第3章 检测技术及方法分析

1、主要内容主要内容v检测方法及其基本概念检测方法及其基本概念v检测系统模型与结构分析检测系统模型与结构分析v提高检测精度的方法提高检测精度的方法v多元化检测技术多元化检测技术3.3.检测技术及方法分析检测技术及方法分析2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统2传感器与执行器传感器与执行器：获取：获取检测对象所处状态的传检测对象所处状态的传感器，以及控制并调节感器，以及控制并调节对象状态的执行器。对象状态的执行器。系统界面系统界面：监控仪器与：监控仪器与其他系统之间信息往来。其他系统之间信息往来。操作界面操作界面：操作人员与：操作人员与仪器装置之间的界面。仪器装置之间的界面。图图3-1 3-

2、1 检测与控制仪器与外界环境检测与控制仪器与外界环境之间的三种界面之间的三种界面传感器的好坏直接影传感器的好坏直接影响仪表的质量，对它响仪表的质量，对它的的要求要求有：有：准确性准确性：稳定性稳定性：灵敏性灵敏性：其它其它：经济性、耐腐经济性、耐腐蚀性、低能耗蚀性、低能耗等。等。信息的输入端口信息的输入端口, , 完成完成信信号的检测与转换，号的检测与转换，是整个是整个系统中的关键。系统中的关键。检测及控制装置与外界环境之间的三种界面关系：检测及控制装置与外界环境之间的三种界面关系：2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统3传感器定义及组成：传感器定义及组成：n定义：传感器是一种以测量为

3、目的，以一定的定义：传感器是一种以测量为目的，以一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的，便于精度把被测量转换为与之有确定关系的，便于处理的另一种物理量的测量器件，其输出多为处理的另一种物理量的测量器件，其输出多为易处理的电量，如电流、电压、频易处理的电量，如电流、电压、频 率等。率等。n传感器由敏感元件、传感元件和转换电路三部传感器由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成。分组成。敏感元件敏感元件传感元件传感元件测量转换电路测量转换电路非电量非电量（被测量）（被测量）非电量非电量电参量电参量电量电量2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统4传感器传感器(sensor, transduc

4、er)种类很多，它的种类很多，它的分类分类方法有很多种：方法有很多种：n根据根据检测对象检测对象分类，如温度、压力、位移等。分类，如温度、压力、位移等。n从从传感器原理或反应效应传感器原理或反应效应分类，如热阻分类，如热阻/ /热电热电/ /压阻压阻/ /电磁感应电磁感应/ /霍尔霍尔/ /光电光电/ /压电等。压电等。n根据传感器的根据传感器的材料材料分类，如导电体、半导体等。分类，如导电体、半导体等。n按按应用领域应用领域分类，如化工、纺织、造纸、环保等分类，如化工、纺织、造纸、环保等5. 5. 按按输出信号形式输出信号形式分类，如模拟和数字式等。分类，如模拟和数字式等。6. 6. 按按反

5、映形式或能量供给方式反映形式或能量供给方式分类，如能动型和被动分类，如能动型和被动型、能量变换型和能量控制型等。型、能量变换型和能量控制型等。2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统53.1 3.1 检测方法及基本概念检测方法及基本概念3.1.1 3.1.1 开环开环(open loop)型检测与闭环型检测与闭环(closed loop)型检测型检测开环型检测系统如图开环型检测系统如图 ( (a)a)所示。所示。对象对象信息处理器信息处理器传感器传感器输出输出(a)闭环型检测系统如图闭环型检测系统如图 ( (b)b)所示。所示。+反变换器反变换器变换器变换器放大器放大器被测量被测量输出输

6、出-(b)平衡式仪表及检测系统一般采用这种结构。平衡式仪表及检测系统一般采用这种结构。2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统63.1.23.1.2 直接检测与间接检测直接检测与间接检测直接检测直接检测与同类基准进行简单比较。一般可直与同类基准进行简单比较。一般可直接读出被测量的量值。接读出被测量的量值。 比如：用电压表测电压、温度计测温度等比如：用电压表测电压、温度计测温度等。间接检测间接检测测量与被测量有一定关系的测量与被测量有一定关系的2 2个或个或2 2个个以上物理量，然后再推算出被测量。以上物理量，然后再推算出被测量。 比如，测量电流和电阻求电压、比如，测量电流和电阻求电压、v

