第一章检测技术

1、检测技术与应用 主讲：项贤军 本课程的特点： 独立性，交叉性，融合误差理论、普通物理学， 流体力学、热工理论、传感技术、电子技术、计 算机技术及控制理论技术于一体。 本课程的目的、意义和方法： a.学习和掌握检测技术的基础知识。 b.提高理论联系实际的能力。 c.建立跨学科的研究思路和研究方法。 d.激发学习兴趣。 参考教材： 传感器与检测技术，李增国，主编 参考资料：光电传感器及其应用何勇主编 机械工程测试技术基础熊诗波主编 构成： 13章基础篇，411章（温度、压力、流量、物位、 湿度、速度、光敏）。 考试内容： 掌握每次课的知识点、重点、难点。 绪论主要内容 一、检测的对象与需求 二、检

2、测系统的组成与功能 三、检测系统的分类 四、检测技术的发展 一、检测的对象与需求 检测是生产过程自动控制系统的重要组 成部分。实施任何一种控制，首要首要问题是 要准确及时地把被控参数检测出来，并变 换成为调节、控制装置的可识别的方式， 作为过程控制装置判断生产过程的依据。 卫星发射中心现场：卫星中的检测传感器，如方 位、姿态、速度等的检测信息GPRS(无线通讯 技术)地面指挥中心。（距离上万米） 二、检测系统的组成与功能 图1 检测系统构成 举例：空调系统 作业1：举例说明一个你身边的检测控制一 体化设备，并画出其简单闭环反馈控制关 系。 三、检测系统的分类 (1)按被测参数分类：光电参数、机

3、械参数、 过程参数。 (2)按使用性质分类：工业用表、实验室仪 表和标准表。 (3)按是否接触被测介质分类：接触式和非 接触式检测仪表。 (4)按被测对象状态分类：静态和动态测量。 四、检测技术的发展 (1)不断扩大测量范围，提高可靠性和精度。 (2)开发集成化、一体化、多功能化的传感 器。 (3)非接触测量技术。 (4)利用计算机技术使测量智能化，提高测 试水平。 1.1 1.1 信号的基本知识信号的基本知识 1.2 1.2 测量系统的基本特性测量系统的基本特性 1.3 1.3 测量误差与数据处理测量误差与数据处理 信号的基本知识信号的基本知识 1.1.1 1.1.1 自动检测技术在自动化专

4、业中的地位自动检测技术在自动化专业中的地位 与作用与作用 测量：以确定量值为目的的一组操作。测量：以确定量值为目的的一组操作。 检验：分辨出被测参数的量值是否归属某检验：分辨出被测参数的量值是否归属某 一范围带，从而判别被测参数是否合格、一范围带，从而判别被测参数是否合格、 现象是否存在等。现象是否存在等。 检测：包含了测量与检验两方面的内容。检测：包含了测量与检验两方面的内容。 自动检测：在自动化领域中，需要对某些自动检测：在自动化领域中，需要对某些 重要参数进行实时、自动的测量、检验。重要参数进行实时、自动的测量、检验。 这类无需人手工操作而自动完成的检测。这类无需人手工操作而自动完成的检

5、测。 自动检测技术的核心是如何将各 种非电量转换为电信号，通过对该电 信号的测量来检测原非电量，常称之 为非电量检测技术。 被控制的参数一般为非电量。要对 被控对象实施闭环控制，检测装置是 必须配置的，它将被控制的参数转换 为控制器能够接受的电信号。 图1-1 糖化过程温度控制系统方框图 1.1.2 自动检测系统的基本组成 1 传感器（信号的获得） 直接感受规定的被测量并按照一定规律转换成可 用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和传 感元件组成。 敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分， 传感元件是指能将敏感元件的输出转换为电信号 的部分。 传感器输出信号有很多形式：电阻、电感、电容、 电

