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第六章计量检测技术第一章检测技术概述1、检测与测量：检测是意义更为广泛的测量测量：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测：测量部+信号检出检测过程：信息提取、信号转换存储传输、显示记录、分析处理检测技术：检测方法、检测结构、检测信号处理——综合性技术第一节、检测的基本概念2、检测的分类被测量值的物理属性：电量、非电量检测原理（物理的、化学的、生物学的）：电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析、色谱分析、质谱分析等检测方法：主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态第一节、检测的基本概念3、测量的基本要素“测量”是以确定量值为目的的全部操作。测量过程实际上就是一个比较过程，也就是将被测量与标准的单位量进行比较，确定其比值的过程。若被测量为L，计量单位为u，确定的比值为q，则测量可表示为L=q•u一个完整的测量过程应包含被测量、计量单位、测量方法（含测量器具）和测量精度等四个要素。第一节、检测的基本概念第一节、检测的基本概念4、检测方法分类--绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：20.1mm--相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：简单、直观、明了；测量精度不高基准量：20.00mm测量值：+0.08mm结果：20.08mm特点：精度高；复杂、成本高、要求高5、测量单位被测量基准量计量单位----国际单位制（SI）：长度质量时间电流热力学温度物质的量光量实物单位----千克标准原器米----光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485能量（J）=力距离大得多/小得多----词头：mm、m、nm（10-9m）；kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz）单位测量：比较SI基本单位：倍数（结果）SI组合单位：七个物理量单位---相互独立由基本单位导出=质量加速度距离J=kg（m/s2）m=m2·kg/s2能量---焦（耳）：长度、质量、时间（m）（kg）（s）（A）（K）（mol）（cd）1、产品检验和质量控制的重要手段二、检测技术的作用与意义被动检测主动检测（在线检测）质量控制领域2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用故障监测系统动态监测保证设备和人员安全提高经济效益3、自动化系统中不可缺少的组成部分生产过程：“物流”“信息流”控制管理数量状态趋向检测获取信息分析判断自动控制自动化：信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行4、检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步检测手段水平决定科学研究的深度和广度理论研究成果离不开必要的检测手段5、计量检测仪表的作用1.是信息化和科学技术发展的先行官2.是工农业生产的基础3.是军事行动的战斗力4.是社会平衡的“物化法官”例：•检查产品质量、确保过程质量、生产安全保障、成本核算要素、能源管理前提•监测环境污染•识别指纹假钞•查服违禁药物•侦破刑事案件例：空调机测量控制室温空气被测对象：被测信息：检测器具：操作过程：室内空气温度温度传感器---热电阻、热电偶热敏电阻电信号处理显示空调机第二节、检测的基本概念一、检测系统构成信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）（分析处理部分、通信接口及总线）检测系统构成力位移速度加速度压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机被测对象传感器中间变换测量装置显示及记录装置实验结果处理装置激发装置1、信号检出部分传感器（Sensor）----检出功能的器件信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）特点：1）输出量为电压、电流、频率2）输出的电信号一般较微弱：电压----毫伏级、微伏级；电流----毫安级、纳安级3）输出信号与噪声混杂在一起----传感器内部噪声传感器的信噪比小、输出信号弱----信号淹没在噪声中4）传感器的输出特性呈线性或非线性选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制电阻、电容、电感两种：数字量、模拟量5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分2、信号变换部分检出信号：适合于分析和处理的信号信号调理电路阻抗变换----输出阻抗很高时；电压/电流（V/A）转换----需要电流输出时；目的：4）简化后续系统的组成2）消除或抑制传感器输出量中的无用信号3）提高测量、分析的准确度信号放大----输出信号微弱时；噪声抑制----信号淹没在噪声中；模拟/数字（A/D）转换----需要输出数字信号时1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量3、分析处理部分功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换不断注入新内容----检测系统的研究中心通用标准接口---不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联4、通信接口与总线部分计算机系统----强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化USB、IEEE-488、RS-232（串行）、并行总线：传送数字信号的公共通道----信号线的集合RS-232C、VXI、Centronics（并行）（硬件系统）（规范、结构形式）接口---分系统和上位机之间/分系统之间交换信息目标变量（关系）（直接测量）二、检测方法选择：被测量的性质、特点和测量任务要求分类：（1）按测量手续：直接测量、间接测量（2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、差分式测量（3）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