7、=L/tv=L/t。间接测量需要进行间接测量需要进行2 2次以上的测量，一般要分析误差的传递。次以上的测量，一般要分析误差的传递。2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统7 3.1.3 3.1.3 绝对检测与比较检测绝对检测与比较检测绝对检测绝对检测由基本物理量测量而决定被测量的方法由基本物理量测量而决定被测量的方法。 例如，用水银压力计测压力时，从水银柱的高度、密度、和例如，用水银压力计测压力时，从水银柱的高度、密度、和重力加速度等基本量测量决定压力值。重力加速度等基本量测量决定压力值。比较检测比较检测与同种类量值进行比较而决定测量值的与同种类量值进行比较而决定测量值的方法称为方法称为

8、比较检测方法比较检测方法。 例如用弹簧管压力计测量压力时，要用已知压力校正压力计例如用弹簧管压力计测量压力时，要用已知压力校正压力计的刻度，被测压力使指针摆动而指示的压力是通过比较或校正得的刻度，被测压力使指针摆动而指示的压力是通过比较或校正得出的。出的。例：曹冲称象例：曹冲称象方法：比较法；方法：比较法；装置：船、石头、小秤；装置：船、石头、小秤；检查、测量，从而得到定量结果；检查、测量，从而得到定量结果；2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统83.1.4 3.1.4 偏差法与零位法偏差法与零位法偏差法偏差法(difference method)也叫非零检测法。一般为开也叫非零检测法

9、。一般为开环型结构，增益大。结构简单，测量结果直观。（环型结构，增益大。结构简单，测量结果直观。（如弹簧如弹簧秤称重秤称重）信号转换需要的能量要从被测对象上获得。这样，）信号转换需要的能量要从被测对象上获得。这样，会使检测仪器的状态发生变动。（会使检测仪器的状态发生变动。（例如，用接触式温度计测量温例如，用接触式温度计测量温度，热量会被温度计吸收度，热量会被温度计吸收）这种开环检测对排除干扰很不利。）这种开环检测对排除干扰很不利。零位法零位法(null method)是反馈型闭环检测方法。采取与同是反馈型闭环检测方法。采取与同类的已知量取平衡的方法进行测量。（类的已知量取平衡的方法进行测量。（

10、如用天平测量质量如用天平测量质量）零位法的平衡操作绝大多数已经完全自动化。（零位法的平衡操作绝大多数已经完全自动化。（电位差计、电位差计、平衡电桥等平衡电桥等）2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统93.1.5 3.1.5 强度变量检测与容量变量检测强度变量检测与容量变量检测强度变量检测：强度变量检测：力、压力、温度、电压等表示作用的大小，力、压力、温度、电压等表示作用的大小，与体积（空间）、质量与体积（空间）、质量的称强度变量；的称强度变量；容量变量检测：容量变量检测：长度、重量、热量、电流等与占据空间相长度、重量、热量、电流等与占据空间相关，与体积、质量关，与体积、质量的，为容量变

11、量。的，为容量变量。Intensive/Extensive Variable，与空间、质量有无关系；，与空间、质量有无关系；输入输出端共轭存在的变量；输入输出端共轭存在的变量；乘积表示能量乘积表示能量 ；一方为一方为信号变量信号变量传递信息传递信息，另一方为误差变量；，另一方为误差变量；传感器传感器容量变量容量变量A A容量变量容量变量B B强度变量强度变量A A强度变量强度变量B B热电偶热电偶热流热流电流电流温度差温度差热电势热电势2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统10 以热电偶测温为例，温度差即强度变量是输入信以热电偶测温为例，温度差即强度变量是输入信号，输出信号是热电势，也

