自動檢測的基礎(chǔ)知識

自動檢測的基礎(chǔ)知識第一頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念檢測概念：檢測是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各個(gè)方面的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦子定性分析或定量計(jì)算的過程。能夠自動地完成整個(gè)檢測處理過程的技術(shù)稱為自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)。檢測的意義：檢測技術(shù)是現(xiàn)代化領(lǐng)域中很有發(fā)展前景的技術(shù)，它在國民經(jīng)濟(jì)中起著極其重要的作用，是產(chǎn)品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制的重要手段。下一頁返回第二頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念1.測量及測量方法

測量是借助于專門的技術(shù)與設(shè)備，采用一定的方法，取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的認(rèn)識過程。測量方法，從不同的角度出發(fā)有不同的分類方法。

1）靜態(tài)測量和動態(tài)測量

2）直接測量與間接測量

3）模擬式測量和數(shù)字式測量

4）接觸式測量和非接觸式測量

5）在線測量和離線測量上一頁下一頁返回第三頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念2.測量誤差

在檢測過程中，被測對象、檢測系統(tǒng)、檢測方法和檢測人員都會受到各種因索的影響。而且，對被測量的轉(zhuǎn)換有時(shí)也會改變被測對象原有的狀態(tài)信息，這就造成了檢測結(jié)果（測量值）與真值之間存在一定的差值，這個(gè)差值就稱為測量誤差。測量誤差的主要來源可以概括為工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差等。

所謂真值，是指在一定條件下被測量客觀存在的實(shí)際值。真值有理論真值、約定真值、相對真值之分。

上一頁下一頁返回第四頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念3.測量誤差的分類

為了便于對誤差進(jìn)行分析與處理，人們通常對測量誤差從不同的角度進(jìn)行分類。

按照誤差的表示方法，可分為絕對誤差和相對誤差；按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律，可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差；按照被測量與時(shí)間的關(guān)系，可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差等。上一頁下一頁返回第五頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念3.測量誤差的分類

1）絕對誤差與相對誤差絕對誤差△是指測量值A(chǔ)x與真值A(chǔ)0，之間的差值。公式為：

絕對誤差是有符號和單位的量，其單位與被測量相同。絕對誤差越小，說明測量值越接近真值，即測量精度越高。這一結(jié)論只適用于被測量值相同的情況，而不能說明不同值的測量情況。相對誤差可以準(zhǔn)確反映出測量值偏離真值的程度。相對誤差用百分?jǐn)?shù)來表示，一般多取正值。

上一頁下一頁返回第六頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念相對誤差可分為實(shí)際相對誤差、示值相對誤差和滿度相對誤差等。實(shí)際相對誤差

示值相對誤差滿度相對誤差:

對于測量下限為零的儀表對于測量下限不為零的儀表上一頁下一頁返回第七頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念2)系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差系統(tǒng)誤差在相同的條件下，多次測量同一量時(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)誤差又稱裝置誤差，它反映了測量值偏離真值的程度。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，一般可以通過實(shí)驗(yàn)的方法或引人修正值的方法計(jì)算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件子以消除。上一頁下一頁返回第八頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念隨機(jī)誤差在相同的條件下，多次測量同一量時(shí)，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)誤差的大小表明測量結(jié)果重復(fù)一致的程度，即測量結(jié)果的分散性。隨機(jī)誤差是測量過程中許多獨(dú)眾的、微小的、偶然的因素引起的綜合結(jié)果，是不可避免的，既不能用實(shí)驗(yàn)的方法消除，也不能修正。

上一頁下一頁返回第九頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念粗大誤差明顯偏離真值的誤差稱為粗大誤差，也叫過失誤差。粗大誤差主要是由于測量人員的粗心大意及測量儀器受到突然強(qiáng)大干擾所引起的。如測錯(cuò)、讀錯(cuò)、記錯(cuò)、外界干擾等造成的誤差。就數(shù)值大小而言，粗大誤差明顯超過正常條件下的誤差。一般發(fā)現(xiàn)粗大誤差，都子以剔除。

上一頁下一頁返回第十頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念3）靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差

