第1章 检测技术基本知识

检测与转换技术学期：2010-2011年第1学期学时：32系（部）：电子信息与电气工程系教研室：自动化授课班级：08自动化（1）（2）授课教师：张林2010年9月1日课程概述•课程性质：必修课•总学时：32（理论学时）＋12（实验学时）•考核方式：N+2•教材：马西秦.自动检测技术.北京:机械工业出版.2008.9•参考书：1.胡向东等.传感器与检测技术.北京:机械工业出版社.2009.12.常健生.检测与转换技术.北京:机械工业出版社.2006年第3版3.余成波.传感器与自动检测技术.高等教育出版社.2009.74.严钟豪，谭祖根.非电量电测技术.北京：机械工业出版社，20035.王化祥,张淑英．传感器原理及应用．天津：天津大学出版社，1991本课程教学目标检测与转换技术是自动化，电子技术，测控技术等相关专业的一门必修的专业基础课程。学生学习本课程后，应掌握传感器与检测技术方面的基础知识和基本技能，在生产实际和工程实践中能应对检测系统的设计以及传感器的选型、调试、数据处理等方面的基本问题，初步形成解决实际问题的能力本课程在内容选择上，突出理论知识的系统性、完整性、应用性及新颖性，在教学方法上将先进的多媒体手段和板书结合起来，着力解决课堂教学中的难点，突出内容上的重点以增强教学的生动性。本课程从基本理论入手，在介绍典型非电量测试时，以测试原理与测试方法为主，着重强调传感器的应用，力求提高学生解决问题的实际能力。教学思路本课程的主要教学内容第1章检测技术的基本知识第2章传感器的基础知识第3章电阻式传感器原理与应用第4章电感式传感器原理与应用第5章电容式传感器原理与应用第6章霍尔传感器原理与应用第7章压电式传感器原理与应用第8章光电式传感器原理与应用第9章热电偶传感器第10章超声波传感器原理与应用本章主要内容：1.1检测的基本概念1.2检测方法及分类1.3检测误差及分类1.4检测技术的发展趋势教学要求第1章检测技术的基本知识了解信息获取与处理的基本概念掌握常用非电量的测量方法掌握测量误差及其常用处理方法1.1检测基本概念一.测量、计量、测试及检测1.测量：是以确定被测对象的量值为目的的全部操作过程2.计量：如果测量的目的是实现测量单位统一和量值准确传递，则这种测量被称为计量。3.测试：是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。试验是对未知事物的探索过程。4.检测(Detection)就是对系统中各被测对象的信息进行提取、转换以及处理二.被测量的分类一般分为二类：电量和非电量•电量：电压、电流、功率以及电阻、电容、电感等。•非电量：温度、热量、压力、流量、液位等。本课程介绍被测量--------非电量的测量。三.检测系统的组成一个完整的检测系统通常由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置和电源等几部分组成。检测系统按信号在系统中的传递情况可以分为开环检测系统和闭环检测系统，如图（a）和(b)所示。①传感器：是测试系统第一环节，传感器的基本功能是进行信号检测与转换，即用来感受被测信号，并将被测信号转换为适合于后续处理的电信号的装置。其性能的好坏将直接影响整个测试系统，对测量精确度起着决定性作用。②信号调理电路：对传感器的输出电信号作进一步加工与处理，主要是进行电信号之间的转换，整形、放大、滤波等。电桥电路将电路参量如电阻、电容、电感转换为电压或电流信号。③显示：将所测得信号变为一种人们可以理解的形式，以供人们观察和分析。1.2检测方法及分类检测方法是指在实施测试中所涉及的理论运算和实际操作方法，可按多种原则分类。一．按检测过程分类可分为直接法、间接法和组合法(1)直接法：在用仪表或传感器进行测量时，对仪表读数不需要经过任何运算，就能得到被测量值的方法。如电压表测量某一元件的电压就属于直接测量。•优点：是测量过程简单、快速。•缺点：测量精度一般不是很高。(2)间接法：在使用仪表进行测量时，先对与被测量有确定函数关系的几个量进行直接测量，然后再将测量值代入已知的函数关系式，经过计算得到所需要结果的测量方法。一般用用于直接测量不方便，或者缺乏直接测量手段的场合。如要测量一个三角形的面积，必须先测量出一条边长，再测量出对应的高，然后利用公式计算出三角形的面积。•优点：测量精度一般要比直接测量高。•缺点：测量比较复杂，花费时间较长。(3)组合法：在一个测量过程中同时采用直接测量和间接测量两种方法进行测量的方法。即先检测出若干个的中间量，再经过联立方程组求解后才能得到所需要的结果。组合测量是一种特殊的精密测量方法，测量过程长而且复杂，多适用于科学试验或特殊场合。二．按检测方式分类可分为偏差法、零示法与微差法(1)偏差法：用仪表指针的位移(即偏差)决定被测量量值的测量方法。•优点：测量过程简单、迅速。•缺点：测量结果的精度较低。(2)零示法：用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知标准量决定被测量量值测量方法。例如天平测量物体的质量、电位差计测量电压等都属于零示法测量，零示法在传感器技术中应用的实例是平衡电桥。•优点：可以获得比较高的测量精度，零示法可消除指示仪表不准而造成的误差。•缺点：测量过程长而且复杂，所以不适用于测量快速变化的信号。(3)微差法：综合了偏差法与零示法的优点的一种测量方法。它是将被测量与已知的标准量进行比较得到差值后，再用偏差法测得该差值。主要优点：反应快、测量精度高，特别适用于在线控制参数的测量。三．按测量时是否与被测对象接触的原则根据检测敏感元件与被测介质的接触关系可分为接触式测量和非接触式测量。1.接触式测量：将仪表敏感元件与被测对象相接触。敏感元件从被测对象获得能量，使得敏感元件产生转换作用。