石大机械工程测试技术讲义01检测技术基础

检测与转换技术基础(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、检测与转换技术概述1、检测技术的含义2、检测与转换技术在国民经济中的地位和作用3、现代信息技术4、检测技术的应用5、检测系统中常见信号类型6、信号的传递形式7、工业生产过程检测的目的8、检测与转换技术的发展方向二、课程教学的几点说明1、本课程研究的内容及性质2、教学目的3、教学内容4、教学基本要求5、教学手段与教学方法6、几点说明7、测试内容与方式一、检测与转换技术概述1、检测技术的含义检测技术比测量定义有更加广泛的含义，它是指下述的全面过程：按照被测量的特点，选用合适的检测装置与实验方法，通过测量和数据处理及误差分析，准确得到被测量的数值，并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。检测是利用传感器把被测信息检取出来，并转换成测量仪表或仪器所能接受的信号，再进行测量以确定量值的过程；或转换成执行器所能接受的信号，实现对被测物理量的控制。在特定情况下，检测信号可由模拟被测物理量的信号发生装置产生。2、检测与转换技术在国民经济中的地位和作用人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取、处理、传输以及综合等要求愈加迫切。作为信息提取的功能器件——仪表及传感器与人类的关系愈来愈密切。例如，用电压表对电压进行监视，用一氧化碳气敏传感器对煤气溢出进行监视等等。采用自动测试系统实时测量及分析产品性能，采用自动控制系统对产品加工过程实时控制，是提高产品质量的现代方法。近年来，由于计算机技术的迅猛发展，促使控制系统的功能不断完善：仪器仪表的智能化不断增强。这就对作为“感觉器官”的检测技术提出了更高的要求。如果感觉器官失灵，再聪明的大脑也无济于事。没有检测，即没有信息，也就无法控制。因此检测技术对于计算机技术的推广应用以及自动控制技术的发展具有重要意义。目前，检测与转换技术已成为一些发达国家最重要的热门技术之一，其主要原因是它可以给人们带来巨大的经济效益和社会效益。可以说，一个国家的现代化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的。由此看来，检测与转换技术在国民经济中占有极其重要的地位和作用。3、现代信息技术1）信息技术的地位当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的主要基础就是信息技术。信息技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，并且正在改变着传统工业的生产方式，带动着传统产业和其他新兴产业的更新和变革，是当今人类社会发展的强大动力。当前，传感技术（信息的采集技术）、通信技术（信息的传输技术）和计算机应用技术（信息的处理技术）可以说是现代电子信息技术信息技术的三大支柱，其中，计算机和通信技术发展相当迅速，而传感技术发展有些滞后，因此，我国和世界各国都视传感技术为现代电子信息技术的关键技术之一。所谓信息的采集是指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过检测技术实现的，因此检测技术实质上也就是信息采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。2）信息的性质由信息的定义，可以概括出信息具有以下一些重要的性质：(1)信息来源于物质运动，又不等同于物质；(2)信息与能量息息相关，又互相异质，获得信息需要能量；控制能量又需要信息；(3)信息可以识别，可以通过人的感官直接识别，也可以通过各种探测器间接识别；(4)信息可以转换，可以从一种形态转换成另一种形态，如语言、文字、图像，图表等信号形式，可以转换成计算机代码及广播、电视等电信号，而电信号和代码又可以转换成语言、文字、图像等；(5)信息可以存储，人用脑神经细胞存储信息(称作记忆)；计算机用内存储器和外存储器存储信息：录音机；录像机用磁带存储信息等；(6)信息可以传输，人与人之间的信息传输依靠语言，表情、动作，社会信息的传输借助报纸、杂志、广播，工程中的信息则可以借助机械、光，声，电等传输。一般说来，信息是比较抽象的。