第1章基础知识.

自动检测技术第一章检测技术的基础知识第一节概述一.检测技术的含义、作用和地位二.检测系统的组成三.非电量电测法的特点四.检测技术的发展方向一.检测技术的含义、作用和地位检测：对基本参数和物理量进行检查测量，从而获得定量信息的过程。检测技术：完成检测过程所采取的技术措施。检测技术的主要内容：信息的获取、转换、显示、处理产品检验和质量控制大型设备的安全、经济运行监测自动化系统中的重要组成部分检测技术的发展推动着科学技术的发展（科学技术的发展带动检测技术发展）地位：主要作用：与生产、生活、科技关系密切，在人类的一切活动领域都占有地位。神舟飞船回收过程的测控技术、检测技术在海啸预报中的应用海浪振动检测系统浮标深海地沟生命探测仪在地震中的应用生命探测仪原理雷达信号发送器连续发射电磁信号，对一定空间进行扫描.，接收器不断接收反射信号。如果被探测者保持静止,返回信号频率不变。如果目标在动,则产生多普勒信号。通过接收的信号进行算法处理，就可以判断目标是否有心跳、呼吸和移动。检测技术在飞机安全检查中的应用一种典型的自动检测系统发电厂有上千只传感器，并组成测控系统航天服与传感器检测技术在车辆碰撞预防系统中的应用月球车勇气号火星车好奇号火星车“惠更斯”号登陆土卫六时拍摄的照片（距离太阳14.3亿公里）土卫六的表面（固态甲烷）表面温度-180℃卵形土卫一表面的大陨石坑。直径130公里，坑底10公里哈勃天文望远镜（CCD图像传感器）拍摄的星云照片哈勃天文望远镜拍摄的马头座星云照片毒品检查指纹识别门禁指纹智能门禁系统采用计算机技术，使检测技术智能化面部识别技术使用模糊（FUZZY）理论计算的电子血压计振荡法电子血压计是用压力传感器来检测血液流动时血管振动的变化；而传统的柯氏音法血压计是用听诊器听取血液流动时发生的脉冲声。二.检测系统的组成传感器（非电量---------电量）测量电路（微弱电量---------较强电信号）显示记录装置（可能远程输出）传感器的定义（参考GB7665-87）：传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节，有时也可以称为换能器、检测器、探头等。传感器光电三极管是烟雾火警报警器中的光传感器。平时，发光极管发出的光被不透明挡板挡住。当有烟雾时，烟雾对光有散射作用，光电三极管接收到散射光，电阻变小，使报警电路工作。温度传感器人体秤气敏传感器用金属氧化物半导体材料制成，当气味吸附在半导体表面时会导致材料的电阻率变化。传感器按被测量的性质分为：机械量、热工量、化学量、生物量传感器等。按输出量的性质分为：参量型、发电型传感器等。目前常用的显示记录装置：模拟显示、数字显示、图象显示及记录仪等模拟显示的特点：直观、稳定，但不够准确。光柱也属于模拟显示光柱显示的特点：直观101线/240°车用光柱仪表显示既能用光柱显示被测值，也有数字显示光柱直观地指示出储液罐中的液位设定值实际值（分辨力较高）数字式仪表数字式仪表的特点：1）准确；2）但最后一位可能会跳动不止。热敏电阻LED亮度高、耐振动LED、LCD显示的比较LCD耗电省、集成度高，但不利于夜间观察。带背光板的LCD仪器可以在夜间观看图像显示特点——能显示复杂的图形和曲线，但价格比数码显示昂贵，可能丢失数据。数字万用表通过USB接口连接到PC上能将采集到的波形及数据传送到计算机中，可随时重放。记录仪用来记录被检测对象的动态变化过程。无纸记录仪（动画演示）重现历史数据和历史曲线。存储硬盘可达几十个T。数据处理装置数据处理装置主要是指计算机。可以对振动进行频谱分析等。三.非电量电测法的特点能够连续、自动测量和记录测量精度高、动态特性好可以远程传输，实现远距离测量和集中控制可以方便地变换量程，测量范围广能借助于计算机进行运算、分析和数据处理。四.检测技术的发展方向应用新原理、新材料、新工艺方面的成果制造各种新型传感器：光纤传感器、压敏传感器、微生物传感器、仿生传感器、超常参数传感器等。传感器集成化（如CCD器件进行文字、图象处理，扫描仪数码相机）传感器和测量电路集成化。整个检测系统智能化。第二节测量方法一.测量的基本概念二.测量方法一.测量的基本概念测量：用实验方法，借助于一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，获得被测量的定量信息。测量的四个步骤：比较、示差、平衡、读数。测量的重要概念：转换非电量测量结果只有转换才能更好的测出。测量分类对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量。根据测量的手段不同，可分为直接测量、间接测量和组合测量。根据测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。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。为了监视生产过程，或在生产流水线上监测产品质量的测量称为在线测量，反之，则称为离线测量。根据测量的具体手段来分，又可分为偏位式测量、零位式测量和微差式测量。二.测量方法静态测量静态测量是相对于动态测量而言的在检测技术中，对缓慢变化的对象所进行的测量，亦属于静态测量。工程中，有时可认为几十赫兹以上的测量称为动态测量。最高、最低温度计动态测量地震测量振动波形便携式仪表显示动态波形.直接测量电子卡尺间接测量在多个直接测量值的基础上，根据已知的函数关系，计算出被测量的量值。（测量皇冠比重的联想）间接测量接触式测量非接触式测量例：雷达测速车载电子警察离线测量产品质量的手工检验离线测量产品质量检验电路板焊接质量检验.在线测量防护罩内为测量行程的传感器例：安装有直线光栅的数控机床，一边加工一边测量直径和螺纹,到达设定值时自动退刀。在流水线上，边加工，边检测，可提高产品的一致性和加工准确度。1.偏差式测量利用测量仪表指针对于刻度初始点的偏移来读出被测量的的测量方法。如万用表测量。特点：表内没有标准量具（如单位电流、单位电阻），只有经标准量具校准过的刻度盘。比较是将被测量与刻度盘比较。精度低，但简单迅速。偏差式测量2.零位式测量调节已知标准量与被测量达到平衡状态（相等），读取标准量作为被测值。特点：测量装置中有标准量具（如天平的砝码、电桥的标准电阻），测量过程是将被测量与标准量具比较，在平衡或指针指零时，读取标准量具的大小。精度高，操作复杂，反应速度较慢。零位式测量例1：天平当测量系统达到平衡（天平指针处于中间零位）时，用已知标准量的值决定被测量的值。准确度高，决定于标准量，但平衡比较费时。已知标准量被测量零位式测量例2：平衡电桥（惠斯通电桥）.