现代检测技术与系统教学课件作者胡向东第1章节课件幻灯片

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1、现代检测技术与系统,主讲：,第1章,检测技术基础,学习导向,1.1 概述,自古以来，检测技术就渗透到人类的生产活动、科学实验、日常生活的各个方面 现在，测量科学对促进生产力发展与社会进步起到举足轻重的作用 要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相应的检测技术的支撑和检测仪器仪表的利用是不可能的 目前，世界上许多国家将传感器与检测技术作为本国优先和重点发展的高技术领域,1.2 传感器的定义、组成与分类,传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量 传感器功能：检测和转换。 敏感元件是传感器

2、中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件 转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分,传感器的组成,信号调理电路：常见有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等 作用： 把来自传感器的信号进行转换和放大（将各种电信号转换成电压、电流或频率等）； 进行信号处理（滤波、调制与解调、衰减、运算、数字化等）,传感器的分类,按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等 按传感器的输出量进行分类 ：模拟式和数字式 按传感器的工作原理进行分类 ：电阻式、电容式、电感式、压电式、磁敏式、热电式、光电式传感器等 按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物

3、型 物理传感器按构成进行分类：物性型（敏感材料的物理特性变化，如水银温度计）和结构型（转换元件的结构参数变化，如变极距型电容式传感器） 按传感器的能量变换关系进行分类：无源（能量控制型或参量型）、有源（能量变换型或发电型） 按传感器所蕴含的技术特征分类：普通传感器与新型传感器,1.3 测量方法,1.3.1 测量的基本概念 测量就是以确定被检测值为目的的一系列操作 经测量过程所获得的被测量的量值称为测量结果。测量结果有多种表示方式，如数值、曲线或图形等。测量结果应包括两个部分：比值和测量单位（还应包括测量误差或测量精度）。 测量方法就是将被测量与标准量进行比较，从而得出比值的方法。,1.3.2

4、测量方法的分类,根据测量方式的不同可分为：直接测量、间接测量和组合测量 根据测量方法的不同可分为：偏差式测量、零位式测量和微差式测量 根据测量精度要求的不同可分为：等精度测量和非等精度测量 根据被测量变化的快慢可分为：静态测量和动态测量 根据测量敏感元件是否与被测介质接触可分为：接触式测量和非接触式测量,直接测量、间接测量和组合测量,直接测量：不需要经过任何运算就能直接得出测量结果的测量方法。如用电流表测量电流 优点：测量过程简单、迅速。缺点：测量精度不高。 间接测量：首先对与被测量有确切函数关系的物理量进行直接测量，然后通过已知的函数关系求出该未知量 特点：测量过程复杂、测量所需时间较长，需

5、要进行计算才能得出最终的测量结果。间接测量一般用于直接测量不方便、直接测量的误差较大或不能进行直接测量的场合。 组合测量：使各个待求未知量和被测量经不同的组合形式出现，通过解一组联立方程而求出未知量的数据的测量方法 特点：操作手续复杂、花费时间较长，但易达到较高精度。组合测量多用于科学实验或一些特殊要求的场合。,偏差式、零位式和微差式测量,偏差式测量:用仪表指针的位移（即偏差）表示被测量量值的测量方法 零位式测量：用指零仪表的零位反映测量系统的平衡状态，在测量系统平衡时，用已知的标准量决定被测量的量值 微差式测量：综合偏差式测量与零位式测量。零位式测量中的标准量不都是连续可调的而存在差值。微差

6、式测量只要求标准量与被测量接近（零位式测量），再用指示仪表测量标准量与被测量的微小差值（偏差式测量）,等精度测量和非等精度测量,等精度测量：在同一测量环境下，用相同仪表与测量方法对同一被测量进行多次重复测量 非等精度测量：用不同精度的仪表或不同的测量方法，由不同的测量人员或在环境条件不同（相差很大）时，对同一被测量进行多次重复测量 此时各个测量结果的可靠程度不一样，可用“权”来表示对应测量结果的可依赖程度,静态测量和动态测量,如果被测量在测量过程中是固定不变的，或随时间变化非常缓慢（它的变化周期远大于传感器或检测仪表的响应时间），对这种被测量的测量称为静态测量 静态测量不需要考虑时间因素。 如

