检测技术基础课件

第一章检测技术概述一、检测的作用与意义二、检测的基本概念三、检测系统构成四、检测系统的静态特性五、检测系统的动态特性六、一般检测方法

4学时*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第一章检测技术概述一、检测的地位和作用1.

信息化是科学技术发展的必然……*

人与机器的机能对应关系：一、检测的地位和作用*2.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、检测的地位和作用*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、检测的地位和作用*

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、检测的地位和作用*3检测仪器仪表的作用一、检测的地位和作用

工业生产倍增器

科学研究先行官

社会物化法官

军事战斗力*一、检测的地位和作用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%*检测技术在工业生产领域的应用一、检测的地位和作用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….**一、检测技术的作用和地位检测技术在工业生产领域的应用离线检测：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%*检测技术在汽车中的应用日新月异一、检测技术的作用和地位发动机：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**检测技术在日常生活中的应用与日俱增一、检测技术的作用和地位

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*一、检测技术的作用和地位科学研究的先行官

诺贝尔奖获得者R.R.Ernst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*一、检测技术的作用和地位军事战斗力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*一、检测技术的作用和地位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。*美国国家导弹防御计划---NMD一、检测技术的作用和地位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*检测技术在航天领域举足轻重一、检测技术的作用和地位飞行器测控---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

*一、检测技术的作用和地位“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*一、检测技术的作用和地位“物化法官”

检查产品质量

监测环境污染

识别指纹假钞

查服违禁药物

侦破刑事案件*一、检测技术的作用和地位……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*定义：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：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作二、检测的基本概念信号采集、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、…）……*例：空调机测量控制室温二、检测的基本概念空气被测对象：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*三、检测系统的构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*检测系统构成力位移

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

*四、检测方法分类1.

直接测量（绝对测量、相对测量）间接测量2.

开环测量与闭环测量3.

偏差法、零位法、微差法*四、检测方法分类1、直接测量与间接测量

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*四、检测方法分类--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*四、检测方法分类

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*四、检测方法分类2、开环测量与闭环测量开环测量：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放大反响传感器*四、检测方法分类3、偏差法、零位法和微差法偏差法：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被偿测量被测量余数被偿测量大值与标准量大体平衡*四、检测方法分类思考：杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？*五、现代检测技术发展趋势智能化虚拟化网络化微型化软测量技术*****39误差定义、来源、分类、测量精度第二章误差理论与数据处理§2.2数据处理的一般方法算术平均法、最小二乘法、一元线性回归….§2.1测量误差的基本理论40基本理论§2.1.1测量误差的定义定义：Δx–

测量误差x–

测量结果x0

–

真值测量结果与其真值的差异真值：被测量的客观真实值理论真值：理论上存在、计算推导出来如：三角形内角和180°约定真值：国际上公认的最高基准值如：基准米(氪-86的能级跃迁在真空中的辐射波长)相对真值：利用高一等级精度的仪器或装置的测量结果作为近似真值1m=1650763.73λ标准仪器的测量标准差<1/3测量系统标准差→检定定性概念，定量表示41基本理论§2.1.2测量误差的来源(1)原理误差：测量原理和方法本身存在缺陷和偏差近似：如：非线性比较小时可以近似为线性假设：理论上成立、实际中不成立如：误差因素互不相关(2)装置误差：测量仪器、设备、装置导致的测量误差机械：零件材料性能变化、配合间隙变化、传动比变化、蠕变、空程电路：电源波动、元件老化、漂移、电气噪声(3)环境误差：测量环境、条件引起的测量误差空气温度、湿度，大气压力，振动，电磁场干扰，气流扰动，(4)使用误差：理论分析与实际情况差异方法：测量方法存在错误或不足如：采样频率低、测量基准错误读数误差、违规操作、42基本理论§2.1.3测量误差的性质与分类(1)随机误差(randomerror)正态分布性质：原因：装置误差、环境误差、使用误差处理：统计分析、计算处理→减小对称性有界性抵偿性单峰性绝对值相等的正负误差出现的次数相等绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多偶然误差绝对值不会超过一定程度当测量次数足够多时，偶然误差算术平均值趋于043基本理论§2.1.3测量误差的性质与分类(2)系统误差(systemerror)