是一种可以精确测量电阻的仪器。被测电阻R1接到红黑两个接线柱，与电桥盒内的另外3个电阻R2、R3、R4构成电桥的四个臂，可以用数字电流表G作为检流计，用以检查“检流计所在的支路”有无电流。当G无电流通过时，称电桥达到平衡。可以将电桥盒表面的可调电阻进行乘法和加法计算，得到被测电阻值。3.微差式测量零位式与偏差式测量的综合应用。测量前先把被测量U调到基准数值大小，调节已知标准量使二者相等，读取被测值的基准大小U0。测量中只读取被测值的微小变化计算得测量结果为：UUU0U特点：测量装置中有标准量具，测量始条件是指针指零或平衡。对微小信号实行偏差式测量。减小了偏差式测量的范围，精度高，小信号反应速度快，适合于在线测量。自动检测系统举例自动磨削测控系统图1-7第三节检测系统的基本特性一.静态特性二.动态特性一.静态特性（测量已经达到稳定状态时，检测装置或传感器呈现的特性）灵敏度与分辨率xys灵敏度：输出变化与输入变化的比值。相当于放大倍数。分辨率：输入量最小增加多少，能被测量出来。*灵敏度太大影响测量范围。*灵敏度越高，分辨率越好。*如果串联环节组成检测系统，总灵敏度为各部分灵敏度的乘积。作图法求灵敏度过程xyx1ΔxΔy0切点传感器特性曲线xmaxyKx分辨率将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。右表的满量程为99.9A，问：该表的分辨力、分辨率为多少？解：分辨力=0.1A，分辨率=0.1A÷99.9≈0.1%。线性度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，称为拟合直线。为实测直线与拟合曲线的最大偏差。为输出满量程值。线性度定义：%100FSmfYEmFSY迟滞迟滞特性指检测系统在输入量增大过程中的检测结果曲线，与输入量增小过程中的检测结果曲线不一致程度。为正反向检测曲线的最大差值。迟滞的定义：%100FSmfYEm测量范围与量程测量范围：正常工作条件下，检测系统能够测量的下限值与上限值。量程=（代数）差=上限值-下限值精度等级测量仪表均具有精度等级。二．动态特性传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化,是时间的函数时,则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特性来表示。一个动态特性好的传感器,其输出将再现输入量的变化规律,即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外,输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。动态误差为了说明传感器的动态特性,下面简要介绍动态测温的问题。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量某温度场的温度分布等情况下,都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为0℃环境中迅速插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计）,这时热电偶测量的介质温度从0突然上升到t,而热电偶反映出来的温度从0℃变化到t℃需要经历一段时间,即有一段过渡过程,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动态误差。造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因,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）和传热热阻,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。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。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变化时会产生动态误差。影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有,只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。动态特性除了与传感器的固有因素有关之外,还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说,我们在研究传感器动特性时,通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。虽然传感器的种类和形式很多,但它们一般可以简化为一阶或二阶系统（高阶可以分解成若干个低阶环节）,因此一阶和二阶传感器是最基本的。传感器的输入量随时间变化的规律是各种各样的,下面在对传感器动态特性进行分析时，采用最典型、最简单、易实现的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号,传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号,则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时,有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法,传感器对所加激励信号响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。1.一阶传感器的单位阶跃响应在工程上,一般将下式:)()()(txtydttdy对初始状态为零的传感器,当输入一个单位阶跃信号时，引起的输出为单位阶跃响应：响应曲线如图所示。由图可见,传感器存在惯性,它的输出不能立即复现输入信号,而是从零开始,按指数规律上升,最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值,但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%,可以认为已达到稳态。τ越小,响应曲线越接近于输入阶跃曲线,因此,τ值是一阶传感器重要的性能参数。tety1)()()(tutx2.二阶传感器的单位阶跃响应)()()(2)(2222txtydttdydttydnnn二阶传感器的单位阶跃响应表达式（当时）)1ar