第1章 检测技术基础

刘斌Tel：6504797Email：liuzhen8936@163.com自动检测技术1课程教材及参考书目教材：张宏建，等.《自动检测技术与装置》（第二版），化学工业出版社

参考书目：[1]王华祥.《自动检测技术》，化学工业出版社[2]张天春.《自动检测技术》，大庆石油学院2课程性质主要内容：掌握常见工业参数（温度，压力，物位，流量）的检测方法及正确选用仪表。定位：专业课3课程安排学时:共56学时。

（其中，理论学时：48；实验学时：8）考核要求：不得缺课，作业及实验报告必须按时完成并上交。考核方式：闭卷笔试4自动检测技术第一章检测技术基础5门捷列夫：检测是认识自然界的主要手段。西门子：检测就是去认识。从信息论角度：检测就是信息获取。所以检测是人类日常生活、科学研究、工农业生产、军事等领域必不可少的过程。举例：人通过感觉器官获取信息、认识世界，自动控制系统中的检测，反弹道导弹系统。

什么是检测技术？6检测与测量的关系：后者确定被测对象量值；前者可能是确定量值，也可以是判定被测参数的“有”或“无”，也可以是一种预报、故障分析。检测技术：研究如何获取被测参数信息的一门科学，检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。7定义

用敏感元件（电子技术、数字技术）将被测参数的信息转换成另一种形式的信息，通过显示或其他形式被人们所认识。8例：曹冲称象方法：比较法；装置：船、石头、小秤；检查、测量，从而得到：定性、定量的结果。9第一节检测技术在国民经济中的

地位和作用

10检测技术在卫星中的应用红外扫描区域人造卫星11检测技术在海啸预报中的应用12检测技术在飞行器中的应用131.不断扩大测量范围，提高测量精度数字电压、欧姆表

将量程切换到2V时，最小显示值为1μV

检测技术的发展趋势

14提高可靠性

承受剧烈振动15

2.应用新技术和新的物理效应扩大检测领域月球车16火星车17“惠更斯”号登陆土卫六(Titan)的效果图土卫六表面18安全检查193.发展集成化、

一体化、多功

能化的传感器

可拍照的手机204.采用计算机技术，使检测技术智能化

面部识别技术21单片机芯片22

5.发展网络化传感器及检测系统23第二节检测仪表的基本概念一、检测仪表的定义非线性运算敏感元件信号变换传输处理显示装置敏感元件信号变换传输处理显示装置1、检测仪表24检测系统：由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量。检测装置：检测仪表或检测系统和必需的辅助设备所构成的总体。敏感元件1敏感元件2敏感元件n…….信号变换处理显示装置检测仪表1检测仪表2检测仪表n信号变换处理显示装置2、检测系统25敏感元件1敏感元件2敏感元件n…….信号变换处理显示装置敏感元件1敏感元件2敏感元件n信号变换处理显示装置由若干个敏感元件组成的检测系统框图26典型的自动检测系统（检测系统在发电厂的应用）27典型的自动检测系统283、相关术语敏感元件（sensor）传感器（transducer）变送器（transmitter）被测参数（measuredparameter)待测参数（parametertobemeasured）直接测量（directmeasurement）间接测量（indirectmeasurement）29二、检测仪表的分类按被测参数分类按对被测参数的响应形式分类按仪表中使用的能源和主要信息的类型分类：机械式、电式、气式、光式、光电式按是否具有信号远传功能分类按信号的输出形式分类按应用的场所分类（安全性）按使用的领域分类按仪表结构分类30开环结构仪表K1K2K3Kn……yxu1u2u3un31K0K

βxxsxxf—＋y闭环结构仪表32三、检测仪表的基本性能

1、测量范围和量程仪表能正常工作（满足准确度要求）的可测的被测量的上限和下限的范围，它们之间的代数差为量程。

33灵敏度死区线性度回差2、输入―输出特性灵敏度S是检测仪表对被测变量变化的灵敏程度。检测仪表输入量的变化不致引起输出量可察觉变化的有限区间。检测仪表的输入输出曲线对相应理论直线的偏离程度。检测仪表在全量程范围内对于同一被测量在其上升和下降时对应输出值之间的最大误差。343、误差绝对误差相对误差引用误差仪表基本误差仪表满刻度相对误差允许误差仪表输出值与被测参数真值之间的差值。仪表的绝对误差与约定真值之比的百分数。仪表的绝对误差与仪表量程之比的百分数。在标准条件下，仪表全量程范围内各输出值误差中最大的绝对误差。仪表的基本误差与量程之比的百分数。仪表制造单位为仪表设定的一个误差限制。354、准确度与准确度等级仪表的准确度是指仪表给出接近于真值的响应能力。也称精度，精确度。准确度等级：…，0.05，0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，…36检测仪表的准确度及其等级的确定有一台压力表，其量程为100kPa，经检验发现仪表的基本误差为0.6kPa。问这台压力仪表的准确度为多少？准确度等级为多少？37检测仪表精度等级的选择拟对某压力容器的压力进行测量，正常压力在150kPa左右，要求压力测量误差不大于4.5kPa，问应选择什么样的压力检测仪表才能满足测量要求？385、动态响应特性T输入输出0.6321t396、稳定性