7、果被测量在测量过程中是随时间不断变化的（它的变化周期接近于传感器或检测仪表的响应时间），对这种被测量的测量称为动态测量 动态测量必须考虑时间因素对测量结果的影响，即测量结果中一定包含有时间量,接触式测量和非接触式测量,接触式测量是指测量敏感元件与被测介质直接接触的测量 否则，称为非接触式测量,1.4 检测系统的基本特性,检测系统所测量的物理量基本上有两种形式： 稳态（静态或准静态） 动态（周期变化或瞬态） 前者的信号不随时间变化（或变化很缓慢）；后者的信号是随时间变化而变化的 检测系统的基本特性分为： 静态特性 动态特性,1.4.1静态特性,静态特性是检测系统在稳态信号作用下的输入-输出关系。

8、静态特性所描述的输入-输出关系式中不含时间变量 衡量静态特性的主要指标包括线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、测量范围与量程、漂移等,(1)线性度,线性度是指检测系统的输出与输入间成线性关系的程度,(2)灵敏度,灵敏度是检测系统在稳态下输出量变化对输入量变化的比值,(3)分辨率,分辨率是指传感器或检测仪表能够感知或检测到的最小输入信号增量，它反映传感器与检测仪表能够分辨被测量微小变化的能力,(4)迟滞,迟滞，也叫回程误差，是指在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，检测系统在正（输入量由小增大）、反（输入量由大减小）行程的输出信号大小不相等的现象 产生迟滞的原因：仪表元件存在能量吸收或传

9、动机构存在不可避免的摩擦、间隙、松动、积尘等，引起能量吸收和消耗。,(5)重复性,重复性表示检测系统在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得输入输出特性曲线一致的程度 实际特性曲线不重复的原因与迟滞的产生原因相同,(6)测量范围与量程,测量范围是指正常工作条件下，检测系统或仪表能够测量的被测量值的大小区间，如某温度计的测量范围是-50+200。 量程是测量范围上限值与下限值的代数差，如上述温度计的量程是250。,(7)漂移,漂移是指检测系统在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象；漂移将影响检测系统的稳定性 产生原因： 检测系统自身结构参数发生老化，如零点漂移 在测试过程中周围环境（如温度

10、、湿度、压力等）发生变化。这种情况最常见的是温度漂移,1.4.2动态特性,检测系统的动态特性是指其对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即其输出对随时间变化的输入量的响应特性 要对检测系统的动态特性进行理论研究，可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。常采用阶跃信号和正弦信号作为输入信号 在采用阶跃输入研究传感器的时域动态特性时，常用延迟时间、上升时间、响应时间、超调量等来表征传感器的动态特性 在采用正弦输入信号研究传感器的频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性,1.5误差及其处理,任何测量的目的是为了获得被测量的真实值（受测量环境、方法、仪器、人员

11、等因素影响） 量是物体可以从数量上进行确定的一种属性。由一个数和合适的计量单位表示的量称为量值 测量误差:测量结果与被测量真值之差 误差公理:测量误差是不可避免的，一切测量都存在误差 测量误差的大小反映测量质量的好坏,25,精度,精度：反映测量结果与真值接近程度的量 精度与误差相对应，误差越小，精度越高，反之亦然 分类 准确度：反映测量结果中系统误差的影响程度（测量结果偏离真值的程度） 精密度：反映测量结果中随机误差的影响程度（测量结果的分散程度） 精确度：反映测量结果中系统误差和随机误差综合的影响程度（常用测量不确定度或极限误差表示）,26,精度的划分及其意义,对于某个具体的测量：准确度高的

