检测与仪表
自动检测技术及仪表 第1章 检测技术及仪表概述
五、检测技术及仪表的研究内容
（1）研究传感原理方法及相应器件设备。 （2）研究信息处理（如信号放大、滤波等）与变换的方法。
【克服干扰；从间接信号中恢复目标信息。】 （3）研究检测问题中信息传输、接收、存储、显示的方法与技术。 （4）研究抗干扰技术和故障检测、诊断的功能。 （5）研究检测方法、检测仪表及检测系统的理论分析方法、参数及结 构的最优化设计技术。 （6）研究智能仪表的设计与集成方法。
2023年8月14日
EXIT
第1章第7页
二、检测技术及仪表的应用
工业生产 医疗卫生 日常生活 军工武器 ……
2023年8月14日
EXIT
第1章第8页
三、检测技术及仪表的地位和作用
人类正在走出机械化的过程，进入以物质手段扩展人的感官神经系统
及脑力智力的时代，而这种物质手段的首要方面正是检测技术及仪器仪表。
测。
2023年8月14日
EXIT
第1章第17页
二、直接检测、间接检测与联立检测
联立测量（也称组合测量）
其中： x1, x2, …, xm：被测量 y1，y2，…， yn：直接测得值
20第18页
二、直接检测、间接检测与联立检测
检测刻线0、1、2、3间的距离，要求每个刻线间隔测 量3次：
自动检测技术：能够自动地完成整
个检测过程的技术，以信息的获取、 转换、显示和处理的自动化为主要研 究内容。
研究新的检测方法
仪表技术 利用新的检测技术
开发现代化的检测系统
自动检测技术 检测技术
检测仪表技术
获取分辨率、准 确度、稳定性和 可靠性都很高的 对象信息
2023年8月14日
EXIT
第1章第12页
检测与仪表课程设计
检测与仪表课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解检测与仪表的基本概念，掌握不同类型传感器的原理与应用。
2. 使学生掌握仪表的读数、校准及维护的基本方法。
3. 引导学生了解检测与仪表技术在工业自动化中的应用和发展趋势。
技能目标：1. 培养学生运用传感器进行数据采集、处理和分析的能力。
2. 培养学生根据实际需求选择合适的仪表及传感器，设计简单的检测系统的能力。
3. 提高学生实际操作仪表及传感器的技能，掌握基本的故障排查方法。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对检测与仪表技术的兴趣，激发学生主动学习的积极性。
2. 培养学生严谨的科学态度，注重实践操作的安全性和准确性。
3. 增强学生的团队合作意识，培养学生在实际工程问题中解决问题的能力。
本课程针对高年级学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，将目标分解为具体的学习成果。
通过本课程的学习，使学生不仅掌握检测与仪表的基础知识，还能运用所学技能解决实际问题，培养学生在实际工程中的应用能力和创新精神。
同时，注重培养学生的安全意识、团队合作精神和对检测与仪表技术发展的关注，为学生未来的学习和工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 检测与仪表的基本概念：介绍传感器、仪表的定义、分类及基本工作原理。
- 教材章节：第一章 检测与仪表概述- 内容列举：传感器原理、仪表分类、检测技术发展历程2. 常用传感器及其应用：学习温度、压力、流量、液位等传感器的原理及应用。
- 教材章节：第二章 常用传感器及其应用- 内容列举：温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器3. 仪表的读数、校准与维护：讲解仪表的读数方法、校准原理及日常维护知识。
- 教材章节：第三章 仪表的读数、校准与维护- 内容列举：仪表读数方法、校准技术、仪表维护保养4. 检测系统设计：探讨检测系统的设计原则、步骤及实际应用案例。
- 教材章节：第四章 检测系统设计- 内容列举：检测系统设计原则、步骤、案例解析5. 检测与仪表技术在工业自动化中的应用：分析检测与仪表技术在工业自动化领域的应用及发展趋势。
检测与仪表实验实验1-4
实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为ε⋅=∆k RR式中RR∆为电阻丝电阻相对变化； k 为应变灵敏系数；ll∆=ε为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件。
通过它转换被测部位受力状态变化、电桥等作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。
对单臂电桥输出电压。
三、需用仪器与单元：应变传感器实验模块、应变式传感器、砝码、直流电压表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备）。
四、实验步骤：应变感器实验模块说明：应变传感器实验模块由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V 电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。