虽然它很抽象，却可以被观察者(包括人、生物以及人造的仪器设备)所感知、检测，提取，识别、存储、传输、显示、分析、处理和利用；且为众多的观察者所共享．它是决策的依据，控制的基础和管理的保证。信号中虽然携带着信息，但是信号并非就是信息．信号中既包含着我们所需要的信息，也常常含有大量不感兴趣的信息，后者统称为干扰。所以信号可分为“有用”信号和“干扰”信号。但这是相对的，在某种场合中，我们认为是干扰的信号，在另外一种场合却可能是有用的信号．例如齿轮噪声，对工作环境是一种“污染”．但是齿轮噪声是齿轮副传动缺陷的一种表现，因此可以用来评价齿轮副的运行并用作故障诊断．对故障诊断来说，就是有用信号．从复杂的信号中提取出有用信息，这也是测试中非常重要的工作。3）信息系统的组成由信息提取、信息转换、信息处理、信息传输等部分组成。信息提取：是指用组成的测试系统，从自然界诸多的被检查与测量量(物理量、化学量、生物量与社会量)中提取出有用的信息(一般都是电信号)。信息转换：是将所提取的有用信息，根据下一单元的需要，在幅值，功率及精度等方面进行处理和转换。信息的显示：将转换后的信息在显示记录仪上显示出来，以供观测分析。信息处理：的任务，视输出环节的需要，将变换后的电信号进行数字运算、A／D变换等处理。信息处理是测试的真正目的，是指人们把已经获得到的信息进行加工、运算、分析或综合，以便进行预报，报警、检测、计量、保护、控制、调度和管理等，以期达到预防自然灾害、防止事故发生、提高劳动生产率、正确计量、改善产品质量、顺利进行科学实验、进行文明生产和科学管理等目的。信息反馈：将信息送回到被测对象，以改变被控信号的大小。信息传输：的任务是，在排除干扰的情况下经济地、准确无误地把信息进行传递。4、检测技术的应用在人类的各项生产活动和科学实验中，为了了解和掌握整个过程的进展及其最后结果，经常需要对各种基本参数或物理量进行检查和测量，从而获得必要的信息，做为分析判断和决策的依据，可以认为检测技术就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。随着人类社会进入信息时代，以信息的获取、转换，显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为一门完整的技术科学，在促进生产发展和科技进步的广阔领域内发挥着重要作用。其主要应用如下：1)检测技术是产品检验和质量控制的重要手段。借助于检测工具对产品进行质量评价是人们十分熟悉的。这是检测技术重要的应用领域．但传统的检测方法只能将产品区分为合格品和废品，起到产品验收和废品剔除的作用。这种被动检测方法，对废品的出现并没有预先防止的能力。在传统检测技术基础上发展起来的主动检测技术或称之为在线检测技术使检测和生产加工同时进行，及时地用检测结果对生产过程主动地进行控制，使之适应生产条件的变化或自动地调整到最佳状态。这样检测的作用已经不只是单纯的检查产品的最终结果而且要过问和干预造成这些结果的原因，从而进入质量控制的领域。，2)检测技术在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用。电力、石油、化工、机械等行业的一些大型设备通常在高温、高压，高速和大功率状态下运行，保证这些关键设备安全运行在国民经济中具有重大意义。为此，通常设置故障监测系统以对温度、压力，流量、转速，振动和噪声等多种参数进行长期动态监测，以便及时发现异常情况，加强故障预防，达到早期诊断的日的。这样做可以避免严重的突发事故，保证设备和人员安全，提高经济效益。即使设备发生故障也可以从监测系统提供的数据中找出故障原因，缩短检修周期，提高检修质量。另外，在日常运行中，这种连续监测可以及时发现设备故障前兆，采取预防性检修。随着计算机技术的发展，这类监测系统已经发展到故障自诊断系统。可以采用计算机来处理检测信息，进行分析，判断，及时诊断出设备故障并自动报警或采取相应的对策。3)检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。任何生产过程都可以看作是由“物流”和“信息流”组合而成，反映物流的数量、状态和趋向的信息流则是人们管理和控制物流的依据。人们为了有目的地进行控制，首先必须通过检测获取有关信息，然后才能进行分析判断以便实现自动控制。所谓自动化，就是用各种技术工具与方法代替人来完成检测、分析、判断和控制工作。