第一章检测技术的基本概念

绪论章节导入：

在信息社会的一切活动中，从日常生活、生产活动到科学实验，时时处处离不开检测。现代化的检测手段在很大程度上决定了生产、科学技术的发展水平，而科学技术的发展又为检测技术提供了新的理论基础和制造工艺，同时对检测技术提出了更高要求。本章要点：1、检测与传感器基本概念以及检测系统的组成2、检测技术的应用3、学习任务及学习方法2/4/20231一、检测与传感器的概念检测：利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性与定量结果的过程。传感器：从广义的角度来说，检出感知信号器件和信号处理部分总称为传感器。

2/4/20232检测系统的基本组成：非电量或电量传感器电量信号处理电路显示器Uoiof数据处理装置执行机构1、传感器：(也可按其他形式分类，例如被测量）参量型传感器：输出量是电阻、电感、电容无源电参量，有电阻式、电感式、电容式传感器等。发电型传感器：输出量是电压、电流，有热电式、光电式、磁电式、压电式传感器等。2/4/202332、信号处理电路：包括放大或衰减电路、滤波电路、隔离电路等。放大电路把传感器输出电量变成具有一定驱动和传输能力的电压、电流或频率信号，以推动后级的显示器、数据处理装置及执行机构。3、显示器：目前有模拟显示、数字显示、图像显示、记录仪。2/4/202344、数据处理装置：对测试的数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果进行频谱分析、相关分析，借助计算机。5、执行机构：用电压、电流信号驱动继电器、电磁铁、电磁阀门、伺服电机等，起通断、控制、调节、保护等作用。2/4/20235二、传感器的应用

实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；化学领域中有浓度、成分、pH值等；工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量如B超、CT；工业领域的光泽、触觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的视觉、触觉等各种传感器。2/4/20236就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类。早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。

传统的传感器与检测系统只是完成从非电量到非电量或电量的转换。现今1、能够实现现代智能仪器仪表的自动测量，还能够完成过程控制的自动检测与控制。2、随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求。3、尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离测量。2/4/20237对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请看几个传感器应用实例:在本课程都要学习到。电子汽车衡计量测试超声波测流量红外测温2/4/20238传感器的应用医疗诊断B超与CT2/4/20239传感器的应用家用电器液化气烟雾报警器智能洗衣机遥控器2/4/202310传感器的应用

湿度测量纺织品精确的烟草烘干木材烘干芯片生产要求最高的湿度稳定性纸品湿度传感器2/4/202311三、检测技术的发展趋势

1、不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性：2、应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域例如图像识别、激光测距、红外测温、C型超声波无损探伤、放射性测厚、中子探测爆炸物。3、随着科学技术的不断发

展，检测技术继续往数字化、智能化、远程控制方向发展。

2/4/2023121、提高测量精度数字电压、欧姆表

将量程切换到2V时，最小显示值为1μV2/4/2023132、提高可靠性

2/4/2023143.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域月球车2/4/202315火星车3.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域2/4/202316“惠更斯”号登陆土卫六的效果图土卫六表面3.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域2/4/202317安全检查3.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域2/4/2023184.发展集成化、功能化的传感器

可拍照的手机2/4/2023195.采用计算机技术，使检测技术智能化

面部识别技术2/4/202320采用计算机技术，使检测技术智能化

智能机械手2/4/202321采用计算机技术，使检测技术智能化

单片机芯片2/4/202322

6.发展网络化传感器及检测系统

区域网与上位机2/4/202323模拟传感器放大电路A/D转换线性化处理微处理器标准接口脉冲输出控制门显示传感器在总体上呈现出多功能、微型化、数字化、集成化、智能化和网络化的发展趋势。将在第十三章检测系统的综合应用详细学习。

传感器的数字化和网络化结构2/4/202324三、本课程的任务和学习方法

任务：

在掌握测量基本原理逐一分析各种传感器是如何将非电量转换为电量相应的测量转换电路信号处理电路各种传感器在工业中的应用。学习方法：

学习《自动检测与转换技术课程》，涉及到《物理》、《电工基础》、《电子线路》等多方面知识，学习之前应有所准备。学习中在弄懂基本概念的同时，配合必要的实验、实习环节，理论联系实际。2/4/202325第一章检测技术的基本概念

