自动检测技术.docx
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自动检测技术
检测技术基础
第一节绪言
检测：
门捷列也夫：
检测是认识自然界的主要手段
西门子：
检测就是去认识
从信息论角度：
检测就是信息获取
所以检测是人类日常生活、科学研究、工农业
生产、军事等领域必不可少的过程
举例：
人通过感觉器官获取信息，认识世界
自动控制系统中的检测，反弹导导弹系统
第一节绪言
检测与测量的关系：
后者确定被测对象量值；前者可能是确定量值，也可以是判定被测参数的“有”或“无”，也可以是一种预报、故障分析
检测技术：
研究如何获取被测参数信息的信息，涉及众多学科，随这些学科的发展而发展
第一节绪言
定义：
用敏感元件（电子技术、数字技术）将被测参数的信息转换成另一种形式的信息，通过显示或其他形式被人们所认识
第二节检测仪表
一、检测仪表
检测仪表
检测仪表组成
第二节检测仪表
检测系统：
由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量
第二节检测仪表
检测装置：
检测仪表或系统和必需的辅助设备所构成的总体
二、术语
敏感元件（sensor）
传感器（transducer）
变送器（transmitter）
被测参数（measured）
第二节检测仪表
待测参数（parametertobemeasured）
直接测量（directmeasurement）
间接测量（indirectmeasurement）
三、检测仪表的分类
按参数分类
按响应形式分类
按使用的能源分类
第二节检测仪表
按是否具有信号远传功能分类
按信号的输出形式分类
按应用的领域场所分类
按仪表结构分类
开环结构仪表
第二节检测仪表
闭环结构仪表
第二节检测仪表
四、检测仪表的基本性能
测量范围和量程
仪表能正常工作（满足准确度要求）的可测的被测量的下限和下限的范围，它们之间的代数差为量程
输入―输出特性
灵敏度
死区
第二节检测仪表
回差
线性度
稳定性：
一是时间稳定性，它表示在工作条件保持恒定时，仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小；二是使用条件变化稳定性，它表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响
第二节检测仪表
重复性：
再现性：
（与重复性不同处）相对较长时间，从两个方向
可靠性：
长时间工作不出现故障
第二节检测仪表
误差
绝对误差
相对误差
引用误差
仪表基本误差
仪表满刻度相对误差
准确度
仪表给出接近于真值的响应能力
检测技术基础
第一节绪言
检测：
门捷列也夫：
检测是认识自然界的主要手段
西门子：
检测就是去认识
从信息论角度：
检测就是信息获取
所以检测是人类日常生活、科学研究、工农业
生产、军事等领域必不可少的过程
举例：
人通过感觉器官获取信息，认识世界
自动控制系统中的检测，反弹导导弹系统
第一节绪言
检测与测量的关系：
后者确定被测对象量值；前者可能是确定量值，也可以是判定被测参数的“有”或“无”，也可以是一种预报、故障分析
检测技术：
研究如何获取被测参数信息的信息，涉及众多学科，随这些学科的发展而发展
第一节绪言
定义：
用敏感元件（电子技术、数字技术）将被测参数的信息转换成另一种形式的信息，通过显示或其他形式被人们所认识
第二节检测仪表
一、检测仪表
检测仪表
检测仪表组成
第二节检测仪表
检测系统：
由若干个检测仪表实现一个或多个参数的测量
第二节检测仪表
检测装置：
检测仪表或系统和必需的辅助设备所构成的总体
二、术语
敏感元件（sensor）
传感器（transducer）
变送器（transmitter）
被测参数（measured）
第二节检测仪表
待测参数（parametertobemeasured）
直接测量（directmeasurement）
间接测量（indirectmeasurement）
三、检测仪表的分类
按参数分类
按响应形式分类
按使用的能源分类
第二节检测仪表
按是否具有信号远传功能分类
按信号的输出形式分类
按应用的领域场所分类
按仪表结构分类
开环结构仪表
第二节检测仪表
闭环结构仪表
第二节检测仪表
四、检测仪表的基本性能
测量范围和量程
仪表能正常工作（满足准确度要求）的可测的被测量的下限和下限的范围，它们之间的代数差为量程
