第一章检测技术基础

1、第一节第一节 测量方法及分类测量方法及分类第二节第二节 真值和平均值真值和平均值第三节第三节 检测装置的基本性能检测装置的基本性能第四节第四节 测量系统的静态特性测量系统的静态特性第五节第五节 测量系统的动态特性测量系统的动态特性2 2、掌握各种检测方法的特点和应用场合、掌握各种检测方法的特点和应用场合1 1、掌握检测技术的基本原理和基本概念、掌握检测技术的基本原理和基本概念3 3、了解检测系统静态特性的特点和指标、了解检测系统静态特性的特点和指标4 4、了解检测系统动态特性的特点和指标、了解检测系统动态特性的特点和指标采用各种手段将被测量与同类采用各种手段将被测量与同类标准量进行比较标准量进

2、行比较，从而确定，从而确定出被测量大小的方法。出被测量大小的方法。 测量结果与被测量真值的差别测量结果与被测量真值的差别。测量测量：误差误差： 第一节第一节 测量方法及分类测量方法及分类被测量被测量同类标准量同类标准量1 1、测重量、测重量砝码砝码2 2、测气体、测气体标准气体标准气体 测量方法的分类测量方法的分类 根据获得测量结果的方法不同，可以分为根据获得测量结果的方法不同，可以分为直接测量、间接测量和组合测量。直接测量、间接测量和组合测量。在仪表上直接读出被测量的在仪表上直接读出被测量的大小而无须经过任何运算。大小而无须经过任何运算。直接测量直接测量: :如汽车油位如汽车油位表、油温表表

3、、油温表优点：简单、迅速优点：简单、迅速 缺点：精度差缺点：精度差1.1 1.1 直接测量、间接测量和组合测量直接测量、间接测量和组合测量首先测出与被测量有确定函数首先测出与被测量有确定函数关系的物理量，再经过函数运关系的物理量，再经过函数运算求出被测量的大小。算求出被测量的大小。 又称又称“联立测量联立测量”，即被测物，即被测物理量必须经过求解联立方程才理量必须经过求解联立方程才能导出结果。能导出结果。间接测量：间接测量：组合测量：组合测量：如：测如：测电阻率电阻率lRd4/2组合测量举例：测量一金属导线的温度系数组合测量举例：测量一金属导线的温度系数)1 (0TRRTT故不同故不同 、，测

4、得、，测得 、1T2T1TR2TR由由 )1 (101TRRTT)1 (202TRRTT由近似值得由近似值得T0R温度系数温度系数动脑筋想想？动脑筋想想？测量人体肥胖的程度应采用什么测量方法？测量人体肥胖的程度应采用什么测量方法？直接测量法直接测量法测量脂肪测量脂肪间接测量法间接测量法测量身高和体重测量身高和体重组合测量法组合测量法测量身高、体重和脂肪测量身高、体重和脂肪 根据测量条件相同与否，分为等精度测根据测量条件相同与否，分为等精度测量和不等精度测量。量和不等精度测量。 1.2 1.2等精度测量和不等精度测量等精度测量和不等精度测量等精度测量：等精度测量：在测量过程中，影响测量误在测量过

5、程中，影响测量误差的各种因素不改变。差的各种因素不改变。不等精度测量：不等精度测量：改变测量条件的测量。改变测量条件的测量。一般地，等精度测量最常用语科学实验中对某参数一般地，等精度测量最常用语科学实验中对某参数的精确测量，不等精度测量常用于对新研制仪器的的精确测量，不等精度测量常用于对新研制仪器的性能检验。性能检验。名名 词词 解解 释释等精度测量：等精度测量：不等精度测量：不等精度测量：例如测量一高炉的温度例如测量一高炉的温度 采用同一测温仪器，采用同一测温仪器，用相同的测量方式，在用相同的测量方式，在相同的条件下测量多次。相同的条件下测量多次。测量次数 1 2 3 4测量温度 1010

6、1008 1014 1005例如对瓦斯检测仪器进行温度试验例如对瓦斯检测仪器进行温度试验 采用相同的仪器，在采用相同的仪器，在不同的温度条件下对某不同的温度条件下对某一浓度的甲烷气体测量。一浓度的甲烷气体测量。试验温度 0 0C20 0C40 0C检测结果 0.96%1.00%1.05% 1.3 1.3其它测量方法其它测量方法接触测量和非接触测量接触测量和非接触测量静态测量和动态测量静态测量和动态测量 接触被测对象的测量接触被测对象的测量远离被测对象的测量远离被测对象的测量测量对象的稳态值测量对象的稳态值如重量、压力等等如重量、压力等等测量对象随时间的变化值测量对象随时间的变化值如振动、加速度