：性质：有规律，可再现，可以预测原因：原理误差、方法误差、环境误差、使用误差处理：理论分析、实验验证→修正(3)粗大误差(abnormalerror)

：性质：偶然出现，误差很大，异常数据，与有用数据混在一起原因：装置误差、使用误差处理：判断、剔除44基本理论§2.1.4测量精度精度：测量结果与真值吻合程度定性概念测量精度举例不精密（随机误差大）准确（系统误差小）

精密（随机误差小）不准确（系统误差大）不精密（随机误差大）不准确（系统误差大）精密（随机误差小）准确（系统误差小）45基本理论精密度：(precision)表述：概念：重复测量时，测量结果的分散性准确度：表述：精确度：(正确度)测量结果与真值的接近程度，系统误差的影响程度性质：随机误差的标准差(standarddeviation)性质：系统误差和随机误差综合影响程度平均值与真值的偏差(deviation)表述：不确定度(uncertainty)工程表示：引用误差，最大允许误差相对于仪表测量范围地百分数0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七级46数据处理§2.2.1算术平均值法表述：x1,x2,…xn---测量数据原理：多次重复测量时，取全部测量数据的算术平均值为测量结果剩余误差偶然误差性质：（1）剩余误差的代数和等于零，即算术平均值法可以滤除或减小偶然误差（2）剩余误差的平方和为最小最小二乘法基础47数据处理标准误差用偶然误差表示:用剩余误差表示:Bessel公式48数据处理算术平均值的标准误差：分组重复多次测量，以每组算术平均值作为处理数据49数据处理§2.2.2异常数据剔除准则：说明：(1)测量误差为随机变量，且符合正态分布(2)真值必然处于一个有限的范围测量数据与算术平均值的偏差大于标准差的3倍原理：当测量结果超出正常范围时，给与剔除(3)此法只适合于测量数据大于10个的情况概率95.4%概率99.73%，即±3σ以外的概率为0.27%50数据处理§2.2.3最小二乘法

曲线拟合

多项式回归

•

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•

•

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•

直线拟合一元线性回归方程一元非线性回归方程多元线性回归51数据处理一元线性回归方程拟合直线形式：实际测量值与回归值之差:

与偏差平方和：因正规方程52数据处理一元线性回归方程解正规方程得：其中：53曲线拟合

一元非线性回归方程步骤:(1)确定函数的类型（如双曲线、指数曲线、对数曲线等…）(2)求解相关函数中的未知参数举例:指数曲线

曲线问题直线问题（变量代换）

回归曲线回归多项式54数据处理(1)基本公式函数误差其中：各直接测量值的误差各个误差的传递函数§2.2.4函数误差计算55数据处理(2)计算系统误差偶然误差56静态模型、静态特性指标第三章检测系统的特性与技术指标§3.2动态特性动态模型、动态特性§3.1静态特性传感器典型环节动态特性分析57检测系统的静态特性§3.1.1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xyaO58检测系统的静态特性非线性原因：(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59检测系统的静态特性§3.1.2静态特性指标