输入―输出特性
灵敏度
死区
第二节检测仪表
回差
线性度
稳定性：
一是时间稳定性，它表示在工作条件保持恒定时，仪表输出值在一段时间内随机变动量的大小；二是使用条件变化稳定性，它表示仪表在规定的使用条件内某个条件的变化对仪表输出的影响
第二节检测仪表
重复性：
在相同条件下，从单个方向仪表多次测量，输出
值相互接近的能力
再现性：
（与重复性不同处）相对较长时间，从两个方向
可靠性：
长时间工作不出现故障
第二节检测仪表
误差
绝对误差
相对误差
引用误差
仪表基本误差
仪表满刻度相对误差
准确度
第二节检测仪表
仪表给出接近于真值的响应能力。
也称精度，精确度
准确度等级：
0.1，0.25，0.35，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0……
动态响应特性
第三节测量误差的理论基础
测量的目的：
得到被测参数的真实值（真值）
研究误差目的：
认识和掌握误差规律
评价检测装置和测量结果
提高测量的准确度
“约定真值”的得到：
第三节测量误差的理论基础
计量基准
准确度高一级等级仪表
等精度测量条件下有限次测量的平均值
一、测量误差的分类及产生原因
测量误差分类
按误差本身因次分类：
绝对误差
相对误差
第三节测量误差的理论基础
按误差出现的规律分类
系统误差
随机误差
粗大误差
按使用的工作条件分类
基本误差
附加误差
第三节测量误差的理论基础
按误差的特性分类
静态误差
动态误差
误差产生原因
系统误差
环境误差
人员误差
第三节测量误差的理论基础
二、误差的估计和评价处理方法
粗大误差是人为造成的，可以通过加强责任感避免，也可以通过某些判据发现并剔除
随机误差表现出单次测量的随机性与测量总体误差分布的规律性特征，因此可通过统计处理的方法对误差进行最可信估计
系统误差存在与否的检验是系统误差分析与评价的核心问题，因为系统误差的规律性决定其处理与补偿的有效性。
第三节测量误差的理论基础
随机误差的估计与统计处理
n次重复测量，各个测量误差出现的概率密度分布服从正态分布，即
为测量值与约定真值之间的误差
第三节测量误差的理论基础
特点：
误差的对称性
误差的单峰性
误差的有界性
误差的抵偿性
第三节测量误差的理论基础
标准差的计算
n趋于无穷大
n为有限时
第三节测量误差的理论基础
粗大误差的判别
拉依达（Райта）法（只能用于n≥30）
格拉布斯（Grubbs）法
系统误差
实验对比法
残余误差观察法
标准差判据
第三节测量误差的理论基础
误差的合成
系统误差的合成
设检测系统的待测参数为
第三节测量误差的理论基础
随机误差的合成
在间接测量情况下，设间接测量量（待测参数）
误差的总合成
第三节测量误差的理论基础
三、消除和减少误差的一般方法
减小随机误差的方法
提高检测系统准确度
抑制噪声干扰
对测量结果的统计处理
第三节测量误差的理论基础
减小和消除系统误差的方法
消除误差源法
引入修正值法
比较法
替代法
对照法
第三节电阻式检测元件
电阻式检测元件基本原理是将被测物理量转换成电阻值的变化，然后，利用测量电路测出电阻的变化值，从而达到对被测物理量检测的目的
常见的电阻检测元件有电阻应变元件、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等
第三节电阻式检测元件
一、应变式检测元件
电阻应变片是将作用在检测件上的应变
变化转换成电阻变化的敏感元件
电阻应变元件的工作原理
导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形
其阻值将发生变化，这种现象成为“应变效应”
电阻应变片就是基于应变效应工作的
第三节电阻式检测元件
设有一根长度为，截面积为，电阻率为的电阻丝，其电阻初值可表示为：
若导体受到外力的作用被拉伸或压缩，则会引起、、的变化从而引起电阻的变化
第三节电阻式检测元件
应变片的结构及种类
金属应变片
丝式
第三节电阻式检测元件
箔式应变片
第三节电阻式检测元件
半导体应变片
半导体应变片主要有三种类型，体型半导体应变片，薄膜型半导体应变片和扩散型半导体应变片
第三节电阻式检测元件
应变片的主要特性
灵敏系数
绝缘电阻
绝缘电阻是指已安装的应变计的敏感栅和引线
与被测件之间的电阻值
第三节电阻式检测元件
横向效应
