第2講檢測(cè)系統(tǒng)及其基本特性.ppt

目錄 傳感器的基本理論檢測(cè)技術(shù)的基本概論傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的特征作業(yè) 1 2檢測(cè)技術(shù)的基本概論 一 定義檢測(cè)是利用各種物理化學(xué)效應(yīng) 選擇合適的方法與裝置 將生產(chǎn) 科研 生活等各方面有關(guān)信息通過(guò)檢查與測(cè)量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過(guò)程 檢測(cè)技術(shù) 幾乎已應(yīng)用于所有的行業(yè) 它是多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用 涉及 半導(dǎo)體技術(shù) 激光技術(shù) 光纖技術(shù) 聲控技術(shù) 遙感技術(shù) 自動(dòng)化技術(shù) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 以及數(shù)理統(tǒng)計(jì) 控制論 信息論等近代新技術(shù)和新理論 最終目的就是從測(cè)量對(duì)象中獲取反映其變化規(guī)律的有用信息 為了實(shí)現(xiàn)此目的 一個(gè)廣義的檢測(cè)系統(tǒng)一般由激勵(lì)裝置 測(cè)試裝置 數(shù)據(jù)處理與記錄裝置所組成 如圖1 2 1 2檢測(cè)技術(shù)的基本概論 1 2檢測(cè)技術(shù)的基本概論 二 基本結(jié)構(gòu)和類型 信號(hào)檢出部分 信號(hào)變換部分 分析處理部分 通信接口及總線 圖1 3 三 各組成部分的特點(diǎn) 1 激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)信號(hào)由激勵(lì)裝置產(chǎn)生 采用激勵(lì)裝置是為了使被測(cè)對(duì)象處于預(yù)定狀態(tài)下 并將其有關(guān)方面的內(nèi)在聯(lián)系充分顯示出來(lái) 以便于有效的測(cè)量 對(duì)于能量控制型傳感器中的一些類型 如 超聲波探傷 激光散斑技術(shù)測(cè)量應(yīng)變 就是由外部能源供給激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器 而激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器以信號(hào)激勵(lì)被測(cè)對(duì)象 輸入傳感器的信號(hào)就是被測(cè)對(duì)象對(duì)激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng) 它反映了被測(cè)對(duì)象的性質(zhì)或狀態(tài) 1 2檢測(cè)技術(shù)的基本概論 三 各組成部分的特點(diǎn) 2 測(cè)試對(duì)象測(cè)試對(duì)象的特性均以信號(hào)的形式給出 被測(cè)信號(hào)一般都是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)量 即使在檢測(cè)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)量時(shí) 由于混有動(dòng)態(tài)的干擾噪聲 通常也也按動(dòng)態(tài)量進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量 由于被測(cè)信號(hào)描述了被測(cè)對(duì)象特征信息 且信號(hào)本身的結(jié)構(gòu)對(duì)所選用測(cè)試裝置有重大影響 因此應(yīng)當(dāng)熟悉和了解各種信號(hào)的基本特征和分析方法 1 2檢測(cè)技術(shù)的基本概論 三 各組成部分的特點(diǎn) 3 傳感器傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié) 其主要作用 將感知的被測(cè)非電量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一種量值輸出 通常是電信號(hào) 由于傳感器種類繁多 所以幾乎能檢測(cè)所有非電量參量 但因傳感器輸出的電信號(hào)種類多 功率小 故一般不能直接將這種電信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號(hào)處理電路或輸出元件中去 必須經(jīng)過(guò)信號(hào)的調(diào)理 1 2檢測(cè)技術(shù)的基本概論 三 各組成部分的特點(diǎn) 4 信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路的主要作用有兩方面 把來(lái)自于傳感器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大 使其更適合于進(jìn)一步處理和傳輸 多數(shù)情況是將各種電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓 電流 頻率等少數(shù)幾種便于測(cè)量的電信號(hào) 輸出功率可達(dá)到mW級(jí) 進(jìn)行信號(hào)處理 即對(duì)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的信號(hào) 進(jìn)行濾波 調(diào)制和解調(diào) 衰減 運(yùn)算 數(shù)字化處理等 1 2檢測(cè)技術(shù)的基本概論 三 各組成部分的特點(diǎn) 5 