实验模板中的R1（传感器的左下）、R2（传感器的右下）、R3（传感器的右上）、R4（传感器的左上）为称重传感器的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥连接方便而设；R5、R6、R7是350 固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其他桥臂电阻。
加热器+5V 是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时使用。
多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时使用。
1、将托盘安装到传感器上，如图1-1所示。
图1-1 传感器托盘安装示意图2、测量应变片的阻值：当传感器上的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4的阻值。
在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：阻值变大，受压的应变片：阻值变小。
流量检测与仪表
通过测量此静压差便可以求出流量。
流量方程式为 ：
流量公式中的流量系数α与节流装臵的结构
形式、取压方式、节流装臵开孔直径、流体流动
状态（雷诺数）及管道条件等因素有关。对于标
准节流装臵，α值可直接从有关手册中查出。
节流装臵是将被测流体的流量值变换成差压
信号Δp，节流装臵输出的差压信号由压力信号管
、粘度等参数无关。该流量计量程比宽，结构简
单，无运动件，具有测量精度高、应用范围广、
使用寿命长等特点。
返回
3.6 涡轮流量计
在流体流动的管道内，安装一个可以自由转 动的叶轮，当流体通过叶轮时，流体的动能使叶
轮旋转。流体的流速越高，动能就越大，叶轮转
速也就越高。在规定的流量范围和一定的流体粘
度下，转速与流速成线性关系，因此，测出叶轮
图3-9 工作原理
子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管
中高度和通过的流量有对应关系。
金属转子流量计 金属浮子流量计的流量
检测元件是由一根自下
向上扩大的垂直锥形管
和一个沿着锥管轴上下
移动的浮子组所组成。
3-10 金属转子流量计
返回
3.4 椭圆齿轮流量计
该流量计系直读累积式流体流量计，是由装
有一对椭圆齿轮转子的计量室、密封联轴器（小
磁学方法检测扭量以求得质量流量。
当管道充满流体时，流体也成为转动系的组
成部分，流体密度不同，管道的振动频率会因此
而有所改变，而密度与频率有一个固定的非线性 关系，因此科里奥利质量流量传感器也可测量流 体密度。
流量计的种类很多，以上介绍的是机组设备常用
的几种。随着工业生产自动化水平的提高，许多
过程检测技术及仪表
过程检测技术及仪表过程检测在工业生产中起着重要的作用，它可以帮助企业实时监测生产过程，并提供及时的反馈和控制。
过程检测技术及仪表是实现过程检测的关键工具和设备。
本文将介绍几种常见的过程检测技术及仪表，并对其特点和应用进行分析。
1. 传感器技术传感器是过程检测的核心技术之一。
它通过感知物理量或者化学量，并将其转换成电信号或者其他形式的信号，用于监测和测量过程中的各种参数。
常见的传感器技术包括：•温度传感器：用于测量物体的温度变化，广泛应用于工业过程中的温度监测和控制。
•压力传感器：用于测量气体或者液体的压力变化，常见应用于流体管道和储罐的监测。
•液位传感器：用于测量液体的高度或者液位变化，广泛应用于储罐和槽罐中的液位控制。
•流量传感器：用于测量流体流经的速度和流量，常见应用于管道中的流量监测。
•pH传感器：用于测量溶液中的酸碱度，常用于化工和医药行业中的酸碱反应过程监测等。
传感器技术的发展已经取得了重要的进展，从传统的机械式传感器到现代的电子式传感器，传感器的精度和可靠性得到了极大的提高。
同时，随着物联网技术的发展，传感器与云计算和大数据分析相结合，使得过程检测变得更加智能化和高效化。
2. 仪器设备除了传感器技术外，过程检测还需要借助各种仪器设备进行信号的采集、处理和分析。
常见的仪器设备包括：•数据采集仪：用于采集传感器信号，并进行模数转换和信号放大等处理，得到可用的数字信号。
•控制器：用于接收采集到的信号，并根据设定的控制策略进行反馈和控制。
常见的控制器包括PID控制器和PLC控制器等。
•数据分析仪：用于对采集到的数据进行分析和处理，常见的数据分析方法包括统计分析、模型识别和预测等。
•监视器：用于实时监测和显示过程中的各种参数和状态，常见的监视器包括显示屏和报警器等。
仪器设备的综合运用可以帮助企业实现对生产过程的精确监测和控制。
通过合理配置仪器设备，可以实现对生产过程中的各种参数进行实时监测，并根据需要进行调整和优化，实现生产过程的高效和稳定。
检测技术与仪表复习
检测技术与仪表一、 绪论1. 检测仪表控制系统结构图：各单元作用：① 检测单元：实现控制调节作用的基础，它完成对所有被控变量的直接测量， 包括温度、压力、流量、液位、成分等；② 变送单元：将检测的温度、压力等参数转为电信号（U:1-5V 、I:4-20mA ）； ③ 显示单元：控制系统的附属单元；④ 调节单元：完成调节控制规律的运算,调节单元采用的常规控制规律PID 调节 ⑤ 执行单元：实施控制策略的执行机构，有电动、气动、液动等方式。
