第一章檢測技術的基本概念 杜慧

課程任務：以檢測的基本知識為基礎，學習多種傳感器的測量原理、使用方法，并加以實驗進行鞏固，最后簡單檢測技術中的學習抗干擾知識。學習方法：前序課程《電工基礎》《電子技術》《單片機技術》《變流技術》結合進行學習。本門課程的任務及學習方法2/5/20231緒論一、檢測與傳感器的概念檢測：利用各種物理、化學效應，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各方面的有關信息通過檢查與測量的方法賦予定性與定量結果的過程。傳感器：從廣義的角度來說，檢出感知信號器件和信號處理部分總稱為傳感器。

2/5/20232一、檢測技術的應用

工業(yè)檢測涉及的內(nèi)容被測量類型被測量被測量類型被測量熱工量溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布、壓力（壓強）、壓差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面物體的性質和成分量氣體、液體固體的化學成分、濃度、粘度、濕度、密度、酸堿度、濁度、透明度、顏色機械量直線位移、角位移、速度、加速度、轉速、應力、應變、力矩、振動、噪聲、質量（重量）狀態(tài)量啟停、生產(chǎn)設備異常狀態(tài)（超溫、過載、泄漏、變形、磨損、堵塞、斷裂等）幾何量長度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、干行度、同軸度、粗糙度、硬度、材料缺陷電工量電壓、電流、功率、電阻、阻抗、頻率、脈寬、相位、波形、頻譜、磁場強度、電場強度、材料的磁性能2/5/20233應用領域

實際上被測對象涉及各個領域。最初的測量對象是長度、體積、質量和時間。18世紀以來科學技術取得飛速發(fā)展，被測對象迅速擴大。力學領域有速度、加速度、力、功和能量等；電磁學領域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場；化學領域中有濃度、成分、pH值等；工業(yè)領域中有流量、壓力、溫度、黏度等被測量?，F(xiàn)在的被測對象更為廣泛，有人體心電、腦電波等體表電位測量，生物斷面測量如B超、CT；工業(yè)領域的光澤、觸覺等品質測量；衛(wèi)星上監(jiān)視地球的紅外線傳感器；機器人的視覺、觸覺等各種傳感器。2/5/20234對于各種各樣的被測量，有各種各樣的傳感器。下面請看幾個檢測應用實例:在本課程都要學習到。電子汽車衡計量測試超聲波測流量紅外測溫2/5/20235醫(yī)療診斷

B超與CT2/5/20236家用電器液化氣煙霧報警器智能洗衣機遙控器2/5/20237二、檢測系統(tǒng)的基本組成：非電量或電量傳感器電量信號處理電路顯示器Uo

iof數(shù)據(jù)處理裝置執(zhí)行機構傳感器：如前定義還可理解成將非電量或電量轉換成信號處理電路所需的電量的器件。信號處理電路：包括放大或衰減電路、濾波電路、隔離電路等。把傳感器輸出電量變成具有一定驅動和傳輸能力的電壓、電流或頻率信號，以推動后級的顯示器、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機構。2/5/20238顯示器：目前有模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示、記錄儀。數(shù)據(jù)處理裝置：對測試的數(shù)據(jù)進行處理、運算、邏輯判斷、線性變換，對動態(tài)測試結果進行頻譜分析、相關分析，借助計算機。執(zhí)行機構：用電壓、電流信號驅動繼電器、電磁鐵、電磁閥門、伺服電機等，起通斷、控制、調節(jié)、保護等作用。2/5/20239三、檢測技術的發(fā)展趨勢

1、不斷提高檢測系統(tǒng)的測量精度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性：將量程切換到2V時，最小顯示值為1μV，提高數(shù)字電壓表的精度2/5/202310

2、應用新技術和新的物理效應，擴大檢測領域例如圖像識別、激光測距、紅外測溫、C型超聲波無損探傷、放射性測厚、中子探測爆炸物。月球車安全檢查2/5/202311面部識別技術智能機械手單片機芯片

3、隨著科學技術的不斷發(fā)

展，檢測技術繼續(xù)往數(shù)字化、智能化、遠程控制方向發(fā)展。2/5/202312

區(qū)域網(wǎng)與上位機2/5/202313模擬傳感器放大電路A/D轉換線性化處理微處理器標準接口脈沖輸出控制門顯示傳感器在總體上呈現(xiàn)出多功能、微型化、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢。將在第十三章檢測系統(tǒng)的綜合應用詳細學習。

傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡化結構2/5/202314第一章檢測技術的基本概念

章節(jié)導入：測量是檢測技術的主要組成部分?，F(xiàn)代社會要求測量必須達到更高的準確度，更小的誤差，更快的速度，更高的可靠性。

本章要點：

1、測量的基本概念、測量方法、誤差分類、會進行測量結果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。

