检测技术概述 检测的基本概念 1、检测与测量:检测是意义更为广泛的测量 测量:以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 检测技术:测量一信号检出(极为重要) 检测过程:信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理 检测技术:检测方法、检测结构、检测信号处理--综合性技术 2、检测的分类 被测量值的物理属性:电量、非电量 检测原理(物理的、化学的、生物学的) 电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电 化学分析、色谱分析、质谱分析等 检测方法:主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、 动态和静态
检测技术概述 一、检测的基本概念 1、检测与测量： 测量：以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 检测技术： 检测过程： 测量 信号检出（极为重要） 信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理 检测技术：检测方法、检测结构、检测信号处理 2、检测的分类 被测量值的物理属性：电量、非电量 检测原理（物理的、化学的、生物学的）： 检测方法：主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、 动态和静态 电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电 化学分析、色谱分析、质谱分析等 检测是意义更为广泛的测量 --- 综合性技术
3、测量单位 测量:被测量 基准量—→倍数(结果) 单位 避免混乱--国际单位制(SI): SI基本单位:七个物理量单位-相互独立 长度质量时间电流热力学温度物质的量光量 (m)(kg) (s)(a (K) (mol) (cd) 米--.在真空中1s时间内传播距离的1/299792485 实物单位千克标准原器 SI组合单位:由基本单位导出 能量(J)=力×距离 质量×加速度x距离 J= kg(m/s2)m=m2. kg/s2 能量--焦(耳):长度、质量、时间(科学家) 大得多小得多-词头:mm、μm、m(10m); kHz、MIHz(101z)、GHz(109Hz)
3、测量单位 被测量 基准量 避免混乱---- 国际单位制（SI）： 长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 光量 实物单位----千克标准原器 米 ----光在真空中1s时间内传播距离的1/299792485 能量（J）=力 距离 大得多/小得多----词头：mm、m、nm（10-9m）； kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz） 单位 测量： 比较 SI 基本单位： 倍数（结果） SI 组合单位： 七个物理量单位--- 相互独立 由基本单位导出 =质量 加速度 距离 J = kg（m/s2）m = m2·kg/s2 能量 --- 焦（耳）：长度、质量、时间 （m）（kg）（s）（A） （K） （mol） （cd） （科学家）
检测技术的作用与意义 1、产品检验和质量控制的重要手段 被动检测一→主动检测(在线检测)—→质量控制领域 2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用 故障监测系统—动态监测一保证设备和人员安全 提高经济效益 3、自动化系统中不可缺少的组成部分 管理 数量 生产过程:“物流” 控制信息流” 状态 趋向 检测 获取信息 分析判断—→自动控制 自动化:信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行 检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步 检测手段水平决定科学研究的深度和广度 理论研究成果离不开必要的检测手段
1、产品检验和质量控制的重要手段 二、检测技术的作用与意义 被动检测 主动检测（在线检测） 质量控制领域 2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用 故障监测系统 动态监测 保证设备和人员安全 提高经济效益 3、自动化系统中不可缺少的组成部分 生产过程： “物流” “信息流” 控制 管理 数量 状态 趋向 检测 获取信息 分析判断 自动控制 自动化：信息获取、信息转换、信息处理、信息传送、信息执行 4、检测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步 检测手段水平决定科学研究的深度和广度 理论研究成果离不开必要的检测手段
检测系统构成 匚数据显示、存储、分析、综合、判断、决策、监控 通信接口及总线 底层显示 「底层显示 底层显示 分析处理 分析处理 分析处理 变换 「变换 [变换 检出检出检出检出 检出…检日[检出 图1检侧系统的一般构成 信息获取 转换 显示和处理 (信号检出部分)(信号变换部分) (分析处理部分 通信接口及总线)
三、检测系统构成 信息获取 转换 显示和处理 （信号检出部分） （信号变换部分） （分析处理部分、 通信接口及总线）
1、信号检出部分 传感器( Sensor)--检出功能的器件 信号提取(被测量)、传输(信号变换部分) 特点: 1)输出量为电压、电流、频率←一电阻、电容、电感 两种:数字量、模拟量 2)输出的电信号一般较微弱: 电压--毫伏级、微伏级;电流--毫安级、纳安级 3)输出信号与噪声混杂在一起--传感器内部噪声 传感器的信噪比小、输出信号弱--信号淹没在噪声中 4)传感器的输出特性呈线性或非线性 5)外界环境的变化会影响传感器的输出特性 选择: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等的限制 检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分