當(dāng)被測量不隨時(shí)間變化或變化很緩慢時(shí)，所產(chǎn)生的誤差稱為靜態(tài)誤差。當(dāng)被測量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，輸出量在時(shí)間不不能與被測量的變化精確吻合，這種誤差稱為動態(tài)誤差。動態(tài)誤差是在動態(tài)測量時(shí)產(chǎn)生的，動態(tài)測量的優(yōu)點(diǎn)是檢測效率高和環(huán)境影響小。

上一頁下一頁返回第十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念1.1.2自動檢測系統(tǒng)的組成在自動檢測系統(tǒng)中，各組成部分通常以信息流來劃分，主要包括信息的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理。一個(gè)完整的自動檢測系統(tǒng)，主要由傳感器、信號處理電路、數(shù)據(jù)處理裝置、記錄顯示裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等五部分構(gòu)成，其組成框圖如圖1-1

所示。上一頁下一頁返回第十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念1）傳感器傳感器的作用是把被測的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳⒘?，是獲取信息的手段，是自動檢測系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，在自動檢測系統(tǒng)中占有重要的位置。2）信號處理電路信號處理電路的作用把傳感器輸出的電參量轉(zhuǎn)變成具有一定馭動和傳輸功能的電壓、電流和頻率信號，以推動后續(xù)的記錄顯示裝置、數(shù)據(jù)處理裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3）記錄顯示裝置記錄顯示裝置是把信號處理電路轉(zhuǎn)換來的電信號進(jìn)行記錄、顯示，便于人機(jī)對話。

上一頁下一頁返回第十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念4）數(shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)處理裝置的作用是把信號處理電路轉(zhuǎn)換來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、邏輯判斷、線性變換等，對動態(tài)測試的結(jié)果進(jìn)行分析。5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常是指各種繼電器、電磁鐵、電磁閥、伺服電動機(jī)等，它們在電路中起通斷、控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)等作用。上一頁下一頁返回第十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念

自動檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

利學(xué)技術(shù)特別是微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展與普及，為傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。目前，在研究最大限度地提高現(xiàn)有檢測系統(tǒng)的精確度、靈敏度、性價(jià)比、可靠性，擴(kuò)大檢測范圍的同時(shí)，還應(yīng)尋求傳感檢測技術(shù)發(fā)展的新途徑，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。一、不斷研究、開發(fā)新型傳感器

1）利用新材料研制新型傳感器

2）采用新原理研制新型傳感器

3）利用新的加工工藝研制新型傳感器上一頁下一頁返回第十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.1檢測的基本概念二、檢測技術(shù)的集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化

1）隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，電子元件的高度集成化大量向檢測技術(shù)領(lǐng)域滲透。

2）隨著20

世紀(jì)70

年代微處理器的出現(xiàn)，人們迅速將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到檢測技術(shù)中，出現(xiàn)了帶有微處理器的各種智能化儀表。

3）隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以將十分復(fù)雜的信號處理和控制電路集成到單塊芯片中去?？傊?，檢測技術(shù)的發(fā)展適應(yīng)廠國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切裔要，是一門充滿希望和活力的新興技術(shù)，已經(jīng)取得廠十分矚目的成就，今后還將有更大的飛躍。上一頁返回第十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.2傳感器的組成、分類及基本特性傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。常用傳感器的輸出信號多為易于處理的電信號，如電壓、電流和頻率等。傳感器是自動檢測系統(tǒng)的重要組成部分，是自動檢測系統(tǒng)獲取信息的重要手段。1.2.1傳感器的組成傳感器一般由敏感兀件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分構(gòu)成，其組成框圖如圖1-2所示。

下一頁返回第十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日在圖1-2中，敏感元件是傳感器中直接感受被測量的元件，即被測量通過傳感器的敏感兀件轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、易于轉(zhuǎn)換的非電量；傳感元件是將敏感元件輸出的非電量轉(zhuǎn)換成電參量；測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電量（電壓、電流或頻率）。應(yīng)當(dāng)指出，不是所有的傳感器都有敏感兀件、傳感兀件之分，有些傳感器是將兩者合二為一的，如圖1-3所示。1.2傳感器的組成、分類及基本特性

下一頁返回上一頁第十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日傳感器的分類1）按被測量分類

可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、震動、加速度、溫度、壓力、流速、流量等傳感器。2）按測量原理分類