信號(hào)的分析與記錄信號(hào)調(diào)理電路輸出的測(cè)量結(jié)果是對(duì)被測(cè)信號(hào)的真實(shí)記錄 為了顯示其變化過(guò)程 可以采用光線示波器 屏幕顯示器 打印機(jī)等輸出裝置 此外還可以用磁記錄器來(lái)存儲(chǔ)被測(cè)信號(hào) 以便于檢測(cè)工作完成后反復(fù)使用信號(hào) 1 2檢測(cè)技術(shù)的基本概論 三 各組成部分的特點(diǎn) 5 信號(hào)的分析與記錄但要從客觀記錄的信號(hào)中找出反映被測(cè)對(duì)象的本質(zhì)規(guī)律 還必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析 如 信號(hào)強(qiáng)度分析 信號(hào)的頻譜分析 信號(hào)的相關(guān)分析 信號(hào)的概率密度譜分析等 從而提取有用信息 信號(hào)分析的設(shè)備各式各樣 有專用的分析儀 如 相關(guān)分析儀 概率密度分析儀 頻譜分析儀 傳遞函數(shù)分析儀等 也有作綜合分析用的信號(hào)處理機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng) 1 2檢測(cè)技術(shù)的基本概論 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 檢測(cè)系統(tǒng)的非電量檢測(cè)兩種形式 靜態(tài)信號(hào) 穩(wěn)定的 不隨時(shí)間變化或變化比較緩慢動(dòng)態(tài)信號(hào) 隨時(shí)間變化而變化輸入量的狀態(tài)不同 系統(tǒng)所呈現(xiàn)出來(lái)的輸入輸出特性也不同 因此存在靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性 良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性 可降低或消除測(cè)量誤差 才能使信號(hào)按規(guī)律準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換 線性度 非線性誤差 輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度 屬系統(tǒng)誤差 式中 max 輸出量與輸入量實(shí)際曲線與你和直線之間的最大偏差 yF S 輸出滿量程 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 1 線性度 a 普遍情況 y a1x a2x2 a3x3 a4x4 b 理想線性 y a1x 靈敏度Sn y x a1 常數(shù) K c 具有偶次項(xiàng)非線性 y a1x a2x2 a4x4 d 具有奇次項(xiàng)非線性 y a1x a3x3 a5x5 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 1 線性度 圖1 4線性度表示 僅有奇次方的多項(xiàng)式有較寬準(zhǔn)線性度 理想線性特性 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 2 靈敏度 Sensitivity 靈敏度是指在穩(wěn)態(tài)下的輸出增量與輸入增量的比值 用Sn表示 即具有輸出 輸入量綱 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 2 靈敏度 Sensitivity 圖1 5靈敏度定義 線性系統(tǒng) 靈敏度就是靜態(tài)特性的斜率 非線性系統(tǒng)靈敏度是一個(gè)變量 某工作點(diǎn)的靈敏度為 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 3 重復(fù)性 Repeatability 重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度 不重復(fù)性誤差 屬隨機(jī)誤差 圖1 6重復(fù)性 遲滯現(xiàn)象對(duì)于同一大小的輸入信號(hào) 傳感器的正 反行程的輸出信號(hào)大小不相等的現(xiàn)象 遲滯誤差 屬系統(tǒng)誤差 圖1 7滯環(huán)特性示意圖 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 4 遲滯 滯環(huán) Hysteresis 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 5 精確度 與精確度有關(guān)指標(biāo) 精密度 準(zhǔn)確度和精確度 精度 精密度 說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的分散性 即對(duì)某一穩(wěn)定的被測(cè)量 由同一個(gè)測(cè)量者 用同一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng) 在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)重復(fù)測(cè)量多次 等精度測(cè)量 其測(cè)量結(jié)果的分散程度 對(duì)應(yīng)隨機(jī)誤差 例如 某測(cè)溫傳感器的精密度為0 5 精密度是隨即誤差大小的標(biāo)志 精密度高 意味著隨機(jī)誤差小 注意 精密度高不一定準(zhǔn)確度高 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 5 精確度 與精確度有關(guān)指標(biāo) 精密度 準(zhǔn)確度和精確度 精度 正確度 準(zhǔn)確度 說(shuō)明測(cè)量結(jié)果與真值的偏離程度 如 某流量傳感器的準(zhǔn)確度為0 3m3 s 表示該傳感器的輸出值與真值偏離0 