器等；传感器、化学量传感器、生物量传感器等； 按输出量性质分：按输出量性质分：参量型传感器和发电型参量型传感器和发电型传感器。传感器。第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述 测量电路的作用：测量电路的作用： 将传感器的输出信号转换成易于测量的将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号

5、。具有信号。具有信号放大、阻抗信号放大、阻抗匹配、微分、积分和线性补偿匹配、微分、积分和线性补偿等功能。等功能。第一节第一节 概述概述 显示记录装置的作用：显示记录装置的作用： 使人们了解检测数值的使人们了解检测数值的大小和变化的过程。大小和变化的过程。 模拟显示、数字显示和模拟显示、数字显示和图像显示。图像显示。指针式万用表、数字指针式万用表、数字式万用表、地震仪式万用表、地震仪第一节第一节 概述概述 电测法的优点：电测法的优点： 能够连续、自动地对被测量进行测量和能够连续、自动地对被测量进行测量和记录；记录； 既能实现静态测量也能实现动态测量；既能实现静态测量也能实现动态测量； 量程大；量

6、程大； 便于远传、联网实现集中控制。便于远传、联网实现集中控制。第一节第一节 概述概述 检测技术的发展方向：检测技术的发展方向： 新型、集成、智能新型、集成、智能 集成方向包括同功能传感器集成化（点集成方向包括同功能传感器集成化（点测量测量 面测量）和不同功能传感器集成面测量）和不同功能传感器集成化（单一参数测量化（单一参数测量 多参数测量）多参数测量） 。第一节第一节 概述概述 智能化仪表的功能：智能化仪表的功能： 自动调零和自动校准；自动调零和自动校准； 自动量程转换；自动量程转换； 自动选择功能；自动选择功能； 自动定时测量；自动定时测量； 自动故障诊断；自动数据处理和误差修正。自动故障

7、诊断；自动数据处理和误差修正。液位仪智能化仪表液位仪智能化仪表 习题1、2第一节第一节 概述概述第二节第二节 测量方法测量方法 采取正确的测量方法可以提高自采取正确的测量方法可以提高自动控制系统的性能。动控制系统的性能。第二节第二节 测量方法测量方法 测量的概念：测量的概念： 人们用实验的方法，借助一定的仪器或人们用实验的方法，借助一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对进行比较，并确定被测量对标准量的倍的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。数，从而获得关于被测量的定量信息。第二节第二节 测量方法测量方法 测量的核心是测量的核心是

8、比较比较，但在大多数情况下是但在大多数情况下是将被测量和标准量变将被测量和标准量变换成双方易于比较的换成双方易于比较的某个某个中间变量中间变量来进来进行的。如弹簧秤行的。如弹簧秤测量的手段是测量的手段是转换转换，即将被测量转换为电压，即将被测量转换为电压或电流，利用电子装置完成测量过程。或电流，利用电子装置完成测量过程。第二节第二节 测量方法测量方法 常用分类方法有如下几种：常用分类方法有如下几种： 按测量手续分类按测量手续分类 直接测量直接测量 对仪表读数不需要运算。对仪表读数不需要运算。体温表 间接测量间接测量 对与被测量有函数关系的几个量进行测量，然后对与被测量有函数关系的几个量进行测量

9、，然后代入函数关系式，经过计算得到所需结果。代入函数关系式，经过计算得到所需结果。干湿球湿度计 如电阻的测量可采用直接测量也可采用间接测量第二节第二节 测量方法测量方法 按测量值获取方式分类按测量值获取方式分类 偏差式测量偏差式测量 利用仪表指针在标尺上的偏差读取被测量的数利用仪表指针在标尺上的偏差读取被测量的数值。值。 简单、迅速、精度不高，用于工程测量简单、迅速、精度不高，用于工程测量旋旋转转弹弹簧簧永永久久磁磁铁铁圆圆柱柱形形铁铁心心线线圈圈指指针针零位式测量零位式测量用标准量去平衡或抵消被测量用标准量去平衡或抵消被测量天平、电位差计天平、电位差计测量过程复杂、测量时间长、反应慢，用测量

