现代检测技术-1检测技术基本知识课件.ppt

1、 检测技术是以研究检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理的理论与技术为主要内容的一门应用技术学科。检测技术属于信息科学的范畴，与计算机技术、自动控制技术和通讯技术构成完整的信息技术学科。检测技术研究的主要内容是测量原理、测量方法、测量系统和数据处理四个方面 。被测量类型被测量类型被测量被测量被测量类型被测量类型被测量被测量热工量热工量温度、热量、比热容、热流、温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面物位、液位、界面物体的性质和物体的性质和成分量成分量气体、液体、固体的化学成分、气体、液体、固体

2、的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、颜色酸碱度、浊度、透明度、颜色机械量机械量直线位移、角位移、速度、加直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）矩、振动、噪声、质量（重量）状态量状态量工作机械的运动状态（启停工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）磨损、堵塞、断裂等）几何量几何量长度、厚度、角度、直径、间长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、距、形状、平行度、同轴度、粗糙度、

3、硬度、同轴度、粗糙度、硬度、材料缺陷材料缺陷电工量电工量电压、电流、功率、电阻、电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性能电场强度、材料的磁性能表表1-1 工业检测涉及的内容工业检测涉及的内容1.2检测系统1.2检测系统检测系统图1-1 检测系统结构框图12345 如果测试系统由于多个环节组成，各环节的灵敏度分别为如果测试系统由于多个环节组成，各环节的灵敏度分别为s1、s2、s3，而且各环节以下图所示的那样串联的方式相连接，则整个系统的灵而且各环节以下图所示的那样串联的方式相连接，则整个系统的灵敏度

4、可用下式表示敏度可用下式表示s=s1s2s3提高灵敏度，可得到较高测量精度，提高灵敏度，可得到较高测量精度，但应当注意，灵敏度越高，测但应当注意，灵敏度越高，测量范围往往越窄，稳定性往往越差量范围往往越窄，稳定性往往越差。 xy0y2y1s1s2s3 串联系统示意图4 传感器传感器 传感器是将外界信息按一定规律转换成电量的装置，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器命名与代号传感器命名与代号（1） 传感器的命名：传感器的命名：由主题词加四级修饰语构成。由主题词加四级修饰语构成。 I. 主题词主题词传感器；传感器；II. 第一级修饰语第一级修饰语被测量；被测量；III. 第二级修饰语第二级

5、修饰语转换原理；转换原理；IV. 第三级修饰语第三级修饰语特征描述；特征描述；V. 第四级修饰语第四级修饰语主要技术指标。主要技术指标。 6（2）传感器的代号传感器的代号依次为主称（传感器）依次为主称（传感器） 被测量被测量转换原理转换原理序号序号I. 主称主称传感器，代号传感器，代号C；II. 被测量被测量用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。III. 转换原理转换原理用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记；IV. 序号序号用数字标记，厂家自定。用数字标记，厂家自定。例：应变式位移传感器：例：应变式位移

6、传感器： C WY-YB-20； 光纤压力传感器：光纤压力传感器：C Y-GQ-2。 红外测温传感器红外测温传感器 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 71.1.灵敏度灵敏度 灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化灵敏度是指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的输入量变化的比值。可表示为 它是它是输入与输出特性曲线的斜率输入与输出特性曲线的斜率。 如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度是一个常数。如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度是一个常数。否则，它将随输入量的大小而变化。否则，它将随输入量的大小而变化。 一般希望灵敏度一般希望灵

7、敏度s在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。 dxdys xys或x0ydydx8传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。主要技术指标：主要技术指标：2.1.2 2.1.2 传感器的特性传感器的特性2.2.分辨率分辨率 分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。的最小变化的能力。 输入量从某个任意值输入量从某个任意值(非零值非零值)缓慢增加，直到缓慢增加，直到

8、可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率分辨率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分它可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。它说明了数来表示。它说明了检测仪表响应与分辨输入量检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力微小变化的能力。灵敏度愈高，分辨率愈好。灵敏度愈高，分辨率愈好。 一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分一般模拟式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的格值的一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。一个字。 93.3.线性度与非线性误差线性度与非线性误差 通常，将测出的输出通常，将测出的输出-输入校

