1、第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述第一章第一章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述主要内容：主要内容：1.1 检测技术的基本概念检测技术的基本概念1.2 检测技术的作用与地位检测技术的作用与地位1.3 检测系统及其构成检测系统及其构成1.4 检测方法分类检测方法分类1.5 现代检测技术的发展趋势现代检测技术的发展趋势第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述：也称测试技术，是具有试验性也称测试技术，是具有试验性质的测量，它包含质的测量，它包含测量测量和和试验试验两个内容。两个内容。
2、1.1 检测技术的基本概念检测技术的基本概念第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述测量测量：是以确定：是以确定被测对象属性量值被测对象属性量值为目的的为目的的全部操作全部操作。被测量被测量:被测对象的被测对象的属性量值属性量值全部操作：全部操作：一个完整的检测过程包括信息的提取、信号的转一个完整的检测过程包括信息的提取、信号的转换存储与传输、信号的显示记录、信号处理和分换存储与传输、信号的显示记录、信号处理和分析。析。物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象：被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天
3、体 ）化学量（化学量（PHPH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、）第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述测量：测量：也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较,确定被测量对标准量的倍数的过程。确定被测量对标准量的倍数的过程。它可由下式表示它可由下式表示:式中式中 ：x被测量；被测量；q标准量，即测量单位；标准量，即测量单位；n比值（纯数）比值（纯数）比值和单位结合在一起称为量值。比值和单位结合在一起称为量值。xnqxnq或：或：确定某人的身高确定某人的身高第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述
4、物理量名称物理量名称单位名称单位名称单位符单位符号号长度长度米米m质量质量千克（公斤）千克（公斤）kg时间时间秒秒s电流电流安安【培】A热力学温热力学温度度开开【尔文】K发光强度发光强度坎坎【德拉】cd物质的量物质的量摩摩【尔】mol国际单位制（SI）的基本单位SISI导出单位是导出单位是由SISI基本单位基本单位按定义式导出的。第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述试验试验：是通过某种人为的方法，把被测对象所包含的某种是通过某种人为的方法，把被测对象所包含的某种信息，通过专门的装置，人为地把它激发出来并加以测量。信息，通过专门的装置，人为地把它激发出来并加以测量。例二、
5、汽车乘坐舒适性的台架试验例二、汽车乘坐舒适性的台架试验 衡量乘坐舒适性的指标之一：坐椅处的加速度 加速度计 液压振动台：模拟道路的颠簸状态 第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述1.1 检测技术的基本概念检测技术的基本概念1、发现和应用新的测量原理，从事相应传感器的开发研究；2、选择合适的测量原理，确定测量方法；电测法和非电测法、直接测量与间接测量、绝对测量与相对测量、开环测量与闭环测量等。3、设计或选用各类装置组成测试系统；4、测量数据的分析处理，得出符合客观实际的结论。第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述 测量原理：测量原理：实现测量所依据的物
6、理、化学、生物等现象及有实现测量所依据的物理、化学、生物等现象及有关定律的总体。关定律的总体。测量方法：测量方法：是指测量原理确定后，根据测量任务的具体要求是指测量原理确定后，根据测量任务的具体要求所采用的不同策略。所采用的不同策略。测试系统：测试系统：包含对被测量进行检出、变换、传输、分析、处包含对被测量进行检出、变换、传输、分析、处理、判断和显示等不同功能环节所构成的一个总体。理、判断和显示等不同功能环节所构成的一个总体。简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述1.2 检测技术的作用与地位检
7、测技术的作用与地位 检测技术检测技术是是应人类文明应人类文明生活的需求生活的需求而产生，起而产生，起着人类的感着人类的感官的作用。官的作用。1、检测技术的出现是人类社会发展的必然、检测技术的出现是人类社会发展的必然社会发展历程：社会发展历程：手工化手工化机械化机械化自动化自动化信息化信息化对应生产方式：对应生产方式：人与简人与简单工具单工具动力机动力机与机械与机械自动测自动测量控制量控制智能机智能机电装置电装置第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述2.2.检测技术是科学研究的耳目和先行官检测技术是科学研究的耳目和先行官基础科学基础科学尖端技术尖端技术体积：大体积：大-上千
8、光年的宇宙上千光年的宇宙 小小-10-3 cm的粒子的粒子时间：长时间：长-数十亿年天体演化数十亿年天体演化 短短-10-24 s的瞬间反应的瞬间反应温度：高温度：高-104 108C的高温的高温 低低-0.01K的超低温的超低温磁场：强磁场：强-25T的超强磁场的超强磁场 弱弱-10-11 T的超弱磁场的超弱磁场科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的。科学仅仅是在人们懂得了测量才开始的。门捷列夫门捷列夫结论：结论：检测技术的发展检测技术的发展基础科学基础科学/高新技术进步高新技术进步第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述3.检测技术在军事、航天领域举足轻重检测技术在军事、航
