检测技术基础概要

第一篇检测技术基础《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系主讲：柳延领第一章基础知识《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系没有望远镜就没有天文学没有显微镜就没有细胞学没有指南针就没有航海事业《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系第一节概述一、工业过程检测工业过程检测是指在生产过程中，为及时掌握生产情况和监视、控制生产过程，而对一些变量进行定性检查和定量检测。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系二、检测仪表的分类与组成传感器：能够接受被测信息，并按一定规律将其转换成同种或别种性质的输出变量的仪表。Transducer/sensor变送器：输出为标准信号的传感器为变送器（4~20mA)transmitter检测仪表：能够确定所感受的被测变量大小的仪表。可以是传感器、变送器和自身兼有检出元件和显示装置的仪表。Measuringinstrment《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系1.检测仪表分类按被测量分：温度、压力、流量、物位、机械量检测仪表和过程分析仪表说明：1）机械量包括速度、加速度、重量、拉力、扭曲力等2）过程分析仪表测量对象是化学成分、密度等。3）四大工业控制量为温度、压力、流量、液位。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系1.检测仪表分类按测量原理分：电阻式、电容式、电磁式、压电式、光电式、超声波式、核辐射式等。按输出信号分：模拟式、数字式、检测开关《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系2.检测仪表组成通常，检测仪表由原始敏感环节（传感器或检出元件）、变量转换与控制环节、数据传输环节、显示环节、数据处理环节组成。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系说明：一次仪表与二次仪表是仪表安装工程的习惯用语。确切名称应为测量仪表和显示仪表。测量仪表是与介质直接接触，是在室外就地安装的，显示仪表多在控制室盘上安装的。为了区分一套系统中的仪表，把现场就地安装的仪表简称一次仪表，将盘装的显示仪表简称二次仪表。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系资料：据统计，一辆汽车内配备的检测点有50~100个，一架飞机内约有3000个，一台大型发电机组内约有4000个，一个大型石油化工厂约6000个，一个大型钢铁厂约2万个，在各种现代化高新技术产品设计制造中，测量工作已占首位，而测量系统的成本甚至可以达到该装备系统总成本50%以上。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系资料：在军事方面，可以说现在战争是科技战争，也就是传感器战争。从20世纪初的探测地雷，到现代的阻击导弹。为了寻找伊拉克所谓大规模杀伤武器，联合国武器检查组使用传感器搜索了伊拉克的每个角落，甚至是隐藏于地下近百米的军事设施也不能幸免。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系资料：海洋是人类21世纪重点开发的新的生存空间，是蕴藏巨大资源的宝库，是未来高技术条件下局部战争的主要战场。要开发海洋，必须先认识海洋。因此，对海底重力场、磁场、地形、地质、矿藏种类、气象、化学成分、特别是对5000m以下的深海探测，主要依赖于各种传感器。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系资料：美国早在20世纪就把80年代看作是传感器年代，把传感技术列为90年代22项关键技术之一。日本把传感技术列为十大技术之首。我国也把传感技术列为八五、九五重点发展项目。在当今社会，传感技术水平的高低，已成为衡量一个国家工业发达与否的重要标志。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系资料：传感器主要应用领域及相对需要量。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系第二节检测仪表品质指标品质指标包括静态品质和动态品质，静态品质（特性）是指被测量处于稳定状态时传感器的输出量和输入量之间的函数关系，一般用下面代数方程式表示：nnxaxaxaay...2210y--输出量；x--输入量；a0--零点输出；a1--理论灵敏度；a2,a3…an--非线性项系数《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系静态品质（特性）的获取方法：在静态标准情况下，采用精确仪表对被检验仪表进行往复循环测试，获取校准曲线。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系拟合直线：为了便于理论分析，可以用一条直线近似代表校准曲线，使传感器的输入—输出特性线性化。拟合直线的方法有：切线法、端基法、最小二乘法《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系1）切线法：过零点斜率2）端基法：起止两点连接3）最小二乘法：考虑多点，使得拟合直线y=a+kx与校准曲线上的多点偏差Δi=yi-(a+kxi)的方差最小。∑Δ2对k、a偏导为零时方差最小。拟合精度较高。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系例：已知某传感器静态特性方程为y=ex，试分别用切线法、端基法和最小二乘法求出在（0，1）范围内的拟合直线方程。(e=2.718)提示：最小二乘法公式：22)(XnXXYnYXK222)(XnXXYXXYa《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系1.灵敏度：指检测仪表在到达稳定后，输出增量与输入增量之比。相当于放大倍数。xy/k例如：某位移传感器，当电源电压为1V时，每1mm位移变化引起的输出电压变化为100mV，求其灵敏度。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系1）灵敏度可以直观地理解为单位输入量所引起的指针的偏转角度或位移量。2）灵敏度反映了装置对输入量变化的敏感程度，其值越大，表示装置越灵敏。3）灵敏度越高，装置的示值稳定性就越差，且测量范围越窄，因此K值的选择要适当。例如：两个刻度盘大小相同的电压表，量程分别为5V和10V，问哪个灵敏度高？《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系2.滞后：定义：表示传感器正、反行程之间，其输入—输出曲线不重合的程度。产生原因：仪表内有吸收能量元件（弹性、磁化、LC）机械结构中有间隙运动系统中的摩擦《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系回差：表示传感器正、反行程之间，仪表对同一输入所给出两个输出平均值间最大差值。