第一章  检测概述
     检测(Detection)，是利用各种物理效应，将物质世界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。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。    在信息社会的一切活动领域中，从日常生活、生产活动到科学实验，时时处处都离不开检测。现代化的检测手段在很大程度上决定了生产、科学技术的发展水平，而科学技术的发展又为检测技术提供了新的理论基础和制造工艺，同时也对检测技术提出了更高的要求。
    一、检测技术在国民经济中的地位和作用     检测技术是现代科技领域中一门很有发展前途的技术，它在国民经济中起着极其重要的作用。
    在机械制造工业中，通过对机床的许多静态、动态参数如工件的加工精度、切削速度、床身振动等进行在线测量，从而控制加工质量；在化工、电力等行业中，如果不随时对生产工艺过程中的温度、压力、流量等参数进行自动检测，生产过程就无法控制甚至产生危险；在交通领域，一辆现代化汽车装备的传感器就多达数十种，用以检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等；在国防科研中，检测技术用得更多，许多尖端的检测技术都是因国防工业需要而发展起来的。例如，研究飞机的强度，就要在机身、机翼上贴上几百片应变片并进行动态测量；在导弹、卫星的研制中，检测技术就更为重要，必须对它们的每个构件进行强度和动态特性的测试。近年来，随着家电工业的兴起，检测技术也进入了人们的日常生活中，比如，自动测量并调节房间的温度、湿度等。
    近20年来，自动控制理论、计算机技术迅速发展，已应用到生产和生活的各个领域。但是，由于作为“感觉器官”的传感器技术没有与计算机技术协调发展，出现了信息处理功能发达，检测功能不足的局面，直接影响了计算机技术的推广应用。目前这个问题已得到世界各国的高度重视，检测技术在国民经济中的地位也日益提高。
    二、工业检测技术的内容
     工业检测涉及的内容较广泛，常见的检测量如下表：被测量类型被测量热工量温度、热量、比热容、热分布、压力(压强)、压差、真空度、流量、流速、容量、物位、液位，界面机械量直线位移、角位移、速度、加速度、转速、压力、应变、力矩、振动、噪声、质量(重量)几何量长度、厚度、角度、直径、间距、形状、平行度、偏心度、粗糙度、硬度、材料缺陷物性和成分量气体、液体、固体的化学成分、浓度、粘度、湿度、密度、酸碱度、浊度、透明度、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)电工量电压、电流、功率、电阻、阻抗、频率、脉宽、相位、波形、频谱、磁场强度、电场强度、材料的磁性    显然，在实际工业生产中，需要检测的量远不止以上所举的项目，而且随着自动化、现代化的需要，工业生产将对检测技术提出越来越多的新的要求，本章只打算向读者介绍基本的非电量的检测技术。
    三、自动检测系统的组成
    目前，非电量的检测多采用电测法，即首先将各种非电量转变为电量，然后经过一系列的处理，将非电量参数显示出来，其原理框图见图。    传感器(Transducer)在本教材中是指一个能把被测的非电量变换成电量的器件。信号处理电路的作用是把传感器输出的电量变成具有一定功率的电压或电流信号，以推动后级的显示电路、数据处理电路及执行机构。    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。模拟显示是利用指针对标尺的相对位置来表示读数的，常见的有毫伏表、微安表等。数字显示目前多采用LED发光数码管或液晶等以数字的形式来显示读数。图象显示是用CRT屏幕显示读数或被测参数的变化曲线，有时还可用图表形式、彩色模拟图形式来反映整个生产线上的多组数据。记录仪主要用来记录被测量的动态变化过程，常用的记录仪有笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪、快速打字机等。
    数据处理装置用来对测试所得的实验结果进行处理、运算、分析，对动态测试结果作频谱分析、幅值谱分析、能量谱分析等，完成以上工作必须采用计算机技术。
    许多检测系统还能输出与被测量对应的电流或电压信号去驱动某些执行机构，为自动控制系统提供控制信号。
    四、检测技术的发展趋势
     近年来，随着半导体、计算机技术的发展，新型、具有特殊功能的传感器不断涌现出来，检测装置也向小型化、固体化及智能化方向变革，应用领域也越加宽广，上至茫茫太空，下至海底、井下，大至工业生产系统，小至家用电器、个人用品，我们都可发现检测技术的广泛应用。当前，检测技术的进展主要表现在以下几个方面：
    1)不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性等。随着科学技术的不断发展，对检测系统测量精度的要求也相应地在提高。近年来人们研制了许多高精度的测量仪器以满足各种需要。用直线光栅测量直线位移时，测量范围可达二、三十米，而分辨力可达微米级。人们已研制出能测量小至几十个帕的微压力和大到几千兆帕高压的压力传感器，开发了能够测出极微弱磁场的磁敏传感器。从60年代开始，人们对传感器的可靠性和故障率的数学模型进行了大量的研究，使得检测系统的可靠性及寿命大幅度地提高，现在许多检测系统可以在极其恶劣的环境下连续工作数万小时。目前人们正在继续努力进一步提高检测系统的各项性能指标。
    2)应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域。检测原理大多以各种物理效应为基础，近代物理学的进展如激光、红外、超声、徽波、光纤、放射性同位素等新的成就都为检测技术的开发提供了更多的依据。如激光测距、红外测温、超声波无损探伤、放射性测厚等非接触测量得到迅速的发展。20世纪60年代前，检测技术主要用于工业部门，而今，检测的领域正扩大到整个社会需要的各个方面。不仅包括核工程、海洋开发、宇宙航行等尖端科学技术和新兴工业领域，而且已涉及生物、医疗、环境污染监测等方面，并且已开始渗入人类的日常生活设施之中。
