第1章 检测技术概述

1、自动检测技术自动检测技术Automation of Test & Measurement Technology 孙正鼐孙正鼐2第第1章章 检测技术概述检测技术概述1.1 检测的地位与作用检测的地位与作用1.2 检测的基本概念检测的基本概念1.3 检测系统的构成检测系统的构成1.4 一般检测方法一般检测方法1.5 检测系统的发展趋势检测系统的发展趋势31.1检测的地位和作用检测的地位和作用1.1.1信息化是科学技术发展的必然信息化是科学技术发展的必然1.1.2 信息流是客观世界的一个主流信息流是客观世界的一个主流1.1.3 检测仪器仪表的作用检测仪器仪表的作用41.1检测的地位和作用检测

2、的地位和作用1.1.1信息化是科学技术发展的必然信息化是科学技术发展的必然历史时代：历史时代：手工化手工化机械化机械化自动化自动化信息化信息化生产方式：生产方式：人与简人与简单工具单工具动力机动力机与机械与机械自动测自动测量控制量控制智能机智能机械装置械装置晶体管晶体管集成电路集成电路计算机计算机工业革命工业革命蒸汽机内蒸汽机内燃机电机燃机电机石器木器石器木器计算机网络计算机网络人工智能人工智能5 测控系统中人与机器的机能对应关系测控系统中人与机器的机能对应关系1.1检测的地位和作用检测的地位和作用6检测系统中人与机器的相互参与程度检测系统中人与机器的相互参与程度1.1检测的地位和作用检测的地

3、位和作用100%100%？！人力机器远古远古 社会发展时间轴社会发展时间轴 未来未来71.1.2 信息流是客观世界的一个主流信息流是客观世界的一个主流 物料流物料流 能量流能量流 信息流信息流客观世界客观世界1.1检测的地位和作用检测的地位和作用8信息流组成信息流组成信息流信息流获取传输处理控制信息获取是信息流的一环信息获取是信息流的一环1.1检测的地位和作用检测的地位和作用传感器仪器仪表通信计算机自动化9 获取信息获取信息是仪器科学的基本任务是仪器科学的基本任务 仪器仪表是信息产业的仪器仪表是信息产业的重要组成部分重要组成部分 仪器仪表是信息工业的仪器仪表是信息工业的源头源头1.1检测的地位

4、和作用检测的地位和作用101.1.3 检测仪器仪表的作用检测仪器仪表的作用 工业生产工业生产 倍增器倍增器 科学研究科学研究 先行官先行官 社会生活社会生活 物化法官物化法官 军事斗争军事斗争 战斗力战斗力1.1检测的地位和作用检测的地位和作用11n工业生产倍增器工业生产倍增器检测技术是带动国民经济增长的一个检测技术是带动国民经济增长的一个 关键领域关键领域在美国：检测技术占在美国：检测技术占4%，拉动经济增长，拉动经济增长66%1.1检测的地位和作用检测的地位和作用12检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位、在线检测：零件尺寸、产品缺陷

5、、装配定位、 过程控制过程控制.1.1检测的地位和作用检测的地位和作用131.1检测的地位和作用检测的地位和作用14检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用离线检测：零件参数、离线检测：零件参数、 尺寸与形位公差、尺寸与形位公差、 品质参数品质参数现代工程装备中，现代工程装备中，检测环节的成本约占检测环节的成本约占 5070%1.1检测的地位和作用检测的地位和作用15检测技术在汽车中的应用日新月异检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控

6、制对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器，普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底底 盘：盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车速、踏板、加

7、速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 1.1检测的地位和作用检测的地位和作用161.1检测的地位和作用检测的地位和作用17检测技术在日常生活中的应用与日俱增检测技术在日常生活中的应用与日俱增 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度

8、检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-电容传感器电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 - - 压力传感

9、器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 - - 离子传感器离子传感器1.1检测的地位和作用检测的地位和作用18n科学研究的先行官科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说说“现代科学的进现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展步越来越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始科学是从测量开始的的” 近近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达者达38人人1.1检测的地位和作用检测的地位和作用检测技术与科学研究相互促进检测技术与科学研究相互促进 !19n军事战斗力

