第1章檢測技術(shù)的基礎(chǔ)知識

第一章檢測技術(shù)的基本知識

第一節(jié)概述

第二節(jié)測量方法第三節(jié)檢測系統(tǒng)的基本特性第四節(jié)誤差的概念第五節(jié)隨機(jī)誤差的處理方法第六節(jié)系統(tǒng)誤差的消除方法本章教學(xué)要求

檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及發(fā)展測量的基本概念及測量方法檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性絕對誤差與相對誤差的概念系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的概念隨機(jī)誤差的處理方法系統(tǒng)誤差的消除方法一.檢測技術(shù)的含義、作用和地位第一節(jié)概述

檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門完整的技術(shù)學(xué)科，在促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展和科技進(jìn)步的廣闊領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要作用。其主要應(yīng)用如下：

檢測技術(shù)是產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制的重要手段。在線檢測技術(shù)使檢測和生產(chǎn)加工同時(shí)進(jìn)行，及時(shí)、主動(dòng)地用檢測結(jié)果對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。

檢測技術(shù)在大型設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。采用計(jì)算機(jī)來處理檢測信息，進(jìn)行分析、判斷，及時(shí)診斷出設(shè)備故障并自動(dòng)報(bào)警或采取相應(yīng)的對策。

檢測技術(shù)和裝置是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)通常由多個(gè)環(huán)節(jié)組成，分別完成信息獲取、信息轉(zhuǎn)換、信息處理、信息傳送及信息執(zhí)行等功能。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過程中，信息的獲取與轉(zhuǎn)換是極其重要的組成環(huán)節(jié)，只有精確及時(shí)地將被控對象的各項(xiàng)參數(shù)檢測出來并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號，整個(gè)系統(tǒng)才能正常地工作。

檢測技術(shù)的發(fā)展正推動(dòng)著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。檢測技術(shù)達(dá)到的水平愈高，提供的信息愈豐富、愈可靠，科學(xué)研究取得突破性進(jìn)展的可能性就愈大。此外，理論研究的一些成果，也必須通過實(shí)驗(yàn)或觀測來加以驗(yàn)證，這同樣離不開必要的檢測手段。二、檢測系統(tǒng)的組成

一個(gè)完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由傳感器、測量電路和顯示記錄裝置等部分組成，分別完成信息獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。

傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接聯(lián)系的部分。它為系統(tǒng)提供必需的原始信息，是檢測系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。

傳感器是把被測量變換為另一種與之有確定對應(yīng)關(guān)系，并且便于測量的量（通常是電學(xué)量）的裝置。

從傳感器應(yīng)用目的出發(fā)，按被測量的性質(zhì)分為：機(jī)械量傳感器，如位移、力、速度傳感器等。熱工量傳感器，如溫度、壓力、流量傳感器等?；瘜W(xué)量傳感器和生物量傳感器等。

從傳感器研究目的出發(fā)，按傳感器輸出量分為：參量型傳感器，它的輸出是電阻、電感、電容等無源電參量。發(fā)電型傳感器，它的輸出是電壓或電流，如熱電偶傳感器、光電傳感器、磁電傳感器、壓電傳感器等。傳感器測量電路

測量電路的作用是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓或電流信號。通常傳感器輸出信號較微弱，需要由測量電路加以放大后才能滿足顯示記錄裝置的要求。根據(jù)需要測量電路還能進(jìn)行阻抗匹配、微分、積分、線性化補(bǔ)償?shù)刃盘柼幚砉ぷ鳌ｏ@示記錄裝置

顯示記錄裝置常用的有模擬式顯示、數(shù)字式顯示和圖像式顯示三種。模擬式顯示是利用指針表示被測量數(shù)值的大小。數(shù)字式顯示則直接以十進(jìn)制數(shù)字形式來顯示讀數(shù)。圖像顯示常用的有記錄儀、示波器等。三、非電學(xué)量電測法的特點(diǎn)

非電學(xué)量電測法的主要優(yōu)點(diǎn)能夠連續(xù)、自動(dòng)地對被測量進(jìn)行測量和記錄。電子裝置精度高、頻率響應(yīng)好，不僅能適用于靜態(tài)測量，選用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱陀涗浹b置還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量甚至瞬態(tài)測量。電信號可以遠(yuǎn)距離傳輸，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和集中控制。電子測量裝置能方便地改變量程，因此測量范圍廣?？梢苑奖愕嘏c計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)運(yùn)算、分析和處理。四、檢測技術(shù)的發(fā)展方向新型傳感器