6、压、电流、频率、脉冲等，形式由传感器的原 理确定。 图图1-2 1-2 自动检测系统组成框图自动检测系统组成框图 2 测量电路（信号调理器） 又称信号调理器或中间转换器。它的作用是将传感器 的输出信号进行放大、转换、传输等，使其适合于显 示、记录、数据处理或控制。例如测量电桥、滤波器、 放大器、电压频率变换器、电压电流变换器、交 流/直流变换器等。 3 计算机（数据处理装置） 现代检测系统大多含有微型计算机，构成智能检测系 统，用于完成数字滤波、误差补偿、线性化、自诊断 等各种数据处理功能，提高检测系统的性能。 4 输出环节 输出环节包含显示装置、打印记录装置、数据通信接 口等。 1.1.3

7、传感器的分类、命名与图形符号 按传感器的结构特点分：结构型传感器、物性型 传感器、复合型传感器。 按传感器的功能特点分：单功能传感器、多功能 传感器、智能传感器。 按传感器输出信号分：模拟传感器、数字传感器 按传感器的能源供给方式分：有源传感器、无源 传感器。 按被测量所属范畴分：物理量传感器、化学量传 感器、生物量传感器。 按转换原理分：电阻应变式传感器、电感式传感 器、电容式传感器、热电式传感器等。 1.3 传感器的一般特性 1.3.1 传感器的静态特性与静态特性指标 传感器的输出输入关系特性是传感器的基本 特性。 传感器所测量的物理量有两种形式，一种是静态 的形式，另一种是动态形式 静态

8、(或准静态)的形式,所测量的物理量不随时间 变化(或变化很缓慢，在观测时间内可忽略其变 化)； 动态形式，所测量的物理量随时间变化而变化。 故检测过程被分为静态检测和动态检测，相应其 输出输入特性分为静态特性和动态特性。 1.2 传感器的一般特性 1.2.1 传感器的静态特性与静态特性指标 传感器的输出输入关系特性是传感器的基本 特性。 传感器所测量的物理量有两种形式，一种是静态 的形式，另一种是动态形式 静态(或准静态)的形式,所测量的物理量不随时间 变化(或变化很缓慢，在观测时间内可忽略其变 化)； 动态形式，所测量的物理量随时间变化而变化。 故检测过程被分为静态检测和动态检测，相应其 输

9、出输入特性分为静态特性和动态特性。 1 测量范围（measuring range）和量程（span） 测量范围：传感器所能测量的被测量的最大数值 称为测量上限，被测量的最小数值则称为测量下 限。用测量下限和测量上限表示的区间为量程。 测量范围有单向(只有正向或负向)、双向对称、 双向不对称、无零值等多种情况。 2 灵敏度(sensitivity) 灵敏度：表示传感器输出量的增量与相应的输入 量增量之比。在静态输出输入特性曲线上各点的 斜率，可用下式表示： 0 lim x ydy S xdx 非线性传感器各处的灵敏度是不相同的。对于线 性传感器，灵敏度则为： 一般，人们希望传感器的灵敏度在整个测

10、量范围 内保持恒定。灵敏度是一个有单位的量。当我们 讨论某一传感器的灵敏度时，必须确切地说明它 的单位。 0 0 yy S xx 图图1-5 1-5 灵敏度定义的图解表示灵敏度定义的图解表示 3 阈值（threshold value）与分辨力 （resolution） 有时，输入量开始变化，但输出量并不随之相应 变化，而是输入量变化到某一程度时输出才突然 产生小的阶跃变化。这就出现了分辨力和阈值问 题。 当以输入量来表示时，分辨力定义为在传感器的 全部工作范围内，能够产生可观测的输出量变化 的最小输入量变化，以满量程输入的百分比表示 ,min max 0 x0 max min 100 i x

11、R xx 当以输出量来表示时，分辨力定义为在传感器的 全部工作范围内，在输入量缓慢而连续变化时所 测到的输出量的最大阶跃变化，以满量程输出的 百分比表示 阈值通常又称为灵敏限、灵敏阈、失灵区、死区 等。阈值定义为：输入量由零变化到使输出量开 始发生可观测变化的输入量值。它实际上是传感 器在正行程时的零点分辨力(以输入量表示时)。 max 0 y0 max min 100 y y R y 4 线性度(linearity) 衡量线性传感器线性特性好坏的指标为线性度。 随参考直线的引法不同，线性度主要有下面几种。 （1）绝对线性度 又称理论线性度，是传感器的实际平均输出特性 曲线对在其量程内事先规定