直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，应变敏感栅的电阻变化仍要小一些，从而导致灵敏系数的改变，这种现象称为横向效应
机械滞后
应变片贴在试件上后，在一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载和卸载时的输入-输出特性曲线不重合的现象称机械滞后
第三节电阻式检测元件
零漂和蠕变
粘贴在试件上的应变片，在恒定温度下，不承受机械应变时指示应变值随时间变化的特性称为应变片的零漂
在恒定温度下，使应变片承受一恒定的机械应变，指示应变值随时间变化的特性称应变片的蠕变
允许电流
允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度所允许通过的最大电流
第三节电阻式检测元件
应变极限
应变片的应变极限是指在规定的使用条件下，指示应变与真实应变的相对误差不超过规定值（一般为10%）时的最大真实应变值
第三节电阻式检测元件
二、热电阻式检测元件
原理：
基于导体或半导体的电阻随温度变化的性质
热电阻式检测元件分为两大类，一是金属热电阻，二是半导体热敏电阻
第三节电阻式检测元件
金属热电阻
金属热电阻需考虑问题
R0（t＝0的R）的大小
综合考虑常用的R0＝50Ω
和R0＝100Ω
电阻丝的粗细
综合考虑：
铂电阻d＝0.03～0.07mm
铜电阻d＝0.1m
第三节电阻式检测元件
一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。
但作为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。
目前常用的金属热电阻有铂、铜
铂电阻：
铜电阻：
第三节电阻式检测元件
热敏电阻
热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的
热敏元件
特点：
体积小、灵敏度高、结构简单、使用寿命长；但呼唤性差、测量范围不宽
负温度系数（NTC）热敏电阻
呈现负的温度系数，主要由Mn、Cn、Ni、Fe等金属氧化物烧结而成
第三节电阻式检测元件
正温度系数（PTC）热敏电阻
呈现正温度系数特性，是用BaTiO3掺如稀土元素使之半导体化而制成的
临界温度（CTR）热敏电阻
是一种具有负的温度系数的开关型热敏电阻。
具有很好的开关特性，常作为温度控制元件
第三节电阻式检测元件
第三节电阻式检测元件
三、其它电阻式检测元件
湿敏电阻
工作原理
它是由感湿膜与
保护膜1、电极2
和基片3组成
第三节电阻式检测元件
湿敏电阻的特性
湿敏电阻的阻值随湿度增
加而减小，而且湿敏电阻
的特性与温度有关，所以
在使用中，要采用温度补
偿措施
第三节电阻式检测元件
第三节电阻式检测元件
气敏电阻
气敏电阻是由某些半导体材料制成，它是利用半导体与特定气体接触时，其电阻值发生变化的效应进行测量的。
第三节电阻式检测元件
电位器式检测元件
电位器式检测元件主要用来测量位移。
通过与其他敏感元件
的联合使用，也可
测量压力、加速度
等物理量
第四节电容式检测元件
电容式检测元件可以将某些物理量的变化转变为电容量的变化
一、电容检测元件的工作原理
电容检测元件实际上是各种类型的可变电容器，它能将被测量的改变转换为电容量的变化
第四节电容式检测元件
平板型电容器
当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量C为
为极板面积；为两极板间
的距离；为极板间介质的介电常数；为真空介电常数；为介质相对真空的相对介电常数。
第四节电容式检测元件
圆筒形电容器
其电容量C为
为圆筒长度；R为外圆筒内半径；r为内圆筒外半径；其他符号上式相同
第四节电容式检测元件
二、电容元件的结构和特性
变极距式电容器
第四节电容式检测元件
改变极板间的距离，导
致电容量的变化，其相
对变化可近似为：
灵敏度：
第四节电容式检测元件
变面积式电容器
第四节电容式检测元件
当可动极板在被测量的作用下发生位移，使两极板相对有效面积改变，则会导致电容器的电容量的变化
灵敏度
第四节电容式检测元件
变介电常数式电容器
当两极板间介质的介电常数变化，由此
引起的电容改变量为
第四节电容式检测元件
等效电路
在低频率或在高温高湿条件下，电容的等效电路为
第四节电容式检测元件
三、电容式检测元件的温度补偿及
抗干扰问题