新型傳感器采用了新原理、新材料和新工藝。例如光纖、液晶、高分子、微生物傳感器等。集成化傳感器

傳感器集成化的一個(gè)方向是具有同樣功能的傳感器集成化，從而使對一個(gè)點(diǎn)的測量變成對一個(gè)平面和空間的測量。另一個(gè)方向是不同功能的傳感器集成化，從而使一個(gè)傳感器可以同時(shí)測量不同種類的多個(gè)參數(shù)。智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)化傳感器

智能化傳感器集成了傳感器與微處理器（或微控制器）的功能，可全部或部分實(shí)現(xiàn)信號檢測、變換處理、邏輯判斷、功能計(jì)算、雙向通訊，以及內(nèi)部自檢、自校、自補(bǔ)償、自診斷等功能，它的應(yīng)用使傳感器技術(shù)提高到一個(gè)新的水平，發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段。

傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)采集對象信息，對信息進(jìn)行處理，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。第二節(jié)測量方法

一.測量的基本概念測量的定義

用實(shí)驗(yàn)方法，借助于一定的儀器或設(shè)備，將被測量與同性質(zhì)的單位標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測量對標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，獲得被測量的定量信息。測量的步驟

測量過程都包括比較、示差、平衡、讀數(shù)四個(gè)步驟，核心是比較。測量的結(jié)果包括數(shù)值大小和測量單位。二.測量方法直接測量利用測量儀器，直接讀取被測量的測量結(jié)果。間接測量已知被測量與其他幾個(gè)量有確定的函數(shù)關(guān)系，可以分別測出其他幾個(gè)量,再利用函數(shù)關(guān)系求出被測量。

按測量手續(xù)可以將測量方法分為直接測量和間接測量。按獲得測量值的方式可以分為偏差式測量、零位式測量和微差式測量。根據(jù)傳感器是否與被測對象直接接觸，可區(qū)分為接觸式測量和非接觸式測量。根據(jù)被測對象的變化特點(diǎn)又可分為靜態(tài)測量和動(dòng)態(tài)測量等。偏差式測量

在測量過程中，利用測量儀表指針相對于刻度初始點(diǎn)的位移（即偏差）來決定被測量的測量方法。測量時(shí)利用儀表指針在標(biāo)尺上的示值，讀取被測量的數(shù)值。它以間接方式實(shí)現(xiàn)被測量和標(biāo)準(zhǔn)量的比較。

偏差式測量儀表在測量時(shí)，一般利用被測量產(chǎn)生的力或力矩，使儀表的彈性元件變形，通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成指針相對標(biāo)尺起點(diǎn)的位移，得到被測量的數(shù)值。零位式測量

用已知的標(biāo)準(zhǔn)量去平衡或抵消被測量的作用，并用指零式儀表來檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，從而判定被測量值等于已知標(biāo)準(zhǔn)量的方法稱做零位式測量。調(diào)節(jié)RP1校準(zhǔn)工作電流接入被測電壓Ux調(diào)整RP改變標(biāo)準(zhǔn)電壓UkA、D等電位，Ux=Uk微差式測量

零位式與偏差式測量的綜合應(yīng)用。例如測量穩(wěn)壓電源輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的情況。調(diào)節(jié)R1校準(zhǔn)工作電流使穩(wěn)壓電源負(fù)載RL額定調(diào)整RP使毫伏表指示零變動(dòng)負(fù)載讀毫伏表值測量中只讀取被測值的微小變化第三節(jié)檢測系統(tǒng)的基本特性一.靜態(tài)特性靈敏度

靈敏度是指傳感器或檢測系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和引起此變化的輸入量變化的比值。單級多級

分辨率是指檢測儀表能夠精確檢測出被測量的最小變化的能力。輸入量從某個(gè)任意值（非零值）緩慢增加，直到可以測量到輸出的變化為止，此時(shí)的輸入量就是分辨率。它可以用絕對值，也可以用量程的百分?jǐn)?shù)來表示。它說明了檢測儀表響應(yīng)與分辨輸入量微小變化的能力。靈敏度愈高，分辨率愈好。一般模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半。數(shù)字式儀表的分辨率是最后一位的一個(gè)字。分辨率線性度

