第3章 檢測技術(shù)及方法分析

主要內(nèi)容檢測方法及其基本概念檢測系統(tǒng)模型與結(jié)構(gòu)分析提高檢測精度的方法多元化檢測技術(shù)3.檢測技術(shù)及方法分析2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)2傳感器與執(zhí)行器：獲取檢測對(duì)象所處狀態(tài)的傳感器，以及控制并調(diào)節(jié)對(duì)象狀態(tài)的執(zhí)行器。系統(tǒng)界面：監(jiān)控儀器與其他系統(tǒng)之間信息往來。操作界面：操作人員與儀器裝置之間的界面。圖3-1檢測與控制儀器與外界環(huán)境之間的三種界面?zhèn)鞲衅鞯暮脡闹苯佑绊憙x表的質(zhì)量，對(duì)它的要求有：準(zhǔn)確性：穩(wěn)定性：靈敏性：其它：經(jīng)濟(jì)性、耐腐蝕性、低能耗等。信息的輸入端口,

完成信號(hào)的檢測與轉(zhuǎn)換，是整個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵。檢測及控制裝置與外界環(huán)境之間的三種界面關(guān)系：2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)3傳感器定義及組成：定義：傳感器是一種以測量為目的，以一定的精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的，便于處理的另一種物理量的測量器件，其輸出多為易處理的電量，如電流、電壓、頻率等。傳感器由敏感元件、傳感元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。敏感元件傳感元件測量轉(zhuǎn)換電路非電量（被測量）非電量電參量電量2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)4傳感器(sensor,transducer)種類很多，它的分類方法有很多種：根據(jù)檢測對(duì)象分類，如溫度、壓力、位移等。從傳感器原理或反應(yīng)效應(yīng)分類，如熱阻/熱電/壓阻/電磁感應(yīng)/霍爾/光電/壓電等。根據(jù)傳感器的材料分類，如導(dǎo)電體、半導(dǎo)體等。按應(yīng)用領(lǐng)域分類，如化工、紡織、造紙、環(huán)保等5.按輸出信號(hào)形式分類，如模擬和數(shù)字式等。6.按反映形式或能量供給方式分類，如能動(dòng)型和被動(dòng)型、能量變換型和能量控制型等。2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)53.1檢測方法及基本概念3.1.1開環(huán)(openloop)型檢測與閉環(huán)(closedloop)型檢測開環(huán)型檢測系統(tǒng)如圖(a)所示。對(duì)象信息處理器傳感器輸出(a)閉環(huán)型檢測系統(tǒng)如圖(b)所示。+反變換器變換器放大器被測量輸出-(b)平衡式儀表及檢測系統(tǒng)一般采用這種結(jié)構(gòu)。2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)63.1.2

直接檢測與間接檢測直接檢測——與同類基準(zhǔn)進(jìn)行簡單比較。一般可直接讀出被測量的量值。

比如：用電壓表測電壓、溫度計(jì)測溫度等。間接檢測——測量與被測量有一定關(guān)系的2個(gè)或2個(gè)以上物理量，然后再推算出被測量。比如，測量電流和電阻求電壓、v=L/t。間接測量需要進(jìn)行2次以上的測量，一般要分析誤差的傳遞。2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)7

3.1.3絕對(duì)檢測與比較檢測絕對(duì)檢測——由基本物理量測量而決定被測量的方法。

例如，用水銀壓力計(jì)測壓力時(shí)，從水銀柱的高度、密度、和重力加速度等基本量測量決定壓力值。比較檢測——與同種類量值進(jìn)行比較而決定測量值的方法稱為比較檢測方法。

例如用彈簧管壓力計(jì)測量壓力時(shí)，要用已知壓力校正壓力計(jì)的刻度，被測壓力使指針擺動(dòng)而指示的壓力是通過比較或校正得出的。例：曹沖稱象方法：比較法；裝置：船、石頭、小秤；檢查、測量，從而得到定量結(jié)果；2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)83.1.4偏差法與零位法偏差法(differencemethod)也叫非零檢測法。一般為開環(huán)型結(jié)構(gòu)，增益大。結(jié)構(gòu)簡單，測量結(jié)果直觀。（如彈簧秤稱重）信號(hào)轉(zhuǎn)換需要的能量要從被測對(duì)象上獲得。這樣，會(huì)使檢測儀器的狀態(tài)發(fā)生變動(dòng)。（例如，用接觸式溫度計(jì)測量溫度，熱量會(huì)被溫度計(jì)吸收）這種開環(huán)檢測對(duì)排除干擾很不利。零位法(nullmethod)是反饋型閉環(huán)檢測方法。采取與同類的已知量取平衡的方法進(jìn)行測量。（如用天平測量質(zhì)量）零位法的平衡操作絕大多數(shù)已經(jīng)完全自動(dòng)化。（電位差計(jì)、平衡電橋等）2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)93.1.5強(qiáng)度變量檢測與容量變量檢測強(qiáng)度變量檢測：力、壓力、溫度、電壓等表示作用的大小，與體積（空間）、質(zhì)量無關(guān)的稱強(qiáng)度變量；容量變量檢測：長度、重量、熱量、電流等與占據(jù)空間相關(guān)，與體積、質(zhì)量成比例關(guān)系的，為容量變量。Intensive/ExtensiveVariable，與空間、質(zhì)量有無關(guān)系；輸入輸出端共軛存在的變量；乘積表示能量；一方為信號(hào)變量傳遞信息，另一方為誤差變量；傳感器容量變量A容量變量B強(qiáng)度變量A強(qiáng)度變量B熱電偶熱流電流溫度差熱電勢2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)10

