第一章检测技术的基础知识

检测技术及应用凌振宝lingzhenbao@lingzhenbao@主要内容第一章

检测技术的基础知识§1-1

检测技术的含义、作用和地位§1-2

检测误差理论§1-3检测技术的发展方向第二章

检测技术及方法分析§2-1

检测方法及其基本概念§2-2

检测系统模型与结构分析§2-3

提高检测精度的方法§2-4

多元化检测技术主要内容

第三章

过程参数检测技术§3-1

压力的检测§3-2

物位的检测§3-3

温度的检测§3-4

流量的检测§3-5

物质成分的检测§3-6

机械量的检测第四章

无损检测技术§4-1

超声波检测§4-2

涡流检测§4-3

渗透检测§4-4

无损检测新技术主要内容第五章

检测系统抗干扰技术§5-1

干扰的分类§5-2

干扰的引入§5-3

干扰的抑制方法第六章

弱信号检测原理§6-1

弱信号的基本概念§6-2

频域的窄带化检测原理§6-3

时域的取样平均检测原理§6-4

弱信号检测仪器第七章

检测技术的应用实例第一章检测技术的基本知识在信息流的整个传递过程中，信息获取是信息流的源头，检测技术及系统是科学研究与技术进步的“耳目”和“先行官”。检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施。随着人类社会进入信息时代，以信息的获取、转换、显示和处理为主要内容的检测技术已经发展成为—门完整的技术学科，在促进生产发展和科技进步的广阔领域内发挥着重要作用。第一节检测技术的含义、作用和地位一、检测的基本概念1、检测与测量：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技术：检测过程：测量+信号检出（极为重要）信息提取、信号转换存储与传输、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）：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、质谱分析等检测是意义更为广泛的测量---综合性技术3、测量单位被测量基准量避免混乱----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）（科学家）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三、检测系统的组成

一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。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）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智能电子警察监测系统号图像分辨率700x560真彩色16MbitCCD镜头最低照度<0.4lux镜头分辨率>560线焦距12～48mm记录模式3张/每车存储图像容量>14000张电源功率<250W供电电压220VAC50Hz车型类别5种超速检测10-200公里/小时技术指标四、非电学量电测法的特点1）能够连续、自动地对被测量进行测量和记录。2）电子装置精度高、频率响应好。不仅能适用于静态测量，选用适当的传感器和记录装置还可以进行动态测量甚至瞬态测量。3）电信号可以远距离传输，便于实现远距离测量和集中控制。4）电子测量装置能方便地改变量程，因此测量的范围广。5）可以方便地与计算机相联，进行数据的自动运算、分析和处理。第二节误差理论与数据处理一、测量误差的基本理论1、测量误差的定义：测量误差=测得值-真值客观真实值（未知）1m=1650763.73实验结果---实验数据---与其理论期望值不完全相同

①约定真值：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值③相对真值：标准仪器的测得值或用来作为测量标准用的标准器的值如：米---公制长度基准---

氪-86的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长测量所得数据与其相应的真值之差---1）绝对误差x=x–x0②理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值光在真空中1s时间内传播距离的1/2997924852）相对误差测量的绝对误差与被测量的真值之比绝对误差很小定义：表示：百分数（%）---分子分母量纲相同相对误差=100%绝对误差真值

=100%xx0相对误差=100%绝对误差测得值

=100%xx例：质量G1=50g，误差1=2g；质量G2=2kg，误差2=50g

1=100%=100%=4%1G1G1的相对误差为250

2=100%=100%=2.5%G2G2的相对误差为5020002---G2的测量效果较好确切反映测量效果：被测量的大小不同---允许的测量误差不同被测量的量值小---允许的测量绝对误差也越小2、误差的特点普遍性---所有的测量数据都存在误差---不可避免的最高基准的测量传递手段（测量仪器/测量方法）---不绝对准确长度：

①

“米制”建议（18世纪末法国科学院）

---

“米”定义（1791年法国国会）

---通过巴黎的地球子午线长度的四千分之一---铂杆“档案尺”（1799年）---两端之间的距离---第一个实物基准

“档案尺”变形---较大误差---废弃（1872年米制国际会议）②铂铱合金的X形尺---米原器（1889年第一次国际计量大会）---中性面上两端的二条刻线在0C时的长度---（1~2）10-7（复现精度）③自然基准（1960年第十一次国际计量大会）---废弃米原器---Kr-86的2p10-5d5能级间跃迁在真空中的辐射波长的1650763.73倍。---（0.5~1）10-8（复现精度）④

“米”新定义（1983年第十七届国际计量大会）---光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485---1.310-10（复现精度）①减小误差的影响，提高测量精度测量精度---测量技术水平的主要标志之一精度提高受到限制---测量误差的影响作出评定②对测量结果的可靠性给出评定（精确度的估计）与检测系统的组成和各组成环节有关3、误差原因性质、状态、条件以及被测量的种类、状态③检测系统各环节所使用的材料性能和制造技术引起的误差⑤检测系统各环节动力源的变化引起的误差⑥检测系统器件特性变化引起的误差---偏离设定值⑦检测环境引起的误差⑧检测方法误差⑨检测人员造成的误差①由被测对象本身引起的误差②