2. 基本概念：测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限，简称下限和上限。
下限又趁称为零点； 量程: 测量上限值－测量下限值。
3. 标尺特性曲线：零点的变化称为零点迁移，而量程的变化（斜率）则称为量程迁移。
通过仪表的标尺特性来反映标尺特性：以被测变量值相对于量程的百分数为横坐标记为X ，以仪表指针位移或转角相对于标尺长度的百分数为纵坐标记为Y可得仪表的标尺特性曲线X－Y线段1（OB红）：理想型；（0，100%）线段2（绿）：测量范围（0，75%），标尺特性：零点迁移（K不变）；线段3（黄）：测量范围（0，70%），标尺特性：量程迁移（K变大，更灵敏）；线段4（蓝）：测量范围（0，100%），标尺有效范围（0，71.4%），量程迁移（K变小）4.灵敏度K=（标尺特性为曲线时，K为切线斜率）5.误差：①被测真值（约定真值）：真实的理论值；②绝对误差＝示值－约定真值；③相对误差=绝对误差真值；④引用误差=绝对误差量程；⑤最大引用误差Qmax=最大绝对误差量程，（最大绝对误差指量程内）仪表精度为最大引用误差不带%(精度等级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0，数越小精度越高)P10例1-1，1-2，作业题二、误差分析基础1．平n为测量次数，Mi为测量示值；2．准确度：δ=A-A0，（测量值与真值的偏差）n足够大，A0则接近真值3．残差（残余误差）：各测量值与平均值的差：vi=Mi-A，∑vi=04.精密度：即标准差（表示测量值间差异）图一：准高(好像不是很高)、精低；图二：准低、精高；图三：都高Array左图：A为被测量的真值，Aa、Ab为两种测量方法测得数据的平均值，分析得知：曲线1表示准确却不精密（误差小，标准误差大）；曲线2表示精密却不准确（误差大，标准误差小）。
检测仪表基本知识罗-1
变差
最大绝对差值 标尺上限值 标尺下限值
100 %
仪表的变差不能超出仪表的允 许误差，否则应及时检修。
11
图1-1 测量仪表的变差
检测仪表的品质指标
3.灵敏度与灵敏限
仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引 起这个位移的被测参数变化量的比值。即 S
x
式中，S为仪表的灵敏度；Δα为指针的线位移或角位移； Δx为引起Δα所需的被测参数变化量。
说明：仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是， 仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说 的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。
5
检测仪表的品质指标
相对百分误差δ
标尺上限值ma标x 尺下限值100%
允许误差
仪表允许的最大绝对误 差值
允 标尺上限值 标尺下限值 100 %
举例
例1-1 某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表 时得到的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的相对百分 误差与准确度等级。 解 该仪表的相对百分误差为
4 100% 0.8%
700 200
如果将该仪表的δ去掉“±”号与“％”号，其数值为0.8。由 于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差 超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精 度等级为1.0级。
概述 压力检测及仪表 流量检测及仪表 物位检测及仪表 温度检测及仪表
3.1.1 检测过程与测量误差
检测 参数检测就是用专门的技术工具，依靠能量的
过程 变换、实验和计算找到被测量的值。
被测对象
被测 变量
传感器
变送器
显示、控制仪表 (装置)
检测与仪表课程设计
检测与仪表课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解检测与仪表的基本概念，掌握常用传感器的原理、特性及应用场景。
2. 学生能够描述各种仪表的工作原理，了解其使用方法和操作步骤。
3. 学生掌握检测系统的基本构成，了解信号处理、数据传输和显示等方面的知识。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析实际检测问题，选择合适的传感器和仪表。
2. 学生具备使用检测仪表进行数据采集、处理和分析的能力，能够解决简单的实际问题。
3. 学生能够根据检测需求，设计简单的检测系统，并进行初步的调试和优化。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对检测与仪表学科的兴趣，激发他们探索科学技术的热情。
2. 培养学生严谨、细致的学习态度，使他们具备良好的实验操作习惯。
3. 培养学生的团队协作意识，提高他们沟通、交流和解决问题的能力。
课程性质分析：本课程属于工程技术类课程，注重理论与实践相结合，强调学生的动手能力和实际应用。
