项目一检测技术基础概要

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1、项目一 传感器与检测技术,主讲教师：郑金艳,第二学习周 检测技术基础知识,知识目标：,熟悉测量的基本概念与测量的方法 掌握测量的基本误差与分析方法 掌握传感器的定义、组成及类型 了解传感器的基本特性与性能指标 掌握电桥电路的工作原理及应用 了解调制电路、滤波电路的工作原理及作用,能够进行测量数据的处理 能够根据实际要求选用传感器 能够根据需要设计合适的测量电路,技能目标：,学习目标,项目背景,生产过程中有各种各样的参数需要进行检测和控制。检测是指在各类生产、科研、试验及服务等各个领域，为及时获得被测、被控对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行定性检查和定量测量。能从被检测的参量中提取有用

2、信息(它往往是电量)，并且有时还将它转换成易于传递和处理的电信号，称之为传感器。检测系统的主要组成部分之一是测量，人们采用各种测量手段来获取所研究对象在数量上的信息，从而通过测量所得到的是定量的结果。检测系统的终端设备应该包括各种指示、显示装置和记录仪表，以及各种控制用的伺服机构或元件。,任务1.1 测量数据处理,任务1.1 测量数据处理,对某一零件长度等精度测量16次，得到如下数据（单位为 cm）：27.774，27.778，27.771，27.780，27.772，27.777，27.773，27.775，27.774，27.772，27.774，27.776，27.775，27.777，

3、27.777，27.779。假定该测量数据不存在固定的系统误差，请计算出该零件的长度。,【任务描述】,任务1.1 测量数据处理,1.1.1检测及自动检测系统 1. 检测技术的概念与作用,检测技术是人们为了对被测对象所包含的信息进行定性的了解和定量的掌握所采取的一系列技术措施。,在自动化系统中，首先需要通过检测获取生产流程中的各种有关信息，然后对它们进行分析、判断，以便进行自动控制。,【相关知识】,2. 自动检测系统 自动检测系统指在物理量的测试中，能自动地按照一定的程序选择测量对象，获得测量数据，并对数据进行分析和处理，最后将结果显示或记录下来的系统。一个完整的检测系统通常由传感器、测量电路、

4、显示记录装置、数据处理装置和执行机构等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示、处理和控制等功能。 检测系统的组成框图如图1-1所示。,图1-1 自动检测系统框图,任务1.1 测量数据处理,各部分作用： （1）传感器：传感器是把被测量转换成为与之有确定对应关系，且便于应用的某些物理量（通常为电量）的测量装置。 （2）测量电路：测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。 （3）显示记录部分：显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。 （4）数据处理装置：数据处理装置是用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、分析，对动态测

5、试结果做频谱分析、相关分析等，完成这些任务需要采用计算机技术。 （5）执行机构：执行机构是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。,任务1.1 测量数据处理,1.1.2 测量及测量方法 1测量的定义 测量就是借助于专门的技术工具或手段，通过实验的方法把被测量与同性质的标准量进行比较，求取二者比值从而得到被测量数值大小的过程。其数学表达式为,任务1.1 测量数据处理,2测量方法及分类 测量方法是指将被测量与其单位值进行比较的实验方法。按不同的分类方法进行分类可得到不同的分类结果。 （1）根据测量的手段分类，可分为直接测量和间接测量。,任务1.1 测量数据处理,直接测量 间接测量

6、,任务1.1 测量数据处理,（2）根据被测量是否随时间变化，可分为静态测量和动态测量。,静态测量 动态测量（地震振动波的测量）,（3）根据被测量结果的显示方式，可分为模拟式测量和数字式测量。,任务1.1 测量数据处理,模拟式测量 数字式测量,任务1.1 测量数据处理,（4）根据测量时是否与被测对象接触，可分为接触式测量和非接触式测量。,接触式测量 非接触式测量（红外传感器测量IC温度）,任务1.1 测量数据处理,（5）根据是否在生产线上检测，可分为在线检测和离线检测。,在线测量 离线测量,3测量方法的选择 考虑下列主要因素： 从被测量本身的特点来考虑 从测量的精确度和灵敏度来考虑 考虑测量环境

7、是否符合测量设备和测量技术的要求 测量方法简单可靠，测量原理科学,任务1.1 测量数据处理,1.1.3 测量误差及分析 1. 测量误差表示的方法 1）绝对误差 绝对误差也称示值误差，是测量仪器的示值x与被测量的真值A0之差，则绝对误差x为 由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为 采用绝对误差（示值误差）表示测量误差，可以比较客观地反映测量的准确性。,任务1.1 测量数据处理,2）相对误差 相对误差是绝对误差与被测量的约定值之百分比值。在实际测量中，相对误差有实际相对误差、示值相对误差和满度（引用）相对

8、误差。 （1）实际相对误差。实际相对误差用绝对误差x与约定真值A的百分比表示 （2）示值相对误差。示值相对误差用绝对误差x与示值x的百分比表示 （3）满度（引用）相对误差 。满度相对误差用绝对误差x与仪表满量程值Am的百分比表示,任务1.1 测量数据处理,【例1-1】某温度计的量程范围为0500，校验时该表的最大绝对误差为6，试确定该仪表的精度等级。 解：根据题意得xm=6，Am=500,带入式（1-6），则 该温度计的基本误差介于1.0%与1.5%之间，因此该表的精度等级为1.5级。,任务1.1 测量数据处理,2测量误差分析 根据测量数据中的误差所呈现的规律及产生原因可将其分为系统误差、随机

