1第一章 检测技术的基本概念.ppt

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1、第一章第一章 检测技术的基本概念检测技术的基本概念 本章学习本章学习测量的基本概念、测量方法、测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理、测量误差分类、测量结果的数据统计处理、测量不确定度，以及传感器的基本特性等，是检不确定度，以及传感器的基本特性等，是检测技术的理论基础。测技术的理论基础。 2022-5-252第一节第一节 检测技术的基本概念及方法检测技术的基本概念及方法 静态测量静态测量 对缓慢变化的对对缓慢变化的对象进行测量亦属于静象进行测量亦属于静态测量。态测量。 最高、最低最高、最低温度计温度计 动态测量动态测量 地震测量地震测量振动波形振动波形便携式仪表便携式仪表

2、可以显示波形的可以显示波形的手持示波器手持示波器2022-5-256直接测量直接测量 电子卡尺电子卡尺间接测量间接测量 对多个被测量进行测量，经过计算求得对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量。被测量。 （阿基米德测量皇冠的比重）（阿基米德测量皇冠的比重）2022-5-258接触式测量接触式测量 非接触式测量非接触式测量 例：雷达测速例：雷达测速车载电子警察车载电子警察2022-5-2510离线测量离线测量 产品质量检验产品质量检验在线测量在线测量 在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。第二节第二节 测量误差及分类测量误差及分类 绝对误差：绝对误差： =Ax0 某采购员分

3、别在三家商店购买某采购员分别在三家商店购买100kg大大米、米、10kg苹果、苹果、1kg巧克力，发现均缺少约巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？最大，是何原因？ 相对误差及精度等级相对误差及精度等级 几个重要公式：几个重要公式：100% 1-2xxAmm100% 1-3 Amm100 1-4 SA示值相对误差示值相对误差满度相对误差满度相对误差准确度准确度(精度精度)仪表的准确度等级和基本误差仪表的准确度等级和基本误差 例：某指针式电压表的准确度为例：某指针式电压表的准确度为2.52.5级，级，用它来测量电压时可能产生

4、的最大满度相对误用它来测量电压时可能产生的最大满度相对误差为差为2.5% 2.5% 。 某公司生产测量温度的仪表，满度误差均在某公司生产测量温度的仪表，满度误差均在1.11.6之间，该系列产品属于哪一级温度表？之间，该系列产品属于哪一级温度表？ 某车间希望测量温度的仪表满度相对误差控某车间希望测量温度的仪表满度相对误差控制在制在1.11.6之间，应购买哪一级温度表？之间，应购买哪一级温度表？例：某指针式万某指针式万用表的面板如图用表的面板如图所示，问：用它所示，问：用它来测量来测量直流直流、交交流（流（）电压时，电压时，可能产生的满度可能产生的满度相对误差分别为相对误差分别为多少？多少？ 例：

5、例：用指针用指针式万用表的式万用表的10V量程测量量程测量一只一只1.5V干电干电池的电压，示池的电压，示值如图所示，值如图所示，问：选择该量问：选择该量程合理吗？程合理吗？ 用用2.5V量程测量同量程测量同一只一只1.5V干干电池的电压，电池的电压，与上图比较，与上图比较，问示值相对问示值相对误差哪一个误差哪一个大大？误差产生的因素误差产生的因素：1.1.粗大误差粗大误差 明显偏离真值的误差称为粗大误差，也明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的

6、干扰所引起的。如测错、读错、记错、外的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。差。当发现粗大误差时，应予以剔除。 2022-5-2519产生粗大误差的一个例子产生粗大误差的一个例子 在重复性条件下，对同一被在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。称为系统误差。凡误差的数值固凡误差的数值固定或按一定规律变化者

7、，均属于定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差。 系统误差是有规律性的，因系统误差是有规律性的，因此可以通过此可以通过实验的方法实验的方法或引入修或引入修正值的方法正值的方法计算修正计算修正，也可以，也可以重重新调整新调整测量仪表的有关部件予以测量仪表的有关部件予以消除。消除。 2. 2.系统误差：系统误差：夏天摆钟变慢的夏天摆钟变慢的原因是什么？原因是什么？3.3.随机误差随机误差 测量结果与在重复条件下，对同一被测量测量结果与在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。随机误差。 也可以采用如下的表达：也可以采

8、用如下的表达：在同一条件下，在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。式变化，该误差称为随机误差。 存在随机误差的测量结果中，虽然单个测存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从多数随机误差都服从正态分布规律正态分布规律。2022-5-2522 随机事件与随机误差