以熱電偶測溫為例，溫度差即強(qiáng)度變量是輸入信號(hào)，輸出信號(hào)是熱電勢，也是強(qiáng)度變量。輸入端的容量變量是熱流，輸出端的容量變量是電流,如圖所示。熱電偶熱流溫度差電流熱電勢

熱流和電流雖不是輸入輸出變量。但它們都對(duì)檢測系統(tǒng)有影響：被檢測物體的熱容量過小或檢測系統(tǒng)的熱容過大，都將使被測物溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生誤差。輸出端電路里有電流流動(dòng)，受內(nèi)阻影響輸出信號(hào)的電壓有所降低，也會(huì)造成系統(tǒng)誤差。強(qiáng)度變量與容量變量是在檢測系統(tǒng)的輸入輸出端共軛存在的變量。一方傳遞信息的同時(shí)，另一方總是直接或間接地與誤差有關(guān)。為減少測量誤差，需盡量抑制共軛變量的影響。6.其它檢測方法微差法

—觀察差值，游標(biāo)卡尺的主刻線和副刻線的差替換法（排除測量順序誤差）—例如，改變天平放砝碼托盤的左右位置，兩次測量質(zhì)量取平均值求得被測量的比較準(zhǔn)確的質(zhì)量。能量變換與能量控制型檢測

—光伏電池、光敏電阻(被動(dòng)檢測與能動(dòng)型檢測)主動(dòng)探索與信息反饋型檢測—例如在檢測氣體濃度時(shí)，首先要觀測隨檢測裝置移動(dòng)的濃度值的變化，探索濃度最大值的空間位置，然后輸出檢測結(jié)果。指紋輸入的傳感原理-1////電容量圖像傳感器CCD/CMOS指甲手指透鏡棱鏡光源LED多電極板（1）棱鏡光學(xué)法經(jīng)過空氣層反射和在隆線與鏡面交界處的直接反射不同（2）電容法到達(dá)電極板的距離不同靜電容量不同指紋輸入的傳感原理-2圖像傳感器CCD/CMOS指甲手指光源LED（4）電場方法到達(dá)真皮距離不同造成電場強(qiáng)度分布不同（5）感熱方法隆線皮膚體溫與谷部空氣溫度的差（6）感壓方法凹凸壓力分布（3）擴(kuò)散光光學(xué)法觀測通過手指內(nèi)的光線，谷線處由于光擴(kuò)散而變暗經(jīng)典的測量智慧刻度線的吻合，視覺判斷放大測量，提高測量精度平衡測量，抵消其他干擾中醫(yī)（望、聞、切、問），綜合診斷2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)153.2.檢測系統(tǒng)模型與結(jié)構(gòu)分析檢測系統(tǒng)的基本功能可總結(jié)為：信號(hào)轉(zhuǎn)換與信號(hào)選擇、基準(zhǔn)保持與比較、顯示與操作三大部分。

測量是把被測量與同種類單位量進(jìn)行比較，以數(shù)值表示被測量大小的過程。因此，檢測儀表中必須具有基準(zhǔn)保持部位。3.2.2

信號(hào)轉(zhuǎn)換模型與信號(hào)選擇性1.信號(hào)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型

3.2.1檢測系統(tǒng)的基本功能設(shè)ui為被檢測量(輸入信號(hào))，y1為測量值(輸出信號(hào))時(shí)，2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)16設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)時(shí)要選擇必要的信號(hào)，以消除其他變量的影響，提高檢測精度。

以金屬絲的電阻值變化為例，它與金屬種類、純度、形狀、溫度有關(guān)。當(dāng)用作熱電阻測溫時(shí)，選擇其溫度變化的特性，而要防止變形影響；當(dāng)用作應(yīng)變測量時(shí)，則選擇其形狀變化的特性，而要設(shè)計(jì)抵消溫度影響的檢測結(jié)構(gòu)。2.信號(hào)選擇性2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)17

一個(gè)傳感器的輸入信號(hào)，除被測參數(shù)以外，還有其他未知參數(shù)或干擾參數(shù)，因此，可視為多輸入單輸出系統(tǒng)。傳感器輸入量輸出量x1x2x3y3.2.3檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析為減小和消除這些多余信號(hào)，實(shí)際上常常采取一些特殊結(jié)構(gòu)。常見的結(jié)構(gòu)有：補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、差分結(jié)構(gòu)。2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)18