9、误差和粗大误差。 1）系统误差 在相同条件下多次测量同一量值时，误差值保持恒定；或者当条件改变时，其值按某一确定的规律变化的误差，统称为系统误差。系统误差按其出现的规律又可分为定值系统误差和变值系统误差。 系统误差表征测量的准确度，可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以通过重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,任务1.1 测量数据处理,2）随机误差 在相同条件下，以不可预知的方式变化的测量误差称为随机误差。 在一定测量条件下对同一值进行大量重复测量时，总体随机误差的产生满足统计规律，即具有有界性、对称性、抵偿性、单峰性。因此，可以分析和估算误差值的变动范围，并通过取平均值的办法来

10、减小对测量结果的影响。 随机误差 的表达式为：,任务1.1 测量数据处理,任务1.1 测量数据处理,弹着点很分散，表明它的精密度低,弹着点集中但偏向一方，表明精密度虽高，但准确度低,弹着点集中靶心，则表明既精密又准确，即精确度高,任务1.1 测量数据处理,3）粗大误差 超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差，粗大误差又称疏忽误差。粗大误差的出现具有突然性，它是由某些偶尔发生的反常因素造成的。 在数据处理时，要采用的测量值不应该包含有粗大误差，即所有的坏值都应当剔除。所以进行误差分析时，要估计的误差只有系统误差和随机误差两类。,任务1.1 测量数据处理,1.1.4 测量数据处理 在实际测量工作中

11、，所测得的数据并不一定十分理想。为了能得到较精确的测量结果，应对多次测量的数据进行分析与处理。测量结果的数据处理可以按照下列步骤进行：,任务1.1 测量数据处理,任务1.1 测量数据处理,将所测得的数据按照下列步骤进行处理： （1）按测量数值的顺序列成表格，形成测量数据表：,【任务实施】,任务1.1 测量数据处理,任务1.1 测量数据处理,【知识拓展】 1测量误差的估计和校正 1）随机误差的影响及统计处理 随机误差处理的任务就是从随机数据中求出最接近真值的值(或称最佳估计值)，对数据精密度的高低(或称可信程度)进行评定并给出测量结果。 2）系统误差的发现与判别 发现系统误差一般比较困难，发现系

12、统误差的常用方法有以下几种：,任务1.1 测量数据处理,（1）实验对比法 这种方法是通过改变产生系统误差的条件，进行不同条件的测量来发现系统误差的，该方法适用于发现固定的系统误差。 （2）残余误差观察法 将一个测量列的残余误差Vi在Vin坐标中依次连接后，如图1-3所示，通过观察误差曲线即可以判断有无系统误差的存在。,图1-3 Vin示意图,任务1.1 测量数据处理,（3）准则判别法 通过现有的相关准则进行理论计算，也可以检验测量数据中是否含有系统误差。 3）系统误差的校正 （1）采用修正值方法 （2）从产生根源消除 （3）补偿法,任务1.1 测量数据处理,2测量结果的数学处理 1）表格法 表

13、格法是把被测量数据精选、定值，按一定的规律归纳整理后列于一个或几个表格中。 2）图解法 图解法是把互相关联的实验数据按照自变量和因变量的关系在适当的坐标系中绘制成几何图形，用来表示被测量的变化规律和相关变量之间的关系。 3）解析法 通过实验获得一系列数据。这些数据不仅可用图表法表示出函数之间的关系，而且可用与图形相对应的数学公式来描述函数之间的关系，从而进一步用数学分析的方法来研究这些变量之间的关系。,任务1.1 测量数据处理,3检测技术的发展及应用 检测技术的发展趋势主要有以下几个方面： （1）不断提高仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。 （2）新原理、新材料和新工艺将产生更多品质优良的新型传

14、感器。 （3）开发展小型化、集成化、多功能化、多维化、智能化和高性能、大量程装置。 （4）微电子技术、微型计算机技术、现场总线技术与仪器仪表和传感器的结合，扩大检测领域，构成新一代智能化测试系统，使测量精度、自动化水平进一步提高。 （5）研究集成化、多功能和智能化传感器或测试系统。 检测技术的应用领域：,任务1.1 测量数据处理,神舟六号回收过程的： 测控技术,任务1.1 测量数据处理,检测技术在卫星中的应用,人造卫星,红外扫描区域,任务1.1 测量数据处理,地震中的生命探测仪,一、认识传感器,传感器是人类通过仪器探知自然界的触角，它的作用与人的感官相类似。如果将计算机视为识别和处理信息的“大

15、脑”，将通信系统比作传递信息的“神经系统”，将执行器比作人的肌体的话，那么传感器就相当于人的五官。,“感”传感器对被测量的对象敏感。 “传”传送传感器感受被测量的信息。,图1-3 自动水龙头,图1-2 自动门,2工业生产中使用的传感器,图1-5 光电计数机,光电传感器,3地震救助中使用的传感器,4农业生产中使用的传感器,图1-7 塑料大棚,5汽车中使用的传感器,图1-8 汽车中使用的部分传感器,任务1.2 传感器认知及选用,任务1.2 传感器认知及选用,【任务描述】 要实时监测一个加热炉的温度：测量温度范围大约为5080，检测结果的精度要求达到1。现有3种带数字显示表的温度传感器，它们的量程分

16、别是0500, 0300, 0100，精度等级分别是0.2级、0.5级、1.0级，为了满足测量需要，选择合适的传感器。,任务1.2 传感器认知及选用,【相关知识】 1.2.1 传感器的定义与组成 1. 传感器的定义 传感器是指能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可输出信号的器件或装置。,任务1.2 传感器认知及选用,2.传感器的组成 传感器通常由敏感元件、传感元件及测量电路组成。,（1）敏感元件：敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分。在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转成电量，敏感元件在接受被测量后输出一种易于变为电量的非电量。 （2）转换元件。转换元件也叫传感元件，是将敏感元件的输出转换成适于传输或测量的电信号元件。 （3）测量电路。测量电路又称为转换电路，其作用是将转换元件输出的电信号进