12、好的理论直线的最大 偏差，以传感器满量程输出的百分比来表示： 绝对线性度的参考直线是事先确定好的，反映的 是一种线性精度。 ,max 0 0 ab ,max,min 100 ab abab y yy L （2）端基线性度 端基线性度的拟合直线最为简单，但精度不高。 端基线性度定义为传感器实际平均输出特性曲线 对端基直线的最大偏差，以传感器满量程输出的 百分比来表示。 端基线性度的定义示于图1-6中。按该图所示，可 以写出端基直线方程为 ,max 0 0 ,max,min 100 te te tete y yy L maxminmaxmin minmin maxminmaxmin te yyyy

13、 yyx xxxx 图图1-6 1-6 端基线性度的定义端基线性度的定义 图图1-7 1-7 零基线性度的定义零基线性度的定义 （3）零基线性度 零基线性度定义为传感器实际平均输出特性曲线 对零基直线的最大偏差，以传感器满量程输出的 百分比来表示。而零基直线则是这样一条直线， 它位于传感器的量程内，可通过或延伸通过传感 器的理论零点，并可改变其斜率，以把最大偏差 减至最小。 零基线性度的定义示于图1-7中。按照定义，可以 写出零基直线方程为 Ze,max Ze,maxZe,min 100% Ze y L yy Ze bxy （4）最小二乘线性度 用最小二乘法求得校准数据的理论直线。该直线 方程

14、为 令有m个校准测试点，传感器的实际输出为y，则 第i个校准数据与理论直线上相应值之间的偏差为： 最小二乘法理论直线的拟合原则就是使 为最 小值，也就是说，使 对b和a的一阶偏导数等 于零，从而求出b和a的表达式： es abxy ii abxiy 2 1 m i i 2 1 m i i 以最小二乘直线作理论直线的特点是各校准以最小二乘直线作理论直线的特点是各校准 点上的偏差的平方之和最小。点上的偏差的平方之和最小。 111 22 11 () mmm iiii iii mm ii ii mx yxy b mxx 2 1111 22 11 () mmmm iiiii iiii mm ii ii

15、xyxx y a mxx 5 迟滞(hysteresis) 迟滞：对于某一输入量，传感器在正行程 时的输出量明显地、有规律地不同于其在 反行程时在同一输入量下的输出量。 迟滞可用传感器正行程和反行程平均校准 特性之间的最大差值，以满量程输出的百 分比来表示： 图1-8为传感器某种迟滞特性的示意图。 max maxmin 100 2 y H yy 6 重复性（repeatability） 在相同的工作条件下，在一段短的时间间 隔内，输入量向同一方向作满量程变化时， 同一输入量值所对应的连续先后多次测量 所得的一组输出量值，它们之间相互偏离 的程度便反映传感器的重复性。图1-9表示 了重复性的概念

16、，图中只显示出了两个测 量循环。 图图1-8 1-8 迟滞特性迟滞特性 图图1-9 1-9 重复性的概念重复性的概念 重复性则可定义为此随机误差在一定置信 概率下的极限值，以满量程输出的百分比 来表示： 样本标准偏差的求法有多种，贝塞尔 (Bessel)公式是比较常用的方法。为求第i 个测量点的标准偏差Si，可以用下列方法 计算： maxmin (2 3) =100% S R yy 2 1 1 n iji j i yy S n 7 符合度 符合度就是传感器的输入输出特性符合或接近 某一参考曲线的程度。 8 零漂及温漂 传感器的漂移大小是表示传感器性能稳定性的 重要指标。 （1） 零点时漂 规定

