检测技术基础 Fundamentals of Test & Measurement Technology 施文康 wkshi@sjtu.edu.cn

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 2

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 … … 历史时代： 手工化 机械化 自动化 信息化 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 … 历史时代： 手工化 机械化 自动化 信息化 人与简单工具 动力机与机械 自动测量控制 智能机械装置 … 生产方式： 3

一、检测的地位和作用 人与机器的机能对应关系： 4

一、检测的地位和作用 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 5

一、检测的地位和作用 信息获取是信息流的一环 获取 传输 处理 控制 信息流 … 信息流组成 6

一、检测的地位和作用 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 7

一、检测的地位和作用 3 检测仪器仪表的作用 工业生产 倍增器 科学研究 先行官 军 事 战斗力 社 会 物化法官 8

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% 9

一、检测的地位和作用 检测技术在工业生产领域的应用 在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位…. 10

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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， 作 用：现代工程装备中， 检测环节的成本约占 50~70% 12

一、检测技术的作用和地位 检测技术在汽车中的应用日新月异 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。 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 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 13

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一、检测技术的作用和地位 检测技术在日常生活中的应用与日俱增 数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 家用电器： 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 可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD 办公商务： 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： 数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 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 15

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 16

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% 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 17

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。 18

一、检测技术的作用和地位 检测技术在国防领域的应用 美国国家导弹防御计划---NMD 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 19

一、检测技术的作用和地位 检测技术在航天领域举足轻重 火箭测控 --- 检测火箭状况、姿态、轨迹 飞行器测控 --- 检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵 20

一、检测技术的作用和地位 “阿波罗10”： 神州飞船： 火箭部分---2077个传感器 飞船部分---1218个传感器， 185台（套）仪器装置 检测参数---加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学、 21

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 查服违禁药物 识别指纹假钞 侦破刑事案件 22

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 23

二、检测的基本概念 定义： 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 被测信息： 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） … … 全部操作： 检测器具： 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 检测过程： 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出 24

二、检测的基本概念 例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 温度传感器 --- 热电阻、热电偶 检测器具： 操作过程： 空气  热敏电阻  电信号  处理  显示 空调机 25

三、检测系统的构成 一般构成： 信号检出 ┇ 信号转换 处理显示 接口总线 存储显示分析监控判断决策 通讯接口/总线接口(RS232、RS485、GPIB、PCI、··· ···) 其它环节： 存储、监控、决策 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） 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） 处理显示： 功能 --- 分析（analysis）、处理（processing）、显示（display） 26

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 中间变换 测量装置 显示及 记录装置 实验结果 处理装置 被测对象 传感器 激发装置 27

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 28

四、检测方法分类 1、直接测量与间接测量 绝对测量 标准量 相对测量 直接测量：直接将被测量与标准量进行比较 标准计量单位（如米尺、光栅尺、激光、……） 绝对测量 标准量 定值标准量（如某一固定尺寸） 相对测量 29

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 特点：简单、直观、明了； 测量精度不高 -- 相对测量： 将被测量直接与基准量比较，得到偏差值 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 30

四、检测方法分类 间接测量 测量与被测量有一定函数关系的参量，被测量由计算获得 如测导线的导电率ρ： 31

四、检测方法分类 2、开环测量与闭环测量 开环测量： 传感器 输入量x 输出量y 特点：简单、直观、明了； 测量精度不高 反馈测量： 传感器 放大 反响传感器 特点：精度高；复杂、成本高、要求高 32

四、检测方法分类 3、偏差法、零位法和微差法 偏差法： 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 零位法： 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 33

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？ 34

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 35

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