检测技术的基本知识课件

第一章检测技术的基本知识第一节概述第二节测量方法第三节检测系统的基本特性第四节误差的概念第五节随机误差的处理方法第六节系统误差的消除方法

第一节概述自动检测技术是人们对被测对象进行定性和定量分析所采取的技术措施，包括信息的采集、转换、显示和处理等。自动检测技术又称为传感器技术，可认为是电子感官，可以收集各种信息，并转化为电信号，供信号处理电路使用。你在生活中用到了哪些检测技术？种类丰富、应用范围广。涉及到军事国防、工业生产、日常生活等各个领域。许许多多仪器设备都需要大量的传感器来提供环境信息，然后才能实现仪器的功能。我们身边的检测技术应用：感应灯、报警器（火灾、煤气、防盗等）、电视机、空调、电冰箱、手机、汽车……第一节概述第一节概述3、检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。4、检测技术的完善和发展推动着科学技术的进步。所有专业领域都离不开检测技术调节器执行器调节对象传感器被测量第一节概述检测系统的组成被测量传感器测量电路电源指示仪记录仪数据处理仪器传感器的作用：把被测量变换为与之有对应函数关系的并且便于测量的输出量（通常是电学量）。传感器的分类：按被测量性质分：机械量传感器、热工量传感器、化学量传感器、生物量传感器等；按输出量性质分：参量型传感器和发电型传感器。第一节概述第一节概述显示记录装置的作用：使人们了解检测数值的大小和变化的过程。模拟显示、数字显示和图像显示。指针式万用表、数字式万用表、地震仪第一节概述电测法的优点：能够连续、自动地对被测量进行测量和记录；既能实现静态测量也能实现动态测量；量程大；便于远传、联网实现集中控制。第一节概述检测技术的发展方向：新型、集成、智能集成方向包括同功能传感器集成化（点测量面测量）和不同功能传感器集成化（单一参数测量多参数测量）。习题1、2第一节概述第二节测量方法采取正确的测量方法可以提高自动控制系统的性能。第二节测量方法测量的概念：人们用实验的方法，借助一定的仪器或设备，将被测量与同性质的单位标准量进行比较，并确定被测量对标准量的倍数，从而获得关于被测量的定量信息。第二节测量方法常用分类方法有如下几种：按测量手续分类直接测量对仪表读数不需要运算。体温表间接测量对与被测量有函数关系的几个量进行测量，然后代入函数关系式，经过计算得到所需结果。干湿球湿度计如电阻的测量可采用直接测量也可采用间接测量第二节测量方法按测量值获取方式分类偏差式测量利用仪表指针在标尺上的偏差读取被测量的数值。简单、迅速、精度不高，用于工程测量零位式测量用标准量去平衡或抵消被测量天平、电位差计测量过程复杂、测量时间长、反应慢，用于变化缓慢的被测量的测量第二节测量方法第二节测量方法微差式测量综合了零位式测量和偏差式测量的优点反应速度快、测量精度高，适于在线检测mVERLRrRmRPR1E1稳压电源的输出电压随负载电阻变化的情况的测量电路首先RL取额定值，调节RP，使毫伏表指零，此时对应额定输出电压UO；然后改变RL的值，稳压电源输出电压的波动Δ

U可由毫伏表读出。第二节测量方法按测量仪表的测量途径分类接触式测量：测量仪表与被测对象相接触。如测量体温。非接触式测量：测量仪表与被测对象不接触。如红外测温。第二节测量方法按被测对象的变化特点分类静态测量：被测量不随时间明显变化动态测量：被测量随时间明显变化习题3第三节检测系统的基本特性灵敏度传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。S=dydx灵敏度越高，测量精度越高，但测量范围越窄，稳定性越差。习题4灵敏度实质是仪表输入-输出特性曲线的斜率，线性仪表的灵敏度是一个常数若检测系统由多个环节组成，各环节的灵敏度分别为S1、S2、S3，而且各环节以图1-5所示的串联方式相连，则整个系统的灵敏度为第三节检测系统的基本特性S=