線性度用檢測系統(tǒng)實(shí)測輸入-輸出特性曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示。

采用理論直線作為擬合直線而確定的線性度稱做理論線性度。理論直線通常取連接理論曲線坐標(biāo)零點(diǎn)和滿量程輸出點(diǎn)的直線。線性度定義

遲滯

遲滯特性指檢測系統(tǒng)在輸入量增大過程中的檢測結(jié)果曲線，與輸入量減小過程中的檢測結(jié)果曲線不一致程度。為正反向檢測曲線的最大差值。遲滯定義

傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際上除了具有理想的比例特性外，輸出與輸入間存在動(dòng)態(tài)誤差。二.動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性除了與傳感器的固有因素有關(guān)之外,還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。在研究傳感器動(dòng)特性時(shí),通常是根據(jù)不同輸入變化規(guī)律來考察傳感器的響應(yīng)。

雖然傳感器的種類和形式很多,但它們一般可以簡化為一階或二階系統(tǒng)（高階可以分解成若干個(gè)低階環(huán)節(jié)），因此一階和二階傳感器是最基本的類型。傳感器的輸入量隨時(shí)間變化的規(guī)律是各種各樣的，在對傳感器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析時(shí)，通常采用最典型、最簡單、易實(shí)現(xiàn)的正弦信號和階躍信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號。對于正弦輸入信號，的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；對于階躍輸入信號，則稱為傳感器的階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)。動(dòng)態(tài)特性分析方法

相對誤差絕對誤差第四節(jié)誤差的概念幾個(gè)基本概念真值被測量的準(zhǔn)確數(shù)值精度測量所能達(dá)到的誤差范圍誤差來源工具、環(huán)境、方法、人員誤差等誤差分類按誤差表示方法劃分隨機(jī)誤差系統(tǒng)誤差按誤差出現(xiàn)規(guī)律劃分一.絕對誤差與相對誤差絕對誤差絕對誤差的定義指儀表的指示值x與被測量的真值x0之間的差值，記做δ絕對誤差表示方法真值的表示方法修正值的表示方法相對誤差相對誤差的定義指絕對誤差δ與與測量真值x0之間的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示相對誤差表示方法引用誤差表示方法最大引用誤差定義儀表的精度等級：取儀表的最大引用誤差，去掉百分號。儀表常見精度等級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0

二.系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差的定義

在相同的條件下，多次重復(fù)測量同一量時(shí)，誤差的大小和符號保持不變，或按照一定的規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的分類數(shù)值和符號不變數(shù)值和符號變化恒值系統(tǒng)誤差變值系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是可以通過對測量值的修正，消除或減少它對測量結(jié)果的影響。系統(tǒng)誤差的大小表明測量結(jié)果正確度。系統(tǒng)誤差愈小，則測量結(jié)果正確度愈高。隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差的定義在相同的條件下，多次測量同一量時(shí)，其誤差的大小和符號以不可預(yù)見的方式變化，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差與精密度隨機(jī)誤差大則測量結(jié)果分散精密度低隨機(jī)誤差小則測量結(jié)果集中精密度高

精確度是測量的正確度和精密度的綜合反映。精確度高意味著系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差都很小。精確度有時(shí)簡稱為精度。系統(tǒng)誤差較大，正確度較低。結(jié)果分散性大，隨機(jī)誤差大，精密度低。規(guī)律性系統(tǒng)誤差大，正確度低。結(jié)果重復(fù)性好，隨機(jī)誤差小，精密度高。規(guī)律性系統(tǒng)誤差小，正確度高。結(jié)果重復(fù)性好，隨機(jī)誤差小，精密度高。三.系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的關(guān)系

系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差難以嚴(yán)格區(qū)分。當(dāng)某些系統(tǒng)誤差太復(fù)雜，找不出規(guī)律，就只能作為隨機(jī)誤差處理。當(dāng)某些隨機(jī)誤差的來源和變化規(guī)律被掌握，就可以當(dāng)成系統(tǒng)誤差去處理，將結(jié)果加以修正和預(yù)防。任何一次測量一般都同時(shí)存在兩種誤差?？梢愿鶕?jù)測量情況處理起主要作用的誤差。當(dāng)兩種均有較大影響時(shí)，可以按各自的不同處理方法同時(shí)加以處理。四.粗大誤差

