第一章检测技术概论

检测技术与自动控制工程基础主讲人：李丽Telmail:82972254@新乡学院机电工程学院一、概述二、检测系统的组成三、信号及其分类四、检测系统的静态特性五、检测系统的动态特性第一章一、概述1、检测技术的作用信息化是科学技术发展的必然历史时代：手工化机械化自动化信息化生产方式：人与简单工具动力机与机械自动测量控制智能机械装置……4

人与机器的机能对应关系：一、概述1、检测技术的作用一、概述1、检测技术的作用信息流是客观世界的一个主流

物料流能流信息流客观世界一、概述1、检测技术的作用信息流组成信息流获取传输处理控制…信息获取是信息流的一环一、概述1、检测技术的作用

获取信息是仪器科学的基本任务仪器仪表是信息产业的重要组成部分仪器仪表是信息工业的源头一、概述1、检测技术的作用

检测仪器仪表的作用工业生产：倍增器科学研究：先行官军事：战斗力社会：物化法官工业生产：倍增器检测技术是带动国民经济增长的一个关键领域。在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66%工业生产：倍增器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….工业生产：倍增器工业生产：倍增器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….离线检测：零件参数、尺寸与形位公差、品质参数作用：现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%工业生产：倍增器检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）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制温度、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

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。

底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：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、图象等工业生产：倍增器检测技术在日常生活中的应用与日俱增

家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器科学研究：先行官诺贝尔奖获得者R.R.Ernst（瑞士恩斯特）说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展”俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的”近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达38人军事：战斗力1991年海湾战争精确制导炸弹和导弹占8%2003年伊拉克战争90%1994年美国防部建立自动测试系统执行局立体作战军事：战斗力检测技术在军事上的应用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激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，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。军事：战斗力美国国家导弹防御计划---NMD检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统

监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；

拦截器：能识别真假弹头，敌友方军事：战斗力检测技术在航天领域举足轻重飞行器测控---检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵

火箭测控---检测火箭状况、姿态、轨迹

军事：战斗力检测技术在航天领域举足轻重“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学…神州飞船：185台（套）仪器装置社会：物化法官检查产品质量、监测环境污染、查服违禁药物、识别指纹假钞、侦破刑事案件、教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、……涵盖吃穿用、农轻重、海陆空一、概述2、检测技术的基本概念被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：检测过程：定义：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、…）被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体……）检测器具：化学量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）……一、概述2、检测技术的基本概念例：空调机测量控制室温空气被测对象：被测信息：检测器具：操作过程：室内空气温度温度传感器---热电阻、热电偶热敏电阻电信号处理显示空调机一、概述3、检测方法的分类直接测量（绝对测量、相对测量）间接测量开环测量与闭环测量偏差法、零位法、微差法一、概述3、检测方法的分类直接测量（绝对测量、相对测量）、间接测量

直接测量：直接将被测量与标准量进行比较标准量标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、……）

绝对测量定值标准量（如某一固定尺寸）

相对测量一、概述3、检测方法的分类--绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：20.1mm--相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：简单、直观、明了；测量精度不高基准量：20.00mm测量值：+0.08mm结果：20.08mm特点：精度高；复杂、成本高、要求高直接测量（绝对测量、相对测量）、间接测量一、概述3、检测方法的分类