%100FSmfYE《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系3.线性度线性度：表示传感器校准曲线与拟合直线之间的吻合程度。线性度误差：校准直线与拟合直线之间最大偏差的绝对值，用来标征线性度的好坏。（也称非线性误差）%100FSmfYE《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系4.分辨率：分辨力：仪表能够有意义地辨别被指示量两相邻值的能力。对于模拟仪表，分辨力就是指在刻度盘或标尺上能够看到和读出的最小量值。对于数字仪表，分辨力是指所能读出的最末一位数量值。分辨率：又称相对分辨力，是指仪器仪表的分辨力与该仪器每一档测量值的比。利用分辨力比上满量程的20%思考：分辨力与准确度的关系？《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系教材观点：反映仪表能够检测出被测输入量的最小变化量。分辨率表示方法有：1）绝对值法表示分辨率：某温度表的分辨率为0.1度2）用满刻度的百分比表示分辨率：某压力仪表的分辨率为0.01%F·S3）数字仪表表示方法：数字显示器最末一位数字间隔所代表的被测量值。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系5.重复性：在同一工作条件下，对同一输入值按同一方向连续多次测量时，所得输出值之间相互一致程度。重复性误差：同一条件下，从同方向对同一输入值进行多次测量所得输出值的两个极限之间的代数差和均方根误差。仪表的重复性用最大重复性误差来确定。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系6.精确度：（精度）被测量的结果与（约定）真值间的一致程度。精确度用仪表最大的满刻度误差略去百分号来表示。满刻度误差δm：仪表的绝对误差与仪表量程的比。GBT13283-91规定：精确度等级从以下数据中选取0.01，0.02，（0.03），0.05，0.1，0.2，（0.25），（0.3），（0.4），0.5，1.0，1.5，（2.0），2.5，4.0，5.0注：1）必要时可采用括号中内数据2）0.4只适用于压力表第二章测量误差与数据处理基础《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系概念：1）真值Ao：被测量本身所具有的真实值的大小。注：一般情况下，一个量的真值是个理想的概念，它是客观存在的，但又是无法测到。在某些特定的情况下，真值又是可知的，例如整圆周角为360度。2）约定真值Xo：为了使用的目的，采用接近真值的值来代替真值，它与真值之差可以忽略不计，该值称为约定真值。a.高一级标准器的示值作为低一级的约定真值。b.把多次无系统误差测量所得结果的算术平均值作为约定真值。3）标称值x：测量仪器读数装置所指示出来的被测数值《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系第一节测量误差及其分类一、测量误差定义：1.绝对误差：△=x–Ao/△=x–Xo绝对误差是具有大小、符号和单位的值。例：用一只标准压力表检定甲、乙两只压力表时，标准表的指示值为50KPa，甲、乙两表的读数各为50.4KPa和49.4KPa，求它们的绝对误差。思考：某采购员分别在三家商店买了100kg大米，10kg苹果，1kg巧克力，发现均缺少0.5kg，但该采购员对卖巧克力商店意见最大，为什么？结论：反映了测量结果与真值的偏差程度，但不能反映测量的准确度。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系2.相对误差：1）实际相对误差：绝对误差与被测量的约定真值（实际值）Xo之比。2）公称相对误差：绝对误差与被测量的仪表公称值（示值）X之比。3）引用误差：绝对误差与测量范围的上限值、量程或标度盘的满刻度B之比（相对百分比误差/满度相对误差）工业过程检测仪表的等级通常以规定条件下所允许的引用误差的最大值来评定的。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系例1：某电压表如图所示，问测量1.5V干电池应该选用量程为10V还是2.5V，为什么？《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系例2：是否可以用一台精度等级为0.2级，量程为0~25MPa的标准仪表来检验一台精度等级为1.5级，量程为0~2.5MPa的压力表？为什么？例3：现有两台压力检测仪表甲和乙，其测量范围分别为0~100KPa和-80~0KPa，已知这两台仪表的最大绝对误差均为0.9KPa，试分别确定它们的准确度等级。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系二、测量误差的分类：1.系统误差：是在相同条件下，多次测量同一被测量时，误差的绝对值和符号或者保持不变，或者在条件变化时按一定规律变化。系差的大小表明测量的正确度高低。系统误差产生的原因：1）测量仪器设计原理及制作上的缺陷。2）测量时的环境条件与仪器的使用要求不一样。3）采用近似的测量方法和测量公式。4）测量人员估计读数时习惯偏于某一方向。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系2.随机误差：对某一量值进行多次等精度测量时，其绝对值和符号均以不可预定的方式无规则变化的误差。随机误差体现了测量的精密度。随机误差具有抵偿性，当测量次数足够大时，随机误差的算术平均值趋于零。随机误差产生的原因有：1）测量仪器元件产生的噪声、零件配合不稳定、摩擦、接触不良等。2）温度、电源电压等无规律波动，电磁干扰、地基振动等。3）测量人员感觉器官的无规则变化造成的读数不稳定等。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系3.粗差：明显弯曲测量结果的误差。粗差产生原因：1）测量方法不当。2）测量操作疏忽或失误。3）测量条件突然变化。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系三、准确度、精密度和精确度准确度：又称正确度，表示测量结果中系统误差大小程度。精密度：表示测量结果中随机误差大小程度。精确度：精密度+准确度《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系第二节系统误差的消除方法一、消除误差产生的根源：二、对测量的结果进行修正：修正值等于绝对误差的相反数C=-Δ。把测量值加上修正值。可以用于计算机系统中自动修正。三、采用特殊的测量法：1.零示法：将被测量与已知的标准量进行比较，当两者的差值为零时，被测量就等于已知的标准量（又称天平法）。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系例：思考电位差计法测量与直接测量的区别。《检测技术及仪表》唐山学院•信息工程系2.替代法：先将被测量接入测量装置，然后以已知量代替被