学生特点分析：学生为初中生，具有一定的物理知识基础，对新技术和新事物充满好奇，但可能缺乏实际操作经验。
教学要求：结合课程性质和学生特点，注重启发式教学，引导学生主动探究，提高他们的实践操作能力和创新能力。
通过课程学习，使学生能够将所学知识应用于实际检测问题中，培养他们的工程技术素养。
二、教学内容1. 传感器原理与应用- 介绍传感器的基本概念、分类和工作原理。
- 着重讲解力、热、光、磁等常见传感器的工作原理和特性。
- 分析传感器在实际检测中的应用场景。
2. 检测仪表基础- 概述仪表的分类、结构及工作原理。
- 详细介绍压力表、温度计、流量计等常用仪表的原理和使用方法。
3. 检测系统组成与设计- 介绍检测系统的基本构成，包括传感器、信号处理、数据传输和显示等。
- 指导学生设计简单的检测系统，并进行实验操作和调试。
4. 实践操作与案例分析- 组织学生进行实际操作，如使用传感器和仪表进行数据采集、处理和分析。
- 分析典型案例，使学生了解检测技术在工业、医疗、环保等领域的应用。
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2020/7/30
9
以开自来水为例类比自动化测控系统中的水量控制
2020/7/30
我们以开自来水的过程为例，来说明人是如 何利用眼睛（传感器）、大脑（计算器）、 人手肌肉（执行机构）来监视和控制开自来 水的过程。
在开自来水的过程中，人的眼睛一直在看着 水流的大小。大脑根据眼睛传送来的信号， 判断水流的偏差。大脑指挥人的手，将自来 水龙头顺时针关小，或逆时针开大，最后可 以将水龙头旋钮固定在合适水流的位置。
2020/7/30
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图像显示（续）
2020/7/30
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带RS-232接口的万用表及图像显示
特点——
能在 计算机中 存储测量 到的波形 及数据， 可随时重 放，价格 适中。
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记录仪
主要 用来记录 被检测对 象的动态 变化过程。
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无纸记录仪
主要用 来记录和存 储被检测对 象的动态变 化过程。
2020/7/30
2
一、检测技术在国民经济中的地位和作用
2020/7/30
3
检测技术在卫星中的应用
红外扫 描区域
人造卫星
20余种传感器监测航天员生理指标
“神舟”系列飞船上安装的传感器， 就像人的感觉神经一样，需要在第一 时间对航天员的呼吸、脉搏、体温等 生理参数和飞船升空、运行、返回等 多项飞行参数进行测量和控制，并及 时传回指挥控制中心，中心再根据这 些信息发出指令控制相关设备。
玻璃 温度计不 属于本教 材所讲授 的传感器 范围。
2020/7/30
12
能将温度转换为电压的传感器—热电偶
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目前常用的显示器有四类：模拟显示、 数字显示、图象显示及记录仪等
模拟显示 的特点：
直观
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光柱也属于模拟显示
光柱显示 的特点：
一目了然
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电磁铁—能产生机械力
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2020/7/30
电磁阀门 电磁阀门的 控制线圈
加上额定电压 后，电磁阀门导通， 被控对象可以是液体 或气体。
电磁阀门只有通 断两种状态。
流体 32
电磁调节阀 ——用于控制流量的大小
加上控 制信号，电 磁调节阀在 电动机的控 制下，可以 逐渐开合
2020/7/30
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数字式仪表
数字式仪表 的特点： 准确，但最 后一位经常 跳动不止。
热敏电阻
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LED、LCD的特点：
LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成 度高，但不利于夜间观察。
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带背光板的LCD可以在夜间观看
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图像显示
特点—— 能显示复杂的 图形和曲线， 但价格昂贵。
同样道理，在自动化测控系统中，我们利用 流量传感器测量水流的大小。将流量传感器 的输出信号接到计算机。计算机将该信号与 预先存储的流量数值作比较。
当被测的流量信号大于设定值时，计算机减 小电磁调节阀的控制电压和控制电流，电磁 调节阀的水流截面通量被略微减小。这样， 流出电磁调节阀的水流量必将变小。反之亦10