9、天领域举足轻重“阿波罗阿波罗10”10”：火箭部分火箭部分-2077-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218-1218个传感器个传感器航天测控网是完成运载火箭、航天器跟踪测轨、遥测信号接收与处理、遥控信号发送任务的综合电子系统。在军事上，仪器仪表是“战斗力”。仪器仪表的测量控制精度决定了武器系统的打击精度，仪器仪表的测试速度、诊断能力决定了武器的反应能力。现代武器装备几乎都配备相关的测量控制仪器仪表。神州神州5号：号：185套科学仪器套科学仪器 1991年海湾战争 精确制导炸弹和导弹占8%2003年伊拉克战争 90%第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述在电力
10、、冶金、石油、化工等流程工业中，生产线上设备的运行状态在电力、冶金、石油、化工等流程工业中，生产线上设备的运行状态关系到整个生产线流程。通常建立关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。小时在线监测系统。基于设备的检查和基于设备的检查和检测，通过计算机检测，通过计算机处理数据，掌握和处理数据，掌握和评估设备状态、预评估设备状态、预测故障。测故障。4.4.检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用4.1 4.1 工业过程监测工业过程监测 第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述 在产品出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。在产品出厂时，必须对其性
11、能质量进行测量和出厂检验。图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量4.4.检测技术在工业生产领域的应用检测技术在工业生产领域的应用4.2 4.2 产品质量检验产品质量检验 第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述5 5、检测技术在日常生活中的应用与日俱增、检测技术在日常生活中的应用与日俱增在家电产品和办公自动化产品设计中，大量
12、的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器自动感应灯：亮度检测-光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取-面阵CCD扫描仪：文档扫描-线阵CCD红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测-压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪-离子传感器第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述 检测技术广泛应用于工农业生产
13、、科学检测技术广泛应用于工农业生产、科学研究、航空航天、交通运输、医疗卫生研究、航空航天、交通运输、医疗卫生及日常生活的每一个领域，是人类科学及日常生活的每一个领域，是人类科学地认知客观世界必不可少的手段，起着地认知客观世界必不可少的手段，起着人的感官的作用。人的感官的作用。1.2 检测技术的作用与地位检测技术的作用与地位 第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述1.3 检测系统的构成检测系统的构成 n检测过程：检测过程：一个完整的检测过程一般包括信一个完整的检测过程一般包括信息的提取、信号的转换存储与传输、信号的息的提取、信号的转换存储与传输、信号的显示记录和信号的分析处
14、理。显示记录和信号的分析处理。n 检测系统：检测系统：包含对被测量进行检出、变换、包含对被测量进行检出、变换、传输、分析、处理、判断和显示等不同功能环传输、分析、处理、判断和显示等不同功能环节所构成的一个总体。节所构成的一个总体。第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述信息提取信息提取信号转换信号转换显示和处理显示和处理（信号检出部分）（信号检出部分）（分析处理部分）（分析处理部分）传输传输 检测系统的一般构成第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述1.3.1 1.3.1 信号检出部分信号检出部分n传感器传感器（SensorSensor）-具有检出功能的
15、器件，能把被测信具有检出功能的器件，能把被测信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。n 作用：负责把被测量作为信号提取出来并传输到信号变换作用：负责把被测量作为信号提取出来并传输到信号变换部分。部分。敏感元件(sensing element)：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件；转换元件(transduction element)：将敏感元件的输出转换成电路参量。传感器的组成：传感器的组成：第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述 气体压力传感器第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与