1、信号检出部分 传感器（Sensor）----检出功能的器件 信号提取（被测量）、传输（信号变换部分） 特点： 1）输出量为电压、电流、频率 2）输出的电信号一般较微弱： 电压 ---- 毫伏级、微伏级；电流---- 毫安级、纳安级 3）输出信号与噪声混杂在一起---- 传感器内部噪声 传感器的信噪比小、输出信号弱---- 信号淹没在噪声中 4）传感器的输出特性呈线性或非线性 选择：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等的限制 电阻、电容、电感 两种：数字量、模拟量 5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性 检测系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分
2、信号变换部分 检出信号→→适合于分析和处理的信号 信号调理电路 阻抗变换--输出阻抗很高时; 信号放大--输出信号微弱时; 噪声抑制-信号淹没在噪声中; 电压电流(VA)转换--需要电流输出时; 模拟数字(AD)转换--需要输出数字信号时 目的: )对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量 2)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 )简化后续系统的组成
2、信号变换部分 检出信号 适合于分析和处理的信号 信号调理电路 阻抗变换---- 输出阻抗很高时； 电压/电流（V/A）转换---- 需要电流输出时； 目的： 4）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 3）提高测量、分析的准确度 信号放大---- 输出信号微弱时； 噪声抑制---- 信号淹没在噪声中； 模拟/数字（A/D）转换---- 需要输出数字信号时 1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量
3、分析处理部分 不断注入新内容-检测系统的研究中心 计算机系统-强大问题分析能力、复杂系统的实时控制 自动化、智能化 4、通信接口与总线部分 功能:管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换 接口--分系统和上位机之间/分系统之间交换信息 通用标准接口-不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联 USB、IEEE-488、RS-232(串行)、并行 (硬件系统) 总线:传送数字信号的公共通道--信号线的集合 RS-232C、VXI、 Centronics(并行) (规范、结构形式)
3、分析处理部分 功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换 不断注入新内容---- 检测系统的研究中心 通用标准接口--- 不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联 4、通信接口与总线部分 计算机系统---- 强大问题分析能力、复杂系统的实时控制 自动化、智能化 USB、 IEEE-488、 RS-232（串行）、并行 总线：传送数字信号的公共通道---- 信号线的集合 RS-232C、VXI、Centronics（并行） （硬件系统） （规范、结构形式） 接口 --- 分系统和上位机之间/分系统之间交换信息
四、检测方法 选择:被测量的性质、特点和测量任务要求 分类: (1)按测量手续:直接测量、间接测量 (2)按测量值的获得方式:偏移法测量、零位法测量、 差分式测量 (3)按传感器与被测对象是否直接接触:接触式测量 非接触式测量 (4)根据对象变化的特点:静态测量、动态测量 1、直接测量与间接测量 直接测量-与同类基准进行简单的比较以得到被测量 线纹尺--物体尺寸、天平-物体重量 间接测量-被测量无法或不易进行直接测量 负载电阻功率=电压×电流 目标变量 关系) 自变量(直接测量)
四、检测方法 选择：被测量的性质、特点和测量任务要求 分类： （1）按测量手续：直接测量、间接测量 （2）按测量值的获得方式：偏移法测量、零位法测量、 差分式测量 （3）按传感器与被测对象是否直接接触：接触式测量、 非接触式测量 （4）根据对象变化的特点：静态测量、动态测量 1、直接测量与间接测量 直接测量---- 与同类基准进行简单的比较以得到被测量 线纹尺---- 物体尺寸、天平---- 物体重量 间接测量---- 被测量无法或不易进行直接测量 目标变量 自变量 负载电阻功率= 电压 电流 （关系） （直接测量）
2、偏移法与零位法测量 1)偏移法-完全从被测量中获得信号转换所需能量一→测量误差 例:弹簧秤 2)零位法-不从信号源获得能量一→高精度测量 例:天平称量物体 3、差分式测量 结构:对称结构的两个传感器, 被测量反对称作用在两个传感器上 作用:消除干扰的影响 被测量x+△x 传感器1y1 f1 测量原理线性化、 )输出 提高灵敏度 干扰量e+△e (常见检测结构形式) 感器2Ly x-△x 图 差分结构
2、偏移法与零位法测量 1）偏移法--- 完全从被测量中获得信号转换所需能量 例：弹簧秤 2）零位法--- 不从信号源获得能量 作用： 测量原理线性化、 提高灵敏度 结构：对称结构的两个传感器， 被测量反对称作用在两个传感器上 （常见检测结构形式） 高精度测量 例：天平称量物体 测量误差 3、差分式测量 消除干扰的影响 2
4、随动跟踪测量 被测物1 基于零位法的测量 杠杆机构 高精度测量 例:高精度电子秤、 感 △ 伺服加速度计、 电流支点 反扭转 高精度压力传感器 磁性线圈 5、主动探索与信息反馈型检测 L大部分控制部分输出部分 智能化检测的标志之 图1-12力平衡式荷重测量系统 被测对象 传感器 信息处理检测结果 自适应能力改变传感器的工作温度一传感器的灵敏度 自学习能力--神经网络模拟某种非线性映射_→信号特征辨析 通过学习不断调整连接强度—问题最优解 调整对象的位置、姿态使检测结果具有确定性
4、随动跟踪测量 --- 基于零位法的测量 例：高精度电子秤、 伺服加速度计、 高精度压力传感器 自学习能力--- 神经网络模拟某种非线性映射 --- 智能化检测的标志之一 高精度测量 5、主动探索与信息反馈型检测 自适应能力 改变传感器的工作温度 传感器的灵敏度 被测对象 传感器 信息处理 检测结果 通过学习不断调整连接强度 问题最优解 调整对象的位置、姿态使检测结果具有确定性 信号特征辨析