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1、第1章 检测系统的特征与性能指标,1.1检测技术概论 1.2传感器概论 1.3检测系统的静态特性与性能指标 1.4检测系统的静态特性与性能指标,下页,返回,1.1检测技术概论 1.1.1检测技术的定义： 检测就是利用各种物理、化学、生物等效应。选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性和定量结果的过程。,1.1.2检测技术的作用： 仪器仪表是科学研究和工业技术的“耳目”。 我国著名科学家、光学仪器和测试技术的老前辈、两院院士王大珩先生强调，“仪器仪表是人们认识世界的工具。”没有这个工具我们就无法去探索自然界新的奥秘。 在近一个世纪以来，在诺贝尔物理
2、学和化学奖中大约有1/4是属于在测试方法和测量仪器上有所发明、有所创新而获奖的。 “工欲善其事，必先利其器”，科研工作是要对未知进行探索，则必然要借助实验方法和仪器设备，往往科研的创新工作都是从研究新的测试方法和实验仪器开始的。,著名科学家钱学森院士在对新技术革命的论述中讲到：“新技术革命的关键是信息技术，信息技术由测量技术、计算机技术和通信技术三部分组成，测量技术则是关键和基础。” 检测是科学研究的基础。 “测量是技术生命的神经系统。” 英国科学家库克,“Whatever exists, exists in some amount.” “I often say that when you c
3、an measure what you are speaking about and express it in numbers, you know something about it, and when you cannot measure it, when you cannot express it in numbers, your knowledge is of meager and unsatisfactory kind. It may be the beginning of knowledge, but you have scarcely, in your thought, adv
4、anced to the stage whatever the matter be.” William Thomson,“凡存在之物，必以一定的量存在。” “我经常说，当你能测量你所谈及的事物并用数字表达它时，你对它便是有所了解的；但当你不能测量它，不能将它用数字表达时，你的知识便是贫瘠的、不能令人满意的。这也许是知识的开始，但无论情况怎样，在你的思想中，你却几乎还没有上升到这一阶段。” 开尔文勋爵,检测技术和仪器仪表的发展代表着科技进步的前沿，是科技发展的支柱。 现以分析仪器为例： 1922年阿斯通(Aston)发明了质谱技术，产生了质谱仪，可用来测定同位素。 1952年马丁(Martin)
5、发明了分配色谱法，产生了色谱仪，它可以对复杂的有机物进行多组分、快速的定性定量分析。 1979年荷马克(Cormark)发明了计算机控制的扫描层析诊断法，产生了医用和工业用的CT扫描仪，它能够深入人体和物体内部进行观察。 1991年埃伦斯特(Ernst)发明了高分辨率的核磁共振法，产生了核磁共振波谱仪，它可完成分子成像，为分子结构和分子运动的研究创造了条件。,检测技术和仪器仪表除在科学研究中的重要作用外，在工农业生产、环境保护和能源节约中都发挥着重要的作用。它担负着对生产过程的监测和控制，是保证生产连续、高效、安全和无污染运行的关键。 此外，在产品质量评估、计量标准实施中则起着技术监督的“物质
6、法官”的作用。,仪器仪表工业还是国民经济的“倍增器”。 应用仪器仪表是使生产从“粗放型”转变为“集约型”的必然条件，是改造传统产业的重要手段。 检测技术和仪器仪表在国民经济的各个领域都具有重大的影响。以美国为例，根据美国国家标准技术研究院(NIST)的统计，美国为了完成质量认证、工业控制和流程分析，每天要完成2.5亿个检测，这需要大量的种类繁多的检测及分析仪器。 美国商业部国家标准局(NBS)于20世纪90年代初在评估仪器仪表工业对美国国民生产总值的影响作用时所提出的报告中称，虽然仪器仪表工业总产值约占工业总产值的4%，但它对国民经济的影响却达到66%。,各发达国家高度重视测量技术和仪器仪表技
7、术及产业的发展。 除美国外，日本科技厅将测量技术列为21世纪首先发展技术之一。 欧盟在其第三个科技发展规划中将测量与检测技术列为15个专项之一。 我国在“十五”、“十一五”规划纲要中把仪器仪表技术放在重要位置，国家发改委和科技部列有专项支持。,北京, May 26, 2008 西门子中国为地震灾区提供远程医疗诊断系统 为了给四川地震灾区的伤员提供更及时的医疗救援，西门子中国医疗协同四川大学华西医院、成都华西公用医疗信息服务有限公司和成都电信 于5月18日建立了一套远程影像诊断系统。这套远程诊断系统的运行开启了四川地震灾区的一种创新紧急救援模式。通过这套系统，位于四川成都的华西医院实现了与70公
8、里之外的地震重灾区绵竹市的远程连接。截止至5月26日，近600名伤员通过这套系统接受了远程诊断。,崔琦与另两位科学家（德国科学家霍斯特施特默和 美国科学家罗伯特劳克林）因发现强磁场中共同相 互作用的电子能形成具有分数分子电荷的新型“粒子” 而获得1998年诺贝尔物理奖 ，他的故乡在我们河南 平顶山市宝丰县肖旗乡范庄村。,朱棣文从事的是目前世界上最尖端的激光致冷捕捉技术研究，有着非常广泛的实际用途，这项研究为帮助人类了解放射线与物质之间的相互作用，特别是深入理解气体在低温下的量子物理特性开辟了道路。在原子与分子物理学中，研究气体的原子与分子相当困难，因为它们即使在室温下，也会以上百公里的速度朝四
