第1章 检测技术基础

第1章检测技术基础1.1 检测仪表的基本概念1.1.1 检测仪表的定义检测技术是研究如何获取被测参数信息的一门科学，涉及到数学、物理学、化学、生物学、材料学，机械学、电子学、信息学和计算机科学等很多学科。

因此，这些学科的发展都会不同程度地推进检测技术的发展。

检测的过程就是利用敏感元件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。

检测仪表通常包括两个过程（如图）：一是能量（信息）形式一次或多次的转换，这一过程的目的是将人们无法感受的被测信息转换成可以被人直接感受（或利用已有成熟的仪表可以感受）的信息（如机械位移、电压、电流等），它一般包括敏感元件、信号变换、信号传输和信号处理等四个部分；二是根据规则将被测参数与相应的单位进行比较，通过合适的形式给出被测参数的具体信息，如数值显示、带刻度的指针显示、声音的变化等，这个过程包括显示装置和与显示装置配套的相关测量电路。

在检测过程中的检测仪表要完成的主要任务有：物理量的变换、信号的放大传输和处理、测量结果的显示等。

任何一个检测仪表必须要有敏感元件和显示装置，其余环节视测量的要求和敏感元件的性能等不同而已。

主要名称术语①敏感元件（sensor）敏感元件也称检测元件，是一种能够灵敏地感受被测参数并将被测参数的变化转换成另一种物理量的变化的元件。

例如，用铜丝绕制而成的铜电阻能感受其周围温度的升降而引起电阻值的增减，所以铜电阻是一种敏感元件。

又由于它能感受温度的变化，故称这种铜电阻为温度敏感元件。

②传感器（transducer）传感器它能直接感受被测参数，并将被测参数的变化转换成一种易于传送的物理量。

很显然，有些传感器就是一个简单的敏感元件，例如，上面提到的铜电阻。

由于很多敏感元件对被测参数的响应输出不便于远传，因此，需要对敏感元件的输出进行信号变换，使之能具有远传功能。

这种信号变换可以是机械式的、气动式的，更多的是电动式的。

例如，作为检测压力常用的膜片是一种压力敏感元件，虽然它能感受压力的变化并引起膜片的形变（位移），但由于该位移量非常小（一般为微米级），不便于向远方传送，所以它只是一个敏感元件，不是传感器。

如果把该膜片与一固定极板构成一对电容器极板，则膜片中心的位移将引起电容器电容量的变化，这样它们就构成了输出响应是电容量的压力传感器。

目前，绝大部分的传感器的输出是电量形式，如电势（电压）、电流、电荷、电阻、电容、电感、电脉冲（频率）等。

有的传感器的输出则是气压（压缩空气）或光强形式。

③变送器（transmitter）变送器是一种特殊的传感器，它使用的是统一的动力源，而且输出也是一种标准信号。

所谓标准信号，就是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。

如直流电流4～20mA；直流电压1～5V；空气压力20～100kPa等都是当前通用的标准信号（这些标准信号之间可以通过转换器互相转换）。

凡是能直接感受非电量的被测变量并将其转换成标准信号输出的传感转换装置，可称为变送器。

如差压变送器、浮筒液位变送器、电磁流量变送器等。

个别的如温度变送器也可以直接接收由热电偶、热电阻输出的非标准电信号。

④被测参数（measured parameter）被测参数也称被测变量，是指用敏感元件直接感受的测量参数。

⑤待测参数（parameter to measured）待测参数也称待测变量，是指需要获取的测量参数。

在大多数情况下，被测参数就是待测参数，例如，用铜电阻测量温度，温度既是被测参数，也是待测参数。

但在间接测量中，两者就有不同的含义。

⑥直接测量（direct measurement）直接测量指不必测量与待测参数有函数关系的其他量，而能直接得到待测参数的量值。

在这种情况下，被测参数就是待测参数。

⑦间接测量（indirect measurement）间接测量通过测量与待测参数有函数关系（甚至没有函数关系）的其他量，经一定的数学处理才能得到待测参数的量值。

在这种情况下，被测参数一般不是待测参数。

例如，通过测量长度确定矩形面积，长度是被测量，面积是待测量，这种通过长度测量来获得面积的方法称为间接测量。

1.1.2 检测仪表的组成检测仪表的结构虽因功能和用途各异，但通常包含三个基本部分，如图所示。

1. 检测传感部分检测部分一般直接与被测介质相关连，通过它感受被测参数的变化，并变换成便于测量的相应的位移、电量或其它物理量。

这部分包括敏感元件和传感器两种情况。

2. 转换传送部分转换传送部分是把检测部分输出的信号进行放大、转换、滤波、线性化处理，以推动后级显示器工作，有时也称为信号处理器。

转换器是信号处理器的一种。

传感器的输出通过转换器把非标准信号转换成标准信号，使之与带有标准信号的输入电路或接口的仪表配套，实现检测或调节功能。

变送器是传感器与转换器的另一种称呼。

3. 显示部分将测量结果用指针、记录笔、数字值、文字符号（或图像）的形式显示出来。

显示部分可以和检测部分、信号处理部分共同构成一个整体，成为就地指示型的测量仪表，如弹簧管压力表、玻璃管式液位计、水银温度计等；也可以单独工作为一台仪表与各类传感器、变送器等配合使用构成检测、控制系统，如电子电位差计、数字显示仪表、无纸记录仪等。