如热电偶，适合静态或运动速度缓慢的物质参数检测。2.非接触式测量：敏感元件与被测对象之间无机械性接触，当被测物体的能量变化，检测仪表的辐射能量随之变化，如红外测温仪，适合高速运动或环境恶劣场合检测。四．按被测量是否随时间变化的原则可分为静态测量和动态测量1.静态测量：被测信号在测量过程中恒定不变或相对于仪表的动态特性变化缓慢，称~。2.动态测量：被测信号在测量过程中随时间变化的，称~。如噪声测量、弹道轨迹测量等1.3检测误差及分类一．测量误差的基本概念1.真值：被测量本身所具有的真正值。一般情况下，理论真值是未知的。但在某些特定情况下，真值又是可知的，例如三角形的内角和恒为180°,一个圆周角是360°。2.实际值：把精度更高一级的标准器具所测得的值作为真值，其实并非“真值”，故称为实际值。3.标称值：测量器具上所标出来的数值。4.示值：由测量器具读数装置所指示出来的数值。5.测量误差：测量结果与被测量真值之差。在实际测试中真值无法确定，因此常用约定真值或相对真值代替真值来确定测量误差。二．检测误差分类1.按表示的方法分类：绝对误差、相对误差、允许误差⑴绝对误差：是指被测量值（器具示值或标称值）与被测量真值之间的差值。即式中—绝对误差；—真值，其值可为相对真值或约定真值；x—测量值。绝对误差说明了系统示值偏离真值的大小，其值可正可负，具有和被测量相同的量纲。⑵相对误差：是仪表指示值的绝对误差△x与被测量真值x0之比的百分数，即•实际相对误差：•示值相对误差：•满度相对误差：（引用误差）（3）仪表的精度对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用误差就是一个定值。测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精度等级的尺度。工业仪表常用的等级有0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，5.0。精度为1.0级的仪表，在整个量程内其绝对误差最大值不会超过其量程的±1.0%。仪表的最大引用误差：最大绝对误差与量程之（百分）比。*该式分子是指整个量程中最大绝对误差，为定值，分母也是确定的。因此，对于一台确定的检测仪表或系统，最大引用误差就是定值，可以用来衡量仪表精度。⑶允许误差：根据技术条件的要求，规定某一类器具误差不应超过的最大范围。2.按误差出现的规律分可将误差分为系统误差、随机误差和粗大误差三大类。⑴系统误差：在相同的条件下多次测量同一量值时，误差的绝对值和符号保持不变，或测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。⑵随机误差：在相同的条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号均以不可预定的方式变化的误差，称为随机误差，又称为偶然误差。⑶粗大误差：在测量条件一定的情况下，测量值明显偏离实际值所形成的误差称为粗大误差，也称为疏失误差、差错或粗差。产生粗大误差的主要原因是读数错误、测量方法错误、测量仪器有缺陷以及测量条件的突然变化等。凡是含有粗大误差的测量数据称为坏值，应剔除不用。三.系统误差的消除方法减小测量误差的方法：•粗大误差的消除：采用准则，剔除坏值。•随机误差的处理（不能消除）：可通过多次重复测量，利用平均值作为结果，并利用统计方法估算出随机误差的范围。•系统误差如何消除？*思路：-----从系统误差的规律性特点入手，找到误差规律！测量前，预见测量误差来源，取得修正表格。测量中，采取能消除系统误差的测量方法。1.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，通过两次结果的平均来消除系统误差。2.抵消法在测量中，保持其他条件不变，改变某个测量条件（如一次向上测量，一次向下测量），使引起的系统误差符号相反，通过两次结果的平均来消除系统误差。3.代替法在测量条件不变的条件下，先用拟定的测量方案衡量被测物，使测量装置达到一定状态；再用测量装置去测量标准量具，使测量装置达到同样的状态，读取标准量具的数值就是被测物的数值。（如曹冲称象）。用于消除（测量期间的）线性变化引起的系统误差。4.对称测量法根据测量电路图，RN为已知标准电阻，只要分别测出Ux、UN的值，被测电阻Rx就可求出：NNxxRUUR实际测量时，由于Ux、UN不是同时测量的，在测量期间电源电动势E会有缓慢下降，回路电流I也会有缓慢下降，造成系统误差。对称测量法采用t1、t2、t3的等时间间隔分别测量电压Ux、UN、Ux，测量中读取的三个顺序电压值分别为：xIRU1NRIU)(2xRIU)2(3NxRUUUR2312联立求得：5．补偿法在测量系统内部采取补偿措施，消除测量过程中由于某个条件变化或某个环节的非线性引起的变值系统误差。（如热电偶的冷端补偿）四.测量精度测量精度是从另一角度评价测量误差大小的量，它与误差大小相对应，即误差大，精度低；误差小，精度高。测量精度可细分为：准确度、精密度、精确度。1．准确度表明测量结果偏离真值的程度，它反映系统误差的影响，系统误差小，则准确度高。2．精密度表明测量结果的分散程度，它反映随机误差的影响，随机误差小，则精密度高。3．精确度反映测量中系统误差和随机误差综合影响的程度，简称精度。精度高，说明准确度与精密度都高，意味着系统误差和随机误差都小。由图可知，若靶心为真实值，图中黑点为测量值，则图(a)表示准确却不精密的测量，图(b)表示精密却不准确的测量，图(c)表示既准确又精密的测量。1.4检测技术的发展趋势1.测试精度更高、功能更强。2.开展极端测量超高温与超低温测量3.朝着智能化、集成化、微型化、网络化方向发展本章小结