9、有区别，随机事件与随机误差有区别，并不一定符合并不一定符合正态分布规律。正态分布规律。 彩票摇奖彩票摇奖随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律长度相对测量值长度相对测量值次次数数统统计计2022-5-2524随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律长度相对测量值长度相对测量值次次数数统统计计1）集中性：）集中性：大量的测量值集中分布于算术平均值附近。大量的测量值集中分布于算术平均值附近。随机误差的正态分布规律随机误差的正态分布规律61 .13211nxxxxxnxnnii2）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。）对称性：测量值大致对称地分布于两侧。 ）有界性：在一定的条件下，测量值有

10、一定）有界性：在一定的条件下，测量值有一定的分布范围，超过这个范围的可能性非常小，的分布范围，超过这个范围的可能性非常小，即出现绝对误差很大的情况很少即出现绝对误差很大的情况很少 。2022-5-25264.4.动态误差动态误差 由心电图仪放大器由心电图仪放大器带宽不够引起的动带宽不够引起的动态误差态误差 当被测量随时间迅速变化当被测量随时间迅速变化时，系统的输出量在时间上不时，系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合，能与被测量的变化精确吻合，这种误差称为动态误差。这种误差称为动态误差。 第三节第三节 测量不确定度测量不确定度 表征合理地赋予被测量之值的分散性的参表征合理地赋予被测量之

11、值的分散性的参数数称为称为不确定度不确定度。 测量不确定度是对测量结果的测量不确定度是对测量结果的不可信程度不可信程度或对测量结果或对测量结果有效性的怀疑程度有效性的怀疑程度。 不确定度表征被测量的真值在某个量程范不确定度表征被测量的真值在某个量程范围内的一个估计，是测量结果的一个重要参数，围内的一个估计，是测量结果的一个重要参数，用以表征被测量的分散程度用以表征被测量的分散程度。 不确定度越小，测量结果越可信不确定度越小，测量结果越可信。 测量不确定度的分类测量不确定度的分类 为了正确地评定测量结果的不确定度，应为了正确地评定测量结果的不确定度，应全面分析影响测量结果的各种因素，仔细全面分析

12、影响测量结果的各种因素，仔细列出列出测量结果的测量结果的所有不确定度来源所有不确定度来源。 不确定度评定得太大，会造成资源浪费，不确定度评定得太大，会造成资源浪费，评定得太小，将影响工程质量。在完成不确定评定得太小，将影响工程质量。在完成不确定度的分析和评定后，应给出度的分析和评定后，应给出不确定度报告不确定度报告 。测量不确定度的来源测量不确定度的来源 对被测量的定义不完善；对被测量的定义不完善；被测量定义被测量定义复现的不理想；复现的不理想；被测量的样本不能代表定义被测量的样本不能代表定义的被测量；的被测量；环境条件对测量过程的影响考虑环境条件对测量过程的影响考虑不周，或环境条件的测量不完

13、善；不周，或环境条件的测量不完善；模拟仪表模拟仪表读数时人为的偏差；读数时人为的偏差；仪器分辩力或鉴别阈不仪器分辩力或鉴别阈不够；够；赋予测量标准或标准物质的值不准；赋予测量标准或标准物质的值不准；从外部来源获得并用以数据计算的常数及其他从外部来源获得并用以数据计算的常数及其他参数不准；参数不准；测量方法和测量过程中引入的近测量方法和测量过程中引入的近似值及假设；似值及假设；在相同条件下被测量重复观测在相同条件下被测量重复观测值的变化等值的变化等 。2022-5-2530第四节第四节 传感器及基本特性传感器及基本特性 一、传感器一、传感器的的组成组成 举例：测量压力的电位器式压力传感器举例：测

14、量压力的电位器式压力传感器 1-弹簧管弹簧管 2-电位器电位器 请画出请画出右图所示右图所示传感器的传感器的 组成框图组成框图2022-5-2531弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管） 敏感元件在传感器中直接感受被测量，敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。的非电量。2022-5-2532弹性弹性敏感元件（弹簧管）敏感元件（弹簧管） 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移在下图中，弹簧管将压力转换为角位移2022-5-2533弹簧管放大图弹簧管放大图 当被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿增大时，弹

15、簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。角位移。 其他各种弹性敏感元件其他各种弹性敏感元件 在上图中的各种弹性元件也能将压力转在上图中的各种弹性元件也能将压力转换为角位移或直线位移。换为角位移或直线位移。2022-5-2535压力传感器的压力传感器的外形及内部结构外形及内部结构被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量换成电参量 在右图在右图中，中， 电位器电位器为传感元件，为传感元件，它将角位移它将角位移转换为电参转换为电参量量电阻电阻的变化的变化（R） 360360度圆盘形电位器

