一、检测技术基础知识

一、检测技术基础知识.txt45想洗澡吗？不要到外面等待下雨；想成功吗？不要空等机遇的到来。摘下的一瓣花能美丽多久？一时的放纵又能快乐多久？有志者要为一生的目标孜孜以求。少年自有少年狂，藐昆仑，笑吕梁；磨剑数年，今将试锋芒。自命不凡不可取，妄自菲薄更不宜。 本文由超越2011贡献
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第一章 检测技术的基础知识
本章主要介绍检测技术的基本概念、 本章主要介绍检测技术的基本概念、测 量中误差的处理方法以及传感器的基本特性。 量中误差的处理方法以及传感器的基本特性。
1.1 检测技术的基本概念
1.1.1 检测技术 检测技术： 检测技术： 以研究自动检测系统中的信息提 取、信息转换 以及信息处理的理论和技术为主要 内容的一门应用技术学 科。 任 务：寻找与自然信息具有对应关系的 种种表现形式的信 以及确定二者间的定性、 定量关系； 号，以及确定二者间的定性、 定量关系；从反映某一信息的 选出在所处条件下最为合适的表现形式， 多种信号表现中挑 选出在所处条件下最为合适的表现形式， 求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、 以及寻 求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示 等 的方法和相应的设备。 的方法和相应的设备。
1.1 检测技术的基本概念
1.1.2 自动检测系统 自动检测系统是自动测量、自动计量、 自动检测系统是自动测量、自动计量、自动保 自动诊断、自动信号等诸系统的总称。 护、自动诊断、自动信号等诸系统的总称。他 的组成如图1.1.1 所示。 所示。 的组成如图
指示仪
被测量
传感器
测量 电路
记录仪
电源
数据处 理仪器
1.1 检测技术的基本概念
1.1.3 传感器 一、传感器 定义：是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、 定义：是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于 应用的某种物理量的测量装置。 应用的某种物理量的测量装置。 含义： 传感器是测量装置，能完成信号的获取任务； 含义：（1）传感器是测量装置，能完成信号的获取任务； 它的输入量是某一被测量； （2）它的输入量是某一被测量； （3）它的输出量是某种物理量，这种物理量要便于传输、转换、处理、 它的输出量是某种物理量，这种物理量要便于传输、转换、处理、 显示等； 显示等； （4）输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 二、传感器的组成 功用是一感

二传，即感受被测信息， 出去。一般由敏感元件、 功用是一感二传，即感受被测信息，并传送 出去。一般由敏感元件、 转换元件、 部分组成。 转换元件、转换电路三 部分组成。
非电量 转换为 电量 非电量：温度、 位移、速度、 非电量：温度、力、位移、速度、加速度等 电量：电容、电阻、电感、电压、 电量：电容、电阻、电感、电压、电流等
物理量
温度量
电量
电阻量
三、
传感器的分类
1.2.1 按被测物理量分 温度传感器、压力传感器、速度传感器、位 移传感器、加速度传感器等。 1.2.2 按传感器工作原理分 应变式、电压式、电容式、涡流式、差动变 压器式等。
传感器分类 按被测量 温 度 传 感 器 器 器 感 感 式 传 传 学 式 式 力 移 电 学 电 位 磁 光 按工作原理
按被侧量 温度传感器 金
半
力传感器 电 压 阻 电 应 传 变 感 片 器 器 感 传 式 容 电
热 电 偶 电 阻 属 热
导 体 热 敏 电 阻
按工作原理 电学式 电 阻 式 式 容 式 电 感 学 电 式 式 型 体 电 磁 其它 光 导 半
进一步地，温度传感器又可按应用背景分类：
空调专用温度传感器 冰箱专用温度传感器 热水器专用温度传感器 汽车发动机控制系统专用温度传感器 ……
1.2 测量方法
按测量手段分直接测量、间接测量和联立测量； 按测量方式 分偏差式测量、零位测量和微差式测量。 1.2.1 直接测量、间接测量与联立测量 一、直接测量 在使用测量仪表进行测量时，对仪表读数不需 要经过任何运算，就能直接表示测量的结果称为直 接测量。 举例说明： 二、间接测量 在使用仪表测量时，首先对与被测物理量有确 定函数关系的几个量进行测量，将测需的结果，称 这种测量 为间接测量。举例说明： 三、联立测量 在使用仪表进行测量时，若被测物理量必须 经 过求解联立方程组才能得到最后结果，称这种测量为联立 测量。举例说明：
1.2 测量方法
1.2.2 偏差式测量、零位式测量与微差式测量 一、偏差式测量 用仪表指针的位移（即偏差）决定被测量的方 法，称为偏差式测量法。这种测量方法过程比较简单、迅速，但 精度低，广泛用于工程测量中。 二、零位式测量 用指零仪表的零位指示检测系统的平衡状态， 在系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法， 称为零位式测量。这种测量方法精度较高，但过程比较复杂，不 适于测量变化迅速的信号。 三、微差式测量 综合了偏差式测量法和零位式测量法的优点而 提出的测量方法，它是将被测的未知量与已知的标准量进行比较， 并取得差