间接测量如测导线的导电率ρ：测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得直接测量（绝对测量、相对测量）、间接测量一、概述3、检测方法的分类开环测量、闭环测量开环测量：反馈测量：特点：简单、直观、明了；测量精度不高特点：精度高；复杂、成本高、要求高传感器输入量x输出量y传感器输入量x输出量y放大反馈传感器一、概述3、检测方法的分类偏差法、零位法、微差法偏差法：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微差法：偏差法和零位法的结合测量被测量余数被测量值与标准量大体平衡一、概述4、检测技术的发展趋势总的发展趋势式小型化、轻量化、测量放大一体化、非接触式、智能化。不断拓展测量范围和精度重视非接触式检测技术不断向智能化、微型化、网路化方向发展软测量技术随着科学技术的发展，对检测仪器和检测系统的性能要求，尤其是精度、测量范围、可靠性指标要求愈来愈高。目前，除了超高温、超低温度检测仍有待突破外，诸如混相流量检测、脉动流量检测，微差压(几十个帕)、超高压检测，高温高压下物质成分检测，分子量检测，高精度(0.02％以上)、大吨位重量检测等都是需要尽早攻克的检测课题。各行各业随着自动化程度不断提高，其高效率的生产更依赖于各种检测、控制设备的安全可靠。努力研制在复杂和恶劣测量环境下能满足用户所需精度要求且能长期稳定工作的各种高可靠性检测仪器和检测系统将是检测技术的一个长期方向。一、概述4、检测技术的发展趋势不断拓展测量范围和精度重视非接触式检测技术不断向智能化、微型化、网路化方向发展软测量技术接触式检测方法比较直接、可靠，测量精度较高；但在某些情况下，因传感器加入会对被测对象的工作状态产生干扰，而影响测量的精度；在有些被测对象上，根本不不允许或不可能安装传感器，因此，各种可行的非接触式检测技术的研究愈来愈受到重视，目前已商品化的光电式传感器、电涡流式传感器、超声波检测仪表、核辐射检测仪表等正是因此不断发展起来的。非接触式（传感器）检测仪器存在易受外界干扰及绝对精度较低等问题。

一、概述4、检测技术的发展趋势不断拓展测量范围和精度重视非接触式检测技术不断向智能化、微型化、网路化方向发展软测量技术目前已有不少传感器实现了敏感元件与信号调理电路的集成和一体化，对外直接输出标准的4～20mA电流信号；成为名符其实的变送器，对检测仪器整机研发与系统集成提供了很大的方便。一些厂商把两种或两种以上的敏感元件集成于一体，而成为可实现多种功能新型组合式传感器。由于大规模集成电路的成本和价格不断降低，功能和集成度不断提高，许多现代检测仪器（系统）实现了智能化，具有系统故障自测、自诊断、自调零、自校准、自选量程、自动测试和自动分选功能、自校正功能、强大数据处理和统计功能、远距离数据通信和输入、输出功能，可配置各种数字通讯接口，传递检测数据和各种操作,命令等，可方便地接入不同规模的自动检测、控制与管理信息网络系统。与传统检测系统相比智能化的现代检测系统具有更高的精度和性能/价格比。一、概述4、检测技术的发展趋势不断拓展测量范围和精度重视非接触式检测技术不断向智能化、微型化、网路化方向发展软测量技术主要由辅助变量的选择、数据采集与处理、软测量模型几部分组成。基本思想是把自动控制理论与生产过程知识有机的结合起来，应用计算机技术对难以测量或者暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断或者估计，以软件来替代硬件的功能。应用软测量技术实现元素组分含量的在线检测不但经济可靠，且动态响应迅速、可连续给出萃取过程中元素组分含量,易于达到对产品质量的控制。二、检测系统的组成接口总线存储显示分析监控判断决策一般构成：信号检出┇信号检出信号检出信号转换信号转换信号转换处理显示处理显示处理显示信号检出：功能---将被测信号的转换为电信号的变化（detection）器件---传感器（sensor,transducer）信号转换：功能---将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（conversion）器件---信号调理电路（signalconditioningcircuit）处理显示：功能---分析（analysis）、处理（processing）、显示（display）通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、······)其它环节：存储、监控、决策二、检测系统的组成力位移速度加速度压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥放大器滤波器调制器解调器运算器阻抗变换器笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器频谱分析仪FFT实时信号分析仪电子计算机被测对象

传感器中间变换测量装置

显示及记录装置

实验结果处理装置

激发装置

三、信号及其分类1、信号的分类：信号，一般指为了传递信息而使用的量。包括自然界中的各种物理量及人工设定的各种信号。三、信号及其分类1、信号的分类：确定性信号：确定函数x(t)或表格表示