因检测理论的假定产生的误差实际情况与假定情况不符④组成检测系统各环节的传递特性方面产生的误差人员视觉、读数误差、经验、熟练程度、精神方面原因（疲劳）环境条件（温度、湿度、气压等）差异器件的性能电流、电压、气压、液压等检测方法、采样方法、测量重复次数、取样时间方法误差4、误差分类按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差①系统误差（Systemerror）由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生按掌握程度：已知误差、未知误差按特性规律：系统误差、随机误差、粗大误差---有规律可循装置、环境、动力源变化、人为因素再现性---偏差（Deviation）理论分析/实验验证---原因和规律---减少/消除②随机误差（Randomerror）因许多不确定性因素而随机发生偶然性（不明确、无规律）概率和统计性处理（无法消除/修正）③粗大误差（Abnormal

error）检测系统各组成环节发生异常和故障等引起异常误差---混为系统误差和偶然误差---测量结果失去意义分离---防止按变化速度：静态误差、动态误差5、检测精度---检测系统的基本内容不同场合---检测精度要求不同例：服装裁剪（身长/胸围）---半厘米；发动机活塞直径---微米级精度高---系统复杂---造价高---系统误差大小的反映坐标原点---真值点的位置按误差原因：点---多次测量结果①正确度：表征测量结果接近真值的程度②精密度：反映测量结果的分散程度（针对重复测量而言）---表示随机误差的大小③准确度：表征测量结果与真值之间的一致程度---系统误差和随机误差的综合反映例：6、确定测量误差的方法1）逐项分析法与被测对象有关的专业知识---物理过程、数学手段对测量中可能产生的误差进行分析、逐项计算出其值，并对其中主要项目按照误差性质的不同，用不同的方法综合成总的测量误差极限最严重情况---结果和实际差别---误差极限偏大2）实验统计法综合使用，互相补充、相互验证利用实际测量数据估算---反映各种因素的实际综合作用反映出各种误差成分在总误差中所占的比重---产生误差的主要原因---减小误差应主要采取的措施应用数理统计的方法对在实际条件下所获得的测量数据进行分析处理，确定其最可靠的测量结果和估算其测量误差的极限适用：①一般测量适用：①拟定测量方案②研究新的测量方法、设计新的测量装置和系统②对测量方法和测量仪器的实际精度进行估算和校验1、系统误差的消除②测量方法---避免出现系统误差---防止系统误差出现的最基本办法数据处理---被测量的估计值---可信程度（评定）①找出规律---修正值2）引入修正值进行校正3）检测方法上消除或减小---现有仪器设备取得更好的效果（提高测量准确度）1）分析系统误差产生的原因二、数据处理的一般方法---已出现的系统误差理论分析/专门的实验研究---系统误差的具体数值和变化规律---确定修正值（温度、湿度、频率修正等）测量前---对可能产生的误差因素进行分析，采取相应措施---修正表格、修正曲线、修正公式---按规律校正---实际测量中，采取有效的测量方法②抵消法例：等臂天平称重---左右两臂长的微小差别---恒值系统误差引起系统误差的条件（如被测量的位置）相互交换---其他条件不变①换位法/替代法---产生系统误差的因素对测量结果起相反的作用---抵消a）X与P左右交换---两次测量的平均值---消除系统误差被测物---X；平衡物---T；砝码---P改变测量条件（如方向）---两次测量结果的误差符号相反---平均值消除带有间隙特性的定值系统误差例：千分尺---空行程（刻度变化，量杆不动）---系统误差---异号相消法b）T与X平衡测量结果P与T平衡已知量替换被测量正反两个方向对准标志线顺时针---逆时针---正确值---换位/替代法不含系统误差－a，空程引起误差－③差动法被测量对传感器起差动作用干扰因素起相同作用---被测量的作用相加---干扰的作用相减抑制干扰提高灵敏度和线性度作用：④比值补偿法利用比值补偿原理---影响因素在输出计算式的分子、分母上同时出现---约消例：比色高温计---消除辐射率变化的影响⑤半周期偶数观测法

---系统误差随某因素成周期性变化综合：两次测量所得的周期系统误差---数值相等、正负相反---取平均值

自动检测---检测的时间间隔为½周期（克服随时间周期变化因素的影响）有影响的因素---定值/较窄范围---误差稳定---修正值测量---½变化周期传感器信号转换---选频放大器、滤波器、滤色片---截断/删除无用频带（只让有用信号频带通过）

---减轻校正、补偿难度措施---恒温、稳压或稳频1）判别方法①物理判别法---人为因素（读错、记录错、操作错）②统计判别法---整个测量完毕之后2、粗大误差的减少办法和剔除准则2）剔除准则

①拉依达准则（3

准则）

②肖维勒准则③格拉布斯准则显然与事实不符---歪曲测量结果---主观避免---剔除（发现）---测量过程中---不符合实验条件/环境突变（突然振动、电磁干扰等）统计方法处理数据---超过误差限---判为坏值---剔除随机误差在一定的置信概率下的确定置信限测量值Xd