10、军事战斗力 1991年海湾战争年海湾战争 精确制导武器精确制导武器 8% 2003年伊拉克战争年伊拉克战争 90% 1994年美国防部建立自动测试系统执行局：统一年美国防部建立自动测试系统执行局：统一 海陆空测试产品的规格标准海陆空测试产品的规格标准立体作战立体作战1.1检测的地位和作用检测的地位和作用20检测技术在军事上的应用检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器-OICW 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确定位目标。在发射激光测距仪：可精确定位目标。在发射2020毫米高爆弹时，激光测距仪可将毫米高爆

11、弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。1.1检测的地位和作用检测的地位和作用21美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD检测技术在国防领域的应用检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统 监测系统监测系统: 探测和发现探测和发现敌人导弹的发射并追踪敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假拦截器：能识

12、别真假弹头，敌友方弹头，敌友方1.1检测的地位和作用检测的地位和作用22检测技术在航天领域举足轻重检测技术在航天领域举足轻重飞行器测控飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 火箭测控火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹检测火箭状况、姿态、轨迹 1.1检测的地位和作用检测的地位和作用23“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器，个传感器，检测参数检测参数-加速度、温度、压力、加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、振动、流量、应变、 声学、声学、神舟飞船：神舟飞船：185台（套）仪器

13、装置台（套）仪器装置1.1检测的地位和作用检测的地位和作用24n“物化法官物化法官” 检查产品质量检查产品质量 监测环境污染监测环境污染 识别指纹假钞识别指纹假钞 查服违禁药物查服违禁药物 侦破刑事案件侦破刑事案件1.1检测的地位和作用检测的地位和作用25教学实验、气象预报、大地测教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、环境监测、交通运绘、灾情预报、环境监测、交通运输、海关缉私、医药卫生输、海关缉私、医药卫生 涵盖涵盖: 吃穿用、农轻重、海陆空吃穿用、农轻重、海陆空1.1检测的地位和作用检测的地位和作用26定义定义： 确定被测对象的确定被测对象的量值量值为目的的全部为目的的全部操作操作传感器、

14、检测仪器、检测装置、检测系统传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作全部操作：检测过程：检测过程： 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出信号采集、信号处理、信号显示、信号输出检测器具：检测器具：被测信息被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）化学量（化学量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、） 1.2检测的基本概念检测的基本概念物理量、化学量实验比较过程测量因素测量因素：对象、方法、设备：对象、方法、设备27例：空调机测量控制室温例：空

15、调机测量控制室温空气空气被测对象被测对象：被测信息被测信息：检测器具检测器具：操作过程操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温度传感器 - 热电阻、热电偶热电阻、热电偶 热敏电阻热敏电阻 电信号电信号 处理处理 显示显示空调机空调机1.2检测的基本概念检测的基本概念28接接口口总总线线存储存储显示显示分析分析监控监控判断判断决策决策一般构成：一般构成：信号检出信号检出信号检出信号检出信号检出信号检出信号转换信号转换信号转换信号转换信号转换信号转换处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示处理显示信号检出：信号检出：功能功能 - 将被测信号的转换为电信号的变化将被测信号的转换为电信号的变化器

16、件器件 - 传感器传感器信号转换：信号转换：功能功能 - 将传感器的输出信号转换为便于处理的形式将传感器的输出信号转换为便于处理的形式器件器件 - 信号调理电路信号调理电路处理显示：处理显示：功能功能 - 分析、处理、显示分析、处理、显示通讯接口通讯接口/总线接口总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、 ) 其它环节：其它环节：存储、监控、决策存储、监控、决策 1.3检测系统的构成检测系统的构成29力力位移位移 速度速度 加速度加速度 压力压力流量流量温度温度电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式 压电式压电式热电式热电式 光电式光电式磁电式磁电式电桥电桥 放大器放大器滤波器滤波器调