9、面八方移动,唯一可行的方法是冷却,然而，一般冷却方法会让气体凝结为液体进而结冻。朱棣文等位学者则利用激光达到冷却气体的效果，即用激光束(molassos)达到万分之一绝对温度，等于非常接近绝对零度（摄氏零下273度）。原子一旦陷入其中，速度将变得非常缓慢，而变得容易俘获。,该技术可以用来做精确测量，特别是做重力测量；人们还可以利用此技术做成重力分析图，由此解开地球上的许多谜团：例如观察油田的内层、勘探海底或地层内的矿物质，在生物科技上可以解读去氧核糖核酸(DNA)的密码；科学家还可以借此研究原子激光，制造精密的电子元件；也可以测量万有引力，进一步发展太空宇航系统，进行准确的地面卫星定位。科学家
10、们普遍认为，这的确是一个了不起的研究成果. 瑞典皇家科学院1997年10月15日宣布，本年度的诺贝尔物理学奖授予美国斯坦福大学物理教授朱棣文、美国标准与技术研究所的菲利普 斯和法国学者科昂.塔诺季，以表彰他们发明了用激光冷却进行低温下俘获原子的方法。,1.1.3工业检测技术的类型和内容： 热工量： 温度、热量、比热容、热流、热分布、压力、差压、真空度、流量、流速、物位、液位、界面 机械量： 位移、角位移、速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量 几何量：长度、厚度、角度、同轴度、平行度 化学量：成分、浓度、密度、黏度、湿度、酸碱度、浊、PH值、透明度 状态量：启停、超温、过载 电工量：脉
11、宽、相位、波形、频谱,1.1.4 检测系统的组成 检测技术几乎已应用于所有的行业，它是多学科知识的综合应用。它涉及到半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术、以及数理统计、控制论、信息论等近代新技术和新理论。其最终目的就是从测量对象中获取反映其变化规律的有用信息，为了实现此目的，一个广义的检测系统一般由激励装置、测试装置、数据处理与记录装置所组成（如图1.1）。,下页,上页,返回,力 位移 速度 加速度 压力 液位 流量,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 等等,笔式记录仪 光线示波器 磁带
12、记录器 电子示波器 半导体存储器 显示器,数据处理器 频谱分析仪 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,中间变换测量装置,试验结果处理装置,激发装置,图1-2 典型测试系统框图,1.1.4.1 各组成部分的特点 （1）激励信号 激励信号由激励装置产生，采用激励装置是为了使被测对象处于预定状态下，并将其有关方面的内在联系充分显示出来，以便于有效的测量。当测试工作所希望获取的信息并没有直接载于可检测的信号中，就需要激励被测对象，使其既能表示相关信息又便于检测。对于能量控制型传感器中的一些类型，如：超声波探伤、激光散斑技术测量应变，就是由外部能源供给激励信号发生器，而激励信
13、号发生器以信号激励被测对象，输入传感器的信号就是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。 （2）测试对象 测试对象的特性均以信号的形式给出，被测信号一般都是随时间变化的动态量，即使在检测不随时间变化的静态量时，由于混有动态的干扰噪声，通常也,下页,上页,返回,也按动态量进行检测测量。由于被测信号描述了被测对象特征信息，且信号本身的结构对所选用测试装置有重大影响，因此应当熟悉和了解各种信号的基本特征和分析方法。 （3）传感器 传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。由于传感器种类繁多，所以几乎能检测所有非电量参量
14、。但因传感器输出的电信号种类多、功率小，故一般不能直接将这种电信号传输到后续的信号处理电路或输出元件中去，必须经过信号的调理。 （4）信号调理电路 信号调理电路的主要作用有两方面，一是把来自于传感器的信号进行转换和放大，使其更适合于进一步处理和传输，多数情况是将各种电信号转换为电压、,下页,上页,返回,电流、频率等少数几种便于测量的电信号，输出功率可达到 级；第二方面是进行信号处理，即对经过信号调理的信号，进行滤波、调制和解调、衰减、运算、数字化处理等。 （5）信号的分析与记录 信号调理电路输出的测量结果是对被测信号的真实记录，为了显示其变化过程，可以采用光线示波器、屏幕显示器、打印机等输出装
15、置。此外还可以用磁记录器来存储被测信号，以便于检测工作完成后反复使用信号。但要从客观记录的信号中找出反映被测对象的本质规律，还必须对信号进行分析（如：信号强度分析、信号的频谱分析、信号的相关分析、信号的概率密度谱分析等），从而提取有用信息。信号分析的设备各式各样，有专用的分析仪（如：相关分析仪、概率密度分析仪、频谱分析仪、传递函数分析仪等），也有作综合分析用的信号处理机和数字信号处理系统。现代检测系统采用了计算机和网络技术，将调理电路,下页,上页,返回,输出的信号直接送到信号分析设备中处理，进行在线处理，已在工程检测和工业控制中得到广泛的应用。 为了保证测量结果的准确性，上述各环节的输出量与输
16、入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，这种关系通常是线性关系，而且必须尽可能地减小或消除各种干扰。 1.1.4.2 线性时不变系统及其主要性质 在信号传输通道中，检测系统是指连接输入、输出并具有特定功能的部分。在工程测试实践中，大多数检测系统属于线性时不变系统。线性时不变系统的分析方法已形成了完整严密的体系，即使是一些非线性系统或时变系统，在限定条件下，它们也遵循线性时不变的规律。故下面重点讨论线性时不变系统的主要性质。,下页,上页,返回,当系统的输入 和输出 之间关系可用常系数线性微分方程来描述时，则称该系统为线性时不变系统，也称为定常线性系统。即： （1.1） 式中 为时间变量， 和 均为常数。线性时不变系统具有以下主要性质： （1）叠加性 设为 输入， 为输出，若,下页,上页,返回,则 （1.2） 满足叠加原理，意味着作用于线性系统的各个输入所产生的输出是互不影响的，所以在分析有多个输入作用的系统
