检测技术与控制工你程基础讲义.doc

PAGE PAGE 41 检测技术与自动控制工程基础 材料成型及控制工程专业(必修) 课 程 讲 义 南京农业大学工学院机械工程系 机电工程教研室 2012年1月 第一章 检测系统概论 1.1 概述 1.1.1 认识检测(测试)技术的重要性 1、认识检测技术 检测是科学地认识各种现象的基础性的方法和手段。 检测技术是所有现代科学技术的基础。 检测技术是科学技术的重要分支,是一门具有特殊性的专门科学和专门技术,又称测试技术。 现代科学技术的发展,尤其是计算机技术、通信技术、微电子技术等学科的迅猛发展，推动了检测技术的飞速发展，反过来，检测技术的发展又进一步推动了现代科学技术在工程实践中的应用，加快了科学技术向生产力的转化过程。 2、检测技术的作用 检测技术在国民经济各个部门和科学研究各个领域的应用日益广泛，已成为促进生产和科学技术发展的有力手段，使用先进的检测技术是科学技术现代化的重要标志之一，是科学技术现代化必不可少的条件。 利用检测技术手段，可以有效地揭示出表征各种生产工艺和技术操作过程特征的有关物理参量，能更深刻地认识和把握客观过程的本质和规律性，从而有利于生产工艺和生产设备的研究与改造。 检测反馈环节是构成高精度闭环控制系统的必要环节，检测技术的发展推动了生产过程的机械化与自动化水平，推动了科学技术向高、精、尖方向的发展，例如机器人技术、海洋石油钻探、航空航天以及外太空探索等都依赖高精度、高可靠性的检测技术的发展。 检测动态物理量。对于从事机械制造业的工程技术人员，不仅面临着静态几何量的测量，随着科学技术的发展，还越来越多地面临着许多不可避免的动态物理量的检测（如位移、振动、力、流量、温度、噪声等）。这些动态量的检测，大量地使用非电量电测法，即通过传感器将被测量变换为电量，而后，要对电信号进行各种变换与处理来达到最终的检测目的。P1机床动态量检测例子。 机械工程中许多理论和计算方法只具有粗略估算性质，往往不是很准确，因此只能通过测试获得数据并进行分析，才能了解与实际工况较接近的承载及变形情况、动态过程的载荷特征和运动参数的情况。所以，测试技术的研究也是检验理论、探讨和发展新理论的有效途径。 1.1.2测试技术的发展趋势 现代科学技术的发展对测试技术的要求越来越高，当前除不断提高性能和可靠性外，测试技术总的发展趋势是小型化、轻量化、测量及处理电路一体化、非接触测量以及智能化等，具体有以下5个方面。 不断提高测试仪器的性能、可靠性，扩大应用范围。 现代科学技术的研究与发展要求测试仪器有更高的精度、可靠性和更广泛的测量范围，尤其是先进的控制系统必须要有高精度的测量反馈作保障； 为了研究生产工艺过程中极端参数对产品性能的影响，因此需要测试仪器有更大的测量范围，例如连续测量液态金属的温度，长时间连续测量高温介质（2500～3000摄氏度),固体表面高温测量，极低温度测量（研究超导材料时需要测量－200多摄氏度）；混相流量测量，脉动流量测量，微小压差测量，超高压测量，高温高压下成分测量，高精度重量称重（0.02％），大吨位测量等，所以，测试仪器要在原有的基础上不断提高性能指标，扩大应用范围。 仪器仪表的可靠性研究包括：仪表可靠性和故障率的数学模型和计算方法的研究，仪表可靠性设计、预测、检验和分析实验的研究，仪表系统组件可靠性对仪表整机性能的影响和确定整机可靠性方法的研究等方面。 研究敏感材料、器件与信号处理电路一体化的测量仪表 为了减少将传感器与测量电路分开所带来的不利影响（检测系统结构复杂，信号的传输过程发生衰减以及引入干扰等），因此希望把传感器与测量电路集合在一起。 随着半导体技术的发展，这种一体化的测试仪表已经开始实现，近年来正在研究的一种物性检测传感器，它在半导体技术基础上，进一步实现材料、器件与信号处理电路一体化的新型仪表，它利用某些固体材料的物性变化（机械特性、电特性、磁特性、热特性、光特性、化学特性）来实现信息直接交换，也即是利用不同材料的物理、化学、生物效应做成器件，直接测量对象物性的信息，并且将电路集成在一起。与一般传感器相比，其具有结构简单，体积小，响应快、灵敏度高、稳定性好的特点，为解决许多特种参数的测量、成分分析和非接触测量等问题提供了手段。 研究非接触测量技术 在测量过程中，把传感器安装在被测对象上，相当于加一负载在上面，负载效应会影响测量的精度，并且，有些被测物体上根本不可能安装传感器，例如测量高速旋转轴的振动、转矩等。 国际上都在研究采用非接触式的测试技术，例如目前已采用的光电式传感器、电涡流式传感器、同位素仪表都是在这个要求上发展起来的，而且还在继续研究其它的原理和方法来进行非接触式的测量。 采用微处理器，使测量仪器智能化 从20世纪70年代以大规模集成电路为基础的微处理器问世以后，已逐步地