17、制器调制器解调器解调器运算器运算器 阻抗变换器阻抗变换器 笔式记录仪笔式记录仪光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 电子示波器电子示波器 半导体存储器半导体存储器 显示器显示器 磁卡磁卡 数据处理器数据处理器 频谱分析仪频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪实时信号分析仪 电子计算机电子计算机 被测对象被测对象 传感器传感器 中间变换中间变换测量装置测量装置 显示及显示及 记录装置记录装置 实验结果实验结果处理装置处理装置 激发装置激发装置 1.3检测系统的构成检测系统的构成30n1.4.1 直接测量与间接测量直接测量与间接测量n1.4.2 开环测量与闭环测量开环测量与闭环测量n1.4.3

18、偏差法、零位法、微差法偏差法、零位法、微差法1.4检测方法分类检测方法分类31n1.4.1 直接测量与间接测量直接测量与间接测量 直接测量：直接将直接测量：直接将被测量被测量与与标准量标准量进行比较进行比较 包含包含绝对测量绝对测量与与相对测量相对测量标准量标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、激光、） 绝对测量绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）定值标准量（如某一固定尺寸） 相对测量相对测量1.4检测方法分类检测方法分类32- 绝对测量：绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：测量结果：

19、20.1 mm- 相对测量：相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：特点：简单、直观、明了；简单、直观、明了； 测量精度不高测量精度不高基准量：基准量：20.00 mm测量值：测量值：+0.08 mm结结 果：果：20.08 mm特点：特点：精确度高；复杂、成本高、要求高精确度高；复杂、成本高、要求高1.4检测方法分类检测方法分类33 间接测量间接测量如测导线的导电率如测导线的导电率：测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得由计算获得Rdl24如质量流量如质量流量：1.4检测方法分类检测方法分类v

20、sQm34n1.4.2开环测量与闭环测量开环测量与闭环测量开环测量：开环测量：反馈测量：反馈测量：特点特点：简单、直观、明了；：简单、直观、明了； 测量精确度不高测量精确度不高特点特点：精确度高；复杂、成本高、要求高：精确度高；复杂、成本高、要求高传感器传感器输入量输入量x输出量输出量y传感器传感器输入量输入量x输出量输出量y放大放大反向传感器反向传感器1.4检测方法分类检测方法分类35n1.4.3 偏差法、零位法和微差法偏差法、零位法和微差法偏差法：偏差法：零位法：零位法：利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值利用指零

21、机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值微差法：微差法：偏差法和零位法的结合偏差法和零位法的结合确定被测量余数确定被测量余数确定被测量大值（与标准量大体平衡）确定被测量大值（与标准量大体平衡）1.4检测方法分类检测方法分类36n思考：思考：杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？ 动圈式毫伏表？自动平衡是仪表？动圈式毫伏表？自动平衡是仪表？1.4检测方法分类检测方法分类371.5.1测量技术指标不断提高测量技

22、术指标不断提高1.5.2高新技术和最新科技成果大量采用高新技术和最新科技成果大量采用1.5.3微型化、智能化、固体化微型化、智能化、固体化1.5.4立体化、立体化、网络化网络化1.5现代检测技术发展趋势现代检测技术发展趋势381.5.1测量技术指标不断提高测量技术指标不断提高精确度、测量范围、速度、可靠性、稳定性等精确度、测量范围、速度、可靠性、稳定性等例如：工业参数测量精确度普遍优于例如：工业参数测量精确度普遍优于0 .02%； 电压测量范围：纳伏电压测量范围：纳伏106V； 电阻测量范围：超导电阻测量范围：超导1014； 频率测量范围：频率测量范围： 1010Hz； 压力测量范围：压力测量范围： 108Pa； 温度测量范围：温度测量范围： 接近绝对零度接近绝对零度 1010C； 尺寸测量灵敏度：纳米甚至亚纳米尺寸测量灵敏度：纳米甚至亚纳米 可靠性：平均可靠性：平均25万万h，甚至高达，甚至高达25万万h； 稳定性：年变精确度稳定性：年变精确度 0 .05%；1.5现代检测技术发展趋势现代检测技术发展趋势391.5.2高新技术和最新科技成果大量采用高新技术和最新科技成果大量采用检测技术是一门检测技术是一门跨学科跨学科的边缘技术学科的边缘技术学科新技术：新技术：计算机硬件与软件技术、激光技术、微纳