    3)采用微机技术，使检测技术智能化。从20世纪70年代微处理器问世后，人们已逐渐将微机技术应用到测量技术中，使检测仪器智能化，从而扩展了功能，提高了精度和可靠性，目前新研制的检测系统大多都带有微处理器。    总之，检测技术的蓬勃发展适应了国民经济发展的迫切需要，迎合了微机大普及高潮的到来。检测技术是一门充满希望和活力的新兴技术，它业已获得的进展已十分瞩目，今后还将有更大的飞跃。

第二章   测量及测量误差概述
   一、测量
     测量(Measurement)是人们借助于仪器、设备，采用一定的方法，对客观事物取得定性或定量的认识过程。所谓“定性”，即通过测量能大致判断被测量的存在与否，或在某一个数量范围内，如用超声波探伤仪检查工件内部是否有缺陷，用检漏仪测试密封容器是否漏气等。所谓“定量”，即用一定精度等级的测量仪器对被测量进行测量，并得到一个比较精确数值的大小。如用电子秤称出被测物的重量，用感应同步器测出机床的位移量等。    测量过程实际上是一个比较过程，即将被测量和它同性质的标准量进行比较，获得被测量为标准量的若干倍的数量概念。例如，用米尺测量金属棒料的长度，就是将被测棒料的长度与标准长度——米尺进行比较，最后得出棒料是几米几厘米长。
    测量结果可以表现为数值，也可表现为一条曲线或某种图形等。但无论其表现形式如何，测量结果总包括数值(大小和符号)和单位。例如，某一电阻值测量结果为100Ω，表明该电阻的数值为100，单位为Ω。
    测量的方法多种多样，分类方法也各不相同。这里仅介绍几种常用的分类方法。根据测量手段可分为直接测量(Direct measurement)、间接测量(Indirect measurement)和组合测量或联立测量(Compounding measurement)；根据测量方式可分为偏差式测量(Deviation method of measurement)、零位式测量(Zero method of measurement)和微差式测量(Differential method of measurement)；根据被测量是否随时间变化可分为静态测量和动态测量；根据测量时是否与被测对象接触可分为接触式测量和非接触式测量等。在实际应用中，可根据不同要求选择不同的测量方法。
    二、误差
     测量的目的是希望通过测量求取被测量的真值(True value)。所谓“真值”是指在一定条件下被测量客观存在的实际值。一般情况下，真值往往是未知的。人们常用约定真值来代替真值。凡精度高一级仪器的误差与精度低一级仪器的误差相比，前者小于后者的l/5～1/20时，则高一级仪器的测量值可认为是低一级仪器测量值的约定真值。
    测量值与约定真值之间的误差称为测量误差(Measuring error)。测量误差可按其不同特征进行分类。
    ㈠绝对误差和相对误差
    1.绝对误差(Absolute error)
    绝对误差是指测量值与约定真值之间的差值。
    2.相对误差(Relative error)
    有时绝对误差不足以反映测量值偏离约定真值程度的大小，所以还要用相对误差来表示。
    ⑴实际相对误差：实际相对误差用绝对误差与被测量约定真值的百分比表示。
    ⑵示值(标称)相对误差：示值相对误差用绝对误差与被测量值的百分比表示。
    ⑶满度(引用)相对误差：满度相对误差是用绝对误差与仪器满度值的百分比表示。
    满度相对误差常被用来确定仪表的精度等级S，精度等级S规定取一系列标准值。我国电工仪表精度分为七级，即0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0级。例如5.0级表的满度相对误差的最大值不超过5.0%。㈡系统误差和随机误差
     1.系统误差(Systematic error)凡误差的数值固定或按一定规律变化者，称为系统误差。按其表现的特点，可分为恒值和变值误差两类。    恒值误差在整个测量过程中，其数值和符号都保持不变。例如，由于刻度盘分度差错或刻度盘移动而使仪表刻度产生误差，皆属此类。对前者可用图表修正之，对后者可在测量前移动指针零位校正之。    大部分附加误差属于变值误差。例如，环境温度波动使电源的电池电压下降、电子管老化、机械零件变形移位等。
    系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法，予以修正。
    2.随机误差(Random error)
    随机误差是由于偶然因素的影响而引起的测量误差。其数值大小和正负不固定，而且难以估计，但其总体服从一定的统计规律。随机误差不能通过实验方法加以消除，但可运用数据统计处理的方法来减少其影响。
    3.粗大误差(Gross error)
     明显偏离约定真值的误差称粗大误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意所致，如测错、读错、记错等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。
    ㈢静态误差和动态误差
   1.静态误差(Static error)
    在被测量不随时间变化时所得的误差称为静态误差。我们前面讨论的误差多属于静态误差。
    2.动态误差(Dynamic error)
    在被测量随时间变化时所得的误差称为动态误差。例如，用笔式记录仪记录测量结果。由于记录笔有一定的惯量，其输出量在时间上不能与被测量的变化吻合，其造成的误差就属于动态误差。