S1S2S3作业：习题5线性度是以所参考的拟合直线为基准线算得的，所以采取不同的拟合直线就得到不同的线性度。理论线性度、端基线性度、最小二乘法线性度第三节检测系统的基本特性第三节检测系统的基本特性迟滞表明检测系统的正向（输入量增大）输入-输出特性曲线和反向（输入量减小）输入-输出特性曲线的不一致程度。ΔmYFSYFSΔmEt=x100%Δm的含义为正反向检测曲线的最大差值第三节检测系统的基本特性测量范围正常工作条件下仪表能够测量的被测量值的总范围。下限上限量程测量范围上限值与下限值的代数差。如某温度仪表的测量范围是-20℃

～+200℃，则量程是220℃。知道测量范围就知道了量程；但知道量程却无法推知测量范围。第三节检测系统的基本特性精度等级反映仪表测量精度的参数。将在下节中详细给出第三节检测系统的基本特性动态特性动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，其输出量随时间变化的曲线与被测量随时间变化的曲线一致或者相近。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下,都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为0℃环境中迅速插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计）,这时热电偶测量的介质温度从0突然上升到t,而热电偶反映出来的温度从0℃变化到t℃需要经历一段时间,即有一段过渡过程,如图所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。第三节检测系统的基本特性动态误差造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因,是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻,使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热电偶固有的,这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。第三节检测系统的基本特性例如响应时间合川马门溪龙体长22米，颈长9米，19个颈椎，而头部不足60厘米。第三节检测系统的基本特性第四节误差的概念测量误差的定义由于检测系统(仪表)不可能绝对精确，测量原理的局限、测量方法的不尽完善、环境因素和外界干扰的存在以及测量过程可能会影响被测对象的原有状态等，使得测量结果不能准确地反映被测量的真值而存在一定的偏差，这个偏差就是测量误差。即测量结果与被测量的真值之间的差叫测量误差任何测量都存在误差！第四节误差的概念误差来源测量工具、测量环境、测量方法和测量人员误差的分类按误差表示方法分类：绝对误差和相对误差按误差出现规律分类：系统误差、随机误差和粗大误差按被测量与时间的关系分类：静态误差和动态误差绝对误差仪表示值X与被测量真值X0之间的差值。第四节误差的概念δ=X-X0测量时利用修正值可消除误差的影响。修正值的获得：上级计量部门给出。绝对误差说明了系统示值偏离真值的大小，其值可正可负，具有和被测量相同的量纲单位。修正量定义真值计算：

某仪表测量10mm长度的绝对误差是0.001mm；另一仪表测量200mm长度的绝对误差是0.01mm。第四节误差的概念哪一个仪表的测量精度高？相对误差仪表示值的绝对误差δ与被测量真值X0的差值的百分数。第四节误差的概念r=δX0100%=X-X0X0100%r1=0.00110100%r2=0.01200100%=0.01%=0.005%上例引用误差仪表示值的绝对误差δ与仪表量程L的比值的百分数。第四节误差的概念r0=δL100%r0m=δmL100%最大引用误差规定最大引用误差的百分数数值为精度等级，我国电工仪表分为七级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0。在选用仪表时，要使被测量位于2/3到满量程之间。第四节误差的概念系统误差