2、傳感器的基本特性，掌握傳感器的靜態(tài)特性。2/5/202315

第一節(jié)測量的基本概念及方法

一、測量的一般概念：測量是借助專門的技術和儀表設備，采用一定的方法取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的認識過程。二、測量的方法被測量量是否隨時間變化，可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。測量手段的不同，分為直接測量和間接測量。測量結果的顯示方式不同，分為模擬式測量和數(shù)字式測量。測量時是否與被測對象接觸，分為接觸式測量和非接觸式測量。在線測量：在生產(chǎn)流水線上監(jiān)視產(chǎn)品質量，反之離線測量。2/5/2023161、靜態(tài)測量與動態(tài)測量

靜態(tài)測量：對緩慢變化的對象進行測量。

2/5/202317

動態(tài)測量：測量動態(tài)過程

可以顯示波形的手持示波器電渦流傳感器測轉速2/5/2023182、直接測量與間接測量

直接測量：用標定儀表直接讀取被測量的測量結果。

電子卡尺直接測量長度間接測量：對多個被測量進行測量，經(jīng)過計算求得被測量。

測量金球的密度，先測出金球的重量，再測量出金球的直徑，再計算出金球的體積，最后求出金球的密度。

2/5/2023193、接觸式測量和非接觸式測量

接觸測量非接觸式測量不影響被測對象的運行工況例：紅外測速2/5/2023204、在線測量和離線測量

在線測量在流水線上，邊加工，邊檢驗，可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。

離線產(chǎn)品質量檢驗在線檢測滾珠是否脫離2/5/202321根據(jù)測量的具體手段來分，分為偏位式、零位式、微差式

1、偏位式測量：被測量作用于儀表內(nèi)部的比較裝置。例如：彈簧秤測量物體質量。必須事先用標準量具對儀表刻度進行校正。容易產(chǎn)生靈敏度漂移和零點漂移。過程簡單、快速。但精度不高。2/5/2023222、零位式測量：

被測量與儀表內(nèi)部的標準量，系統(tǒng)達到平衡時，用已知標準量的值決定被測量的值。例如用天平測量物體的質量。

零位式測量的特點是精度高，但平衡復雜，多適用于緩慢信號的測量。3、微差式測量：

綜合了偏位式速度快和零位式測量法精度高的優(yōu)點。這種方法預先使被測量與測量裝置內(nèi)部的標準量取得平衡，當測量有微小變化時，測量裝置失去平衡，用偏位式儀表指示出其變化部分的數(shù)值。2/5/202323第二節(jié)測量誤差及分類

一、絕對誤差和相對誤差1、絕對誤差：Δ=Ax－Ａ0某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？絕對誤差雖然都是0.5kg，但巧克力的相對誤差最大。

2/5/2023242、相對誤差及精度等級

幾個重要公式：示值相對誤差滿度相對誤差準確度(精度)絕對誤差Δ=Ax–Ａ0實際相對誤差2/5/2023253、儀表的準確度等級和基本誤差表

等級0.10.20.51.01.52.55.0基本誤差±0.1%±0.2%±0.5%±1.0%±1.5%±2.5%±5.0%舉例：在正常情況下，用0.5級、量程為100℃溫度表來測量溫度時，可能產(chǎn)生的最大絕對誤差為：Δm＝（±0.5%）×Am＝±（0.5%×100）℃＝±0.5℃2/5/202326例：某壓力表準確度為2.5級，量程為0～1.5MPa，求：1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對誤差m。2）可能出現(xiàn)的最大絕對誤差m為多少kPa

。3）測量結果顯示為0.70MPa時，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差x。

解:1）可能出現(xiàn)的最大滿度相對誤差可以從準確度等級直接得到，即m＝±25%。

2）m＝mAm＝±25％１.5MPa＝

±0.0375MPa＝±37.5kPa

結論：x的絕對值總是大于（在滿度時等于）m2/5/202327例：現(xiàn)有準確度為0.5級的0～300℃的和準確度為1.0級的0～100℃的兩個溫度計，要測量80℃的溫度，試問采用哪一個溫度計好？解：計算用0.5級表以及1.0級表測量時，可能出現(xiàn)的最大示值相對誤差分別為±1.88%和±1.25%。計算結果表明，用1.0級表比用0.5級表的示值相對誤差的絕對值反而小，所以更合適。由上例得到的結論：在選用儀表時應兼顧準確度等級和量程，通常希望示值落在儀表滿度值的2/3以上。2/5/202328二、誤差產(chǎn)生的性質：

1.粗大誤差

明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及電子測量儀器受到突然而強大的干擾所引起的。如測錯、讀錯、記錯、外界過電壓尖峰干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。當發(fā)現(xiàn)粗大誤差時，應予以剔除。

2/5/202329產(chǎn)生粗大誤差的一個例子

雷電產(chǎn)生尖峰干擾

2/5/202330

在重復性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調整測量儀表的有關部件予以消除。

2.系統(tǒng)誤差夏天擺鐘變慢的原因是什么？2/5/2023313.隨機誤差

測量結果與在重復條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結果的平均值之差稱為隨機誤差。也可以采用如下的表達：在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差。