电容式检测元件的温度补偿
消除寄生电容的影响
第五节热电式检测元件
热电式检测元件是利用敏感元件将温度变化转换为电量的变化，从而达到测量温度的目的
一、热电偶检测元件
热电效应及测温原理
第五节热电式检测元件
将热电极A、B的两个接点分别置于温度为T
及（设T＞）的热源中，则在该回路内
就会产生热电动势。
这种现象称之为热电
效应。
温度高的接点称为热端（或工作端），温
温度低的接点称为冷端（或自由端）
第五节热电式检测元件
接触电势
两者电子密度不同，扩散速度不同
第五节热电式检测元件
温差电势
导体内自由电子在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散，当达到动态平衡时，在导体的两端便产生一个相应的电位差。
该电位差就称为温差电势。
可表示为：
第五节热电式检测元件
热电偶回路热电势
对于由导体A、B组成的热电偶闭合回路，当温度为T＞，＞时，闭合回路总的热电势为
第五节热电式检测元件
热电偶的基本定律
均质导体定律
由一种导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度如何都不产生热电势
中间导体定律
在A、B构成的热电偶接入
第三种导体C，并使AC和
BC接触的温度均为t0
第五节热电式检测元件
中间温度定律
热电偶A、B在接点温度为T，时的热电势等于
热电偶A、B在接点温度为和的热电
势和的代数和，即：
第五节热电式检测元件
热电偶的误差
分度引起的误差
冷端温度引起的误差
测量线路及仪表误差
干扰和漏电引起的误差
第五节热电式检测元件
二、晶体管温度检测元件
PN结温度检测元件
根据半导体原理，晶体管的PN结的伏安特
性与温度有关，利用这一特性可构成温度
检测元件
第五节热电式检测元件
下式表明了PN结的正向电压与温度的关系
第五节热电式检测元件
晶体三极管温度检测元件
当发射结处于正向偏置时，其发射极电流
Ie与基极—发射极间的电压Vbe的关系可表示为
第五节热电式检测元件
第六节压电式检测元件
压电式检测元件是利用压电材料作为敏感元件，以其受外力的作用时在晶体表面产生电荷的压电效应为基础来实现参数测量的。
它可以把力、压力、加速度和扭矩等物理量转换成电信号输出
最常用的压电材料是石英晶体和压电陶瓷
第六节压电式检测元件
一、压电效应与压电材料
压电效应
某些材料在沿一定方向受外力作用时，不仅几何尺寸变化而发生变形，而且材料内部电荷分布发生变化,从而使得在其一定的两个相对表面上产生符号相反，数值相等的电荷，当外力去掉后，它们又恢复到不带电状态。
这种现象称“正压电效应”
第六节压电式检测元件
压电效应是可逆的，即在特定的面上施加电场后，则会在相应的面上产生形变和应力；去掉电场后，形变和应力消失。
这称之为“逆压电效应”
第六节压电式检测元件
石英晶体为六棱形。
它
有三个互相垂直的轴。
其中x轴称为电气轴，y
轴称为机械轴，z轴称为
光学轴。
从棱柱中割出
一个各面与轴平行的小块。
第六节压电式检测元件
当沿着x轴方向有力作用时，则在垂直于x轴的两个面上，就会出现大小相等符号相反的电荷，其电荷量为：
K－压电常数Ax－作用面积
这种压电效应称纵向压电效应
如果在y轴方向上施以压力，在垂直于x轴的两个界面上也会出现电荷，其电荷量为：
这种压电效应称横向压电效应
第六节压电式检测元件
压电材料
常用的压电材料有压电晶体、压电陶瓷、高分子材料
最典型的压电晶体是石英晶体
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料
第六节压电式检测元件
二、压电式检测元件的等效电路
压电式检测元件等效为一个电荷源和一个电容相并联；或为一个电压源和一个电容串联的等效电路，如下图
第六节压电式检测元件
三、压电式检测元件的误差
温度引起的误差
电缆噪声
第七节光电式检测元件
光电式检测元件是一种将光信号转换为电信号的元件，其物理基础是光电效应
测量时，被测量的变化转换成光信号的变化，从而引起电信号的相应变化
第七节光电式检测元件
一、光电效应
光电效应是指光照射到物质上引起其电特性（电子发射、电导率、电位、电流等）发生变化的现象。
光电效应分为外光电效应和内光电效应
外光电效应
在光线作用下，使其内部电子逸出物体表面的现象称为外光电效应
第七节光电式检测元件
内光电效应
