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1、现代检测技术 Fundamentals of Modern Test & Measurement Technology 刘电霆 liudian 第1章 检测技术概述 一、检测的地位和作用 二、检测的基本概念 三、检测系统构成 四、检测方法分类 五、现代检测技术发展趋势 4 学时 历史时代 ： 手工化机械化自动化信息化 生产方式 ： 人与简 单工具 动力机 与机械 自动测 量控制 智能机 械装置 第一章 检测技术概述 一、检测的地位和作用 1. 信息化是科学技术发展的必然 人与机器的机能对应关系： 一、检测的地位和作用 2. 信息流是客观世界的一个主流 物料流 能流 信息流 客观世界 一、检测的
2、地位和作用 信息流组成 信息流获取传输处理控制 信息获取是信息流的一环 一、检测的地位和作用 获取信息是仪器科学的基本任务 仪器仪表是信息产业的重要组成部分 仪器仪表是信息工业的源头 一、检测的地位和作用 3 检测仪器仪表的作用 一、检测的地位和作用 工业生产 倍增器 科学研究 先行官 社 会 物化法官 军 事 战斗力 一、检测的地位和作用 n工业生产倍增器 检测技术是带动国民经济增长的一个 关键领域 在美国：检测技术占4%，拉动经济增长66% 检测技术在工业生产领域的应用 一、检测的地位和作用 1、产品检验和质量控制的重要手段 被动检测主动检测（在线检测）质量控制领域 2、在大型设备安全经济
3、运行监测中得到广泛应用 故障监测系统动态监测 保证设备和人员安全 提高经济效益 3、自动化系统中不可缺少的组成部分 生产过程： “物流”“信息流” 控制 管理 数量 状态 趋向 检测获取信息分析判断自动控制 自动化： 信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行 检测技术在工业生产领域的应用 一、检测的地位和作用 在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位. 一、检测的地位和作用 检测技术在汽车中的应用日新月异 一、检测技术的作用和地位 发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传
4、感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 一、检测技术的作用和地位 检测技术在日常生活中的应用与日俱增 一、检测技术的作用和地位 家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器 数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器 自动感应灯：亮度检测-光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度
5、检测-热敏电阻、热电偶 电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器 遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管 办公商务： 可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD 扫描仪：文档扫描-线阵CCD 红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生： 电子血压计：血压检测 - 压力传感器 血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器 一、检测技术的作用和地位 n科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说“现代科学的进 步越来越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的” 近80年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得 者达38人 一、检测技术的作用和地位 n军事战
6、斗力 1991年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占8% 2003年伊拉克战争 90% 1994年美国防部建立自动测试系统执行局 立体作战 一、检测技术的作用和地位 检测技术在军事上的应用 美军研制的未来单兵作战武器-OICW 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可 将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时 间。 美国国家导弹防御计划-NMD 一、检测技术的作用和地位 检测技术在国防领域的应用 1.地基拦截器 2.早期预警系统 3.前沿部署(如雷达） 4.管理与控制系统 5. 卫星红外线监测系统 监测系统: 探
7、测和发现 敌人导弹的发射并追踪 导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假 弹头，敌友方 检测技术在航天领域举足轻重 一、检测技术的作用和地位 飞行器测控 - 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 火箭测控 - 检测火箭状况、姿态、轨迹 一、检测技术的作用和地位 “阿波罗10”： 火箭部分-2077个传感器 飞船部分-1218个传感器 ， 检测参数-加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、 神州飞船： 185台（套）仪器装置 一、检测技术的作用和地位 n“物化法官” 检查产品质量 监测环境污染 识别指纹假钞 查服违禁药物 侦破刑事案件 一、检测技术的作用和地位 教学实验、气象预报、大地测
8、绘、灾情预报、交通指挥、 涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空 二、检测的基本概念 1、检测与测量： 测量： 以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 检测技术： 测量信号检出（极为重要） 检测是意义更为广泛的测量 被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ） 被测信息： 物理量（光、电、力、热、磁、声、） 化学量（PH、成份） 生物量（酶、葡萄糖、） 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统检测器具： 检测过程： 信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理 检测技术： 检测方法、检测结构、检测信号处理- 综合性技术 例：空调机测量控制室温 二、检测的基本概念 空气 被测对象： 被测信息：