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检测技术在海啸预报中的应用
深海地沟
海浪振动 检测系统
浮标
检测技术在飞行器中的应用
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二、工业检测技术涉及的内容 ：
热工量：
温度t（℃ 、K、℉ ） 例：0 ℃等于32 ℉ ， 20 ℃等于68 ℉ ， 100 ℃等于212
℉ 压力（压强）p（Pa）、压差Δ p 、真空度、流量q（t、m
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小型电磁调节阀
单向使用
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电磁调节阀 内部结构
电磁阀的开合度 和速度都能调节
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电磁调节阀
内部结构（续）
利用电动 力调节球阀的 角度，从而控 制阀门的通流 能力。
球阀
出水管
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伺服电动机
可以正 转、反转、快 转、慢转
伺服型 雷达天线
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三、自动检测系统的组成
不带微处理器时
0-1 自动检测技术系统原理框图
原理框图：所谓系统框图，就是将系统中的主要
功能或电路的名称画在方框内，按信号的流程，将几
个方框用箭头联系起来，有时还可以在箭头上方标出
信202号0/7/的30 名称。
11
传感器：在本教材中是指一个能将被 测的非电量变换成电量的器件
3 ）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）
机械量：
直线位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（ m/s2） 、
转速n（r/min）、应变 ε （m/m ）、力矩T（Nm）、
振动、噪声、质量（重量）m（kg、t）
几何量
长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、 硬度、材料缺陷等
2020/7/30
绪论
检测（Detection）定义： 利用各种物理、化学效应，选择合 适的方法与装置，将生产、科研、生活 等各方面的有关信息通过检查与测量的 方法，赋予定性或定量结果的过程称为 检测技术。
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例：曹冲称象
方法：比较法；
装置：船、石头、小秤； 检查、测量，从而得到： 定性、定量的结果。
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报警器
报警灯及喇叭
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38
2020/7/30
39
休息一下
2020/7/30
8
工业检测涉及的内容（续）
物体的性质和成分量：
空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、 液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色
状态量：
工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态 （超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）
电工量（U、I、f、R、Z、E、B ……在电工、电子等课
程中讲授，大多数不属于本课程的范围。）
2020/7/30
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数据处理装置
数据 处理装置 主要是指 计算机， 将复杂的 系统用到 频谱分析 仪。
2020/7/30
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执行机构
所谓执行机构通
常是指各种继电器， 电磁铁、电磁阀门、 电磁调节阀、伺服电 动机等，它们在电路 中是起通断、控制、 调节、保护等作用的 电器设备。
继电器插座
2
2020/7/30
继电器是一种利用电磁原理来控 制触点开关通断的元件
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各种继电器（续）
2020/7/30
27
各种继电器 及插座
2020/7/30
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固态继电器
特点— 控制功率小，体积小，无火花；但易过流、 过压烧毁。
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29
固态继电器（续）
2020/7/30
30