16、检测系统概述 传感器输出信号的特点：传感器输出信号的特点：（1）输出量为电压、电流、频率的变化）输出量为电压、电流、频率的变化（2）输出的电信号一般较微弱：）输出的电信号一般较微弱：电压电压-毫伏级、微伏级；电流毫伏级、微伏级；电流-毫安级、纳安级毫安级、纳安级电阻、电容、电感电阻、电容、电感 两种：数字量、模拟量两种：数字量、模拟量（3）输出信号与噪声混杂在一起）输出信号与噪声混杂在一起-传感器内部噪声传感器内部噪声 传感器的信噪比小、输出信号弱传感器的信噪比小、输出信号弱-信号淹没在噪声中；信号淹没在噪声中；（4）传感器的输出特性呈线性或非线性；）传感器的输出特性呈线性或非线性；()yf
17、x（5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性；）外界环境的变化会影响传感器的输出特性；第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述 传感器的选择：传感器的选择：根据测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处根据测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件以及对传感器体积和整个检测系统的成本的环境条件以及对传感器体积和整个检测系统的成本等因素来选择。等因素来选择。检出部分是检测系统中形式最多样、与被测对象关联检出部分是检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分。最密切的部分。第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述1.3.2 1.3.2 信号变换
18、部分信号变换部分n 信号调理电路类型：信号调理电路类型：阻抗变换阻抗变换-输出阻抗很高时；输出阻抗很高时；电压电压/电流（电流（V/A）转换）转换-需要电流输出时；需要电流输出时；目的：目的：4）简化后续系统的组成。）简化后续系统的组成。2）消除或抑制传感器输出量中的无用信号）消除或抑制传感器输出量中的无用信号;3）提高测量、分析的准确度）提高测量、分析的准确度;信号放大信号放大-输出信号微弱时；输出信号微弱时；噪声抑制噪声抑制-信号淹没在噪声中；信号淹没在噪声中；模拟模拟/数字（数字（A/D）转换）转换-需要输出数字信号时。需要输出数字信号时。1）将传感器的输出量变换成易于处理或放大的量）将
19、传感器的输出量变换成易于处理或放大的量;检出信号检出信号适合于分析和处理的信号适合于分析和处理的信号n 作用：作用：第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述不断注入新内容不断注入新内容-现代检测理论要解决的问题现代检测理论要解决的问题计算机系统计算机系统-强大问题分析能力、复杂系统的实时控制强大问题分析能力、复杂系统的实时控制真正实现检测的自动化、智能化真正实现检测的自动化、智能化1.3.3 1.3.3 分析处理部分分析处理部分功能：功能：管理不同系统或模块之间的数据、状态和控制信息的传输和交换；管理不同系统或模块之间的数据、状态和控制信息的传输和交换；通用标准接口通用标准
20、接口-不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联 USB、RS-232（串行）（串行）总线：总线：传送数字信号的公共通道传送数字信号的公共通道，是各种信号线，是各种信号线的集合。的集合。RS-232C、VXI、PXI、GPIB总线标准（技术规范）更多的是指一种总线标准（技术规范）更多的是指一种规范、一种结构形规范、一种结构形式，接口多指完成通信的硬件系统。式，接口多指完成通信的硬件系统。接口接口-分系统和上位机之间或分系统之间交换信息的硬件系统；分系统和上位机之间或分系统之间交换信息的硬件系统；1.3.4 1.3.4 通信接口与总线部分通信接口与总线部分（硬件
21、系统）（硬件系统）第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述1.4 测量方法的分类测量方法的分类 选择：选择：被测量的性质、特点和测量任务要求被测量的性质、特点和测量任务要求分类：分类：（1）按测量手续：直接测量、间接测量）按测量手续：直接测量、间接测量（2）按测量值的获得方式：偏差法测量、零位法测量、）按测量值的获得方式：偏差法测量、零位法测量、微差法测量微差法测量（3）按测量结果的性质：绝对测量和相对测量）按测量结果的性质：绝对测量和相对测量（4）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量（5）测量系统的构成：开环测量、反馈测量）测量系
22、统的构成：开环测量、反馈测量第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述（关系）（关系）直接测量直接测量 -与同类基准进行简单的比较以得到被测量与同类基准进行简单的比较以得到被测量 线纹尺线纹尺-物体尺寸、天平物体尺寸、天平-物体重量物体重量 间接测量间接测量-被测量无法或不易进行直接测量被测量无法或不易进行直接测量 自变量自变量目标变量目标变量 负载电阻功率负载电阻功率=电压电压 电流电流（直接测量）（直接测量）1.4.1 1.4.1 直接测量与间接测量直接测量与间接测量比较：比较：直接测量的优点是测量过程简单而快速，缺点是测量精度一般不是很高。直接测量的优点是测量过程简单而
23、快速，缺点是测量精度一般不是很高。间接测量比较复杂，花费时间较长，但其测量精度一般要比直接测量高。间接测量比较复杂，花费时间较长，但其测量精度一般要比直接测量高。第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述偏移法：偏移法：零位法：零位法：利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值。利用测量仪表的指针相对于刻度的偏差位移直接表示测量的数值。利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，利用指零机构的作用，使用被测量和已知标准量两者达到平衡，根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值。根据指零机构示值为零来确定被测量等于标准量值。微差法：微差法：它是将被测