7、等等。如振动、加速度等等。 接触测量接触测量非接触测量非接触测量举例说明：举例说明：请判断下面的检测属哪种检测方法？请判断下面的检测属哪种检测方法？1.1.接触测量或非接触测量？接触测量或非接触测量？2.2.静态测量或动态测量静态测量或动态测量? ?体温测量体温测量测量塔的倾角测量塔的倾角电动机转速测量电动机转速测量: :1.1.用测速发电机用测速发电机? ? 2. 2.用光电检测法用光电检测法? ?烟雾报警烟雾报警红外测温红外测温汽车速度测量汽车速度测量 测量的目的在于寻求被测量的真值。测量的目的在于寻求被测量的真值。 设设 、代表各次的观测值，代表各次的观测值，n n为测为测量次数，则平均

8、值有如下几种：量次数，则平均值有如下几种：1x2xnx第二节第二节 真值和平均值真值和平均值在科学试验中，通常用平均值代替真值。在科学试验中，通常用平均值代替真值。nxnxxxniinx121nnGxxxx21nxxxxnu222211.1.算术平均值：算术平均值：2.2.几何平均值：几何平均值：3.3.均方根平均值：均方根平均值：常用来表示常用来表示测量真值测量真值 衡量检测装置性能的指标主要有精度，衡量检测装置性能的指标主要有精度，稳定性等等稳定性等等. .1.1.精度：精度：精密度精密度在相同条件下，对同一在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互这

9、些测量值之间的相互接近程度（离散程度）接近程度（离散程度）反映了随机反映了随机误差的大小误差的大小第三节第三节 检测装置的基本性能检测装置的基本性能准确度准确度 它表示测量仪器指它表示测量仪器指示值对真值的偏离示值对真值的偏离程度程度反映系统误反映系统误差的大小差的大小精确度精确度它是精密度和准确它是精密度和准确度的综合反映度的综合反映反映系统综反映系统综合误差的大小合误差的大小例：打靶结果评价：例：打靶结果评价：精密度高精密度高准确度差准确度差精密度高精密度高准确度好准确度好精密度低精密度低准确度差准确度差2.2.稳定性：稳定性：测值随时间的变化程度测值随时间的变化程度在一定条件下，保持输在

10、一定条件下，保持输入信号不变，输出信号入信号不变，输出信号随时间而变化随时间而变化时间时间t t延长延长灵敏度下降灵敏度下降零点漂移：零点漂移： 灵敏度变化：灵敏度变化：灵敏度的衰减反映使用的寿命指标！灵敏度的衰减反映使用的寿命指标！对任何一个测量系统，在一定条对任何一个测量系统，在一定条件下，输出输入存在着一定的函件下，输出输入存在着一定的函数关系，即静态特性数关系，即静态特性)(xfy 输出量输出量输入量输入量一般形式有：一般形式有：nnxaxaxaay2210第四节第四节 测量系统的静态特性测量系统的静态特性1.1.灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度传感器或检测仪表在稳态传感器或检测仪表在稳态下输

11、出量的变化量下输出量的变化量y y与与输入量的变化量输入量的变化量x x之比，之比，用用K K表示表示xyK 如果输入输出特性为线性的传感器或仪表，则如果输入输出特性为线性的传感器或仪表，则xyKnnxaxaxaay2210 对一般的非线性对一般的非线性输出灵敏度可近似认为输出灵敏度可近似认为: K: Ka a1 1例如：例如： 某铂丝热敏传感器某铂丝热敏传感器1.1.在小测量温度范围内，其阻值与温度可近似在小测量温度范围内，其阻值与温度可近似 看作线性关系，有看作线性关系，有 R RR R0 0(1+(1+ t tT)T)R RT T0 00 0C C时的阻值时的阻值温度系数温度系数灵敏度为

12、：灵敏度为：K KdR/dT=RdR/dT=R0 0 t t2.2.将此铂丝构成电桥进行温度测量，输出电压将此铂丝构成电桥进行温度测量，输出电压 信号与温度的关系呈非线性关系，有信号与温度的关系呈非线性关系，有 U=aU=a0 0+a+a1 1T-aT-a2 2T T2 2a a1 1、a a2 2、a a3 3是常数。是常数。U UT T灵敏度为：灵敏度为：K=aK=a1 12. 2. 分辨率分辨率分辨率分辨率灵敏度阈值，引起输出量灵敏度阈值，引起输出量产生微小变化所需的最小产生微小变化所需的最小输入量的变化量输入量的变化量1 1。对数字显示的测量系统，分辨率是数字显。对数字显示的测量系统，