由于粗心大意造成的誤差,表現(xiàn)為個(gè)別異常值或壞值，應(yīng)在處理多次測量結(jié)果之前剔除。正確的測量結(jié)果中不包含粗大誤差。一．概率與統(tǒng)計(jì)的幾個(gè)概念第五節(jié)隨機(jī)誤差的處理方法概率概率定義自然界中，某一事件或現(xiàn)象出現(xiàn)的客觀可能性大小。必然事件概率為1。不可能事件概率為0?？赡艹霈F(xiàn)也可能不出現(xiàn)的不可預(yù)測隨機(jī)事件的概率介于0與1之間。

在同一條件下對某個(gè)量進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí)，粗大誤差可以剔除；系統(tǒng)誤差可以修正；隨機(jī)誤差可以借助于對隨機(jī)數(shù)值的統(tǒng)計(jì)概率，求出其估計(jì)值及其出現(xiàn)的可能性。150次測量836mm長度的結(jié)果誤差分布表在坐標(biāo)圖上，以頻率為縱坐標(biāo)，以隨機(jī)誤差為橫坐標(biāo)，畫出它們的關(guān)系曲線，得到統(tǒng)計(jì)直方圖。當(dāng)測量次數(shù)ｎ→∞時(shí)，無限多個(gè)直方圖頂點(diǎn)的連線就形成連續(xù)曲線，稱為隨機(jī)誤差正態(tài)分布曲線。概率密度二．隨機(jī)誤差的特點(diǎn)隨機(jī)誤差可正可負(fù)，但絕對值相等的正負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會均等，即概率密度曲線對稱于縱軸。

對稱性在一定測量條件下，隨機(jī)誤差的絕對值不會超過一定的范圍。

有界性在相同條件下，當(dāng)測量次數(shù)n→∞時(shí)，全體隨機(jī)誤差的代數(shù)和等于零。抵償性絕對值小的隨機(jī)誤差比絕對值大的隨機(jī)誤差出現(xiàn)的機(jī)會多。在δ=0處概率密度有最大值。單峰性三．算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差高斯誤差方程方均根誤差當(dāng)n有限時(shí)標(biāo)準(zhǔn)誤差估值算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差正態(tài)分布曲線與σ的關(guān)系

標(biāo)準(zhǔn)誤差說明測量結(jié)果的分散程度，標(biāo)準(zhǔn)誤差越小，測量數(shù)據(jù)一致性越好，正態(tài)分布曲線越尖銳，測量精密度越高。介于（-3σ,+3σ）之間隨機(jī)誤差出現(xiàn)的概率為式中，K為置信系數(shù)K=2

時(shí)，結(jié)果在該置信范圍的概率為95%；K=3

時(shí)，結(jié)果在該置信范圍的概率為99.7%。四．測量結(jié)果的正確表示

σ是在一組n次測量中對每個(gè)單次測量結(jié)果進(jìn)行評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)誤差。因此，對一臺精度一定的測量儀器，在沒有系統(tǒng)誤差和粗大誤差的條件下，只進(jìn)行單次測量,測量結(jié)果可表示如下:

粗大誤差會引起異常數(shù)據(jù),判別方法很多,這里采用拉依達(dá)法則:設(shè)對被測量進(jìn)行n次等精度測量,得到一組測量數(shù)據(jù)可求出其算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差,然后逐個(gè)判斷單個(gè)測量值是否滿足不等式。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)值滿足不等式,就作為壞值剔除之。五．粗大誤差的判別與壞值的剔除數(shù)據(jù)處理步驟:剔除壞值剩余數(shù)平均再剔除壞值最后一個(gè)平均值真值剩余數(shù)平均第六節(jié)系統(tǒng)誤差的消除方法

減小測量誤差的方法：粗大誤差的消除：采用拉依達(dá)準(zhǔn)則，剔除壞值。隨機(jī)誤差的處理：隨機(jī)誤差不能消除，但是可以通過多次重復(fù)測量，利用平均值作為結(jié)果，并利用統(tǒng)計(jì)方法估算出隨機(jī)誤差的范圍。系統(tǒng)誤差消除方法：從系統(tǒng)誤差的規(guī)律性特點(diǎn)入手，找到誤差規(guī)律。測量前預(yù)見測量誤差來源，取得修正表格。測量中采取能消除系統(tǒng)誤差的