周期信号:x（t）=x(t+nT０)（n=1,2,3,…….）三、信号及其分类1、信号的分类：确定性信号：确定函数x(t)或表格表示

非周期信号：准周期信号，例：瞬变非周期信号:信号：简单周期信号复杂周期信号瞬态信号瞬态信号:持续时间有限的信号，如三、信号及其分类1、信号的分类：随机信号：无法用x(t)描述，不能准确预测其未来瞬时值，但具某些统计特性，用概率统计方法由过去估计未来。噪声信号(平稳)噪声信号(非平稳)统计特性变异三、信号及其分类1、信号的分类：连续信号：独立变量取值连续，幅值可以连续也可以离散离散信号：独立变量取值离散

幅值连续幅值不连续采样信号三、信号及其分类1、信号的分类：模拟信号：独立变量和幅值均连续数字信号：若离散信号的幅值也是离散开关信号：两种状态或两个数值范围表示不连续信号幅值连续采样信号三、信号及其分类1、信号的分类：能量信号：例：矩形脉冲信号，衰减指数信号功率信号：例：单自由度振动系统作无阻尼自由振动

三、信号及其分类2、常见信号类型：位移信号：直线位移和角位移，属于机械信号。压力信号：气压信号和液压信号。电气信号：电压信号、电流信号、阻抗信号和频率信号。光信号：光通量信号、干涉条纹信号、衍射条纹信号、莫尔条纹信号等。三、信号及其分类3、信号的时域描述和频域描述为什么要对信号进行频域描述？信号的时域与频域描述是否包含同样的信息量？

时域描述：以时间为独立变量

，反映信号幅值—时间变化的，不能提示信号的频率组成频域描述：信号的频率组成及其幅值相角之大小

揭示：幅值——频率，

相位——频率

幅频谱相频谱三、信号及其分类4、信号的标准化要做到通用性和相互兼容，必须统一仪表之间的信号制。无论模拟信号和数字信号都应标准化。模拟信号的标准化数字信号的模拟化三、信号及其分类4、信号的标准化模拟信号的标准化模拟气动信号20KPa～100KPa模拟直流电流信号0～10mA或4～20mA直流电流信号的优点：（1）直流比交流干扰小（指对附近仪表的干扰）（2）直流对负载要求简单，无须考虑负载的容抗和感抗。（3）电流信号比电压信号更利于远距离传输。恒流源内阻无穷大，恒压源内阻无穷小。（4）直流信号容易获得基准电压。因此，世界各国都以直流电流和直流电压作为统一信号。

三、信号及其分类4、信号的标准化数字信号的标准化安装在生产现场的仪表和控制室内的仪表或装置之间的数字式串行通信链路，称为现场总线。现场总线是数字通信系统里最低的一级，也是最基本的一级。现场总线从现场各类变送器或传感器取得信息，并通过控制器（DCS）向现场执行器传送控制指令或直接（FCS）向执行器传送控制指令。三、信号及其分类4、信号的标准化数字信号的标准化现场总线的关键技术是通信协议。在发展初期，各大自动化集团各自推出自己的现场总线，其类型达40种之多。为了用户便于使用，达到各总线之间互联的目的，就必须实行大家都遵守的国际标准，以实现开放、兼容、互操作的目的。国际IEC／TC65标准化组织，为了统一现场总线通信协议，在十多年的工作中，通过争论与妥协，于1999年12月底，各委员国家投票表决，通过了8种总线标准的折中方案，并于2000年1月4日，由IEC中央办公室公布了投票结果。