章节导入：测量是检测技术的主要组成部分。现代社会要求测量必须达到更高的准确度，更小的误差，更快的速度，更高的可靠性。

本章要点：1、测量的基本概念、测量方法、误差分类、会进行测量结果的数据统计处理。2、传感器的基本特性，掌握传感器的静态特性。2/4/202326

第一节测量的基本概念及方法

一、测量的一般概念：测量是借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的认识过程。二、测量的方法被测量量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量。测量手段的不同，分为直接测量和间接测量。测量结果的显示方式不同，分为模拟式测量和数字式测量。测量时是否与被测对象接触，分为接触式测量和非接触式测量。在线测量：在生产流水线上监视产品质量，反之离线测量。2/4/202327静态测量：对缓慢变化的对象进行测量。

1、静态测量与动态测量2/4/202328动态测量：测量动态过程

电涡流传感器测转速

2/4/202329动态测量：便携式仪表

可以显示波形的手持示波器2/4/2023302、直接测量与间接测量

直接测量：用标定仪表直接读取被测量的测量结果。

电子卡尺2/4/202331间接测量：对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量。

测量金球的密度，先测出金球的重量，再测量出金球的直径，再计算出金球的体积，最后求出金球的密度。2/4/2023323、接触式测量和非接触式测量

接触测量2/4/202333非接触式测量不影响被测对象的运行工况例：红外测速2/4/2023344、在线测量和离线测量

在线测量在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。

2/4/202335离线测量：

产品质量检验2/4/202336根据测量的具体手段来分，分为偏位式、零位式、微差式

1、偏位式测量：被测量作用于仪表内部的比较装置。例如：弹簧秤测量物体质量。必须事先用标准量具对仪表刻度进行校正。容易产生灵敏度漂移和零点漂移。过程简单、快速。但精度不高。2/4/2023372、零位式测量：

被测量与仪表内部的标准量，系统达到平衡时，用已知标准量的值决定被测量的值。例如用天平测量物体的质量。

零位式测量的特点是精度高，但平衡复杂，多适用于缓慢信号的测量。2/4/2023383、微差式测量：

综合了偏位式速度快和零位式测量法精度高的优点。这种方法预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡，当测量有微小变化时，测量装置失去平衡，用偏位式仪表指示出其变化部分的数值。2/4/202339第二节测量误差及分类

一、绝对误差和相对误差1、绝对误差：Δ=Ax－Ａ0某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？绝对误差虽然都是0.5kg，但巧克力的相对误差最大。2/4/2023402、相对误差及精度等级

几个重要公式：示值相对误差满度相对误差准确度(精度)绝对误差Δ=Ax–Ａ02/4/2023413、仪表的准确度等级和基本误差表

等级0.10.20.51.01.52.55.0基本误差±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%举例：在正常情况下，用0.5级、量程为100℃温度表来测量温度时，可能产生的最大绝对误差为：Δm＝（±0.5%）×Am＝±（0.5%×100）℃＝±0.5℃2/4/202342例：某指针式万用表

的面板如图所示。

问：用它来测量直流、

交流电压时，可

能产生的满度相

对误差分别为多少？

解：直、交流电压的满

量程为500V，最大

满度误差为：

±5.0%×500=25V对相对误差以及仪表的精度等级进行练习2/4/202343例：用指针式万用表

的10V量程测量

一只1.5V干电池

的电压，示值如

图所示

问：选择该量程合理

吗？

结论：不合理。指针

应在满量程的

处。2/4/202344例：用2.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？

结论：10V大。2/4/202345例：某压力表准确度为2.5级，量程为0～1.5MPa，求：1）可能出现的最大满度相对误差m。2）可能出现的最大绝对误差m为多少kPa。3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差x。

解:1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即m＝±25%。

2）m＝mAm＝±25％１.5MPa＝±0.0375MPa＝±37.5kPa

结论：x的绝对值总是大于（在满度时等于）m2/4/202346例：现有准确度为0.5级的0～300℃的和准确度为1.0级的0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？解：计算用0.5级表以及1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为±1.88%和±1.25%。计算结果表明，用1.0级表比用0.5级表的示值相对误差的绝对值反而小，所以更合适。由上例得到的结论：在选用仪表时应兼顾准确度等级和量程，通常希望示值落在仪表满度值的2/3以上。2/4/202347二、误差产生的性质：