9、准曲线与某一选定拟合直线不吻合的程度称输入校准曲线与某一选定拟合直线不吻合的程度称为传感器的为传感器的“非线性误差非线性误差”，或称为，或称为“线性度线性度”。 线性度是用实测的输入线性度是用实测的输入-输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差绝对值输出特性曲线与拟合直线之间最大偏差绝对值与满量程输出的百分比来表示的与满量程输出的百分比来表示的。Ef非线性误差(线性度)；|m|输出平均值与拟合直线间的最大偏差绝对值；YFS满量程输出。FS是英文Full Scale(满量程)的缩写。%100EFSmfY104. 4. 迟迟 滞滞0yxHmaxyFS迟滞特性%100/2/1maxFSHHy式中式中 Hm

10、ax正反行程间输出的最大差值。正反行程间输出的最大差值。 迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为信号差值的最大者即为回程误差回程误差。 传感器在正传感器在正( (输入量增大输入量增大) )反（输入量减小）行程中输反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞出输入曲线不重合称为迟滞。 迟滞特性如图所示，它一迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法

11、测得。迟滞般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百误差一般以满量程输出的百分数表示分数表示, ,即即111.2 1.2 传感器的性能要求传感器的性能要求 无论何种传感器，尽管它们的原理、结构不同，使用环境、无论何种传感器，尽管它们的原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不尽相同，但有基本要求却条件、目的不同，其技术指标也不尽相同，但有基本要求却是相同的。这就是：是相同的。这就是： l灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系； l噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；l滞后、漂移误差小；滞后、

12、漂移误差小； l动态特性良好；动态特性良好； l在接入测量系统时，对被测量不产生影响；在接入测量系统时，对被测量不产生影响； l功耗小，复现性好，有互换性；功耗小，复现性好，有互换性； l防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； l结构简单，容易维修和校正；结构简单，容易维修和校正； l低成本、通用性强；低成本、通用性强；12 信号调理环节信号调理环节 信号调理环节是对传感器输出的电信号进行加工，如将信号放大、检波、滤波、调制解调、阻抗变换、线性化、将阻抗变换为电压或电流等等，原始信号经这个环节处理后，就转换成符合要求，便于输送、显示、记录、转换以及可作进一步后续处

13、理的中间信号。如果要转换成计算机能处理的量，需要进行A/D转换（以二进制为基础）。 二进制与十进制间的相互转换：二进制与十进制间的相互转换：（1）二进制转十进制 方法：“按权展开求和” 例： （1011.01）2 =（123+022+121+120+02(-1)+12(-2) ）10 =（8+0+2+1+0+0.25）10 =（11.25）10 世界上有世界上有10种人，一种是懂二进制的，种人，一种是懂二进制的，一种是不懂的。一种是不懂的。规律：个位上的数字的次数是0，十位上的数字的次数是1，.，依次递增，而十分位的数字的次数是-1，百分位上数字的次数是-2，.，依次递减。 注意：不是任何一个

14、十进制小数都能转换成有限位的二进制数注意：不是任何一个十进制小数都能转换成有限位的二进制数。 信号采集十进制整数转二进制数：“除以2取余，逆序排列”（除二取余法） 例： （89）10 =（1011001）2 892 1 442 0 222 0 112 1 52 1 22 0 1 十进制小数转二进制数：“乘以2取整，顺序排列”（乘2取整法） 例： (0625)10= (0101)2 0.625X2=1.25 1 0.25 X2=0.50 0 0.50 X2=1.00 12022-3-25 由于模拟量时间和（或）数值上是连续的，而数字量在由于模拟量时间和（或）数值上是连续的，而数字量在时间和数值上

15、都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一般步骤为：般步骤为：采样采样保持保持量化量化编码编码1. A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 2022-3-25（1） 采样定理采样定理 模拟信号采样信号 取样频率取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍，即：的两倍，即： max2 ffs2022-3-25（2） 量化和编码量化和编码量化：量化： 将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过