三、信号及其分类4、信号的标准化数字信号的标准化这8种总线标准的类型是：FF-H1（现场总线基金会）；CONTROLNET(美国ROCKWEIL公司)；PROFIBUS(德国西门子公司)；P-NET(丹麦PROCESSDATA公司)；FF-HSE(FISHER-ROSEMOUNT公司)；SWIFTNET(美国波音公司)；WORLDFIP(法国ALSTOM公司)；INTERBUS(德国PHOENIXCONTACT公司)。这些现场总线类型中适合过程自动化的有三种，即FF、PROFIBUS和WORLDFIP。因各种现场总线标准互不兼容，很难实现互操作。故在4～20mA向现场总线过渡时期，还需要采用HART协议，HART也称为准现场总线协议。

三、信号及其分类4、信号的标准化数字信号的标准化数字信号传送时要求传输线的频带很宽，在长距离通信时，其频带往往不能满足要求（频率较高的分量被衰减），即产生信号的畸变，而且数据通信速率越高信号的畸变越严重。为避免信号的畸变，通常采用调制/解调的办法，即将数字信号调制为模拟信号，再用电话线（双绞线）进行传送的。三、信号及其分类4、信号的标准化信号的调制，将数字信号调制为模拟信号有三种方式：四、检测系统的静态特性1、静态模型静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态时的输入输出关系。检测系统输入量x输出量y理想状态：实际状态：a---零点输出b---理论灵敏度线性关系非线性关系xyaO四、检测系统的静态特性1、静态模型静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态时的输入输出关系。非线性原因：(结构原理性原因除外)误差因素检测系统输入x输入y=f(x)温度湿度压力冲击振动磁场电场摩擦间隙松动迟滞蠕变变形老化外界干扰四、检测系统的静态特性1、静态模型静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态时的输入输出关系。非线性对检测的不利之处：标定困难；非线性误差是系统合成误差中比重较大部分，有些非线性误差是无法补偿的；对于动态系统，还必然产生失真；限制了测量范围。实际上，任何检测系统的输入输出关系都不是一条标准的直线。在使用时，都需要用直线来近似，如果误差在容许范围之内的话。如果非线性误差太大，超出了容许范围，要么更换测量方法，要么进行非线性补偿。四、检测系统的静态特性2、静态特性指标线性度回程误差分辨力重复性灵敏度精度四、检测系统的静态特性2、静态特性指标线性度检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度相对误差输出值与理想直线的最大偏差值理论满量程输出值理想直线：亦称非线性误差定义:表达:xyΔ拟合直线一般不存在或很难获得准确结果利用测量数据，通过计算获得四、检测系统的静态特性2、静态特性指标线性度获取拟合直线方法：(c)最小二乘法：计算：有n个测量数据:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)，(n>2)残差：i=yi–(a+b

xi)残差平方和最小：2i=min使得正负偏差相等(a)端点连线法：检测系统输入输出曲线的两端点连线特点：xyΔ算法：简单、方便，偏差大，与测量值有关(b)端点连线平移法：精度高，计算方法简单实用算法：特点：算法：特点：精度高xyΔΔ理论拟合；过零旋转拟合；最小包容拟合四、检测系统的静态特性2、静态特性指标回程误差（迟滞）检测系统在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度相对误差Hmax：正反行程输出值的最大偏差定义：亦称空程误差、滞后（由于机械部分）

算法：四、检测系统的静态特性2、静态特性指标分辨力能够检测出的被测量的最小变化量2、分辨率---是相对数值：定义：1、分辨力---是绝对数值，如0.01mm，0.1g，10ms说明：表征测量系统的分辨能力能检测的最小被测量的变换量相对于满量程的百分数，如：0.1%,0.02%3、阈值---在系统输入零点附近的分辨力四、检测系统的静态特性2、静态特性指标重复性同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度对同一被测量值：各次测量数值的偏差程度重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证测量数据的分散性重复性误差：随机误差标准差：大，则分散性大；反之亦然计算：贝塞尔公式yi---测量输出值，i=1,2,…,ny---输出值的平均值对不同被测数值：各次测量曲线的偏差程度四、检测系统的静态特性2、静态特性指标灵敏度测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比斜率：a.线性检测系统：灵敏度为常数；例：间隙式平板电容传感器定义：b.非线性检测系统：灵敏度为变数说明：(灵敏度系数)灵敏度双曲线、非线性四、检测系统的静态特性2、静态特性指标精度常用误差说明精度，及测量的不确定性量程：测试装置显示值的上下之差；测量范围：在容许的误差范围内，所能测量的被测量的范围；绝对误差；相对误差；真实值：我们永远没有办法知道某个被测量的真实值！只能以更高精度的仪表测出的值作为真实值来分析。引用误差（满量程相对误差）：反映一个检测装置的综合性能指标，检测仪表的分类标准。