17、传感器一小时内的零点漂移D按下式计算 测试传感器的零点漂移应在规定的恒定环境条 件下进行。 00 0 00 00 maxminmaxmin 100100 yy y yyyy D （2） 零点温漂 传感器的零点温漂可按下式计算： 可分别计算高温或低温检定的零点温漂 +或-零点温漂测试通常应进行三次， 然后再计算值。 （3）灵敏度温漂 传感器的灵敏度温漂可按下式计算： = / 0201 0 0 FS121 100C ytyt yttt r 21 0 0 121 100 FSFS FS ytyt yttt 0 C 9 总精度 总精度反映的是传感器的实际输出在一定 置信概率下对其理论特性或工作特性的偏

18、 离皆不超过的一个范围。 用迟滞、非线性(或符合性)和重复性这三 项误差的方和根或简单代数和来表示总精 度 或 222 1HLR A 2HLR A 迟滞和非线性误差属于系统误差，而重复性误差 则属于随机误差，而这三种误差的最大值也不一 定出现在同一位置上，所以上述处理误差分析的 方法，虽然计算简单，但理论根据不足。 1.2.2 传感器的动态特性与动态特性指标 实际应用中大量的被测量信号是动态信号。 研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬 态响应法和频率响应法来分析。 由于输入信号的时间函数形式是多种多样的在 时间域内研究传感器的响应特性时，只能研究几 种特定的输入时间函数，如阶跃函数、脉冲

19、函数 和斜坡函数等的响应特性。 在频率域内研究动态特性可以采用正弦信号发生 器和精密测量设备，得到频率响应特性。 动态特性良好的传感器应具有很短暂的瞬态响应 时间或者具有很宽的频率响应特性。 为了便于比较和评价，传感器动态特性的分析和 动态标定经常采用的输入信号为单位阶跃输入量 和正弦输入量，这是两种标准输入信号。 1.3 测量误差与数据处理 (measurement error and data processing) 1.3.1 测量误差的概念和分类 1.3.2 粗大误差的判别 1.3.3 系统误差的处理 1.3.4 随机误差的处理 本小节概要： 1.3.1 测量误差的概念和分类 1 测量

20、误差不可避免 2 真值 3 测量误差的表示方法 4 测量误差的分类 1 1 测量误差不可避免测量误差不可避免 没有误差的测量不存在； 没有测量的误差也不存在。 测量与误差之间的关系，就好比人和他 的影子一样。 为什么测量误差肯定存在? 检测系统不可能绝对精确； 例：铂热电阻测温，铂电阻不可能由100%的铂材料组成，杂 质不可避免。 测量原理的局限； 例：铂热电阻测温，铂电阻阻值与温度之间的关系，即分度 表总是由有限的对应数据组成的，两对数据之间的数据采 用差值方法估计，然而其关系本质上是非线性的。 测量方法的不尽完善； 例：利用测量大气压力的方法估计飞机的飞行高度。 环境因素和外界干扰的存在；

21、 例：铂热电阻测温，铂电阻与测量电路之间连接导 线的阻值受环境温度影响。 测量过程可能会影响被测对象的原有状态。 例：铂热电阻测温，铂电阻的插入必然会干扰原来 的温度场。 以上原因使得测量结果不能准确地反映被测量的 真值而存在偏差，这个偏差就是测量误差。 那么，什么是真值呢？ 2 真值(true value) 定义：真值指一个量的客观真实值。 既然测量误差不可避免，那又是如何知道真值的呢？如 果知道了真值，必然含有误差的测量工作也就不必要了。 这似乎是一个悖论。其实不然。 承认真值的客观存在，是唯物论；承认测量误差不可避免， 是辩证法；二者都承认，就是在该问题上遵守了唯物辩证 法。 事实上，在

22、测量实践中，“真值”有三种具体情况。 (1) 理论真值(theoretical true value) 定义：一个量严格定义的理论值通常叫理论真值。 例：三角形的内角和等于180度。 (2) 约定真值(conventional true value) 定义：根据国际计量委员会通过并发布的各种物 理参量单位的定义，利用当今最先进科学技术复 现这些单位，其值被公认为国际或国家基准，称 为约定真值。 例如：当今世界主要经济大国都加入了国际米制 公约组织，总部设在巴黎。1983年第17届国际计 量大会通过国际计量委员会的提议，规定：光在 真空中于1/299792458 秒的时间间隔内所经路径 的长度为