值后，用偏差法测得此值。优点是反应快、精度高，适 用于在线控制参数的检测。
传感器的应用实例
加速度传感器
传感器的重要性
3、传感器在生活、生产中有什么用？ 温度传感器应用实例： 空调专用温度传感器 冰箱专用温度传感器 热水器专用温度传感器 汽车发动机控制系统专用温度传感器 ……
传感器应用举例
Droptest测试－电脑机箱跌落测试
背景：广东地区是全球重要的电子产品制造基地，尤其是电脑外 设，汇集着富士康、光宝集团等国际大型企业。
富士康科技集团 https://www.docsj.com/doc/3a6545084.html,/ 富士康是台湾企业，1988年投资大陆，是全球最大的计算机外设 生产商，连续9年入选美国《商业周刊》发布的全球信息技术公 司100大排行榜(2005、2006年排名第二)，连续四年稳居中国内 地企业出口200强第一名。2005年(第371位)、2006年(第206位) 迅速跻身《财富》全球500强。胡锦涛、江泽民、吴邦国、温家 宝、李瑞环、李长春、吴仪等国家领导人多次莅临集团视察，给 集团“扎根中国，运筹全球”以巨力支持。
总裁郭台铭：2005年,美国《福布斯》杂志的最新全 球富豪排名,55岁的郭台铭以32亿美元身价,名列第 183名,首次跃升为台湾首富。 富士康拳头产品之一：个人电脑机壳 由于环境标准的日渐苛刻以及更好的散热控 制、电路板固定的需要，电脑机壳的设计和制造 不再是一个简单的流程。
电脑机箱的运输防震措施
注意：机电类专业人才在电子制造行业拥有广阔的 发展空间，例如机箱结构设计。但仅仅掌握二维、 三维绘图是远远不够的。 富士康在深圳生产基地制造的个人电脑（贴牌生产 OEM），需要运往世界各地，电子产品在运输过程 中需要确保在颠簸等情况下对重要部件保护完好。
台式电脑什么部件最容易损坏？需要特别注 意？ 硬盘－容易损坏，且容易给客户造成金钱难 以衡量的损失。 为有效保护硬盘，必须对设计好的机箱进行 检测：
跌落测试（Droptest）
目标管理： 机箱直接落地，硬盘受到瞬间冲击力，好的机箱 设计应使硬盘受到的冲击力尽量小。 冲击力F=硬盘质量M×硬盘加速度a 因此，需要对硬盘在跌落撞击地面过程中的加速 度进行检测。
加速度传感器
富士康集团设在深圳的华南检测中心担负着各类产品的检 测任务，是富士康集团核心R&D单位,江泽民,胡锦涛, 测任务，是富士康集团核心R&D单位,江泽民,胡锦涛,温家 宝,李瑞环,尉建行等党和国家领导人都曾莅临中心参观考 李瑞环, 察;
加速度曲线
机箱右倾姿态跌落硬盘加速度测试 机箱右倾姿态跌落硬盘加速度测试