一般来说，一台检测仪表是一个相对独立使用的整体，它能实现某个参数的检测。

即一台仪表能测一个参数，这也就是传统意义上的“一一对应”。

例如，用电压表可以测量电压，用温度计可以测量温度。

迄今为止，并不是所有参数的检测都能用单台检测仪表就能实现的，有些参数的检测需采用多个检测仪表，并通过一定的数学模型运算后才能得到。

例如，在测量电功率时，需要用一只电流表和一只电压表接入被测电路中，把电流表和电压表的读数相乘后才能得到电功率。

这种利用若干个检测仪表实现某一个或多个参数测量所构成的系统称为检测系统。

因此，检测仪表是检测系统的基本单元，一台检测仪表可以构成一个检测系统，也可以是系统中的一个环节。

检测系统并不都是由检测仪表所构成，有时，一个检测系统是由若干个敏感元件以及相应的信号变换、传输和处理以及显示装置等部分组成，如图所示。

随着科学技术的不断发展，有些专用的检测系统已被集成化，并把它们集成为一台检测仪表，这种检测仪表称为多参数检测仪表。

因此，检测仪表与检测系统之间没有很明显的界线。

检测仪表或检测系统和它们必需的辅助设备所构成的总体称检测装置。

1.1.3 检测仪表的分类检测仪表的种类名目繁多，分类不尽相同。

常用的分类方法如下。

1. 根据被测参数分类⑴ 过程检测仪表温度检测仪表、压力检测仪表、物位检测仪表、流量检测仪表、成分分析仪表等。

⑵ 电工量检测仪表电压表、电流表、惠斯顿电桥等。

⑶ 机械量检测仪表荷重传感器、加速度传感器、应变仪、位移检测仪表等。

2. 根据敏感元件与被测介质是否接触分类接触式检测仪表、非接触式检测仪表。

3. 根据检测仪表的用途分类标准仪表、实验室用仪表（台式、便携式）、工业用仪表（就地安装的基地式、控制室安装的盘装、架装式）等。

4. 根据仪表中使用的能源和主要信息的类型分类机械式仪表、电式仪表、气式仪表和光式仪表（光电式仪表）。

5. 根据仪表是否具有远传功能分类就地式显示仪表和远传式仪表。

6. 根据仪表信号的输出（显示）形式分类模拟式仪表和数字式仪表。

7. 根据被测参数响应形式分类连续式检测仪表和开关式检测仪表。

另外，检测仪表该可以分为普通型、隔爆型和本安型（本质安全型或安全火花型）；民用的、工业用的和军事用的；开环结构仪表和闭环结构仪表等等。

1.2 检测仪表的基本性能1.2.1 测量的基本概念1. 测量的定义测量是人们用以获得数据信息的过程，是定量观察、分析、研究事物发展过程时必须的重要方式。

因此，测量就是借助于专用技术工具将研究对象的被测变量与同性质的标准量进行比较并确定出测量结果准确程度的过程。

该过程的数学描述为：0X X K 式中 X ——被测量；X 0——标准量（基准单位）；K ——被测量所包含的基准数。

显然，基准单位确定后，被测变量X 在数值上约等于对比时包含的基准单位数K 。

其结果可表示为：0X K X ⋅=以上表明，测量过程包含三个含义：确定基准单位、将被测变量与基准单位比较、估计测量结果的误差。

测量仪表就是比较过程中使用的专门技术工具。

实际上，大多数被测对象中的被测变量是无法直接借助于通常的测量仪表进行比较的，这时，必须将被测变量进行变换，将其转换成有确定函数关系，又可以比较的另一个物理量，这就是信号的检测。

如：温度的测量，利用水银热胀冷缩的原理制成的水银温度计，将温度的变化转换为水银柱的高度的变化，同时将温度基准单位用刻度表示出来，这样水银柱高度对应的刻度就是包含基准单位的个数，即测量出来当时的温度。

因此，检测是一个更广泛的测量概念，它包含信息转换、确定基准单位和对比三个基本内容。

2. 测量方法及分类对于测量方法，从不同的角度出发，有不同的分类方法。

⑴ 按比较方式分① 直接测量直接测量是指用事先标定好的测量仪表对某被测变量直接进行比较，从而得到测量结果的过程。

如弹簧秤、游标卡尺等。

② 间接测量间接测量是指由多个仪表（或称环节）所组成的一个测量系统。

它包含了被测变量的测量、变换、传输、显示、记录、和数据处理等过程。

这种测量方法在工程中应用广泛。

如用电子皮带秤测量煤的输送量，可通过荷重传感器测出检测点处有效称量段L 0上的煤的重量W ，通过测速传感器测出检测点处煤的传送速度u ，经信息处理单元对0L W 及u 进行合成处理后送入显示单元显示瞬时输送量，送入比例积算器显示输送总量。

一般来说，间接测量比直接测量要复杂一些。

但随着计算机的应用，仪表功能加强，间接测量方法的应用也正在扩大，测量过程中的数据处理完全可以由计算机快速而准确地完成，使间接测量方法变得比较直观而简单。

⑵ 按测量原理分① 偏差法用测量仪表的指针相对于刻度初始点的位移（偏差）来直接表示被测量的大小。

指针式仪表是最为常用的一种类型。

如图弹簧秤所示。

在用此种方法测量的仪表中，分度是预先用标准仪器标定的，如弹簧秤用砝码标定。

这种方法的优点是直观、简便，相应的仪表结构比较简单；缺点是精度较低、量程窄。

② 零位法将被测量与标准量进行比较，二者的差值为零时，标准量的读数就是被测量的大小。

这就要有一灵敏度很高的指零机构。

如天平秤重及电位差计测量电势就是用这个原理。

图天平秤所示。

零位法具有很高的测量精度，但响应慢，测量时间长，不能测量快速变化的信号。

③ 微差法是将偏差法和零位法组合起来的一种测量方法。

测量过程中将被测变量的大部分用标准信号去平衡，而剩余部分采用偏差法测量。

微差法的特点是：准确度高，不需要微进程的可变标准量，测量速度快，指零机构用一个有刻度可指示偏差量的指示机构所代替。