的剩余误差的绝对值|Pd|>3---坏值---剔除

测量值Xd

的剩余误差的绝对值|Pd|>n---坏值---剔除

n---肖维勒系数（查表确定）测量值Xd

的剩余误差的绝对值|Pd|>(,n)

---坏值---剔除

(,n)

---查表确定计算算术平均值x剩余误差均方误差

剔除坏值---随时发现，随时剔除---重新测量

3、随机误差的分析处理---统计方法正态分布（高斯分布）---大多数；其它---正弦分布、二次分布、卡方分布、指数分布、分布、

分布等1）分布：均匀分布---量化误差、舍入误差；N次测量结果---xi(i=1,2,…,N)

概率密度函数概率分布函数误差=x-x0均方根误差/标准误差①对称性2）特点:②

有界性③

抵偿性④

单峰性---可正可负---绝对值相等的正负误差出现的机会相等

P()-曲线对称于纵轴---绝对值不会超过一定的范围（一定的测量条件下）绝对值很大的误差几乎不出现---测量次数n∞时（相同条件下）全体随机函数的代数和---绝对值小的误差出现的机会多（概率密度大）

=0处随机误差概率密度有最大值数学期望（Expectation）

---真值x0标准偏差（Standarddeviation）

---测量精密度的标志3）特征量：-KKh---

精密度指数数学期望---标准偏差样本平均---随机变量---数学期望、标准偏差

---估计值s样本平均x的标准偏差

---单次测量标准偏差的真值x0x估计样本中各测量数据相对样本平均的分散程度---样本标准偏差s---总体标准偏差的无偏估计算术平均（Meanvalue）样本平均---的无偏估计总体期望：无限次测量（不可能实现）---有限次测量代替估计（Estimation)---有限次样本推测总体参数---估计值（^）同一被测量n次测量xi（i=1，2，…，n）---样本真值x---可靠---多次测量提高精密度4、误差综合1）系统误差的合成①已定系统误差---大小和正负已知2）随机误差的合成②

间接测量随机误差的合成②未定系统误差---难以知道或不能确切掌握大小和正负---极限范围e---代数和---校正消除---不确定度代数相加法、方和根法、广义方和根法①间接测量平均值的计算xi（i=1,2,…,m）---直接测量量y---间接测量量y=f（x1，x2，…，xm）---xi的单值函数y=f（x1，x2，…，xm）---各直接测量量互不相关③不等精密度测量“权”---比重的大小（信赖度高---比重大）加权算术平均值加权算术平均值的均方根误差均方根误差剩余误差5、测量结果的表示方法①多次测量结果的表示测量结果=样本平均值不确定度②单次测量结果的表示--消除系统误差、剔除粗大误差随机误差数据处理

---被测量真值的取值范围（概率）不确定度（Uncertainty）测量可以置信的限度---KK---置信系数（K=1,2,3等）直接测量概率---置信概率正态分布68.27%95.45%99.73%事前误差分析、以往的同等条件、详尽条件下多次测量的统计结果、检测器具说明书中给出的误差限---标准偏差的估计值-KK6、数据的有效数字及舍入规则1）数据有效数字---位数：不确定度---一位到二位2）数字的舍入规则

如：测量结果l=4.2958mm，极限误差lim=0.015mm一般数据---按有效数字取舍数据的位数l=4.296mm---“四舍六入五凑双”加减运算---小数点后位数最少的数据一般数据精度数据（标准差、极限误差）数据：最末一位取与不确定度末位同一量级按书写数字---数据误差（半个单位以内）

如：2.38（0.005），0.082（0.0005

）---“只入不舍”如：极限误差0.220.3（一位有效数字）3）数字运算规则乘除运算---有效数字位数最少的数据4.286+1.32-0.4563=5.14975.15462.8×0.641.22=242.780332.4×1027、最小二乘原理及其应用1）最小二乘法原理2）回归分析

---数理统计方法---

目标变量与自变量

---函数关系相关关系---不能由自变量的数值精确的求得目标变量数据处理数学表达式n次重复测量（x1,x2,

…,xn

）最佳估计残差平方和最小---残差平方和最小应用：实验数据的处理、经验公式的求得、因素分析、产品质量控制、系统模型建立(x1,y1),(x2,y2),…,(xn

,yn)******数学模型：直线、抛物线、双曲线、幂函数实验数据：y=f(x)最小二乘法最佳函数关系式*xy拟和曲线残差残差平方和残差平方和最小或m+1个方程m+1个未知数（a0,a1,…,am）3）回归方程的方差分析与显著性检验y=f(x)一次函数---线性关系显著性检验---自变量和因变量之间的关系与实际是否相符方差分析---求解/预报因变量的值的精度如何总的离差平方和①方差分析n个测量值（y1,y2,

…,yn

）之间的差异---变差第i个测量值测量值的平均值回归直线精度---剩余方差①自变量x取值不同造成因变量y的变化②实验误差等因素的影响