存在隨機誤差的測量結果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。2/5/202332

隨機事件與隨機誤差有區(qū)別，隨機事件并不一定符合正態(tài)分布規(guī)律。彩票搖獎屬于隨機事件

彩票搖獎隨機誤差的正態(tài)分布2/5/2023334.靜態(tài)誤差、動態(tài)誤差

由心電圖儀放大器帶寬不夠引起的動態(tài)誤差

前面所述為靜態(tài)誤差，當被測量隨時間迅速變化時，系統(tǒng)的輸出量在時間上不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態(tài)誤差。

2/5/202334對測量結果的數(shù)據(jù)處理主要有兩點要求：

一是得到最接近被測量的近似值

二是估計出測量結果的近似值的范圍

1、隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律長度相對測量值三、對測量結果的數(shù)據(jù)處理：2/5/2023351）集中性：大量的測量值集中分布于算術平均值附近。隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律2）對稱性：測量值大致對稱地分布于兩側。３）有界性：在一定的條件下，測量值有一定的分布范圍，超過這個范圍的可能性非常小，即出現(xiàn)絕對誤差很大的情況很少。粗大誤差的測量值應予以剔除。2/5/202336nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.982、測量結果的數(shù)據(jù)處理

例：用核輻射式測厚儀對鋼板的厚度進行6次等精度測量，所得數(shù)據(jù)如下表（單位為mm），請指出哪幾個數(shù)值為粗大誤差？在剔除粗大誤差后，用算術平均值公式求出鋼板厚度。

2/5/202337解：5.99以及9.33為粗大誤差，予以剔除，將剩余4

個測量值計算算術平均值：nxi/mm18.0428.0237.9645.9959.3367.982/5/2023383、誤差的處理：

如果一個測量系統(tǒng)由若干個單元組成，將誤差合成。（1）絕對值合成法（2）方均根合成法

x1n32y1y2y3yn－1yn…2/5/202339例：用核輻射鋼板測厚儀測鋼板厚度，已知PIN型γ射線二極管的測量誤差為±5%，微電流放大器誤差為±2%，指針表誤差為±1%，求測量的總誤差。

2）用絕對值合成法計算測量誤差解：1）用方均根合成法結論：1、用方均根合成法估算測量的總誤差較為合理2、不必提高顯示儀表的精度，應提高誤差最大的某個環(huán)節(jié)的測量精度。2/5/202340第三節(jié)傳感器及基本特性

一、傳感器的組成非電量或電量敏感元件非電量傳感元件電參量測量轉換電路電量敏感元件：傳感器中直接感受被測量的元件，即被測量通過傳感器的敏感元件轉換成被測量有確定關系、更易于轉換的非電量傳感元件：將非電量轉換成電量。測量轉換電路：傳感元件輸出的電參量轉換成易于處理的電壓、電流、頻率。

2/5/2023411-彈簧管（敏感元件）2-電位器（傳感元件、測量轉換電路）

3-電刷4-傳動機構（齒輪、齒條）舉例測量壓力的電位式壓力傳感器

2/5/202342傳感器的特性：一般指輸入、輸出特性。有靜態(tài)、動態(tài)特性。本課程學習靜態(tài)特性的有關指標。

靜態(tài)特性包括：靈敏度、分辨力、線性度、遲滯、穩(wěn)定性、電磁兼容性、可靠性。二、傳感器的特性2/5/2023431、靈敏度在穩(wěn)定條件下輸出微小增量與輸入微小增量的比值對線性傳感器靈敏度是直線的斜率：S=ΔY/ΔX對非線性傳感器靈敏度為一變量：S=dy/dx

靈敏度單位，mv/mmmv/℃yyxxΔYΔXS=ΔY/ΔXS=dy/dx

2/5/202344分辨力：

指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。

分辨率：

將分辨力除以儀表的滿量程就是儀表的分辨率，分辨率常以百分比或幾分之一表示，是量綱為1的數(shù)。

2/5/2023453、線性度YXYiXi△LmaxY=kx+b線性度：又稱非線性誤差，處理的方法是：作圖法、端基曲線法、最小二乘法，準確度依次升高，現(xiàn)多用計算機處理?！鱈max——最大非線性絕對誤差

YFS——滿量程輸出

γ——線性度線性度是表征實際特性與擬合直線不吻合的參數(shù)2/5/2023464、遲滯

傳感器在正、反行程期間輸入、輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱遲滯。正向曲線是在輸入量x從零開始增大到滿量程所得曲線，反向特性與之相反。磁滯會引起分辨力差，造成測量盲區(qū)，希望磁滯越小越好。yoxy1y2yFSHmax2/5/202347產(chǎn)生遲滯誤差的原因：由于敏感元件材料的物理性質缺陷造成的。如彈性元件的滯后、外加磁場、電場作用的鐵磁體、鐵電體。遲滯誤差的存在使輸入輸出不能一一對應。出現(xiàn)的誤差大、小視具體情況而定。例：一電子秤增加砝碼10g——50g——100g——