物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，但这些电子并不逸出物体表面，而仍然留在内部，从而导致物体的电阻率发生变化或产生电动势，这种现象称为内光电效应
第七节光电式检测元件
二、光电器件的基本特性
光谱灵敏度
光电器件对单色辐射通量的反应称为光谱灵敏度
为光电器件输出光电流；为入射辐射通量
第七节光电式检测元件
相对光谱灵敏度
积分灵敏度
光电器件对连续光通量的反应称为积分灵敏度
第七节光电式检测元件
光照特性
当光电器件加上一定的外加电压时，其输出光电流或端电压与入射光照度之间的关系成为光照特性
有时也表示为光电器件的积分或光谱灵敏度与入射光照度的关系
第七节光电式检测元件
频率特性
光电器件的相对光谱灵敏度或输出光电流（或端电压）的振幅随入射光通量的调制频率变化的关系成为光电器件的频率特性
或
第七节光电式检测元件
温度特性
环境温度变化后，光电器件的光学性质也随之变化，这种现象称为光电器件的温度特性。
一般由灵敏度或暗（光）电流与T的关系来表示
第七节光电式检测元件
三、光敏元件及特性
光敏电阻及特性
光敏电阻的工作原理和结构
光敏电阻是利用光电导效应的原理工作的
光敏电阻的主要参数及基本特性
主要参数
暗电阻和暗电流、亮电阻与亮电流、光电流
第七节光电式检测元件
基本特性
光照特性、伏安特性、光谱特性、温度特性
第七节光电式检测元件
第七节光电式检测元件
光电池及特性
光电池的工作原理和结构
光电池是一种直接将光能转换为电能的光敏元件
第七节光电式检测元件
光电池的基本特性
光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性
第七节光电式检测元件
第七节光电式检测元件
光敏晶体管
光敏二极管
光电二极管的反向饱和电流随入射光照度的变化而成比例的变化，具有极好的线性
光电三极管
它有两个PN结，由入射光在发射极与基极之间的PN结附近产生的光电流
第七节光电式检测元件
光电管
真空光电管
有一个阴极和一个阳极构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，管内形成电场，当光照射到阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下，被阳极收集，形成电流。
该电流及负载电阻上的电压随光照强弱而变化，从而实现了光电信号的转换
第七节光电式检测元件
第七节光电式检测元件
光电倍增管
在光电管的阴极K和阳极A之间安装若干个倍增极D1D2…DN,就构成了光电倍增管
与普通光电管相比，光电倍增管的灵敏度获得了很大的提高
第八节磁电式检测元件
磁电式检测元件是通过电磁原理将被测物理量转换成电信号的一种检测元件
一、磁电感应式检测元件
利用电磁感应定律，将被测量转变成感应电动势而进行测量
线圈中感应电动势e的大小，取决于匝数N和穿过线圈的磁通变化率
第八节磁电式检测元件
磁通变化率是由磁场强
度、磁路磁阻及线圈的
运动速度决定的
恒磁阻式检测元件
由线圈1、运动部件2和永久磁铁3所成
第八节磁电式检测元件
线速度型
角速度型
感应电势与线圈对磁场的相对运动的线速度或线圈相对磁场的角速度成正比
第八节磁电式检测元件
变磁阻式检测元件
变磁阻式检测元件的线圈与磁铁之间没有相对运动，由运动着的被测物体（一般是导磁材料）来改变磁路的磁阻，引起磁通量变化,从而在线圈中产生感应电动势。
变磁阻式检测元件一般做成转速式，产生的感应电势的频率作为输出
第八节磁电式检测元件
开磁路式
开磁路转速检测元件主要由永久磁铁1、衔铁2和感应线圈3组成
第八节磁电式检测元件
闭磁路式
它是由安装在转轴1上的内齿轮2和永久磁铁5、外齿轮3a、3b及线圈4构成
第八节磁电式检测元件
磁电感应式检测元件的误差及补偿
磁电感应式检测元件相当于一个电源
第八节磁电式检测元件
磁电感应式检测元件的输出电流iO以及在负载电阻RL上的电压uO为
Ri为磁电感应式检测
元件的内阻，RL为负
载电阻
第八节磁电式检测元件
检测元件的电流灵敏度Si和电压灵敏度Sv为：
第八节磁电式检测元件
当磁电感应式检测元件工作温度发生变化，或受到外磁场干扰，或受到机械振动或冲击时，其灵敏度都将发生变化而产生测量误差，其相对误差为
第八节磁电式检测元件
温度误差
第八节磁电式检测元件
永久磁铁不稳定误差
当测量电路满足Ri＜＜RL时，电磁感应式检测元件的电压灵敏度可近似为
则灵敏度的
升级会员 