一个自动化系统通常由多个环节组成，分别完成信息获取，信息转换、信息处理、信息传送及信息执行等功能。在实现自动化的过程中，信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确及时地将被控对象的各项参数检测出来并转换成易于传送和处理的信号，整个系统才能正常地工作．固此，自动检测与转换是自动化技术中不可缺少的组成部分。4)检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步。人们在自然科学各个领域内从事的研究工作，一般是利用已知的规律对观测，试验的结果进行概括、推理，从而对所研究的对象取得定量的概念并发现它的规律性，然后上升到理论。因此，现代化检测手段所达到水平在很大程度上决定了科学研究的深度和广度。检测技术达到的水平愈高，提供的信息愈丰富、愈可靠，科学研究取得突破性进展的可能性就愈大。此外，理论研究的一些成果，也必须通过实验或观测来加以验证，这同样离不开必要的检测手段。从另一方面看，现代化生产和科学技术的发展也不断地对检测技术提出新的要求和课题，成为促进检测技术向前发展的动力。科学技术的新发现和新成果不断应用于检测技术中，也有力地促进了检测技术自身的现代化。近年来，由于计算机技术的迅猛发展，促使控制系统的功能不断完善：仪器仪表的智能化不断增强。这就对作为“感觉器官”的检测技术提出了更高的要求。如果感觉器官失灵，再聪明的大脑也无济于事。没有检测，即没有信息，也就无法控制。因此检测技术对于计算机技术的推广应用以及自动控制技术的发展具有重要意义。检测技术与现代化生产和科学技术的密切关系，使它成为一门十分活跃的技术学科，几乎渗透到人类的一切活动领域，发挥着愈来愈大的作用。5、检测系统中常见信号类型作用于测量装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几种便于传输和显示的信号：1）位移信号位移信号包括：直线位移和角位移两种形式，它属于一种机械信号。在测量力、压力、重量、振动等物理量时，通常都首先要把它们转换成位移量，然后再做进一步处理。例如，当被测参数是力或压力时，可以通过适当的弹性元件转换成位移。在测量系统中，位移信号可利用杠杆、齿轮副等机构进行机械放大和传送，也可以利用—定的元件变换为气压信号(如喷嘴挡板机构)，或者转换为电信号(如变极距型电容传感器)。2）压力信号压力信号包括气压信号和液压信号，工业检测中主要应用气压信号。在气动检测系统中，以净化的恒压空气作为能源，气动传感器(变送器)将被测参数转换为与之相应的气压信号。在测量系统中，气压信号可以通过气动功率放大器放大，也可通过气动计算单元进行加，减、乘、除、开方、乘方等数学运算，还可输送给显示单元进行指示、记录、报警，或用于自动调节。采用气—电转换器，可将气压信号转换成电信号。3）电气信号常用的电气信号有电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号等。电气信号可以远距离传递，便于和电子计算机联结，易于实现检测自动化，而且响应速度快。因此，将被测的非电参数转换成电信号进行测量，在检测技术中应用越来越广，并已逐渐形成一个重要的分支——非电量电测技术。将被测参数的变化直接或间接地转换成电信号的传感器，近年来发展很快。4）光信号光信号包括光通量信号、干涉条纹信号、衍射条纹信号、莫尔条纹信号等等。随着激光、光导纤维和计量光栅等新兴技术的发展，光学检测技术也得到了很大的发展，特别是在高精度。非接触测量方面，占有十分重要的地位。利用各种光学元件构成的光学系统可将光信号进行传递，放大和处理。在非电量电测技术中，利用光电元件可以将光信号转换成电信号。光信号和电气信号的形式，既可以是连续的，又可以是断续(脉冲式)的。6、信号的传递形式从传递信号连续性的观点来看，在检测系统中传递的信号形式可以分为模拟信号，数字信号和开关信号。1）模拟信号在时间上是连续变化的，亦即在任何瞬时都可以确定其数值的信号，称为模拟信号。生产过程中常遇到的各种连续变化的物理量和化学量皆属于模拟信号。模拟信号变换为电信号就是平滑地、连续地变化的电压或电流信号。例如，连续变化的温度信号可以利用热电偶转换成与它呈比例的连续变化的电压信号。