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现代检测技术检测现代检测技术检测技术基本知识技术基本知识第1页，共32页，编辑于2022年，星期日 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。第2页，共32页，编辑于2022年，星期日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、热温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面位、液位、界面物体的性质和成物体的性质和成分量分量气体、液体、固体的化学成分、气体、液体、固体的化学成分、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、加速直线位移、角位移、速度、加速度、转速、应力、应变、力矩、度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量（重量）振动、噪声、质量（重量）状态量状态量工作机械的运动状态（启停等）、工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）断裂等）几何量几何量长度、厚度、角度、直径、间距、长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、形状、平行度、同轴度、粗糙度、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检测系统第3页，共32页，编辑于2022年，星期日1.2检测系统检测系统图1-1检测系统结构框图12345第4页，共32页，编辑于2022年，星期日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可用下式表示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，测测量量范范围围往往越窄，稳定性往往越差往往越窄，稳定性往往越差。xy0y2y1s1s2s3 串联系统示意图5第5页，共32页，编辑于2022年，星期日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。第6页，共32页，编辑于2022年，星期日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。7第7页，共32页，编辑于2022年，星期日（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.主称主称传传感器，代号感器，代号C；II.被被测测量量用一个或两个用一个或两个汉语汉语拼音的第一个大写字母拼音的第一个大写字母标记标记。III.转换转换原理原理用一个或两个用一个或两个汉语汉语拼音的第一个大写字母拼音的第一个大写字母标记标记；IV.序号序号用数字用数字标记标记，厂家自定。，厂家自定。例：例：应变应变式位移式位移传传感器：感器：CWY-YB-20；光光纤压纤压力力传传感器：感器：CY-GQ-2。红红外外测测温温传传感器感器应变应变式加速度式加速度传传感器感器8第8页，共32页，编辑于2022年，星期日1.1.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输入量变化的比值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。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。否否则则，它将随输入量的大小而变化。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刻度度的的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。x0ydydx9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第9页，共32页，编辑于2022年，星期日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的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。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，直到可缓慢增加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨以测量到输出的变化为止，此时的输入量就是分辨率率。它可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。它可以用绝对值，也可以用量程的百分数来表示。它说明了它说明了检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力检测仪表响应与分辨输入量微小变化的能力。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格值的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一个字。一半。数字式仪表的分辨率是最后一位的一个字。10第10页，共32页，编辑于2022年，星期日3.3.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为传传感感器器的的“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与满满量量程输出的百分比来表示的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。11第11页，共32页，编辑于2022年，星期日4.4.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。回程误差常用绝对误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。对应于每差表示。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信号差值的最一输入信号，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)反反（输入量减小）行程中输出输入（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图所示，它一般迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表一般以满量程输出的百分数表示示,即即12第12页，共32页，编辑于2022年，星期日1.2 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、条件、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，但有基本要求却是相同的。这就目的不同，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：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；13第13页，共32页，编辑于2022年，星期日 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）。第14页，共32页，编辑于2022年，星期日 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，一种种人，一种是懂二进制的，一种是不懂的。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。信号采集第15页，共32页，编辑于2022年，星期日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第16页，共32页，编辑于2022年，星期日2022/10/4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信号离散化（采样），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），一般步骤为：还要在数值上离散化（量化），一般步骤为：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第17页，共32页，编辑于2022年，星期日2022/10/4（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的的两两倍，即：倍，即：第18页，共32页，编辑于2022年，星期日2022/10/4（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。第19页，共32页，编辑于2022年，星期日2022/10/4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。第20页，共32页，编辑于2022年，星期日2022/10/4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。第21页，共32页，编辑于2022年，星期日第22页，共32页，编辑于2022年，星期日2022/10/4 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的的作作用用下下，将将比比较结果暂时寄存，以供编码用。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换成三位二进制代码转换成三位二进制代码D2、D1、D0。编码网络的逻辑关系为。编码网络的逻辑关系为：第23页，共32页，编辑于2022年，星期日2022/10/4并联型并联型A/D转换器的转换关系转换器的转换关系第24页，共32页，编辑于2022年，星期日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。第25页，共32页，编辑于2022年，星期日显示、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第26页，共32页，编辑于2022年，星期日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。第27页，共32页，编辑于2022年，星期日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。第28页，共32页，编辑于2022年，星期日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。第29页，共32页，编辑于2022年，星期日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。第30页，共32页，编辑于2022年，星期日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。第31页，共32页，编辑于2022年，星期日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。第32页，共32页，编辑于2022年，星期日