现代检测技术实例教程1.项目一-检测技术基础1

检测技术基础知识1.1

测量基础知识1.2

传感器基础知识1.3第一章检测与传感技术基础

【学习目标】●

熟悉测量的基本概念与测量的方法。●掌握测量的基本误差与分析方法。●掌握传感器的定义、组成及类型。●了解传感器的基本特性与性能指标。1.1检测技术基础知识人类认识和改造客观世界都是以测量工作为基础的，进入21世纪，以知识经济为特征的信息时代，传感技术、计算机技术和通讯技术一起构成了现代信息技术的三大特征。

检测（Detection）是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测技术。人体信息检测过程与自动检测系统的比较如图1-1所示。图1-1人体信息检测过程与自动检测系统的比较1.1.2检测技术作用

检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施。

在自动化系统中，首先需要通过检测获取生产流程中的各种有关信息，然后对它们进行分析、判断，以便进行自动控制。任务1.1测量数据处理2014年7月14日，由国防科技大学自主研制的红旗HQ3无人车，首次完成了从长沙到武汉286公里的高速全程无人驾驶实验，创造了我国自主研制的无人车在复杂交通状况下自主驾驶的新纪录，标志着我国无人车在复杂环境识别、智能行为决策和控制等方面实现了新的技术突破，达到世界先进水平。图1-2神舟飞船回收过程1.2测量基础知识在日常生活或者生产实践中，人们常会接触到各种物理量，而且要对它们进行测量、比较、计算，并研究量与量之间的关系。测量的目的就是获得被测量的真值。所谓真值，就是在一定的时间或者环境条件下，被测量所呈现的客观大小或者真实数值。真值是理想的量具或者测量仪器进行无误差的测量所得到的。实际上，真值只是一个理想的概念，实际中是无法得到的，因为，无论利用何种量具或者仪器，采用何种测量方法，误差总是不可避免的。测量方法及分类

测量方法是指将被测量与其单位值进行比较的实验方法。按不同的分类方法进行分类可得到不同的分类结果。（1）根据测量的手段分类，可分为直接测量和间接测量。

直接测量间接测量

（2）根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量。静态测量动态测量（地震振动波的测量）（3）根据被测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。模拟式测量 数字式测量（4）根据测量时是否与被测对象接触，可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量非接触式测量（红外传感器测量IC温度）（5）根据是否在生产线上检测，可分为在线检测和离线检测。在线测量离线测量1.2.1测量误差及分析1.测量误差表示的方法1）绝对误差绝对误差也称示值误差，是测量仪器的示值x与被测量的真值A0之差，则绝对误差△x为

由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为

采用绝对误差（示值误差）表示测量误差，可以比较客观地反映测量的准确性。2）相对误差相对误差是绝对误差与被测量的约定值之百分比值。在实际测量中，相对误差有实际相对误差、示值相对误差和满度（引用）相对误差。（1）实际相对误差。实际相对误差用绝对误差△x与约定真值A的百分比表示

（2）示值相对误差。示值相对误差用绝对误差△x与示值x的百分比表示

（3）满度（引用）相对误差。满度相对误差用绝对误差△x与仪表满量程值Am的百分比表示

【例1-1】某温度计的量程范围为0~500℃，校验时该表的最大绝对误差为6℃，试确定该仪表的精度等级。解：根据题意得△xm=6℃，Am=500℃,带入式（1-6），则该温度计的基本误差介于1.0%与1.5%之间，因此该表的精度等级为1.5级。表1-2仪表的准确度等级和基本误差准确度等级0.10.20.51.01.52.55.0基本误差±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%例1-1某压力表准确度为2.5级，量程为0～1.5MPa，求：1）可能出现的最大满度相对误差

m。2）可能出现的最大绝对误差

m为多少kPa？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差

x。解

1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即

m＝±2

5%。2）

m＝

m

Am＝±2

5％

１.5MPa＝±0.0375MPa＝±37.5kPa3）由上例可知，

x的绝对值总是大于（在满度时等于）

m。例1-2现有准确度为0.5级的0～300℃的和准确度为1.0级的0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？解计算用0.5级表以及1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为±1.88%和±1.25%。计算结果表明，用1.0级表比用0.5级表的示值相对误差的绝对值反而小，所以更合适。由上例得到的结论：在选用仪表时应兼顾准确度等级和量程，通常希望示值落在仪表满度值的2/3以上。1.2.2．测量误差分析根据测量数据中的误差所呈现的规律及产生原因可将其分为系统误差、随机误差和粗大误差。1）系统误差