16、程。将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程。用用 表示表示编码：编码： 将量化结果用代码表示出来。将量化结果用代码表示出来。量化误差：量化误差： 由于模拟量不一定能被由于模拟量不一定能被 整除。整除。2022-3-25例如：例如：要将要将0 1V的模拟电压转换为三位二进制代码。的模拟电压转换为三位二进制代码。方法方法1：取取 1/8 V，0 1/8 V 的电压以的电压以0 表示，则：表示，则：模拟电压模拟电压二进制编码二进制编码 代表的模拟电压电平代表的模拟电压电平可见量化误差最大达可见量化误差最大达 =1/8 V。2022-3-25方法方法2：取取 2/15 V，0 1/15 V

17、的电压以的电压以0 表示，则表示，则模拟电压模拟电压二进制编码二进制编码代表的模拟电压电平代表的模拟电压电平可见量化误差最大达可见量化误差最大达 /2=1/15 V。2022-3-25 寄存器：寄存器：由七个由七个D触发器构成。在时钟脉冲触发器构成。在时钟脉冲CP的作用的作用下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。 01234563135142QQQQQQQDQQQDQD 编码器：编码器：由六个与非门构成。将比较器送来的七位二由六个与非门构成。将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码进制码转换成三位二进制代码D2、D1、D0。编码网络的逻。编码网络的逻辑关

18、系为辑关系为：2022-3-25并联型并联型A/D转换器的转换关系转换器的转换关系 信息分析与处理信息分析与处理 对于动态信号的出路，即动态测量，常常还需要对测得的信号进行分析、计算和处理，从原始的测试信号中提取表征被测对象某一方面本质信息的特征量，以利于对动态过程作更深入的了解。这个领域中采用的仪器有频谱分析仪、波形分析仪、实时信号分析仪、快速傅立叶变换仪等，但计算机技术在信号处理中已被广泛应用。 电源电源 检测系统在设计时需要根据使用现场的供电电源情况及检测系统内部电路的实际需要，统一设计各组稳压电源，给系统各部分电路和器件分别提供它们所需的稳定电源。 显示、记录环节显示、记录环节 显示的

19、方式常用的有：模拟显示、数字显示、图像显示。 模拟显示就是利用指针对标尺的相对位置来表示读数。 数字显示实际上是一只专用的数字电压表、数字电流表或数字频率计。 图像显示使用屏幕显示读数或者被测参数变化的曲线1.3.3检测系统的分类检测系统的分类按被测参数分类按被测参数分类 电气参数：电能、电功率、电压、电流、频率、电 阻、电容、磁场强度、磁通密度等； 机械参数：质量、位移、振动、力、应力、力矩、转速、线速度、加速度、噪声、缺陷检查、故障诊断等； 过程参数：主要是热工参数，通常可细分为温度、压力、流量、物位、成分分析等。按被测参量的检测转换方法分类按被测参量的检测转换方法分类 电磁转换：电阻式、

20、应变式、压阻式、热阻式、电感式、互感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、霍尔式等； 光电转换：光电式、激光式、红外式、光栅、光导纤维等； 其他能/电转换：声/电转换（超声波式）、辐射能/电转换（ 射线式、 射线式、 射线式）、化学能/电转换（各种电化学转换）等。按使用性质分类按使用性质分类 “标准表”是各级计量部门专门用于精确计量、校准送检样品和样机的标准仪表。 “实验室表”多用于各类实验室中，它的使用环境条件较好，往往具有特殊的防水、防尘措施。 “工业用表”是长期使用于实际工业生产现场的检测仪表与检测系统。按是否接触被测介质分类按是否接触被测介质分类 接触式检测仪表的检测元件与被测介

21、质直接接触，感受被测量的作用或变化，从而获得测量信号。 非接触式检测仪表不直接接触被测介质，而是间接感受被测量的变化达到检测目的。按仪表各环节连接方式分类按仪表各环节连接方式分类 开环式仪表中各环节按开环方式连接，系统中前一环节是后一环节的输入，首尾相接形成测量链，信号由输入端到输出端沿一个方向传递。 闭环式仪表又称为反馈式仪表，其最大的特点是整个仪表的传递函数只与反馈环节传递函数有关，而与各串联环节无关，故在很大程度上消除或减少了其他环节的影响。1.不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围2.微电子技术、微处理器与传感器结合，使仪器智能化3.研究多维化、多功能化的仪器4.研究无接触测量技术5.研究新型原理的传感器6.综合测试系统。