16、传感器度圆盘形电位器传感器( (测量角位移测量角位移) ) 右图所右图所示的示的360度圆度圆盘形电位器盘形电位器的中间焊片的中间焊片为滑动片，为滑动片，右边焊片接右边焊片接地，左边焊地，左边焊片接电源。片接电源。 接地接地2022-5-2538 测量转换电路的作用是将传感元件输出测量转换电路的作用是将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电流或频的电参量转换成易于处理的电压、电流或频率量。率量。 在左图中，当电在左图中，当电位器的两端加上电源位器的两端加上电源后，电位器就组成分后，电位器就组成分压比电路，它的输出压比电路，它的输出量是与压力成一定关量是与压力成一定关系的电压系的电压Uo

17、。 2022-5-2539分压比电路的计算公式如下分压比电路的计算公式如下： 直滑电位器式传感器直滑电位器式传感器的输出电压的输出电压Uo与滑动触点与滑动触点C的位移量的位移量x成正比成正比：oi xUUL 对圆盘式电位器来说，对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：与滑动臂的旋转角度成正比： oi 360UU二、传感器分类二、传感器分类 传感器的种类名目繁多，分类不尽相传感器的种类名目繁多，分类不尽相同。常用的分类方法有：同。常用的分类方法有： ）按被测量分类按被测量分类：可分为位移、力、：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、

18、流量、流速等传感器。流量、流速等传感器。 2）按测量原理分类按测量原理分类：可分为电阻、电：可分为电阻、电容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、容、电感、光栅、热电耦、超声波、激光、红外、光导纤维等传感器。红外、光导纤维等传感器。 本教材采用哪一种分类法？本教材采用哪一种分类法？ 三、传感器基本特性三、传感器基本特性 传感器的特性一般指输入、输出特性，传感器的特性一般指输入、输出特性，包括：灵敏度、分辨力、分辨率、线性度、包括：灵敏度、分辨力、分辨率、线性度、稳定度、电磁兼容性、可靠性等。稳定度、电磁兼容性、可靠性等。 2022-5-2542灵敏度 ： 灵敏度是指传感器在稳态下输出变灵敏度是指

19、传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，用化值与输入变化值之比，用K 来表示：来表示： dyyKdxx作图法求灵敏度过程xyx1xy0切点切点传感器传感器 特性曲线特性曲线xmaxyKx分辨力：分辨力：指传感器能检出被测指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它最后一位所表示的数值就是它的分辨力的分辨力。一般地说，分辨力。一般地说，分

20、辨力的数值小于仪表的最大绝对误的数值小于仪表的最大绝对误差。差。右表的分辨力为多少？右表的分辨力为多少？ 分辨率：将分辨力分辨率：将分辨力除以仪表的除以仪表的满量程满量程就是仪表的分辨率，分就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为示，是量纲为1 1的数。的数。 右表的右表的满量程为满量程为199.9A199.9A，问：，问：该表的分辨率为多少？该表的分辨率为多少？ 线性度：LmaxLmaxmin100%yy 线性度又称非线性误差，是指传感器实际线性度又称非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称理论直线）之特性曲线与拟合直线（有时也称理论

21、直线）之间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百间的最大偏差与传感器量程范围内的输出之百分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起分比。将传感器输出起始点与满量程点连接起来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理来的直线作为拟合直线，这条直线称为端基理论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线论直线，按上述方法得出的线性度称为端基线性度，非线性误差越小越好性度，非线性误差越小越好 。线性度。线性度的计算的计算公式如下：公式如下：2022-5-2547作图法求端基线性度演示 首先作一根理论直线首先作一根理论直线将仪表输出起始将仪表输出起始点与满量程点连接起来的直线。点与满量程点连接起来的直线。 可靠性

22、可靠性 ：可靠性是反映检测系统在规可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。种综合性的质量指标。 浴盆曲线浴盆曲线磨合期又称磨合期又称早期失效期早期失效期稳定期又称稳定期又称偶然失效期偶然失效期失效期又称失效期又称衰老失效期衰老失效期期期2022-5-2549 “老化老化”试验：试验：在检测设备通电的情况在检测设备通电的情况下，将之放置于高温环境下，将之放置于高温环境 低温环境低温环境 高温高温环境环境反复循环。老化之后的系统在现场使反复循环。老化之后的系统在现场使用时，故障率大为降低用时，故障率大为降低 。老化老化试验台试验台2022-5-2550休休 息息 一一 下下