加速度曲线
机箱后仰姿态跌落硬盘加速度测试 机箱后仰姿态跌落硬盘加速度测试
加速度曲线
机箱倒立姿态跌落硬盘加速度测试 机箱倒立姿态跌落硬盘加速度测试
不仅机箱，华南地区是重要的电子产品制造基地，电视 机（如深圳创维）、空调（如美的）、手机（如富士康）、 电脑键盘（如台湾光宝集团）、通讯机柜（如深圳华为、爱 默生）等产品均需要在出口包装前进行 跌落测试。 跌落测试。 汽车出厂前的 碰撞试验 北京奥运会的“金镶玉”的奖牌，也要进行跌落测试， 北京奥运会的“金镶玉”的奖牌，也要进行跌落测试， 其跌落高度是 米。
1.3 测量误差
1.3.1 误差的基本概念及表达式 一、绝对误差 ?x＝x－L0
绝对误差可正可负 问题：真实值如何确定？ 问题：真实值如何确定？ 在实际测量中，由于被测量真值是未知的， 在实际测量中，由于被测量真值是未知的， 可用比测量仪表高一个精度等级的仪表的测量值来 代替；或用统计学计算期望值得到。 代替；或用统计学计算期望值得到。
绝对误差愈小， 绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值户测量精度 愈高。但这一结论只适用于被测量值相同的情况， 愈高。但这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不 被测量值相同的情况 能说明不同值的测量精度。 能说明不同值的测量精度。 例如，某测量长度的仪器 测量 测量10 的长度， 例如，某测量长度的仪器,测量 mm的长度，测量值为 的长度 10.001mm， ，
则绝对误差 ?x＝x－L0 ＝10.01－10＝ 0.01 mm ＝ － － ＝ 另一仪器测量200 mm长度，测量值为 长度， 另一仪器测量 长度 测量值为200.01mm； ； 则绝对误差 ?x＝x－L0 ＝200.1－200＝ 0.1 mm ＝ － － ＝
这就很难按绝对误差的大小来判断测量精度高低了， 这就很难按绝对误差的大小来判断测量精度高低了，这 是因为后者的绝对误差虽然比前者大，但它相对于被测 是因为后者的绝对误差虽然比前者大， 量的值却显得较小。为此，引入相对误差的概念。 量的值却显得较小。为此，引入相对误差的概念。
1.3 测量误差
二、相对误差
x ?x δ= × 100% = × 100% L0 x
相对误差可正可负 由于被测量真值是未知的,而指示值又很接近真值 而指示值又很接近真值。 由于被测量真值是未知的 而指示值又很接近真值。 因此，可以用指示值x代替真值 0来计算相对误差。 因此，可以用指示值 代替真值L 来计算相对误差。 代替真值 通常用于衡量测量的准确程度，相对误差越小， 通常用于衡量测量的准确程度，相对误差越小，准
确程度越高。 确程度越高。
相对误

差比绝对误差能更好地说明测量的精确程 度。在上面的例子中
0 . 01 δ1 = × 100 % = 0 . 1 % 10 0 .1 δ2 = × 100 % = 0 . 05 % 200
显然，后一种长度测量仪表更精确。 显然，后一种长度测量仪表更精确。 一般使其最好能工作在不小于满刻度值2/3的区域 一般使其最好能工作在不小于满刻度值 的区域。 不小于满刻度值 的区域。
使用相对误差采评定测量精度，也有局限性。 使用相对误差采评定测量精度，也有局限性。它只能说明不 同测量结果的准确程度， 同测量结果的准确程度，但不适用于衡量测量仪表本身的质 量。因为同一台仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值。 因为同一台仪表在整个测量范围内的相对误差不是定值。 随着被测量的减小相对误差变大。 随着被测量的减小相对误差变大。为了更合理地评价仪表质 量，采用了引用误差的概念。 采用了引用误差的概念。 三、引用误差
x γ = × 100% A
Δx 是某个测量点的绝对误差 上限－下限， 仪表的量程 A＝上限－下限，是一个固定值
如果以测量仪表整个量程中， 如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝对误差最大 则可得到最大引用误差γ 值Δxm代替Δx ，则可得到最大引用误差 m。
γm =
是一个定值。 是一个定值。
x m A
× 100%
对一台确定的仪表或一个检测系统， 对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用误差就
测量仪表一般采用最大引用误差不能超过的允许值作为划分精 度等级的尺度。 度等级的尺度。我国工业仪表常见的精度等级有 0.1级，0.2级，0.5级，1.0级，1.5级，2.0级，2.5级， 5.0级 级 级 级 级 级 级 级 级 的仪表， 如：精度密度和精确度等级为1.0的仪表，在使用时它的最大 精度密度和精确度等级为 的仪表 引用误差不超过±1.0％，也就是说，在整个量程内它的绝对 引用误差不超过± ％，也就是说， ％，也就是说 误差最大值不会超过其量程的±1％。 误差最大值不会超过其量程的± ％。 在具体测量某个量值时， 在具体测量某个量值时，相对误差可以根据精度等级所确 定的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。 定的最大绝对误差和仪表指示值进行计算。
1.3 测量误差
1.3.2 误差的分类与来源 一、系统误差 在相同的条件下多次测量同一量时，误差的绝对值 和符号保持恒定或在条件改变时，与某一个或几个因素成函数关 系的有规律的误差，称为系统误差。 它产生的主要原因是仪表制造、安装或使用方法不正确，也可 能是测量人员一些不良的读数习惯等。 二、随机误差 服从统计规律的误差称随机误差，又称偶然误差。 误差产生的