12、是强度变量。输入端的容号，输出信号是热电势，也是强度变量。输入端的容量变量是热流，输出端的容量变量是电流量变量是热流，输出端的容量变量是电流, ,如图所示如图所示。热电偶热电偶热流热流温度差温度差电流电流热电势热电势 热流和电流虽不是输入输出变量。但它们都对检测系热流和电流虽不是输入输出变量。但它们都对检测系统有影响：被检测物体的热容量过小或检测系统的热容过统有影响：被检测物体的热容量过小或检测系统的热容过大，都将使被测物温度发生变化而产生误差。输出端电路大，都将使被测物温度发生变化而产生误差。输出端电路里有电流流动，受内阻影响输出信号的电压有所降低，也里有电流流动，受内阻影响输出信号的电压有

13、所降低，也会造成系统误差。会造成系统误差。强度变量与容量变量是在检测系统的输强度变量与容量变量是在检测系统的输入输出端共轭存在的变量。一方传递信息的同时，另一方入输出端共轭存在的变量。一方传递信息的同时，另一方总是直接或间接地与误差有关。为减少测量误差，需尽量总是直接或间接地与误差有关。为减少测量误差，需尽量抑制共轭变量的影响。抑制共轭变量的影响。6.6.其它检测方法其它检测方法n微差法微差法 观察差值，游标卡尺的主刻线和副刻线的差观察差值，游标卡尺的主刻线和副刻线的差n替换法（替换法（排除测量顺序误差）排除测量顺序误差） 例如，改变天平放砝码托盘的左右位置，两次例如，改变天平放砝码托盘的左右

14、位置，两次测量质量取平均值求得被测量的比较准确的质量。测量质量取平均值求得被测量的比较准确的质量。n能量变换与能量控制型检测能量变换与能量控制型检测 光伏电池、光敏电阻光伏电池、光敏电阻 ( (被动检测与能动型检测被动检测与能动型检测) )n主动探索与信息反馈型检测主动探索与信息反馈型检测 例如在检测气体浓度时，首先要观测随检测装置例如在检测气体浓度时，首先要观测随检测装置移动的浓度值的变化，探索浓度最大值的空间位置，移动的浓度值的变化，探索浓度最大值的空间位置，然后输出检测结果。然后输出检测结果。指纹输入的传感原理指纹输入的传感原理-1/电容量电容量图像传感器图像传感器CCD/CMOSCCD

15、/CMOS指甲指甲手指手指透镜透镜棱镜棱镜光源光源LEDLED多电极板多电极板（1 1）棱镜光学法）棱镜光学法经过空气层反射和在隆线与经过空气层反射和在隆线与镜面交界处的直接反射不同镜面交界处的直接反射不同（2 2） 电容法电容法到达电极板的距离不同到达电极板的距离不同静电容量不同静电容量不同指纹输入的传感原理指纹输入的传感原理-2图像传感器图像传感器CCD/CMOSCCD/CMOS指甲指甲手指手指光源光源LEDLED（4 4）电场方法）电场方法到达真皮距离不同造成电场强度分布不同到达真皮距离不同造成电场强度分布不同（5 5） 感热方法感热方法隆线皮肤体温与谷部空气温度的差隆线皮肤体温与谷部空

16、气温度的差（6 6）感压方法）感压方法凹凸压力分布凹凸压力分布（3 3）扩散光光学法）扩散光光学法观测通过手指内的光线，谷线处由于光扩散而变暗观测通过手指内的光线，谷线处由于光扩散而变暗经典的测量智慧经典的测量智慧n刻度线的吻合，视觉判断刻度线的吻合，视觉判断n放大测量，提高测量精度放大测量，提高测量精度n平衡测量，抵消其他干扰平衡测量，抵消其他干扰n中医（望、闻、切、问），综合诊断中医（望、闻、切、问），综合诊断2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统153.2.3.2.检测系统模型与结构分析检测系统模型与结构分析 检测系统的基本功能可总结为：检测系统的基本功能可总结为：信号转换与信号