2）数字信号数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号，通常用二进制数0和1组合的代码序列来表示，数字信号变换成电信号就是一连串的窄脉冲和高低电平交替变化的电压信号。连续变化的工业参数(模拟信号)可以通过数字式传感器直接转换成数字信号。然而，大多数情况是首先把这些参数变换成电参量的模拟信号，然后再利用模数(A／D)转换技术把电模拟量转换成数字量。将一个模拟信号转换为数字信号时，必须用一定的计量单位使连续参数整量化，亦即用最接近的离散值(数字量)来近似表示连续量的大小。由于数字量只能增大或减小一个单位，因此，计量单位越小，整量化所造成的误差也就越小。3）开关信号用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号叫做开关信号。例如，用水银触点温度计来检测温度的变化时，可利用水银触点的“闭合”与“断开”来判断温度是否达到给定值。在自动检测技术中，利用开关式传感器(如干簧管，电触点式传感器等)可以将模拟信号变换成开关信号。7、信号的标准化在自动检测与自动控制系统中，往往需要同时应用多种自动化仪表，为了便于仪表之间的互相通讯，必须采用统一标准信号。例如，在单元组合式自动化仪表中，常用的标准电气信号为0～10mA或4～20mA的直流电流信号。8、工业生产过程检测的目的工业检测的主要目的可归纳为以下几个方面：1）控制生产过程的运行工业生产过程是将原材料投入生产设备，加以必要的动力、热能或人力，通过各种物理的、化学的操作来产出合格的产品的过程．为了保证产品的质量，提高产量，降低消耗和防止生产事故的发生，就必须严格执行科学的工艺规程，控制生产过程中的运行条件．例如，在制浆造纸生产过程中，要控制纸浆的流量、浓度等参数；在发酵工业生产中．要控制温度，压力、pH值和溶解氧的浓度等一系列参数．在应用饱和热汽作为二次能源的生产过程中，由于锅炉汽包的水位是安全生产的重要因素，因此必须严格控制水位的高低．应当指出，目前许多工艺过程尚不能实现完全有效的控制，其中一个主要障碍就是由于缺乏合适的检测手段．例如，由于缺乏能无菌地插入发酵系统中用以检测浓度和细胞活性的探测器，使得目前所能实现的发酵过程控制往往具有很大的局限性．然而，一旦解决了检测的方法和手段．那么该生产过程的自动化也就有了实现的可能．我们知道，工业生产过程的运行状态最佳化需要反馈控制，但是如果生产过程中的信息不能检测出，那么也就无法实现反馈控制．由此可见，检测是实现生产过程自动控制的重要手段和条件。2）检定产品质量为了使产品质量达到预定的要求，必须进行严格的检定．例如，在造纸工业中，水分、定量，厚度、透气度，机械特性．光学特性和电学绝缘特性等，都属于纸页和纸板的质量指标．至于检定哪个质量指标，则视产品的用途和品种而定．例如，厚度的稳定对于打字纸等特殊用途的纸页来说具有重要意义，而透气度则是包装纸的主要特性之一，对于电容器纸则必须检定其电气绝缘特性。3）成本计量企业生产为了加强经济管理、提高经济效益，必须对生产过程中所消耗的原材料和能源以及所生产出的半成品和成品的数量进行准确的计量，以便为进行成本核算提供科学的依据．4）公害与污染监测为了确保人民身体健康和保护生态系统，工业生产部门必须对生产过程中所产生的废水、废气，烟尘、废渣和噪声等公害进行监测，以便有的放矢地采取必要的防治措施，使各类公害和污染控制在法定的排放标准以内。5）科研与试验检测为了研究新工艺，开发新产品和改进产品的设计，必须借助于各种检测手段，获取实验结果和有效的经验数据．例如，在研制一个新品种的自行车时，利用各种测试设备，可以在一周内，获得相当于自行车骑行一年的磨损和破坏数据，为决定是否投入批量生产提供了依据，也大大地缩短了研制周期。9、检测与转换技术的发展方向科学技术的迅猛发展，为检测技术的现代化创造了条件，主要表现在以下几个方面：1）研制新型传感器人们研究新原理、新材料和新工艺所取得的成果将产生更多品质优良的新型传感器．例如光纤传感器、液晶传感器，以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等。另外，代替视觉、嗅觉、味觉和听觉的各种仿生传感器和检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器也是今后传感器技术研究和发展的重要方向．新型传感器技术除了采用新原理，新材料和新工艺之外，还向着高精度小型化和集成化的方向发展．