1.粗大误差

明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。

2/4/202348产生粗大误差的一个例子

雷电产生尖峰干扰

2/4/202349

在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。

2.系统误差夏天摆钟变慢的原因是什么？2/4/2023503.随机误差

测量结果与在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。也可以采用如下的表达：在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。

存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。2/4/202351

随机事件与随机误差有区别，随机事件并不一定符合正态分布规律。彩票摇奖属于随机事件

彩票摇奖随机误差的正态分布2/4/2023524.静态误差、动态误差

由心电图仪放大器带宽不够引起的动态误差

前面所述为静态误差，当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。

2/4/202353对测量结果的数据处理主要有两点要求：

一是得到最接近被测量的近似值

二是估计出测量结果的近似值的范围

1、随机误差的正态分布规律长度相对测量值三、对测量结果的数据处理：2/4/2023541）集中性：大量的测量值集中分布于算术平均值附近。随机误差的正态分布规律2）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。３）有界性：在一定的条件下，测量值有一定的分布范围，超过这个范围的可能性非常小，即出现绝对误差很大的情况很少。粗大误差的测量值应予以剔除。2/4/202355nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.982、测量结果的数据处理

例：用核辐射式测厚仪对钢板的厚度进行6次等精度测量，所得数据如下表（单位为mm），请指出哪几个数值为粗大误差？在剔除粗大误差后，用算术平均值公式求出钢板厚度。

2/4/202356解：5.99以及9.33为粗大误差，予以剔除，将剩余4

个测量值计算算术平均值：nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.982/4/2023573、误差的处理：

如果一个测量系统由若干个单元组成，将误差合成。（1）绝对值合成法（2）方均根合成法

x1n32y1y2y3yn－1yn…2/4/202358例：用核辐射钢板测厚仪测钢板厚度，已知PIN型γ射线二极管的测量误差为±5%，微电流放大器误差为±2%，指针表误差为±1%，求测量的总误差。

2）用绝对值合成法计算测量误差解：1）用方均根合成法结论：1、用方均根合成法估算测量的总误差较为合理2、不必提高显示仪表的精度，应提高误差最大的某个环节的测量精度。2/4/202359第三节传感器及基本特性

一、传感器的组成非电量或电量敏感元件非电量传感元件电参量测量转换电路电量敏感元件：传感器中直接感受被测量的元件，即被测量通过传感器的敏感元件转换成被测量有确定关系、更易于转换的非电量传感元件：将非电量转换成电量。测量转换电路：传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流、频率。2/4/2023601-弹簧管（敏感元件）2-电位器（传感元件、测量转换电路）3-电刷4-传动机构（齿轮、齿条）举例测量压力的电位式压力传感器

2/4/202361传感器的特性：一般指输入、输出特性。有静态、动态特性。本课程学习静态特性的有关指标。静态特性包括：灵敏度、分辨力、线性度、迟滞、稳定性、电磁兼容性、可靠性。二、传感器的特性2/4/2023621、灵敏度在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S=ΔY/ΔX对非线性传感器灵敏度为一变量：S=dy/dx灵敏度单位，mv/mmmv/℃yyxxΔYΔXS=ΔY/ΔXS=dy/dx2/4/202363分辨力：

指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。

分辨率：

将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。

2/4/2023643、线性度YXYiXi△LmaxY=kx+b线性度：又称非线性误差，处理的方法是：作图法、端基曲线法、最小二乘法，准确度依次升高，现多用计算机处理。△Lmax——最大非线性绝对误差YFS——满量程输出γ——线性度线性度是表征实际特性与拟合直线不吻合的参数2/4/2023654、迟滞

传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象称迟滞。正向曲线是在输入量x从零开始增大到满量程所得曲线，反向特性与之相反。磁滞会引起分辨力差，造成测量盲区，希望磁滞越小越好。yoxy1y2yFSHmax2/4/202366产生迟滞误差的原因：由于敏感元件材料的物理性质缺陷