24、量与已知的标准量进行比较得到差值后，再用偏差法它是将被测量与已知的标准量进行比较得到差值后，再用偏差法测得该差值。用不平衡电桥测量电阻就是用微差法测量的例子。测得该差值。用不平衡电桥测量电阻就是用微差法测量的例子。偏差法和零位法的结合偏差法和零位法的结合被测量与标准量的余数被测量与标准量的余数被测量大值与标准量大体平衡被测量大值与标准量大体平衡1.4.2 1.4.2 偏移法、零位法、微差法测量偏移法、零位法、微差法测量第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述VABsVSRuuRRVSRR偏移法偏移法非平衡电桥1230 xRRRR004sxxURUR微差法测电阻微差法测电阻第
25、第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述 用偏移法测量过程简单、迅速，但测量结果的精度较低。用偏移法测量过程简单、迅速，但测量结果的精度较低。零位法测量的优点是可以获得比较高的测量精度，但测量零位法测量的优点是可以获得比较高的测量精度，但测量过程长而且复杂，所以不适用于测量快速变化的信号。过程长而且复杂，所以不适用于测量快速变化的信号。反应快、测量精度高是微差法测量的主要优点，特别适反应快、测量精度高是微差法测量的主要优点，特别适用于在线控制参数的测量。用于在线控制参数的测量。比较：比较：第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述绝对测量：绝对测量：采用仪器
26、、设备、手段测量被测量，直接得到测量值采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：测量结果：20.1 mm相对测量：相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：特点：简单、直观、明了；简单、直观、明了；测量精度不高测量精度不高基准量：基准量：20.00 mm测量值：测量值：+0.08 mm结结 果：果：20.08 mm特点：特点：精度高、复杂、成本高、要求高精度高、复杂、成本高、要求高1.4.3 1.4.3 绝对测量与相对测量绝对测量与相对测量第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述开环测量：开环测量：反馈测量：反馈测
27、量：基于零位法的测量，强调系统负反馈的作用基于零位法的测量，强调系统负反馈的作用特点：简单、直观、明了；特点：简单、直观、明了；测量精度不高测量精度不高特点：精度高；复杂、成本高、要求高特点：精度高；复杂、成本高、要求高测试系统测试系统输入量输入量x输出量输出量y传感器传感器输入量输入量x输出量输出量y放大放大反馈传感器反馈传感器1.4.4 1.4.4 开环测量与反馈测量开环测量与反馈测量第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述力平衡式荷重测量系统力平衡式荷重测量系统第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述原理：原理：对称结构的两个传感器，被测量对称结构
28、的两个传感器，被测量反对称反对称作用在两个传感器上，作用在两个传感器上，干扰量则以干扰量则以同样方式同样方式作用在两传感器上。作用在两传感器上。作用：作用：测量原理线性化测量原理线性化提高灵敏度提高灵敏度（常见的检测结构形式）（常见的检测结构形式）消除干扰的影响消除干扰的影响1.4.5 1.4.5 差分式测量差分式测量1212121-(,)(,)(,)(,)2yyyf xx eefxx eef x efx efyxx差分结构第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述1.5 现代检测技术的发展趋势现代检测技术的发展趋势 提高检测系统的分辨率、精度、稳定性和可靠性；提高检测系统的
29、分辨率、精度、稳定性和可靠性；微型计算机技术、微电子技术与传感器技术相结合可微型计算机技术、微电子技术与传感器技术相结合可以构成新一代的智能化自动检测系统，具有自校准、自以构成新一代的智能化自动检测系统，具有自校准、自诊断、自动量程切换能力；诊断、自动量程切换能力；利用新技术新原理研制新型传感器，以组成新型的自利用新技术新原理研制新型传感器，以组成新型的自动检测系统和填补自动检测系统的空白，如纳米技术、动检测系统和填补自动检测系统的空白，如纳米技术、超导技术、仿生技术等。超导技术、仿生技术等。精密化、智能化、虚拟化、网络化、微型化精密化、智能化、虚拟化、网络化、微型化第第1 1章章 检测技术与
30、检测系统概述检测技术与检测系统概述 虚拟测试系统：基于虚拟测试系统：基于PC机的自动化测试系统。机的自动化测试系统。“软件即软件即仪器仪器”的概念逐渐得到认同和采用，获得实时的原始数据的概念逐渐得到认同和采用，获得实时的原始数据后，利用软件来设计自己的用户界面并自定义测量任务，后，利用软件来设计自己的用户界面并自定义测量任务，获得所需的测量结果。获得所需的测量结果。网络化测试系统：通过嵌入式网络化测试系统：通过嵌入式TCP/IP协议软件，使智协议软件，使智能化仪器成为网络中的独立节点，在局域网或互联网环境能化仪器成为网络中的独立节点，在局域网或互联网环境下对分布于网络各端口的数据或信息在任何时间任何地点下对分布于网络各端口的数据或信息在任何时间任何地点均能加以采集的测量系统。均能加以采集的测量系统。1.5 现代检测技术的发展趋势现代检测技术的发展趋势 第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述第第1 1章章 检测技术与检测系统概述检测技术与检测系统概述通过本课程的学习，希望同学们能做到：（1）掌握测试技术的基本概念；（2）掌握各种常见物理量的检测原理和方法；（3）掌握测试系统的特性，具有测试系统的总体设计能力；（4）具有测试数据处理和误差计算能力。