2）自动检测与在线检测随着工业生产的发展，对于产品质量和生产效率都提出了更高的要求，因此，要求相应地提高检测的速度和可靠性．例如，在大批量生产中，对于某些质量指标采用人工抽检的办法，极易造成漏检或错检．如果对全部产品逐个进行检查，不但需要占用大量的劳动力，而且速度和准确性也难以满足现代化生产的要求．因此，自动检测是工业检测的一个发展趋势．一般落后的工业检测往往是消极被动的，亦即在产品(或半成品)加工完成之后，再去检测．这样难免会造成一定数量的废品损失．如前所述，检测的目的不仅在于了解产品的质量，更重要的是要控制生产工艺条件，使产品的质量符合规定的要求．这就需要在生产线上进行自动检测(即所谓‘在线检测”)，并将所获得的信息用于反馈控制．例如，在造纸机上安装纸页厚度检测仪麦，利用测得值对于厚度给定值之间的偏差信号即可自动调节纸页厚度．总之，工业检测正在向自动操作，自动控制的方向发展．在这样的发展阶段，检测已不仅是生产活动的辅助方法手段，而成为整个生产过程的必不可少的组成部分，成为生产过程自动化的基本要素．3）新的检测方法的开发随着科学技术的发展，新技术、新材料、新工艺不断涌现，新的检测方法也不断得到开发，例如，激光、微波、超声波、红外线、放射性同位素等非接触检测技术，近年来都得到了较大的发展．随着半导体陶瓷、光导纤维以及其他新型材料的出现，新型传感器不断出现；此外，仿生传感学作为一门新兴学科也正在得到迅速发展．为了测量工艺过程中的极端参数值(超高压、高温，超低温等)，人们正在探讨新的测量原理和研制新的检测仪表。4）多参数的综合测量在工业生产中，为了达到控制产品质量的目的，往往需要同时检测几个彼此相关的参数．例如，在造纸生产中，纸页定量(所谓定量，即每平方米的纸的重量)的波动将会影响纸页水分的测量，而水分的波动对测量纸页的定量也有很大影响．这种相互影响可以用综合测量的方法来消除．亦即，同步测量纸页定量和水分，并将水分计的输出信号引入定量测量仪，而将后者的输出信号引入水分计，以相互校正测量误差，从而可以提高这两个参数的测量精确度．在这种综合测量装置中，一般包含有计算机构，或者与计算机联用以实现生产过程的自动控制．随着电子计算机的普及和发展，复杂的综合测量装置将会得到进一步发展，这是工业检测的一个新的发展动向．采用多种及多个仪表或传感器去探索测试某一物理量的线的、面的和体的空间参数及综合参数，以构成特殊的自动测试系统。例如，温度场的自动测试；复杂机械零件的形状和位置误差的自动测试；粮食、烟草，酒类以及药材等产品质量综合参数的自动测试等等。5）集成化、数字化、智能化随着半导体技术的发展，将检测元件和测量电路合在一起，制成混合集成电路元件，不但可以提高抗干扰能力，而且可以使整个检测装置构造简单、体积小．使用方便，有利于改善性能与降低成本．目前，国内也已研制出这种元件。此外，采用数字式传感器直接输出数字量，也是检测技术的发展动向之一．这样可以省掉模-数转换环节，便于和计算机衔接．微电子技术、微型计算机技术与仪表和传感器相结合可以构成新一代的智能化测试系统，可使测量精度、自动化和多功能水平进一步提高。在检测仪表中，采用以大规模集成电路为基础的微处理器或单片微型计算机，可以使仪表具有自校准、自调零、自选量程、自动测试与分选，以及信息变换、统计处理数据等多种功能，从而实现智能化。带有微处理机的各种智能化仪表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平。二、对《检测与转换技术》课程教学的几点说明1、本课程研究的内容及性质检测与转换技术是自动检测技术和自动转换技术的总称，是信息技术的重要组成部分。它是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论和技术为主要内容的一门应用技术学科。虽然检测与转换技术服务的领域非常广泛，但是从这门课程的研究内容来看，不外乎是电工仪表及传感器技术、误差理论及数据处理、自动测试系统组成技术。综上所述．检测与转换技术是既一门综合性很强，又是在物理学、电工学于学、计算机、自动控制等先修课的基础上开设的一门重要技术基础课。2、教学目的本课程的任务在于使学生掌握检测与转换技术的基本概念、基本理论和常用传感器的结构、工作原理、性能特点、测量电路，以及用这些传感器测量诸如力、压力、温度、位移、物位、转速和振动等非电物理量的方法。本课程的任务是使电气工程及其自动化专业的