10、过程复杂、测量时间长、反应慢，用于变化缓慢的被测量的测量于变化缓慢的被测量的测量第二节第二节 测量方法测量方法 电位差计原理电位差计原理第二节第二节 测量方法测量方法adrp1rpukuxep调整调整rp使得使得uk和和ux相等，检流计相等，检流计p回零，此时电位回零，此时电位差计的读数即被差计的读数即被测电压测电压ux的值。的值。第二节第二节 测量方法测量方法 微差式测量微差式测量 综合了零位式测量和偏差式测量的优点综合了零位式测量和偏差式测量的优点 反应速度快、测量精度高，适于反应速度快、测量精度高，适于在线检测在线检测mverlrrrmrpr1e1稳压电源的输出电压随负载电阻变化的情况的

11、测量电路稳压电源的输出电压随负载电阻变化的情况的测量电路首先首先rl取额定值，调取额定值，调节节rp，使毫伏表指零，使毫伏表指零，此时对应额定输出电此时对应额定输出电压压uo；然后改变然后改变rl的值，稳压电源输出的值，稳压电源输出电压的波动电压的波动 u可由可由毫伏表读出。毫伏表读出。第二节第二节 测量方法测量方法 按测量仪表的测量途径分类按测量仪表的测量途径分类 接触式测量接触式测量：测量仪表与被测对象相接：测量仪表与被测对象相接触。如测量体温。触。如测量体温。 非接触式测量非接触式测量：测量仪表与被测对象不：测量仪表与被测对象不接触。如红外测温。接触。如红外测温。第二节第二节 测量方法测

12、量方法按被测对象的变化特点分类按被测对象的变化特点分类静态测量：被测量不随时间明显变化动态测量：被测量随时间明显变化习题习题3第三节第三节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 检测系统的基本特性分为检测系统的基本特性分为静态特性静态特性和和动态特性动态特性。 检测系统检测系统的的静态特性静态特性是指检测系统的输入量处于是指检测系统的输入量处于稳定状态时的输出量与输入量之间的关系，即当稳定状态时的输出量与输入量之间的关系，即当输入量是常量或变化极慢时，输出与输入的关系。输入量是常量或变化极慢时，输出与输入的关系。 衡量传感器静态特性的主要技术指标有衡量传感器静态特性的主要技术指标有灵敏度、灵敏

13、度、线性度、重复性、迟滞等。线性度、重复性、迟滞等。第三节第三节 检测系统的基本特检测系统的基本特性性 灵敏度灵敏度 传感器或检测系统在传感器或检测系统在稳态下输出量变化和稳态下输出量变化和引起此变化的输入量引起此变化的输入量变化的比值。变化的比值。s=dydx灵敏度越高，测量精度灵敏度越高，测量精度越高，但测量范围越窄，越高，但测量范围越窄，稳定性越差。稳定性越差。习题习题4灵敏度实质是仪表输入灵敏度实质是仪表输入-输出输出特性曲线的斜率，特性曲线的斜率，的灵敏度是一个的灵敏度是一个 若检测系统由多个环节若检测系统由多个环节组成，各环节的灵敏度组成，各环节的灵敏度分别为分别为s1、s2、s3

14、，而且而且各环节以图各环节以图1-5所示的串所示的串联方式相连，则整个系联方式相连，则整个系统的灵敏度为统的灵敏度为第三节第三节 检测系统的基本特检测系统的基本特性性s= s1s2s3作业：习题作业：习题5第三节第三节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 分辨率分辨率 检测仪表能够精确测出被测量最小变化检测仪表能够精确测出被测量最小变化的能力。的能力。 模拟仪表的分辨率规定为最小刻模拟仪表的分辨率规定为最小刻度的一半；数字仪表的分辨率规度的一半；数字仪表的分辨率规定为最后一位的一个字。定为最后一位的一个字。第三节第三节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 线性度 检测系统的输入和输出之间的