13、分辨率是数字显 示的最后一位所代表的量度。示的最后一位所代表的量度。2 2。对指针式测量仪表，分辨率与人们的观察能。对指针式测量仪表，分辨率与人们的观察能 力和仪表的灵敏度有关。力和仪表的灵敏度有关。举例说明：举例说明：1.1.数字天平数字天平2.2.指针式称重计指针式称重计天平的分辨率是多少天平的分辨率是多少? ?0.01g0.01g 人们所能观察的指针偏移量为人们所能观察的指针偏移量为0.3mm0.3mm。设称重计的灵敏度设称重计的灵敏度S S10mm/Kg10mm/Kg分辨率分辨率 x/S=0.3/10=0.03Kgx/S=0.3/10=0.03Kg3. 3. 线性度线性度线性度线性度检

14、测输入输出特性对理想线性输检测输入输出特性对理想线性输入输出特性的近似程度。入输出特性的近似程度。用实测输入输出特性与理想输入用实测输入输出特性与理想输入输出特性的最大偏差对量程之比输出特性的最大偏差对量程之比的百分数表示。的百分数表示。 maxmax0 0A A输出输出输入输入100100线性度线性度= =%100Amax最大偏差最大偏差量程量程1.1.某一天平压力传感检测装置某一天平压力传感检测装置, ,测量量程为测量量程为1000g1000g， 实测输入输出特性与理想输入输出特性的最实测输入输出特性与理想输入输出特性的最 大偏差为大偏差为5g5g，其线性度为：，其线性度为： =5/100

15、0=0.5%=5/1000=0.5%线性度线性度 也叫也叫“非线性误差非线性误差”2.2.某超声波测距传感装置，检测范围为某超声波测距传感装置，检测范围为0 0500m500m， 在整个测量范围内，与理想线性输出的最大误差在整个测量范围内，与理想线性输出的最大误差 为为3m3m，其非线性误差为：，其非线性误差为： =3/500=0.6%=3/500=0.6%举例说明：举例说明：4.4.迟滞（滞环）迟滞（滞环）滞环滞环 说明测量系统正向（输入量说明测量系统正向（输入量增大）和反向（输入量减小）增大）和反向（输入量减小）特性不一致的程度特性不一致的程度最大滞环误差率：最大滞环误差率：%100Amm

16、E输出输出输入输入0 0A A100100 m m5.5.重复性重复性 在同样的工作条件下，输入按在同样的工作条件下，输入按同一方向作全量程多次（三次以同一方向作全量程多次（三次以上）往复变化时，测量系统刻度上）往复变化时，测量系统刻度特性曲线的一致性特性曲线的一致性%100Amm输出输出输入输入0 0A A100100 m m动态特性是描述系统输入输出与时间的关系。动态特性是描述系统输入输出与时间的关系。动态特性常用微分方程表示。动态特性常用微分方程表示。检测系统的动态特性又称检测系统的动态特性又称“动态响应动态响应”。 分析检测系统的动态特性常用时域分析方法，分析检测系统的动态特性常用时域

17、分析方法，如用传递函数进行分析。通常取输入信号为阶如用传递函数进行分析。通常取输入信号为阶跃信号，分析输出的响应。跃信号，分析输出的响应。第五节第五节 测量系统的动态特性测量系统的动态特性1.1.一阶检测系统一阶检测系统 一阶检测系统又称惯性系统，它的运动方程一阶检测系统又称惯性系统，它的运动方程是：是：KxKydtdyfy y输出量输出量x x输入量输入量f f阻尼系数阻尼系数K K常数常数( (动力学的刚度动力学的刚度 系数系数) )检测系统的传递函数为：检测系统的传递函数为：1111)(TssKfsWT=f/KT=f/K称为时间常数称为时间常数表示检测系统的滞后表示检测系统的滞后程度。程度。 一阶检测系统在阶跃输入下的响应特性一阶检测系统在阶跃输入下的响应特性: :Tteyyy00y y0 0Y Yt t0 0T T响应时间响应时间 输出达到稳态值的输出达到稳态值的90%90%或或95%95%所需的时间所需的时间. .时间常数时间常数T T反映反映响应的快慢响应的快慢. .2.2.二阶检测系统二阶检测系统二阶检测系统又称振荡系统，它的运动