四、检测系统的静态特性2、静态特性指标精度绝对误差相对误差满量程相对误差精度等级四、检测系统的静态特性2、静态特性指标精度一般而言，仪表精度等级G：0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，2.5，5.0。对应的最大引用误差分别是：0.1%，0.2%，0.5%…例题：某个0.5级的电压表出厂前的标定数据如下：试问，此表是否合格？显示值(V)0.002.004.006.008.0010.00真实值(V)0.011.984.015.978.059.99五、检测系统的动态特性1、动态模型动态特性：检测系统在被测量随时间变化的条件下输入输出关系。微分方程：

根据相应的物理定律（如牛顿、能量守恒、基尔霍夫电路定律等），用线性常系数微分方程表示系统的输入x与输出y关系ai、bj(i,j=0,1,…)：系统结构特性参数，常数，n>=m，n称为系统的阶次。常见为零阶、一阶、二阶系统。五、检测系统的动态特性1、动态模型零阶系统：例电位计、电子示波器一阶系统：例:无质量单自由度振动系统、无源积分电路、液柱式温度计五、检测系统的动态特性1、动态模型二阶系统：例：弹簧质量阻尼系统，RLC振荡电路，动圈式仪表五、检测系统的动态特性1、动态模型传递函数：利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的数学模型，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比：频率响应函数：将传递函数中的拉普拉斯算子S用jω

代替即可冲激与阶跃响应函数：见《信号与系统》五、检测系统的动态特性2、动态误差动态特性好的检测系统应具有很短的暂态响应和很宽的频率响应特性。实际检测系统中，输出信号总是存在动态误差：注：静态灵敏度S=1.动态误差可分为两部分：稳态误差和瞬态误差。五、检测系统的动态特性2、动态误差稳态误差指动态误差中只与系统特性参数有关而与时间无关的那一部分误差。即使时间趋于无穷大，稳态误差也依然存在。五、检测系统的动态特性2、动态误差瞬态误差指动态误差中与时间有关的那一部分误差。一般来说，当时间趋于无穷大时，瞬态误差趋于零。五、检测系统的动态特性3、动态特性过程：激励：暂态过程（输出量由一个稳态到另一个稳态的过渡过程）稳态过程（输出量达到稳定的状态）信号----正弦信号、阶跃信号、线性信号、脉冲信号五、检测系统的动态特性3、动态特性频率响应特性：输入：输出：频率响应特性输入量：输出量：频率响应函数：系统频率特性：稳态输出与输入幅值之比和两者相位差是输入频率的函数：幅--频、相—频正弦信号---一系列，频率不同，幅值相等正弦信号---观察：幅值、相位、频率(稳态)五、检测系统的动态特性3、动态特性典型的对数幅频特性曲线：理想幅频特性：相频特性：相频特性幅频特性幅频特性：频响范围：幅值比与频率关系0dB水平线（幅值不变）误差3dB对应的频率范围相位与频率的关系A(ω)：输出幅值与静态幅值比---系统的动态灵敏度（增益）五、检测系统的动态特性3、动态特性检测系统的阶跃响应特性：输入：阶跃信号输出：阶跃响应时间常数：上升时间Tr：响应时间Ts：超调量a1：衰减率：稳态误差ess：系统输出值上升到稳态值