一是时间稳定性，它表示在工作条件保持恒定时，仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小；

二是使用条件变化稳定性，它表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响。40重复性是指在相同条件下，对同一被测量，按同一方向多次测量，检测仪表输出值相互接近的能力。7、重复性与再现性41再现性是指在相同条件下，在规定的相对较长的时间内，对同一被测量从两个方向上重复测量时，检测仪表各输出值之间的一致程度。42长时间工作不出现故障的能力。8、可靠性保险期有效性狭义可靠性仪表使用后能有效的完成规定任务的期限。仪表在规定时间内能正常工作的概率。包括：结构可靠性和性能可靠性两部分。定量描述检测仪表可靠性的度量指标有：

可靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均故障修复时间等43描述仪表可靠性的几个度量指标

可靠度是指仪表在规定工作时间内无故障的概率。

故障率是指仪表工作到t时刻单位时间内发生故障的概率。

平均无故障时间是指仪表在相邻两次故障间隔内

MTBF有效工作时的平均时间。

平均故障修复时间是指仪表出现故障到恢复工作

MTTR时的平均时间。

有100台同样的仪表，工作了1000h后只坏了一台，则这批仪表在1000h后的可靠度R(t)是99%。

F(t)=1-R(t)R(t)=exp(-λt)44注意：对于不可修复的产品来说，从开始工作到发生故障前的平均工作时间用MTTF表示。某种检测仪表的故障率为2%/kh，就是说100台这样的检测仪表在工作1000h后，可能有2台仪表发生故障。45仪表性能判断1、某弹簧管压力表的测量范围为0~1.6MPa，准确度等级为2.5级。校验时在某点出现的最大绝对误差为0.05MPa。问这块仪表是否合格，为什么？2、有一块压力表，其正向可测到0.6MPa，负向可测到-0.1MPa.现只校验正向部分，其最大误差发生在0.3MPa处，即上行和下行时，标准压力表的指示值分别为0.305MPa和0.295MPa。问该压力表是否符合准确度等级为1.5级的要求？46第三节测量误差的理论基础

测量的目的：得到被测参数的真实值（真值）研究误差目的：认识和掌握误差规律评价检测装置和测量结果提高测量的准确度“约定真值”的得到：计量基准、标准复现、权威组织推荐准确度高一级等级仪表等精度测量条件下有限次测量的平均值

47一、测量误差的分类及产生原因测量误差分类按误差本身量纲分类：绝对误差相对误差—实际相对误差、标称相对误差、引用相对误差按误差出现的规律分类系统误差随机误差粗大误差48按使用的工作条件分类基本误差附加误差按误差的特性分类静态误差动态误差误差产生原因系统误差环境误差方法误差人员误差49二、误差的估计和评价处理方法粗大误差是人为造成的，可以通过加强责任感避免，也可以通过某些判据发现并剔除。随机误差表现出单次测量的随机性与测量总体误差分布的规律性特征，因此可通过统计处理的方法对误差进行最可信估计。系统误差存在与否的检验是系统误差分析与评价的核心问题，因为系统误差的规律性决定其处理与补偿的有效性。50随机误差的估计与统计处理

n次重复测量，各个测量误差出现的概率密度分布服从正态分布，即为测量值与约定真值之间的误差。51特点：误差的对称性

误差的单峰性

误差的有界性

误差的抵偿性52标准差的计算n趋于无穷大标准差n为有限时样本标准差53粗大误差的判别拉依达（Райта）法（只能用于n≥30)格拉布斯（Grubbs）法系统误差实验对比法残余误差观察法标准差判据

54误差的合成系统误差的合成设检测系统的待测参数为55随机误差的合成

在直接测量情况下在间接测量情况下，设间接测量量（待测参数）误差的总合成56减小随机误差的方法提高检测系统准确度抑制噪声干扰对测量结果的统计处理减小和消除系统误差的方法消除误差源法引入修正值法比较法替代法对照法三、消除和减少误差的一般方法57误差产生的因素：1.系统误差：

系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。

58在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验