在相同条件下，多次重复测量同一被测量时误差的大小和符号保持不变；或按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差。其误差值恒定不变的又称为恒值系统误差，其误差值变化的则称为变值系统误差。系统误差是由于仪表制造、仪表安装和使用方法不正确或测量人员的不良读数习惯造成的；是一种有规律的误差。可以通过实验的方法消除，也可以引入修正值修正。第四节误差的概念系统误差表明测量结果的正确度随机误差在相同条件下多次重复测量同一被测量时，测量误差的大小与符号均无规律变化，这类误差称为随机误差（偶然误差）。第四节误差的概念随机误差表现测量结果的分散性，服从统计规律。随着测量次数的增加，随机误差的算术平均值接近于零。用精密度表示随机误差的大小第四节误差的概念正确度高精密度低正确度低精密度高正确度高精密度高精确度是正确度和精密度的综合反映系统误差与随机误差的关系两者同时存在，对测量误差如何处理要视两者对测量结果影响孰重孰轻。第四节误差的概念粗大误差是指显然与事实不相符的误差，又称过失误差。由于粗心大意或操作不正确造成。应从测量数据中剔除。仔细操作，可以避免

第四节误差的概念习题6、7第五节随机误差的处理方法概率某一事件或现象出现的客观可能性大小必然事件客观的必然现象。概率为1不可能事件违反客观实际的不可能出现的现象。概率为0随机事件客观上可能出现，也可能不出现，而且不能预测的现象。概率在0～1。概率是研究随机事件的一个统计概念，是对大量重复实验的统计结果。第五节随机误差的处理方法n=150区间号1234567891011831832833834835836837838839840841-5-4-3-2-101234513818283429179210.662.005.3312.0018.6622.6619.3311.336.001.320.66测量区间中心值Xi/mm误差区间中心值δi/mm出现次数ni频率ni/n（%）频率直方图（统计直方图）第五节随机误差的处理方法-5-4-3-2-1012345n∞

正态分布曲线概率密度：f(δ)=limnin∞

nΔδ=1ndndδni/n（%）δiδf(δ)随机误差的特点对称性对称于纵轴有界性随机误差的绝对值不会超过一定范围抵偿性全体随机误差的代数和等于0单峰性δ=0处随机误差的概率密度最大第五节随机误差的处理方法δf(δ)当系统误差已经消除、随机误差服从正态分布时，由于正态分布的对称性，当测量次数趋于无穷大时，测得值的算术平均值将逼近真值。但在实际工程测量中，测量次数不可能无穷大，一般将有限次等精度重复测量的算术平均值作为被测量真值的估计值，即

第五节随机误差的处理方法增加测量次数n，可明显减小测量结果的标准偏差，提高测量的精密度。但随着n的增大，误差减小的程度愈来愈小，并且增加测量次数n不仅数据采集和数据处理的工作量迅速增加，而且因测量时间不断增大而使“等精度”的测量条件无法保持，产生新的误差。所以一般测量时取n=5〜10次即可。第五节随机误差的处理方法习题8系统误差的特点

系统误差的特点是测量误差具有规律性，一般可通过实验和分析研究确定其产生原因并消除。第六节系统误差的消除方法仪器误差：仪器不完善、老化；安装误差：仪器安装或使用不当；环境误差：使用条件与规定条件不符；方法误差：方法不当、理论不完善；操作误差：操作错误、观察位置不当；动态误差：振幅和相位误差。第六节系统误差的消除方法系统误差的来源针对产生系统误差的主要原因采取对应措施，对测量过程中可能产生的系统误差的环节作仔细分析，寻找产生系统误差的主要原因，并采取相应针对性措施是减小和消除系统误差最基本和最常用的方法。减小和消除系统误差的方法

第六节系统误差的消除方法一．交换法在测量中，保持其他条件不变，将引起系统误差的条件相互交换（如将天平上的被测物与砝码换位），使两次测量中可能产生的系统误差的因素起相反的作用，通过两次结果的平均值来消除系统误差。第六节系统误差的消除方法二．抵消法

在测量中，保持其他条件不变，改变某个测量条件（如一次向上测量，一次向下测量），使引起的系统误差符号相反，通过两次结果的平均值来消除系统误差。第六节系统误差的消除方法三．代替法

在测量条件不变的条件下，先用拟定的测量方案衡量被测物，使测量装置达到一定状态；再用测量装置去测量标准量具，使测量装置达到同样的状态，读取标准量具的数值就