可分為電阻、電容、電感、熱電偶、壓電、超聲波、紅外線、激光、光柵、磁柵等傳感器。3）按傳感器轉(zhuǎn)換能量供給方式分類

可分為能量變換型（發(fā)電型）傳感器和能量控制型（參量型）傳感器。4）按傳感器工作機(jī)理分類可分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器5）按輸出量的種類分類可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器

1.2傳感器的組成、分類及基本特性

上一頁下一頁返回第十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日傳感器的基本特性傳感器的基木特性是衡量傳感器工作狀態(tài)好壞的標(biāo)準(zhǔn)，主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系，分靜態(tài)特性和動態(tài)特性。靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)，即被測量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出與輸入之間的關(guān)系。

1）線性度傳感器的線性度表示的是傳感器輸出與輸入之間關(guān)系的線性程度。如圖1-4所示為非線性最大偏差，為輸出范圍。

上一頁下一頁返回1.2傳感器的組成、分類及基本特性

第二十頁，共四十七頁，2022年，8月28日2）靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感儀器在穩(wěn)態(tài)下的輸出變化量與引起此變化的輸出變化量的比值。公式為：對于線性傳感器，它的靈敏度是常數(shù)，其靈敏度就是特性曲線的斜率；

對于非線性傳感器，其靈敏度為一變量。靈敏度特性曲線如圖1-5所示。上一頁下一頁返回1.2傳感器的組成、分類及基本特性

第二十一頁，共四十七頁，2022年，8月28日3）遲滯傳感器的遲滯是指傳感器的正向（輸入量增加）特性曲線與反向（輸入量減少）特性特曲線的不一致性。也就是說，劉于同樣大小的輸入量，在正、反特性中，往往對應(yīng)兩個(gè)大小不同的輸出量，如圖1-6

所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質(zhì)和機(jī)械零部件的缺陷造成的。輸出最大差值與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)就是傳感器遲滯的大小。公式為：上一頁下一頁返回1.2傳感器的組成、分類及基本特性

第二十二頁，共四十七頁，2022年，8月28日4）重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)特性曲線的不一致的程度。其特性曲線如圖1-7

所示。重復(fù)性誤差屬于隨機(jī)誤差，通常取正、反行程中的最大重復(fù)性偏差與滿量程輸出的百分比。用公式表示為：5)穩(wěn)定性穩(wěn)定性包括穩(wěn)定度和環(huán)境影響量兩個(gè)方面穩(wěn)定度是指傳感器在所有條件都不變的條件下，能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)維持其示值不變的能力。環(huán)境影響量是指由于外界環(huán)境變化而引起的示值變化量。

上一頁下一頁返回1.2傳感器的組成、分類及基本特性

第二十三頁，共四十七頁，2022年，8月28日6）分辨率與分辨力辨率與分辨力都是用來表示傳感器能夠檢測到的最小量值的性能指標(biāo)。分辨率是以最大量程的百分?jǐn)?shù)來表示的，是一個(gè)比率量；而分辨力是以最小量程的單位來表示的，是一個(gè)有量綱的量。動態(tài)特性動態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化的響應(yīng)特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動態(tài)特性通?？捎脤?shí)驗(yàn)的方法求得。上一頁返回1.2傳感器的組成、分類及基本特性

第二十四頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.3

常用彈性敏感元件

彈性敏感元件在非電量測試技術(shù)中占有極為重要的地位。其輸入量可以是力、壓力、力矩、溫度等物理量，而輸出則為彈性元件本身的彈性形變。彈性敏感元件是影響傳感器的基木特性的重要部件，彈性敏感元件能把某些形式的非電量轉(zhuǎn)換為電參量，然后由各種傳感元件傳遞給測量與轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)測量與轉(zhuǎn)換電路把電參量轉(zhuǎn)換為電量。

彈性敏感元件的定義及基本要求物體在外力作用下而改變形狀或尺寸稱為形變，如果在外力撤除后能完全恢復(fù)其原有的形狀或尺寸，那么這種變形稱為彈性形變。具有彈性形變的元件稱為彈性元件。在傳感器中用于測量的彈性元件稱為彈性敏感元件。下一頁返回第二十五頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.3