23、1米；进一步规定三种米的复现方法。 曾经的米原器（现已作废，存国际计量局，目前不再用 实物形成米原器） 再如：国际千克原器(international prototype kilogram) 是用以实现质量单位的实物基准器，是至今为止 世界上实现基本单位量值唯一的实物基准。 它是高度和直径都是39毫米的正圆柱体，由90%的 铂和10%的铱组成，密度为每立方厘米21.5克。 国际计量局共制作了63个，选择6个作为国际千克 原器作证基准，其余57个分配给成员国作为其国 家基准。 分配给中国的编号为NO.60,保存在中国计量科学 研究院。 基本概念计量传递和计量溯源，构成 计量确认体系（metrol

24、ogy confirment system） 国际标准化组织（ISO）于1992年颁布“测量 设备的质量保证要求，第一部分，测量设 备的计量确认体系”（ISO 10012-1） (3) 相对真值(relative true value) 定义：如果高一级检测仪器(计量器具)的 误差仅为低一级检测仪器误差的131 10，则可认为前者是后者的相对真值。 例：相对于杆秤，天平的测量结果为相对真值。 相对真值在工程上最为常用。 既然有高一级检测仪器，那为什么还要使 用低一级的检测仪器呢？这似乎又是一个 悖论。其实不然。 解释：计量室仪器与现场仪表，通过标定、校准， 实现精度与成本之间的辩证统一。 温度

25、现场标定的一个小经验：冰水混合物和体温 近似作为标准量。 真值概念已经明确，但随之而来的问题是： 如何表示一次具体测量过程的误差？ 如何表示一个具体测量设备的精度？ 测量误差有哪些规律？如何利用这些规 律通过测量方法、测量设备、测量值的数 据处理获得最大可能的精确结果？ 这就是我们下面要解决的问题，请同学们 带着问题预习！ n计量传递和计量溯源这一基本原理的发现及其广泛推广应用，是古代中国对 人类进步的巨大贡献之一。 3 误差的表示方法 检测系统(仪器)的基本误差通常有以下几种表示 形式。 （1）绝对误差 检测系统的测量值(即示值)X与被测量的真值X0之 差为检测系统测量值的绝对误差，即 式中

26、，真值X0可为约定真值，也可为相对真值。 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。 0 XXX （2）相对误差 检测系统测量值(即示值)的绝对误差与被 测量真值的比值，称为检测系统测量(示值) 的相对误差，常用百分数表示，即 在工程上，常在被测参量没有发生变化的 条件下重复多次测量，用多次测量的平均 值代替相对真值。用相对误差通常比用绝 对误差更能说明不同测量的精确程度。 %100 0 X x （3）引用误差 检测系统测量值的绝对误差与系统量程L之比值，称 为检测系统测量值的引用误差。引用误差通常仍 以百分数表示 由于量程对于具体测量仪表而言是一个确定值，

27、因此 给出引用误差实质上也是给出了绝对误差。 当测量值为检测系统测量范围的不同数值时，各示值 的绝对误差也可能不同。取引用误差的最大值既能 克服上述的不足，又更好地说明了检测系统的测量精 度。 %100 L x （4）最大引用误差与精度等级 在规定的工作条件下，当被测量平稳增加或减少 时，在检测系统全量程测量值引用误差(绝对值) 的最大者，或者说所有测量值中最大绝对误差(绝 对值)与量程的比值的百分数，称为该系统的最大 引用误差，用符号max表示 最大引用误差又称为检测系统的基本误差， 是检测系统的最主要质量指标，能很好地 表征检测系统的测量精度。 %100 max max L x 4 测量误