12、精密度不一定高，精密度高的准确度不一定高；但精确度高的，其准确度和精密度一定都高 问题（精度的多种图示）,27,误差的来源,测量环境误差 测量仪器或装置误差 测量方法误差 测量人员误差,28,误差的分类,系统误差 测量系统本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等所引起 多次重复测量时，系统误差的大小或符号保持不变，或按一定规律出现（始终偏大、偏小或周期性变化） 随机误差 对同一被测量进行多次重复测量时，误差的绝对值和符号不可预知地随机变化，但总体满足一定的统计规律性 是由测量过程中独立、微小、偶然的因素引起 粗大误差 明显偏离测量结果的误差 测量者粗心大意或环境突

13、然急剧变化引起 粗大误差必须避免,29,误差的表示,绝对误差 相对误差 引用误差 基本误差 附加误差,30,误差的表示（续）,绝对误差：测量值与真实值间的差值 相对误差：绝对误差与真实值（或测量值）之比 引用误差：绝对误差与仪表满量程之比,31,仪表精度等级的确定,依据引用误差，如0.5级表代表其引用误差最大为0.5% 我国的仪表等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共七个等级,32,例1：检定一台满量程Am5A，精度等级为1.5的电流表，测得在2.0A处其绝对误差0.1A，请问该电流表是否合格？,解：在没有修正值的情况下，通常认为在整个测量范围内各处的最大绝对误差是一

14、个常数。因此，根据引用误差的定义可求得： 由于2.0%1.5%，因此，该电流表已不合格，但可做精度为2.5级表使用。 方法二？,33,误差的表示（续）,基本误差：仪表在规定的标准条件（即标定条件）下所具有的引用误差（用于标识仪表精度等级） 附加误差：当仪表的使用条件偏离标准条件时出现的误差（如温度、压力、频率、电源电压波动附加误差等）,34,例：要测量一个约80V的电压量，现有两块电压表供选用， 一块量程为300V，精度等级0.5；一块量程为100V，精度 等级1.0。请问选用哪一块电压表更好？ 解：根据最大示值相对误差的定义式，先求最大相对误差。 使用300V、0.5级表时： 使用100V、

15、1.0级表时： 可见，选用100V、1.0级表测量该电压时具有更小的相对误差，精度更高。由题目数据还可知，使用该表可保证测量示值落在仪表满刻度的三分之二以上。,35,1.5.2 随机误差的处理,随机误差的正态分布曲线 单峰性：绝对值小的随机误差出现的概率大于绝对值大的随机误差出现的概率 有界性：随机误差的绝对值是有限的 对称性：随着测量次数的增加，绝对值相等、符号相反的随机误差的出现概率趋于相等 抵偿性：在相同条件下，当测量次数趋于无穷大时，所有随机误差的代数和为0,36,正态分布的随机误差的数字特征,标准差反映了随机误差的分布范围。标准差愈大，测量数据的分散范围就愈大。,37,标准差反映了随

16、机误差的分布范围。标准差愈大，测量数据的分布范围就愈大。右图显示了不同标准差下的正态分布曲线。由图可见： 标准差越小，分布曲线就越陡峭，说明随机变量的分散性小，接近真值 ，即精度高。反之，标准差越大，分布曲线越平坦，随机变量的分散性就越大，即精度低。,38,残余误差与标准差的估计值,实际测量时真值无法知道，常用残余误差： 对应标准差的估计值：,39,正态分布的概率计算,40,测量结果的两种表示,41,例:有一组（10个）测量值为237.4、237.2、237.9、237.1、238.1、237.5、237.4、237.6、237.6、237.4，求测量结果。,42,因此，测量结果可表示为：,1.5.3 系统误差的处理,1、从误差根源上消除系统误差 系统误差：是由测量系统本身的缺陷或测量方法的不完善造成的， 使得测量值中含有固定不变或按一定规律变化的误差 特点：系统误差不具有抵偿性，也不能通过重复测量来消除，因此在处理方法上与随机误差完全不同 处理原则：找出系统误差产生的根源，然后采取相应的措施尽量减小或消除系统