15、关系分为检测系统的输入和输出之间的关系分为线性关线性关系系和和非线性非线性关系。关系。yfsmet=x100%图中曲线为检测系统的实际输入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。直线为理论上的输入输出关系，称为输出关系，称为拟合直线拟合直线。m的含义的含义为实测曲线与拟合直为实测曲线与拟合直线的最大偏差。线的最大偏差。为输出满量程值为输出满量程值 线性度是以所参考的线性度是以所参考的拟合直线为基准线为基准线算得的，所以采取不同的拟合直线就得算得的，所以采取不同的拟合直线就得到不同的线性度。到不同的线性度。 理论线性度、端基线性度、最小二理论线性度、端基线性度、最小二乘

16、法线性度乘法线性度第三节第三节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性第三节第三节 检测系统的基本特检测系统的基本特性性 迟滞迟滞 表明检测系统的正向（输入量增大）输表明检测系统的正向（输入量增大）输入入-输出特性曲线和反向（输入量减小）输出特性曲线和反向（输入量减小）输入输入-输出特性曲线的不一致程度。输出特性曲线的不一致程度。myfsyfsmet=x100%m的含义的含义为正反向检测曲为正反向检测曲线的最大差值线的最大差值第三节第三节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 测量范围测量范围 正常工作条件下仪表能够测量的被测量正常工作条件下仪表能够测量的被测量值的总范围。值的总范围。下限 上限

17、 量程量程 测量范围上限值与下限值的代数差。测量范围上限值与下限值的代数差。 如某温度仪表的测量范围是如某温度仪表的测量范围是-20 + 200 ，则量程是，则量程是220 。知道测量范围就知道了量程；但知知道测量范围就知道了量程；但知道量程却无法推知测量范围。道量程却无法推知测量范围。第三节第三节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 精度等级精度等级 反映仪表测量精度的参数。反映仪表测量精度的参数。 将在下节中详细给出将在下节中详细给出第三节第三节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 动态特性 动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态

18、特性好的传感器，其输出量随响应特性。动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近。致或者相近。 在被测温度随时间变化或传感器突然插在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下量某温度场的温度分布等情况下, 都存在都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度动态测温问题。如把一支热电偶从温度为为0环境中迅速插入一个温度为环境中迅速插入一个温度为t的的恒温水槽中（插入时间忽略不计）恒温水槽中（插入时间忽略不计）, 这时这时热电偶测量的介质温度

19、从热电偶测量的介质温度从0突然上升到突然上升到t, 而热电偶反映出来的温度从而热电偶反映出来的温度从0变化到变化到t 需要经历一段时间需要经历一段时间, 即有一段过渡过程即有一段过渡过程, 如图所示。热电偶反映出来的温度与介如图所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为质温度的差值就称为动态误差动态误差。第三节第三节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性动态误差动态误差 造成热电偶输出波形失真和产生动态误造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因差的原因, 是因为温度传感器有热惯性是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻和传热

20、热阻, 使得在动态测温时传感器输使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。偶大得多。 这种热惯性是热电偶固有的这种热惯性是热电偶固有的, 这种热惯性决定了热电偶测量快速温度这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。变化时会产生动态误差。第三节第三节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 例如响应时间例如响应时间 合川马门溪龙体长合川马门溪龙体长2222米，颈长米，颈长9 9米，米，1919个颈椎，个颈椎，而头部不足而头部不足6060厘米。厘米。第三节第三

21、节 检测系统的基本特性检测系统的基本特性第四节第四节 误差的概念误差的概念测量误差的定义测量误差的定义 由于检测系统(仪表)不可能绝对精确，测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。即测量结果与被测量的真值之间测量结果与被测量的真值之间的差叫测量误差的差叫测量误差任何测量都存在误差！第四节第四节 误差的概念误差的概念 误差来源 测量工具、测量环境、测量方法和测量人员误差的分类按误差表示方法分类：绝对误差和相对误差按误差出现规律分类：系统误差、随机误差和粗大