在相同条件下多次测量同一量值时，误差值保持恒定；或者当条件改变时，其值按某一确定的规律变化的误差，统称为系统误差。系统误差按其出现的规律又可分为定值系统误差和变值系统误差。

系统误差表征测量的准确度，可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以通过重新调整测量仪表的有关部件予以消除。2）随机误差在相同条件下，以不可预知的方式变化的测量误差称为随机误差。在一定测量条件下对同一值进行大量重复测量时，总体随机误差的产生满足统计规律，即具有有界性、对称性、抵偿性、单峰性。因此，可以分析和估算误差值的变动范围，并通过取平均值的办法来减小对测量结果的影响。随机误差的表达式为：弹着点很分散，表明它的精密度低弹着点集中但偏向一方，表明精密度虽高，但准确度低弹着点集中靶心，则表明既精密又准确，即精确度高图1-3具有随机误差的测量值分布呈正态分布

3）粗大误差

超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差，粗大误差又称疏忽误差。粗大误差的出现具有突然性，它是由某些偶尔发生的反常因素造成的。

在数据处理时，要采用的测量值不应该包含有粗大误差，即所有的坏值都应当剔除。所以进行误差分析时，要估计的误差只有系统误差和随机误差两类。在实际测量工作中，所测得的数据并不一定十分理想。为了能得到较精确的测量结果，应对多次测量的数据进行分析与处理。测量结果的数据处理可以按照下列步骤进行：

图1-4核辐射式测厚仪测量钢板厚度

例1-3如图1-4所示，用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行6次等精度测量，所得数据如表1-3（单位为mm），请指出哪几个数值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术平均值公式求出钢板厚度。

表1-3钢板测量结果的数据列表nxi/mm18.0428.0237.9645.99（粗大）510.33（粗大）67.981.3.传感器的基础知识

传感器通常由敏感元件、传感元件及测量电路组成。（1）敏感元件：敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分。在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转成电量，敏感元件在接受被测量后输出一种易于变为电量的非电量。

（2）转换元件。转换元件也叫传感元件，是将敏感元件的输出转换成适于传输或测量的电信号元件。（3）测量电路。测量电路又称为转换电路，其作用是将转换元件输出的电信号进行处理，如放大、滤波、线性化和补偿等，以转换成易于处理的电压、电流或频率参量等。图1-6电位器式压力传感器

1.弹簧管（敏感元件）2.电位器（传感元件、测量转换电路）3.电刷4.传动机构（齿轮-齿条）图1-6是一台测量压力用的电位器式压力传感器结构简图，当被测压力P增大时间，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移α。电位器电阻的变化量反映了被测压力P值的变化。在这个传感器中，弹簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移，电位器为传感元件，它将角位移转换成电参量-----ΔR电阻的变化。当电位器的两端加上电源Uo后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压值。因此在这个例子中，电位器又属于分压比式测量转换电路。整个测试过程原理框图如图1-7所示。图1-7电位器式压力传感器原理框图

传感器的种类（1）按被测量分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。（2）按测量原理分为电阻、电容、电感、光栅、热电偶、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。（3）按传感器能量转换情况可分为能量变换型（发电型）和能量控制型（参量型）两种。（4）按传感器工作原理可分为结构型传感器和物性型传感器等。1.3.3传感器的基本特性传感器的基本特性：对传感器的输出量与输入量之间对应关系的描述就称为传感器的特性。它分为静态特性和动态特性两种。1.传感器的静态特性1）灵敏度传感器的灵敏度S是指达到稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。可表示为：

如上图所示，输入输出为线性关系的传感器，其灵敏度为一常数，灵敏度为直线的斜率。若传感器的输入输出为非线性关系，其灵敏度为工作点处的切线斜率。2）分辨力

分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。图1-9所示数字式电流计的分辨力为0.1A，满量程显示为99.9A。2）线性度

线性度又称为线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（也称理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程输出的百分比，如下图所示：4）稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。例：某仪表输出电压值在8h内的最大变化量为1.2mV，则稳定度表示为1.2mV/(8h)。实际应用中的稳定度简单调整方法：在测量前，可以将输入端短路通过重新调零来克服。5)电磁兼容性所谓电磁兼容性是指电子设备在规定的电磁干扰环境中能按照原设计要求而正常工作的能力，而且