17、选信号转换与信号选择、基准保持与比较、显示与操作择、基准保持与比较、显示与操作三大部分。三大部分。 测量测量是把被测量与同种类单位量进行比较，以数值是把被测量与同种类单位量进行比较，以数值表示被测量大小的过程。因此，检测仪表中必须具有基表示被测量大小的过程。因此，检测仪表中必须具有基准保持部位。准保持部位。3.2.23.2.2 信号转换模型与信号选择性信号转换模型与信号选择性1.1.信号转换的数学模型信号转换的数学模型 3.2.1 3.2.1 检测系统的基本功能检测系统的基本功能设设ui为被检测量为被检测量(输入信号输入信号)，y1为测量值为测量值(输出信号输出信号)时，时，),(2111ru

18、uufy2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统16 设计检测系统时要选择必要的信号，以消除其他变设计检测系统时要选择必要的信号，以消除其他变量的影响，提高检测精度。量的影响，提高检测精度。 以金属丝的电阻值变化为例，它与金属种类、纯度、以金属丝的电阻值变化为例，它与金属种类、纯度、形状、温度有关。当用作热电阻测温时，选择其温度变形状、温度有关。当用作热电阻测温时，选择其温度变化的特性，而要防止变形影响；当用作应变测量时，则化的特性，而要防止变形影响；当用作应变测量时，则选择其形状变化的特性，而要设计抵消温度影响的检测选择其形状变化的特性，而要设计抵消温度影响的检测结构结构。2.2.信号

19、选择性信号选择性2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统17一个传感器的输入信号，除被测参数以外，还有一个传感器的输入信号，除被测参数以外，还有其他未知参数或干扰参数，因此，可视为多输入单输其他未知参数或干扰参数，因此，可视为多输入单输出系统。出系统。传感器传感器输入量输入量输出量输出量x1x2x3y3.2.3 3.2.3 检测系统的结构分析检测系统的结构分析 为为减小和消除减小和消除这些多余信号，实际上常常采取一些特这些多余信号，实际上常常采取一些特殊结构。殊结构。常见的结构有：补偿结构、差分结构。常见的结构有：补偿结构、差分结构。2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统18设被

20、检测量为设被检测量为u u1 1，干扰量为，干扰量为u u2 2，传感器传感器A A为为测量用测量用传感器，传感器，同时受同时受u u1 1、u u2 2 的作用，在的作用，在u u1 1、u u2 2有微小变化的前后有微小变化的前后，输出信号分别输出信号分别为：为：y yA A=f=fA A( (u u1 1，u u2 2) ) y yA A=f=fA A( (u u1 1+ +u u1 1，u u2 2+ +u u2 2) )。 传感器传感器B B为为补偿用补偿用传感器，受干扰量传感器，受干扰量u u2 2及其微小变化的影及其微小变化的影响。在固定响。在固定u u1 1时，输出分别为：时，

21、输出分别为： y yB B=f=fB B( (u u1 1，u u2 2) ) y yB B=f=fB B( (u u1 1，u u2 2+ +u u2 2) )。1.1.补偿补偿(compensation)结构结构 补偿结构补偿结构是利用传感器是利用传感器B B的输出结果，补偿传感器的输出结果，补偿传感器A A中的干扰量作用，使检测系统的输出结果不受被测参数中的干扰量作用，使检测系统的输出结果不受被测参数以外的干扰参数的影响，实现信号选择性。以外的干扰参数的影响，实现信号选择性。补偿结果输补偿结果输出为出为: :y=yA- - yB =fA(u1+u1，u2+u2)- - fB(u1，u2+