28、差的分类 (1) 系统误差(systematic error) 系统误差是指具有某种确定性规律的测量误差。 具有这种特性的误差通常是由为数不多的确定性 原因造成的。 (2) 随机误差(random error) 随机误差是指具有随机变化特性的测量误差。这 种误差在人们进行次数不多的重复测量时表现为 忽大忽小、忽正忽负，似乎无规律可循；但随着 重复测量次数的增多，这种误差将服从数理统计 规律，以正态分布规律最为多见。 (3) 粗大误差(thick error) 如果某次测量结果明显偏离真实值，则称该次测 量包含粗大误差。它是由于异常情况出现或测量 人员疏忽大意而引起的。重复测量中出现的粗大 误差

29、，应作为异常值除掉，不参与测量结果精度 的评价，因而用于评价测量精度的误差只有系统 误差和随机误差。 1.4.3 系统误差的处理 为保证和提高测量精度，需要研究发现系 统误差，进而设法校正和消除系统误差。 1 系统误差的常见变化规律 系统误差的特点是其具有固定的规律性， 造成系统误差的根源一般可通过实验、分 析予以确定和消除。由于检测仪器种类和 型号繁多，具体使用环境差异很大，因此 系统误差所表现的变化规律往往也不尽一 致。 图图1-11 1-11 系统误差的常见变化规律系统误差的常见变化规律 曲线1表示测量结果所含系统误差的大小与方向不 随时间变化，称为恒值系统误差； 曲线2表示测量结果所含

30、系统误差随时间以某种斜 率呈线性增加或线性减少，称为线性变化规律的 系统误差； 曲线3表示测量结果所含系统误差随时间作某种周 期性变化，称之为周期性变化规律的系统误差； 曲线4为上述三种关系曲线的某种组合形态，呈现 复杂规律变化，称之为复杂变化规律的系统误差。 2 2 减小和消除系统误差的方法减小和消除系统误差的方法 （1）针对产生系统误差的主要原因采取相应措施 对测量过程中可能产生系统误差的环节作仔细分 析，找出产生系统误差的主要原因，并采取相应 措施。这是最基本和最常用的方法。 （2）采用修正值方法减小系统误差 利用修正值来减小和消除系统误差是常用和非常 有效的方法，被广泛采用。通常的做法

31、是在测量 前预先通过标准器件法或标准仪器法比对，得到 该检测仪器系统误差的修正值，制成系统误差修 正表；然后用该检测仪器进行具体测量时可人工 或由仪器自动地将测量值与修正值相加，从而大 大减小或基本消除该仪器原先存在的系统误差。 （3 3）采用交叉读数法减小线性系统误差采用交叉读数法减小线性系统误差 也称对称测量法，是减小线性系统误差的有效方 法。 如果检测仪器在测量过程中存在线性系统误差， 那么在被测参量保持不变的情况下其重复测量值 也会随时间的变化而线性增加或减小。 若选定整个测量时间范围内的某时刻为中点，则 对称于此点的各对测量值的和都相同。根据这一 特点，可在时间上将测量顺序等间隔对称

32、安排， 取各对称点两次交叉读入测量值，然后取其算术 平均值作为测量值，即可有效地减小测量的线性 系统误差。 （4）采用半周期法减小周期性系统误差 对周期性系统误差，可以相隔半个周期进 行一次测量，如图1-12所示。取两次读数 的算术平均值，即可有效地减小周期性系 统误差。因为相差半周期的两次测量，其 误差在理论上具有大小相等、符号相反的 特征，这种方法在理论上能很好地减小和 消除周期性系统误差。 图图1-12 1-12 半周期法读数示意图半周期法读数示意图 1.4.4 1.4.4 随机误差的处理随机误差的处理 1 1 随机误差的分布规律随机误差的分布规律 对某个被测参量进行等精度重复测量对某个被测参量进行等精度重复测量n n次，其测量次，其测量 示值分别为示值分别为x x1 1，x x2 2，、x xn n，x x0 0为真值，假定已为真值，假定已 消除系统误差，则各次测量的测量误差，即随机消除系统误差，则各次测量的测量误差，即随机 误差分别为误差分别为 0 0 02