现代检测技术-1检测技术基本知识课件

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。检测技术是以研究检测系统中的信息提取、信息转换1表表1-1 工业检测涉及的内容工业检测涉及的内容1.2检测系统表1-1工业检测涉及的内容1.2检测系统21.2检测系统检测系统图1-1检测系统结构框图123451.2检测系统图1-1检测系统结构框图123453如如果果测测试试系系统统由由于于多多个个环环节节组组成成，各各环环节节的的灵灵敏敏度度分分别别为为s1、s2、s3，而而且且各各环环节节以以下下图图所所示示的的那那样样串串联联的的方方式式相相连连接接，则则整整个个系系统统的的灵灵敏度可用下式表示敏度可用下式表示s=s1s2s3提提高高灵灵敏敏度度，可可得得到到较较高高测测量量精精度度，但但应应当当注注意意，灵灵敏敏度度越越高高，测测量量范围往往越窄，稳定性往往越差范围往往越窄，稳定性往往越差。xy0y2y1s1s2s3 串联系统示意图4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、s4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5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传感器命名与代号66（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，代号感器，代号C；II.被被测量量用一个或两个用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母拼音的第一个大写字母标记。III.转换原理原理用一个或两个用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母拼音的第一个大写字母标记；IV.序号序号用数字用数字标记，厂家自定。，厂家自定。例：例：应变式位移式位移传感器：感器：CWY-YB-20；光光纤压力力传感器：感器：CY-GQ-2。红外外测温温传感器感器应变式加速度式加速度传感器感器7（2）传感器的代号771.1.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的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。如如果果系系统统的的输输出出和和输输入入之之间间有有线线性性关关系系，则则灵灵敏敏度度是是一一个个常常数数。否否则，它将随输入量的大小而变化。则，它将随输入量的大小而变化。一一般般希希望望灵灵敏敏度度s在在整整个个测测量量范范围围内内保保持持为为常常数数。这这样样，可可得得均均匀匀刻度的标尺，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。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1.灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输82.2.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。92.分辨率分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量的93.3.线性度与非线性误差线性度与非线性误差通通常常，将将测测出出的的输输出出-输输入入校校准准曲曲线线与与某某一一选选定定拟拟合合直直线线不不吻吻合合的的程程度度称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”。线线性性度度是是用用实实测测的的输输入入-输输出出特特性性曲曲线线与与拟拟合合直直线线之之间间最最大大偏偏差差绝绝对对值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FullScale(满量程)的缩写。103.线性度与非线性误差通常，将测出的输出-输104.4.迟迟 滞滞0yxHmaxyFS迟滞特性式中式中 Hmax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114.迟滞0yxHmaxyFS迟滞特性式中Hmax111.2 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、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；121.2传感器的性能要求无论何种传感器，尽管它们的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）。信号调理环节13 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。信号采集世界上有10种人，一种是懂二进制的，一种是不懂的。规律：个位14十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）289214420222011215212201十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)20.625X2=1.2510.25X2=0.5000.50X2=1.001十进制整数转二进制数：“除以2取余，逆序排列”（除二取余法）152024/6/15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2023/8/2由于模拟量时间和（或）数值上是连续162024/6/15（1）采样定理采样定理模拟信号采样信号取取样样频频率率fS必必须须大大于于等等于于输输入入模模拟拟信信号号包包含含的的最最高高频频率率fmax的两倍，即：的两倍，即：2023/8/2（1）采样定理模拟信号采样信号172024/6/15（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。2023/8/2（2）量化和编码量化：用表示编码：量化182024/6/15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 1/8V，0 1/8V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=1/8V。2023/8/2例如：要将01V的模拟电压转换为三位二进制192024/6/15方法方法2：取取 2/15V，0 1/15V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=1/15V。2023/8/2方法2：取2/15V，01/1520现代检测技术-1检测技术基本知识课件212024/6/15 寄寄存存器器：由由七七个个D触触发发器器构构成成。在在时时钟钟脉脉冲冲CP的的作作用用下，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。编编码码器器：由由六六个个与与非非门门构构成成。将将比比较较器器送送来来的的七七位位二二进进制制码码转转换换成成三三位位二二进进制制代代码码D2、D1、D0。编编码码网网络络的的逻逻辑关系为辑关系为：2023/8/2寄存器：由七个D触发器构成。在222024/6/15并联型并联型A/D转换器的转换关系转换器的转换关系2023/8/2并联型A/D转换器的转换关系23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。信息分析与处理24显示、记录环节显示、记录环节显示的方式常用的有：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显示、记录环节251.3.3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。1.3.3检测系统的分类按被测参数分类26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、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。按被测参量的检测转换方法分类27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。按使用性质分类28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。按是否接触被测介质分类29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。按仪表各环节连接方式分类301.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。1.不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围31