22、误差按被测量与时间的关系分类：静态误差和动态误差 绝对误差绝对误差 仪表仪表示值示值x与被测量与被测量真值真值x0之间的差值。之间的差值。第四节第四节 误差的概念误差的概念=x-x0测量时利用修正值修正值可消除误差的影响。修正值的获得：上级计量部门给出。绝对误差说明了系统示值偏离真值的大小，其值绝对误差说明了系统示值偏离真值的大小，其值可可正可负正可负，具有和被测量相同的量纲单位，具有和被测量相同的量纲单位。ccxx0修正量定义修正量定义真值计算真值计算： 某仪表测量10mm长度的绝对误差是0.001mm；另一仪表测量200mm长度的绝对误差是0.01mm。第四节第四节 误差的概念误差的概念哪

23、一个仪表的测量精度高？ 相对误差相对误差 仪表仪表示值的绝对误差示值的绝对误差与被测量真值与被测量真值x0的差值的百分数。的差值的百分数。第四节第四节 误差的概念误差的概念r=x x0 0100100%=x-xx-x0 0x x0 0100100%r1=0.0010.0011010100100%r2=0.010.01200200100100%=0.01=0.01%=0.005=0.005%上例上例 引用误差 仪表仪表示值的绝对误差示值的绝对误差与仪表量程与仪表量程l的的比值的百分数。比值的百分数。第四节第四节 误差的概念误差的概念r0=l l100100%r0m=m ml l100100%最大

24、引用误差 规定最大引用误差的百分数数值为规定最大引用误差的百分数数值为精度等级，我国电工仪表分为七级：精度等级，我国电工仪表分为七级： 0.1 、 0.2 、0.5 、1.0 、1.5 、2.0、2.5 、5.0 。第四节第四节 误差的概念误差的概念 系统误差 在相同条件下，多次重复测量同一被测量时误在相同条件下，多次重复测量同一被测量时误差的大小和符号保持不变；或按某一确定的规律变差的大小和符号保持不变；或按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差。其误差值恒定化，这种测量误差称为系统误差。其误差值恒定不变的又称为恒值系统误差，其误差值变化的则称不变的又称为恒值系统误差，其误差值变化的则

25、称为变值系统误差。为变值系统误差。 系统误差是由于仪表制造、仪表安装和使用方系统误差是由于仪表制造、仪表安装和使用方法不正确或测量人员的不良读数习惯造成的；是一法不正确或测量人员的不良读数习惯造成的；是一种有规律的误差。种有规律的误差。可以通过实验的方法消除，也可可以通过实验的方法消除，也可以引入修正值修正。以引入修正值修正。第四节第四节 误差的概念误差的概念系统误差表明测量结果的正确度 随机误差随机误差 在相同条件下多次重复测量同一被测量在相同条件下多次重复测量同一被测量时，测量误差的大小与符号均无规律变时，测量误差的大小与符号均无规律变化，这类误差称为随机误差（偶然误化，这类误差称为随机误

26、差（偶然误差）。差）。第四节第四节 误差的概念误差的概念随机误差表现测量结果的分散性，服从统随机误差表现测量结果的分散性，服从统计规律。随着测量次数的增加，随机误差计规律。随着测量次数的增加，随机误差的算术平均值接近于零。的算术平均值接近于零。用精密度表示随机误差的大小第四节第四节 误差的概念误差的概念正确度高精密度低正确度低精密度高正确度高精密度高精确度是正确度和精密度的综合反映 系统误差与随机误差的关系 两者同时存在，对测量误差如何处理要视两者对测量结果影响孰重孰轻。第四节第四节 误差的概念误差的概念 粗大误差 是指显然与事实不相符的误差，又称过失误差。是指显然与事实不相符的误差，又称过失

27、误差。 由于粗心大意或操作不正确造成。应从测量数据中剔除。 第四节第四节 误差的概念误差的概念习题习题6、7第五节第五节 随机误差的处理方法随机误差的处理方法 概率概率 某一事件或现象出现的客观可能性大小某一事件或现象出现的客观可能性大小 必然事件必然事件 客观的必然现象。概率为客观的必然现象。概率为1 不可能事件不可能事件 违反客观实际的不可能出现的现象。概率为违反客观实际的不可能出现的现象。概率为0 随机事件随机事件 客观上可能出现，也可能不出现，而且不能预测的现客观上可能出现，也可能不出现，而且不能预测的现象。概率在象。概率在01。概率是研究随机事件的一个统计概念，是概率是研究随机事件的