、非接触式测量（4）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量1、直接测量与间接测量直接测量----与同类基准进行简单的比较以得到被测量线纹尺----物体尺寸、天平----物体重量间接测量----被测量无法或不易进行直接测量负载电阻功率=电压电流2、偏移法与零位法测量1）偏移法---完全从被测量中获得信号转换所需能量例：弹簧秤2）零位法---不从信号源获得能量作用：测量原理线性化、提高灵敏度结构：对称结构的两个传感器，被测量反对称作用在两个传感器上（常见检测结构形式）高精度测量例：天平称量物体测量误差3、差分式测量消除干扰的影响24、随动跟踪测量---基于零位法的测量例：高精度电子秤、伺服加速度计、高精度压力传感器自学习能力---神经网络模拟某种非线性映射---智能化检测的标志之一高精度测量5、主动探索与信息反馈型检测自适应能力改变传感器的工作温度传感器的灵敏度被测对象传感器信息处理检测结果通过学习不断调整连接强度问题最优解调整对象的位置、姿态使检测结果具有确定性信号特征辨析三、检测技术的发展趋势检测技术重要手段相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等新的检测理论、方法和技术手段1、传感器水平的提高光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为敏感元件）化学传感器、微生物传感器、仿生传感器（代替视觉、嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器1）新原理、新材料、新工艺新功能传感器2）新领域、新需求新型传感器科学研究形成推动实验研究和发展3）传感器向着高精度小型化和集成化方向发展微电子技术---多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上②一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体③微型化：微米/纳米技术、体积微小、重量轻微特点：点测量平面/空间测量例：电荷耦合器件（CCD）----光敏元阵列数码相机多功能传感----不同功能的传感器集成化①集成化：特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数例：测量血液中各种成分的多功能传感器特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数据处理（传感器和数据处理电路集成）2、检测系统由模拟式、数字式向智能化方向发展以计算机为中心的检测系统复杂对象或系统的多路、多参数检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断第三节计量检测(测量)仪表概念：一、单独地或连续地同辅助设备一起用以进行测量的器具，称为测量仪器，也称计量器具。其中使用时以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的测量仪器，称之为实物量具，如砝码、量块、标准电阻线圈、标准信号发生器、标准硬度块、标准物质等。一般将进行测量的仪器、装置等称为测量仪表，而对量的大小或物理性质的指示记录称之为计量仪表。另外，也有将测量仪表和计量仪表统称之为计测仪表的。有时计量仪表也指包括检测器、变送器、指示装置等在内的全部装置。在现代计量仪表一般可分为：检测仪表；（传感器）显示仪表；集中控制装置；调节仪表；执行器。二、检测仪表的分类检测仪表一般可按下述四种方式来分；①按仪表功能分类：有显示式测量仪器；比较式测量仪器；积分式测量仪器；累积式测量仪器等；②按输出方式分：有量值（显示）输出和信号（有无）输出两种；③按显示方式分：有模拟式（刻度指示模拟和波形显示模拟）、数字式、直读式和比较式等几种。④按测量对象（计量技术类别）分：有长、热、力、电、声、光、化、无线电、时间频率和电离辐射等十大类检测项目。⑤按动力能源分：有电动式检测仪表、气动式检测仪表和液动式检测仪表等三大类。⑥按测量方式分：有直接测量、间接测量、远距离测量、遥感测量、自动测量和带调节的测量仪器、智能仪表等；其他还有机电一体化和测控一体化的电量和非电量转换为电量的检测技术等。被测量测量元件变送器信号合成器显示器件三、测量（计量）仪表的组成单元：由于计量仪表所检测的量是多种多样的，这些量未经变换便与基准值进行比较或传送是不可能或不适当的。因此，检测器与变送器就具有根据这些被测量变换成易于测视的信号的使命。图一是测量仪表的基本组成框图。被测量测量元件变送器信号合成器显示器信号传输图一测量仪表基本组成框图1-1自动控制的基本原理人工控制与自动控制：水箱水位控制问题眼手脑水位测量与变送执行器控制器给定四、影响测量仪表精度的干扰和抗干扰技术：1、干扰：指具有一定幅值和一定强度、能够影响检测系统正常工作的各种作用力有时简称噪声；2、噪声：指在信号检测的领域内，检测系统检测和传输的有用信号以外的一切信号均被称为噪声。3、噪声产生的来源●固有噪声：热噪声；元件噪声（散粒噪声）接触噪声、设备布线噪声；元器件噪声、接触噪声等。等；●人为噪声：工频噪声、射频噪声、电子开关噪声、机械振动；环境变化；电离辐射。●自然噪声：空间电势；地电势；温差电势；电磁辐射。4、噪声干扰三要素：●噪声源；●对噪声敏感的接收器件（电路）、●二者之间的耦合通道。一般有电容耦合、电感耦合、共模耦合、漏电耦合、传导耦合及辐射电磁场耦合等。5、噪声的抑制与处理●消除或抑制噪声源；破坏干扰的耦合通道。●屏蔽、接地、浮空、隔离、滤波；●设计噪声抑制电路等。补充课件一、仪器仪表介绍二、生产工艺与测量系统介绍一、检测装置介绍(一)检测工作原理将加气机输出的液相气注入到标准量器中，用标准量器指示值经温度、压力换算得出加气机输出的标准温度下液体体积量，然后与加气机体积量显示值进行比较，其差值不应超过加气机最大允许误差，若超出规定的误差范围，应通过调整加气机容积调量螺丝来改变输出量。（二）检测工作过程为了检测加气机，需用管路将液化气储罐、加气机、标准量器组成闭环系统，如图1示。其工作过程是：电动机驱动加压泵1，由液相阀E将液化气储罐中的液化气泵入加气机过滤器、液气分离器、计量装置、输液器接头（油枪）、液相阀A将液相液化气输入到标准量器，进行检测。检测完成后，启动加压泵2，将标准量器中液化气由液相阀B、加压泵2和排液器接头（油枪）经加气机回液口把液化气注回液化气储罐中。其特点是：现场无需连接其它高压管路，利用加气机回液口即可完成检测工作。图1中C、D阀、快速接头和连接的管路是保证加压泵2能正常运转所设置的回流管路。二、检定步骤1）管线、电路连接现场接线包括液化气进出管线、压力泵电源线、温度计电源线和信