設(shè)被檢測量為u1，干擾量為u2，傳感器A為測量用傳感器，同時(shí)受u1、u2的作用，在u1、u2有微小變化的前后，輸出信號(hào)分別為：yA=fA(u1，u2)→yA=fA(u1+△u1，u2+△u2)。

傳感器B為補(bǔ)償用傳感器，受干擾量u2及其微小變化的影響。在固定u1時(shí)，輸出分別為：

yB=fB(u1，u2)→yB=fB(u1，u2+△u2)。1.補(bǔ)償(compensation)結(jié)構(gòu)

補(bǔ)償結(jié)構(gòu)是利用傳感器B的輸出結(jié)果，補(bǔ)償傳感器A中的干擾量作用，使檢測系統(tǒng)的輸出結(jié)果不受被測參數(shù)以外的干擾參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇性。補(bǔ)償結(jié)果輸出為: y=yA-

yB

=fA(u1+△u1，u2+△u2)-fB(u1，u2+△u2)

。

實(shí)例：電阻應(yīng)變片的溫度誤差消除懸臂梁使用兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)變片收縮R1上下應(yīng)變片的阻值變化相反伸長RB振動(dòng)輸出2輸出1合并電阻2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)20

差分結(jié)構(gòu)可以看作是補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的特例，是排除干擾、選擇必要的測量參數(shù)的重要方法。差動(dòng)結(jié)構(gòu)的兩傳感要素一般采用空間對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式即：

2.差分(difference)結(jié)構(gòu)工作原理:互感現(xiàn)象.EwEout2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)22

補(bǔ)償結(jié)構(gòu)&差動(dòng)結(jié)構(gòu)減小了干擾量u2的影響2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)23

補(bǔ)償結(jié)構(gòu)&差動(dòng)結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步減小了干擾量u2的影響，靈敏度提高1倍，改善線性度、抑制共模干擾。2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)24δ?δab?bδC線性關(guān)系靈敏度靈敏度例：差動(dòng)法消除電容傳感器非線性誤差2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)25差動(dòng)檢測結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

兩個(gè)空間對(duì)稱結(jié)構(gòu)；測量參數(shù)反對(duì)稱作用；干擾或影響參數(shù)對(duì)稱作用。

處理方法：

取兩結(jié)構(gòu)差值功能特點(diǎn)：

1、普通方式：小范圍測量；2、差動(dòng)式工作優(yōu)點(diǎn)；（1）使靈敏度擴(kuò)大一倍；（2）改善了線性；2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)26

利用檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇功能。主要是依據(jù)信號(hào)與噪聲在時(shí)域和頻域上的不同特性。這些方法同樣是提高檢測精度，抗噪聲的基本方法?！飼r(shí)域信號(hào)選擇方法(1)基于同步加算的去噪方法(2)基于響應(yīng)速度的分離方法

★頻域信號(hào)選擇方法(1)濾波放大與調(diào)頻放大方法(2)陷波放大方法(3)鎖定放大方法

3.3提高檢測精度的方法2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)273.3.1

時(shí)域信號(hào)選擇方法（1）基于同步加算的去噪方法

信號(hào)一般都具有周期性，而噪聲是隨機(jī)變化的。如果進(jìn)行同步加算，即使埋沒在噪聲中的微弱信號(hào)也能夠檢測出來。

如上圖所示，虛線表示信號(hào)波形。根據(jù)隨機(jī)誤差分析結(jié)果可知，當(dāng)加算次數(shù)為N時(shí)，信號(hào)成分變成N倍，而噪聲只有倍，信噪比S/N改善了倍。2023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)283.4多元化檢測技術(shù)多元化檢測是指高度智能化檢測，即運(yùn)用多個(gè)傳感器自身的形態(tài)和并行檢測結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)處理以得到新的信息。

隨著智能化程度的提高，有功能集成型已經(jīng)漸漸發(fā)展成為功能創(chuàng)新型，如復(fù)合檢測、成像、特征提取及識(shí)別等，即運(yùn)用多個(gè)傳感器自身的形態(tài)和并行檢測結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)處理，以得到新的信息，從而實(shí)現(xiàn)高度的智能化檢測。智能檢測一般包括干擾量的補(bǔ)償處理，輸入輸出特性的線性化改善,以及自動(dòng)校正、自動(dòng)設(shè)定量程、自診斷、分散處理等。這些功能通過傳感元件與信號(hào)處理元件的功能集成來實(shí)現(xiàn)?！δ芗尚椭悄芑?023/2/5自動(dòng)檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)29

將多個(gè)（種）傳感器的信息進(jìn)行復(fù)合（多個(gè)檢測結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，量程切換）、集成（將多個(gè)傳感器的信息綜合運(yùn)算，得統(tǒng)一的信息，如三