28、一个统计概念，是对大量重复实验的统计结果。对大量重复实验的统计结果。第五节第五节 随机误差的处理方法随机误差的处理方法 n=150区间号区间号1234567891011831832833834835836837838839840841-5-4-3-2-101234513818283429179210.662.005.3312.0018.6622.6619.3311.336.001.320.66测量区间中心值测量区间中心值xi/mm误差区间中心值误差区间中心值i/mm出现次数出现次数ni频率频率ni/n（ % ） 频率直方图（统计直方图）频率直方图（统计直方图）第五节第五节 随机误差的处理方法随

29、机误差的处理方法 -5 -4 -3-2 -1 01 2345n 正态分布曲线正态分布曲线概率密度：概率密度：f()=limnin n n=1n ndnddni/n（ % ）if()f() 随机误差的特点 对称性 对称于纵轴对称于纵轴 有界性 随机误差的绝对值不会超过一定范围随机误差的绝对值不会超过一定范围 抵偿性 全体随机误差的代数和等于全体随机误差的代数和等于0 单峰性 =0=0处随机误差的概率密度最大处随机误差的概率密度最大第五节第五节 随机误差的处理方法随机误差的处理方法f()f() 当系统误差已经消除、随机误差服从正态分布时，由于正态分布的对称性，当测量次数趋于无穷大时，测得值的算术平

30、均值将逼近真值。但在实际工程测量中，测量次数不可能无穷大，一般将有限次等精度重复测量的算术平均值作为被测量真值的估计值，即 第五节第五节 随机误差的处理方法随机误差的处理方法 niixnx11 增加测量次数n，可明显减小测量结果的标准偏差，提高测量的精密度。但随着n的增大，误差减小的程度愈来愈小，并且增加测量次数n不仅数据采集和数据处理的工作量迅速增加，而且因测量时间不断增大而使“等精度”的测量条件无法保持，产生新的误差。 所以一般测量时取n=5n=51010次次即可。第五节第五节 随机误差的处理方法随机误差的处理方法习题习题8系统误差的特点系统误差的特点 系统误差的系统误差的一般可通过实验和

31、分析研一般可通过实验和分析研究确定其产生原因并消除。究确定其产生原因并消除。第六节第六节 系统误差的消除方法系统误差的消除方法 仪器误差：仪器不完善、老化；仪器误差：仪器不完善、老化； 安装误差：仪器安装或使用不当；安装误差：仪器安装或使用不当； 环境误差：使用条件与规定条件不符；环境误差：使用条件与规定条件不符； 方法误差：方法不当、理论不完善；方法误差：方法不当、理论不完善； 操作误差：操作错误、观察位置不当；操作误差：操作错误、观察位置不当； 动态误差：振幅和相位误差。动态误差：振幅和相位误差。第六节第六节 系统误差的消除方法系统误差的消除方法系统误差的来源系统误差的来源针对产生系统误差

32、的主要原因采取对应针对产生系统误差的主要原因采取对应措施，措施，对测量过程中可能产生的系统误差对测量过程中可能产生的系统误差的环节作仔细分析，寻找产生系统误差的的环节作仔细分析，寻找产生系统误差的主要原因，并采取相应针对性措施是减小主要原因，并采取相应针对性措施是减小和消除系统误差最基本和最常用的方法。和消除系统误差最基本和最常用的方法。减小和消除系统误差的方法减小和消除系统误差的方法 第六节第六节 系统误差的消除方法系统误差的消除方法一交换法一交换法 在测量中，保持其他条件不变，将引起系统误差的条件在测量中，保持其他条件不变，将引起系统误差的条件相互交换（如将天平上的被测物与砝码换位），使两次测量相互交换（如将天平上的被测物与砝码换位），使两次测量中可能产生的系统误差的因素起相反的作用，通过两次结果中可能产生的系统误差的因素起相反的作用，通过两次结果的平均值来消除系统误差。的平均值来消除系统误差。第六节第六节 系统误差的消除方法系统误差的消除方法二抵消法二抵消法 在测量中，保持其他条件不变，改变某个在测量中，保持其