检测技术基础Fundamentals of Test & Measurement Technology

施文康

wkshi@sjtu.edu.cn

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第一章 检测技术概述

一、检测的作用与意义

二、检测的基本概念

三、检测系统构成

四、检测系统的静态特性

五、检测系统的动态特性

六、一般检测方法

4 学时

3

历史时代： 手工化 机械化 自动化 信息化

生产方式： 人与简单工具

动力机与机械

自动测量控制

智能机械装置

第一章 检测技术概述

一、检测的地位和作用 1. 信息化是科学技术发展的必然

…

…

4

人与机器的机能对应关系：

一、检测的地位和作用

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• 2. 信息流是客观世界的一个主流

• 物料流

• 能流

• 信息流客观世界

一、检测的地位和作用

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信息流组成

信息流 获取 传输 处理 控制

…

信息获取是信息流的一环

一、检测的地位和作用

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• 获取信息是仪器科学的基本任务

• 仪器仪表是信息产业的重要组成部分

• 仪器仪表是信息工业的源头

一、检测的地位和作用

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• 3 检测仪器仪表的作用

一、检测的地位和作用

工业生产 倍增器 科学研究 先行官

社 会 物化法官

军 事 战斗力

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一、检测的地位和作用 工业生产倍增器

检测技术是带动国民经济增长的一个 关键领域

在美国：检测技术占 4% ，拉动经济增长 66%

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检测技术在工业生产领域的应用

一、检测的地位和作用

在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位… .

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一、检测技术的作用和地位

检测技术在工业生产领域的应用离线检测：零件参数、

尺寸与形位公差、

品质参数

作 用：现代工程装备中，

检测环节的成本约占

50~70%

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检测技术在汽车中的应用日新月异

一、检测技术的作用和地位

发动机：向发动机的电子控制单元（ ECU ）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等

汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。

底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等

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检测技术在日常生活中的应用与日俱增

一、检测技术的作用和地位

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

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一、检测技术的作用和地位

科学研究的先行官 诺贝尔奖获得者R. R. Ernst说“现代科学的进步越来越依靠尖端仪器的发展” 俄国化学家门捷列夫指出“科学是从测量开始的” 近 80 年来，与科学仪器密切相关的诺贝尔奖获得者达 38人

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一、检测技术的作用和地位

军事战斗力 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%

1994年美国防部建立自动测试系统执行局立体作战

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一、检测技术的作用和地位

检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器 ---OICW

夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射 20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。

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美国国家导弹防御计划 ---NMD

一、检测技术的作用和地位

检测技术在国防领域的应用

1. 地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署 (如雷达）4.管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统

监测系统 : 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假弹头，敌友方

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检测技术在航天领域举足轻重

一、检测技术的作用和地位

飞行器测控 --- 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵

火箭测控 --- 检测火箭状况、姿态、轨迹

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一、检测技术的作用和地位

“阿波罗 10” ：火箭部分 ---2077 个传感器

飞船部分 ---1218 个传感器，

检测参数 --- 加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、

神州飞船：

185台（套）仪器装置

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一、检测技术的作用和地位

“物化法官”

• 检查产品质量

• 监测环境污染

• 识别指纹假钞

• 查服违禁药物

• 侦破刑事案件

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一、检测技术的作用和地位

……教学实验、气象预报、大地测绘、灾情预报、交通指挥、……

涵盖 吃穿用、农轻重、海陆空

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定义：

被测信息：

传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：检测过程：

确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作

二、检测的基本概念

信号采集、信号处理、信号显示、信号输出

物理量（光、电、力、热、磁、声、…）

被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）

检测器具：

化学量（ PH 、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）… …

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例：空调机测量控制室温

二、检测的基本概念

空气

被测对象：被测信息：

检测器具：

操作过程：

室内空气温度

温度传感器 --- 热电阻、热电偶

热敏电阻 电信号 处理 显示

空调机

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三、检测系统的构成

接口总线

存储显示分析监控判断决策

一般构成：

信号检出┇

信号检出

信号检出

信号转换

信号转换

信号转换

处理显示

处理显示

处理显示

信号检出：功能 --- 将被测信号的转换为电信号的变化（ detection ）器件 --- 传感器（ sensor, transducer ）

信号转换：功能 --- 将传感器的输出信号转换为便于处理的形式（ conversion ）器件 --- 信号调理电路（ signal conditioning circuit ）

处理显示：功能 --- 分析（ analysis ）、处理（ processing ）、显示（ display ）

通讯接口 /总线接口 (RS232 、 RS485 、 GPIB 、 PCI 、 ··· ···)

其它环节：存储、监控、决策

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检测系统构成力位移 速度 加速度 压力流量温度

电阻式电容式电感式 压电式热电式 光电式磁电式

电桥 放大器滤波器调制器解调器运算器 阻抗变换器

笔式记录仪光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡

数据处理器 频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪 电子计算机

被测对象 传感器 中间变换测量装置

显示及 记录装置

实验结果处理装置

激发装置

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四、检测方法分类

1. 直接测量 （绝对测量、相对测量） 间接测量 2. 开环测量与闭环测量 3. 偏差法、零位法、微差法

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四、检测方法分类 1 、直接测量与间接测量• 直接测量：直接将被测量与标准量进行比较

标准量

标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、……）

绝对测量

定值标准量（如某一固定尺寸）

相对测量

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四、检测方法分类

-- 绝对测量： 采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值

测量结果： 20.1 mm

-- 相对测量： 将被测量直接与基准量比较，得到偏差值

特点：简单、直观、明了； 测量精度不高

基准量： 20.00 mm

测量值： +0.08 mm

结 果： 20.08 mm

特点：精度高；复杂、成本高、要求高

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四、检测方法分类

• 间接测量

如测导线的导电率ρ：

测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得

Rd

l2

4

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四、检测方法分类 2 、开环测量与闭环测量

开环测量：

反馈测量：

特点：简单、直观、明了； 测量精度不高

特点：精度高；复杂、成本高、要求高

传感器输入量x

输出量 y

传感器输入量x

输出量 y放大

反响传感器

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四、检测方法分类 3 、偏差法、零位法和微差法

偏差法：

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

微差法：偏差法和零位法的结合

被偿测量被测量余数

被偿测量大值与标准量大体平衡

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四、检测方法分类

思考：

杆秤、磅秤和天平分别属于何种检测方法？

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五、现代检测技术发展趋势

智能化虚拟化网络化微型化软测量技术

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