常用彈性敏感元件根據(jù)彈性元件在傳感器中的應(yīng)用，對其提出了一些基本要求。具體如下：

1）具有良好的機(jī)械加工特性（如強(qiáng)度大、抗沖擊強(qiáng)、韌性好等）和良好的熱處理性能。

2）具有良好的彈性特性（如彈性大、彈性滯后小等）。

3）彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定。

4）線性膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定。

5）抗氧化性和抗腐蝕性等化學(xué)性能好。彈性敏感元件的材料種類很多。一般使用合金鋼，有時(shí)也用碳鋼和銅合金等，上一頁下一頁返回第二十六頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.3

常用彈性敏感元件1.3.2彈性敏感元件的形式及應(yīng)用彈性敏感元件在形式可分成兩大類：變換力的彈性敏感元件和變換壓力的彈性敏感元件。1）變換力的彈性敏感元件變換力的彈性敏感元件通常有等截面軸、環(huán)狀彈性敏感元件、懸臂梁和扭轉(zhuǎn)軸等。①等截面軸。等截面軸又稱柱式彈性敏感元件可以是實(shí)心柱體或空心柱體，如圖1-8

所示。實(shí)心等截面軸在力的作用下的位移很小，因此常用它的應(yīng)變作輸出量。主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、測量范圍寬、可以承受的載荷大，缺點(diǎn)是靈敏度小。上一頁下一頁返回第二十七頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.3

常用彈性敏感元件②環(huán)狀彈性敏感元件。環(huán)狀彈性敏感元件多做成等截面圓環(huán)，如圖1-9

所示。等截面圓環(huán)，如圖1-9（a）、（b），有較高的靈敏度，多用于測量較小的力。其缺點(diǎn)是加工困難，環(huán)的各個(gè)部位的應(yīng)變及應(yīng)力不等。如圖1-9（c）、（d）、（e）所示為變截面圓環(huán)，等截面圓環(huán)不同之處是增加了中間過載保護(hù)縫隙，其特點(diǎn)是線性好，加工方便，抗過載能力強(qiáng)，目前應(yīng)用較多。上一頁下一頁返回第二十八頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.3

常用彈性敏感元件③懸臂梁。懸臂梁是一端固定，另一端自由的彈性敏感兀件。按截面形狀可分為等截面矩形懸臂梁和變截面等強(qiáng)度懸臂梁，如圖1-10

所示。懸臂梁的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，輸出位移大，靈敏度高，常用于較小力的測量。④扭轉(zhuǎn)軸。如圖1-11

所示為扭轉(zhuǎn)軸式彈性敏感元件，當(dāng)自由端受到轉(zhuǎn)矩T的作用時(shí)，扭轉(zhuǎn)軸的表面會產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變，沿且B方向的應(yīng)變?yōu)檎?，沿且C方向的應(yīng)變?yōu)樨?fù)，兩方向上的應(yīng)變大小相等，方向相反。上一頁下一頁返回第二十九頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.3

常用彈性敏感元件2）變換壓力的彈性敏感元件變換壓力的彈性敏感元件通常有彈簧管、波紋管、等截面薄板、波紋膜片、波紋膜盒、薄壁圓簡和薄壁半球等。①彈簧管。彈簧管又稱波登管，它是一根彎成各種形狀的空心管子，大多數(shù)彎成C形薄壁空心管，它一端固定，一端自山，如圖1-12

所示。②波紋管。波紋管是一種從表面上看有許多同心環(huán)狀波形皺紋組成的薄壁圓管，它一端與被測壓力相通，另一端封閉，如圖1-13

所示。紋管在壓力作用下將產(chǎn)生伸長或縮短，所以利用波紋管可以把壓力變換成位移，其靈敏度比彈簧管高得多。上一頁下一頁返回第三十頁，共四十七頁，2022年，8月28日1.3

常用彈性敏感元件③等截面薄板。等截面板又稱平膜片，是一種周邊固定的圓形薄膜，能將輸入的壓力或壓差信號轉(zhuǎn)換為位移信號。當(dāng)膜片的兩側(cè)面受到不同的力或壓力時(shí)，膜片的中心將向壓力小的一側(cè)產(chǎn)生一定的位移，如圖1-14

所示。④波紋膜片和膜盒。如圖1-15

所示，由于膜盒本身是一個(gè)封閉的整體，所以密封性好，周邊不需固定，給安裝帶來極大方便，因此應(yīng)用比波紋膜片廣泛得多。⑤薄壁圓筒。薄壁圓筒的應(yīng)用不是很廣泛，原因是這種彈性敏感兀件的靈敏度較低，其形狀如