线性度

回程误差

分辨力

重复性

灵敏度60检测系统的静态特性(1)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:(non-linearity)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61检测系统的静态特性获取拟合直线方法：(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使得正负行程的非线性偏差相等且最小(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)最佳直线法：精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）算法：特点：算法：特点：精度高xyΔΔ简单实用，三点作图法（两高一低/两低一高）62检测系统的静态特性(2)回程误差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(hysteresis)算法：63检测系统的静态特性(3)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(resolution)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、阀值---在系统输入零点附近的分辨力64检测系统的静态特性(4)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(repeatability)65检测系统的静态特性(5)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)(sensitivity)灵敏度双曲线、非线性66检测系统的动态特性§3.2.1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(1)微分方程：根据相应的物理定律（如牛顿定律、能量守恒定律、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关系的数字方程式ai、bi(i=0,1,…)：系统结构特性参数，常数，系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为O阶、一阶、二阶系统优点：概念清晰，输入-输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应缺点：求解方程麻烦，传感器调整时分析困难67检测系统的动态特性O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、液位温度计68检测系统的动态特性二阶系统：69检测系统的动态特性(2)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：优点：表示了传感器本身特性，与输入输出无关，可通过实验求得70检测系统的动态特性§3.2.2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71检测系统的动态特性(1)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)72检测系统的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对应的频率范围通频带、频带、工作频带相位与频率的关系A(ω)：输出幅值与静态幅值比---系统的动态灵敏度（增益）73检测系统的动态特性(2)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yc的63.2%所需的时间传感器输出从稳态值yc的10%上升到90%所需时间输出值达到允许范围

%的所需时间响应曲线第一次超过稳态值yc的峰高：ymax-yc相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对误差74§3.2.3典型检测系统的动态特性a)零阶系统：微分方程：特点：a)属于静态环节：d)实际零阶环节：缓慢变化，频率较低---近似零阶环节c)与时间无关，与频率无关，无滞后，无惯性理想环节静态灵敏度系数b)输出输入又称：比例环节幅频特性：相频特性：实例：电位计式角位移传感器微分方程：静态灵敏度系数：UEU0θ75检测系统的动态特性b)一阶系统：微分方程：时间常数静态灵敏度幅频特性：相频特性：幅频特性和相频特性对数图（伯德图）：失真<<1/时：A()=K()=0零阶无滞后<<1/10时：>1/时：A()()幅值衰减相位滞后76检测系统的动态特性输入阶跃信号：一阶环节微分方程：t=2：ed=13.5%；动态误差：特点：实例：动态响应特性主要取决于时间常数；阶跃响应：t=3：ed=5%；t=5：ed=0.7%；

小阶跃响应迅速截止频率高惯性小惯性环节运动方程：带阻尼弹簧测力传感器时间常数：静态灵敏度系数：k-弹簧刚度c-阻尼系数77检测系统的动态特性c)二阶环节：微分方程：固有频率阻尼比幅频特性：相频特性：幅频特性与相频特性伯德图：当

/n<<1时：

较小时：A()K，()0A()随出现较大波动0.7时：A()平坦段最宽，()接近斜直线A()<0衰减近似零阶当

/n>0.3时：与阻尼有关当

=0时，A(

n)=,附近谐振

较大时：78检测系统的动态特性输入当

>1时：应用实例：当

<1时：当=1时：无过冲，无震荡，过阻尼曲线上升慢，响应速度低产生衰减震荡欠阻尼

曲线上升块，响应速度高临界阻尼弹簧(k)阻尼(c)质量(m)压电式动态测力传感器静态灵敏度系数：运动微分方程：固有频率:阻尼比:一般取：

=0.6~0.8阶跃响应：第4章信号转换与处理技术一、测量电桥二、放大电路三、电压-电流转换技术四、电压-频率转换技术五、模数转换技术六、噪声抑制七、抗干扰技术一、检测的作用与意义81第五章检测电路设计

5.1信号调理电路

5.2信号变换技术

5.3噪声及干扰抑制技术

6学时825.1信号调理电路

5.1.1放大电路1、几个基本概念等效电路共模电压、差模电压（常模电压）差模放大倍数、共模放大倍数共模抑制比835.1.1放大电路（续）2、集成运算放大器3、比例放大电路845.1.1放大电路（续）855.1.1放大电路（续）4、仪用放大电路865.1.2滤波电路1、基本概念通带增益A0谐振频率f0、截至频率fp

频带宽度BW品质因素Q、阻尼系数ξ875.1.2滤波电路

（续）2、无源滤波器和有源滤波器885.1.2滤波电路

（续）3、二阶