9、 检测器具： 操作过程： 室内空气 温度 温度传感器 - 热电阻、热电偶 热敏电阻 电信号 处理 显示 空调机 二、检测的基本概念 2、检测的分类 被测量值的物理属性：电量、非电量 检测原理（物理的、化学的、生物学的）： 检测方法： 主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、 动态和静态 电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化 学分析、色谱分析、质谱分析等 3、测量单位 被测量 基准量测量：倍数（结果） 单位 比较 避免混乱 - 国际单位制（SI）： 二、检测的基本概念 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 光量 实物单位-千克标准原器 米-光在真空中1s时间内传播距离的1/2
10、99792485 SI 基本单位：七个物理量单位 - 相互独立 （m）（kg）（s）（A）（K） （mol） （cd） 能量（J）=力 距离 大得多/小得多-词头：mm、m、nm（10-9m）； kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz） SI 组合单位： 由基本单位导出 =质量 加速度 距离 J = kg（m/s2）m = m2kg/s2 能量 - 焦（耳）：长度、质量、时间（科学家） 三、检测系统的构成 接 口 总 线 存储 显示 分析 监控 判断 决策 一般构成(从信号传输的角度)： 信号检出 信号检出 信号检出 信号转换 信号转换 信号转换 处理显示 处理显示 处理显示 信号检
11、出：功能 - 将被测信号的转换为电信号的变化（detection） 器件 - 传感器（sensor, transducer） 信号转换：功能 - 将传感器的输出信号转换为便于处理的形式(conversion) 器件 - 信号调理电路（signal conditioning circuit） 处理显示：功能 - 分析(analysis)、处理(processing)、显示(display) 通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、 ) 其它环节： 存储、监控、决策 三、检测系统构成(一般构成的另一种画法) 信息获取转换显示和处理 （信号检出部分）（信号变换部分） 1、信号检
12、出部分 传感器（Sensor）- 检出功能的器件 信号提取（被测量）、传输（信号变换部分） 特点： 1）输出量为电压、电流、频率 2）输出的电信号一般较微弱： 电压 - 毫伏级、微伏级；电流 - 毫安级、纳安级 3）输出信号与噪声混杂在一起 - 传感器内部噪声 传感器的信噪比小、输出信号弱 - 信号淹没在噪声中 4）传感器的输出特性呈线性或非线性 选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件 以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制 电阻、电容、电感 两种：数字量、模拟量 5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性 检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分 2、信号变换
13、部分 检出信号适合于分析和处理的信号 信号调理电路 阻抗变换 - 输出阻抗很高时； 电压/电流（V/A）转换 - 需要电流输出时； 目的： 4）简化后续系统的组成 2） 消除或抑制传感器输出量中的无用信号 3）提高测量、分析的准确度 信号放大 - 输出信号微弱时； 噪声抑制 - 信号淹没在噪声中； 模拟/数字（A/D）转换 - 需要输出数字信号时 1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量 3、分析处理部分 功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换 不断注入新内容 - 检测系统的研究中心 通用标准接口 - 不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联 4、通信接口与总线部分 计算机
14、系统 - 强大问题分析能力、复杂系统的实时控制 自动化、智能化 USB、 IEEE-488、 RS-232（串行）、并行 总线：传送数字信号的公共通道 - 信号线的集合 RS-232C、VXI、Centronics（并行） （硬件系统） （规范、结构形式） 接口 - 分系统和上位机之间/分系统之间交换信息 检测系统构成(从整个过程及采用的器件仪器) 力 位移 速度 加速度 压力 流量 温度 电阻式 电容式 电感式 压电式 热电式 光电式 磁电式 电桥 放大器 滤波器 调制器 解调器 运算器 阻抗变换器 笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡 数据处理器 频谱
15、分析仪 FFT 实时信号分析仪 电子计算机 被测对象 传感器 中间变换 测量装置 显示及 记录装置 实验结果 处理装置 激发装置 四、检测方法分类 选择：被测量的性质、特点和测量任务要求 分类： （1）按测量手续：直接测量(绝对测量、相对测量) 、 间接测量 （2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、 差分式测量 （3）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、 非接触式测量 （4）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量 （5）根据检测系统的特点：开环测量与闭环测量 四、检测方法分类 n1、直接测量与间接测量 直接测量：直接将被测量与同类标准量进行简单比较 标准量 标准计量单位(如米尺、光栅尺、激光、) 绝对测量 定值标准量（如某一固定尺寸） 相对测量 线纹尺 - 物体尺寸、天平 - 物体重量 四、检测方法分类 - 绝对测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值 测量结果：20.1 mm - 相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值 特点：简单、直观、明了； 测量精度不高 基准量：20.00 mm 测量值：+0.08 mm 结 果：20.08 mm 特点：精度高；复杂、成本高、要求高 四、检测方法分类 间接测量 如测导线的导电率：