22、u2) 。 实例：电阻应变片的温度误差消除实例：电阻应变片的温度误差消除悬臂梁使用两个应变片悬臂梁使用两个应变片应变片应变片收缩收缩R1上下应变片的阻值变化相反上下应变片的阻值变化相反伸长伸长RB振动振动输出输出2输出输出1RRRB 21BttBBBtBBBtRRRRRRRRRRRRRRRR1111111合并电阻合并电阻2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统20 差分结构可以看作是补偿结构的特例，是排除干扰、选择必要差分结构可以看作是补偿结构的特例，是排除干扰、选择必要的测量参数的重要方法的测量参数的重要方法。 差动结构的两传感要素一般采用差动结构的两传感要素一般采用空间对称结构形式空

23、间对称结构形式即：即： 2.2.差分差分(difference)结构结构工作原理工作原理: :互感现象互感现象.EwEout2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统22补偿结构补偿结构&差动结构差动结构ABA1122A122222AAA111221112(,)( ,)12yyyf uu uuf u uufffuuuuuuu u 减小了干扰量减小了干扰量u2的影响的影响2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统23补偿结构补偿结构&差动结构差动结构ABA1122A11222AA112112(,)(,)22yyyfuu uufuu uuffuuuuu u 进一步减小了干扰量进一步减小了干

24、扰量u2的影响，灵敏度提高的影响，灵敏度提高1倍，倍，改善线性度、抑制共模干扰。改善线性度、抑制共模干扰。2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统24abbabSC00C线性关系灵敏度C1-C2C2C100/00(4-10) 差动电容特性12cck灵敏度灵敏度例：差动法消除电容传感器非线性误差例：差动法消除电容传感器非线性误差2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统25差动检测结构特点差动检测结构特点结构特点结构特点: 两个空间对称结构；两个空间对称结构； 测量参数反对称作用；测量参数反对称作用； 干扰或影响参数对称作用。干扰或影响参数对称作用。 处理方法：处理方法： 取两结构差值

25、取两结构差值功能特点：功能特点： n1 1、普通方式：小范围测量；、普通方式：小范围测量；n2 2、差动式工作优点；、差动式工作优点；n （1 1）使灵敏度扩大一倍；）使灵敏度扩大一倍；n （2 2）改善了线性；）改善了线性；C1-C2C2C100/00(4-10) 差动电容特性2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统26 利用检测系统的动态特性实现信号选择功能。主要利用检测系统的动态特性实现信号选择功能。主要是依据信号与噪声在时域和频域上的不同特性。这些方是依据信号与噪声在时域和频域上的不同特性。这些方法同样是提高检测精度，抗噪声的基本方法。法同样是提高检测精度，抗噪声的基本方法。时域

26、信号选择方法时域信号选择方法(1)(1)基于同步加算的去噪方法基于同步加算的去噪方法(2)(2)基于响应速度的分离方法基于响应速度的分离方法 频域信号选择方法频域信号选择方法(1)(1)滤波放大与调频放大方法滤波放大与调频放大方法(2)(2)陷波放大方法陷波放大方法(3)(3)锁定放大方法锁定放大方法 3.3 3.3 提高检测精度的方法提高检测精度的方法2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统273.3.13.3.1 时域信号选择方法时域信号选择方法（1 1）基于同步加算的去噪方法基于同步加算的去噪方法 信号一般都具有周期性，而噪声是随机变化的。如果信号一般都具有周期性，而噪声是随机变化

27、的。如果进行同步加算，即使埋没在噪声中的微弱信号也能够检进行同步加算，即使埋没在噪声中的微弱信号也能够检测出来。测出来。 如上图所示，虚线表示信号波形。根据随机误差分如上图所示，虚线表示信号波形。根据随机误差分析结果可知，当加算次数为析结果可知，当加算次数为N N时，信号成分变成时，信号成分变成N N倍，倍，而噪声只有而噪声只有 倍，信噪比倍，信噪比S/NS/N改善了改善了 倍。倍。NN2021-10-16自动检测技术及仪表控制系统283.4 3.4 多元化检测技术多元化检测技术n多元化检测多元化检测是指高度智能化检测，即运用多个传感器自是指高度智能化检测，即运用多个传感器自身的形态和并行检测结构进行信号处理以得到新的信息。身的形态和并行检测结构进行信号处理以得到新的信息。 随着智能化