原因很复杂，所以不能用修正或采取某种技术措施的 办法来消除。 应该指出，在任何一次测量中，系统误差与随机误差一般都是同 时存在的，而且两者之间并不存在绝对的界限。 三、粗大误差 是一种显然与实际值不符的误差。
1.3 测量误差
1.3.3系统误差和随机误差的表达式 1.3.4 基本误差和附加误差 一、基本误差 简单地说，测量仪器在额定条件下工作时所具 有的误差，称为基本误差。如电源电压、温度、湿度等。 二、附加误差 当使用条件偏离标准条件时，传感器和仪表必 然在基本误差的基础上增加了新的系统误差，称为附加误差。 如温度附加误差、电源电压波动附加误差等。 1.3.5 测量误差的估计和校正 测量误差中包括系统误差和随机误差，由于它们的性质不 同，对测量结果的影响及处理的方法也不同。
1.3 测量误差
一、随机误差的影响及统计处理 二、系统误差的发现与校正 1、系统误差的发现与判别 发现系统误差的常用方法如下： （1）实验对比法 （2）剩余误差观察法 （3）不同公式计算标准误差比较法 （4）计算数据比较法 2、系统误差的校正 （1）补偿法 （2）差动法 （3）比值补偿法 （4）测量数据的修正
1.3 测量误差
1.3.6 测量误差的合成与分配 一、测量误差的合成 1、系统误差的合成 2、随机误差的合成 3、总合成误差 二、测量误差的分配 1、系统误差的分配 2、随机无耻的分配 3、最佳测量方案的选择
1.4 传感器的基本特性
1.4.1 传感器的静态特性 一、精确度 用精密度、准确度和精确度三个指标来 描述。 1、精密度 精密度是随机误差大小的标志，精密度高， 意味着随机误差小。 2、准确度 它说明传感器输出值与真值的偏离程度。 准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统 误差小；同样准确度高不一定精密度高。 3、精确度 它是精密度和准确度两者的总和，精确度 高表示精密度准确度都比较高。
1.4 传感器的基本特性
以射击为例，加深对三个概念的理 解。
a)
b)
c)
二、稳定性 1、稳定度
2、影响量
1.4 传感器的基本特性
三、传感器的静态输入—输出特性 静态特性是指输入的被测参数 不随时间而变化 或随时间变化很缓慢时，传感器的输出量与输 入量 的关系。 1、线性度 通常用相对误差δL来表示，即
2、灵敏度 灵敏度表示传感器的输入增量△x 与由它引起 的输出 增量△y之间的函数关系。即灵敏度 S 等于 传感器输出增量与 被测增量之比，它是传感器在稳态输出输入特性曲线上各点的斜 率， 用下式表示：
1.4 传感器的基本特性
灵敏度

表示单位被测量的变化所引起传感器输出值的变 化量。S值越高表示传感器越灵敏。
灵敏度的三种情况如图：
从灵敏度的定义可知，灵敏度是刻度特性的导 此它是一个有单位的量。
数，因
1.4 传感器的基本特性
3、灵敏度域与分辨力 灵敏度域是指传感器最小所能够区别的读 数变化量。分辨力是指数字式仪表指示数字值的最后一位数字所 代表的值，当被测量的变化量小于分辨力时，仪表的最后一位数 不变，仍指示原值。 灵敏度域或分辨力都是有 单位的量，它的单位与被测量的单位相同。 对于一般传感器的要求是，灵敏度应该大，而灵敏度域应该小。 但也不是灵敏度域越小越好，因为灵敏度域越小，干扰的影响越 显著，给测量的平衡过程造成困难，而且费时、费钱。 因此，选择的灵敏度域只要小于允许测量绝对误差的三分之一即 可。灵敏度是广义的增益，而灵敏度域则是死区或不灵敏区。
1.4 传感器的基本特性
4、迟滞 传感器在正反行程中输出—输入特性曲线不重 合程度称为迟滞，迟滞误差大小用下式表达：
5、 重复性 重复性是指传感器的输入在按同一方向变化时， 在全量程内连续进行重复测试时，所得到的各特性曲线 的重复程度，用下式表示：
迟滞误差又叫回程误差，用绝对误差表示。
1.4 传感器的基本特性
1.4.2 传感器的动态特性 动态特性是指传感器对于随时间变化的输 入量的响应特性。只要输入量是时间的函数， 则其输出量也将是时间的函数。研究动态特性 是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。

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