3m3 s 準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志 準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小 同樣 準(zhǔn)確度高不一定精密度高 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 5 精確度 精確度 是精密度與準(zhǔn)確度兩者的總和 精確度高表示精密度和準(zhǔn)確度都比較高 在最簡(jiǎn)單的情況下 可取兩者的代數(shù)和 機(jī)器的常以測(cè)量誤差的相對(duì)值表示 a 準(zhǔn)確度高而精密度低 b 準(zhǔn)確度低而精密度高 c 精確度高在測(cè)量中我們希望得到精確度高的結(jié)果 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 5 精確度 為表示測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度 引入精確度等級(jí)概念 用A表示 A以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分?jǐn)?shù)值 0 001 0 005 0 02 0 05 1 5 2 5 4 0 進(jìn)行分檔 此數(shù)值是檢測(cè)系統(tǒng)和測(cè)量?jī)x表在規(guī)定條件下 其允許的最大絕對(duì)誤差值相對(duì)于其測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù) 分辨率和分辯力都是表示檢測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)被測(cè)量的最小值的性能指標(biāo) 分辨率是以滿量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示 無(wú)量綱 分辯力是以最小量程的單位值來(lái)表示 有量綱 一 靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 6 分辨率和分辯力 Resolution 7 漂移 在外界干擾下 在一定時(shí)間間隔內(nèi) 輸出量發(fā)生與輸入無(wú)關(guān)的 不需要的變化 零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移時(shí)間漂移和溫度漂移 零點(diǎn)漂移 檢測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化 長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性或零點(diǎn)漂移 零漂 式中 Y0 最大零點(diǎn)偏差 YFS 滿量程輸出 溫漂 檢測(cè)系統(tǒng)在外界溫度下輸出量發(fā)出的變化 溫漂 式中 max 輸出最大偏差 T 溫度變化范圍 YFS 滿量程輸出 二 動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí) 輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性 理想測(cè)量系統(tǒng) 具有確定的輸入輸出關(guān)系 輸入輸出呈線性關(guān)系最佳 線性是不變系統(tǒng) 實(shí)際系統(tǒng)是非線性系統(tǒng) 二 動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 1 線性時(shí)不變系統(tǒng) 1 疊加性與比例性設(shè)為輸入 為輸出 若 二 動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 1 線性時(shí)不變系統(tǒng) 2 微分性質(zhì)零初始條件下 系統(tǒng)對(duì)原輸入微分的響應(yīng)等于原輸出的微分 若 則 3 積分性質(zhì)零初始條件下 系統(tǒng)對(duì)原輸入積分的響應(yīng)等于原輸出的積分 若 則 對(duì)于線性定常系統(tǒng) 若輸入為某一頻率的簡(jiǎn)諧 正弦或余弦 信號(hào) 則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出必定是與輸入同頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào) 即 此規(guī)律稱為頻率保持特性 但其幅值和初相位將發(fā)生變化 二 動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 4 頻率保持特性 1 線性時(shí)不變系統(tǒng) 線性定常系統(tǒng)的這些主要性質(zhì) 特別是疊加性和頻率保持特性 在工程測(cè)試中具有重要意義 例如當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)是由多個(gè)信號(hào)疊加而成的復(fù)雜信號(hào) 根據(jù)疊加性就可以把復(fù)雜信號(hào)的作用看成若干簡(jiǎn)單信號(hào)的單獨(dú)作用之和 就可以簡(jiǎn)化問(wèn)題 例如已知線性系統(tǒng)的輸入頻率 根據(jù)頻率保持特性 可確定該系統(tǒng)輸出信號(hào)中只有與輸入同頻率的成分才可能是該輸入信號(hào)引起的輸出 其他頻率成分的輸出都是噪聲干擾 所以可以采用相應(yīng)的濾波技術(shù) 在很強(qiáng)的噪聲干擾下 把有用的信息提取出來(lái) 二 動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 1 線性時(shí)不變系統(tǒng) 一 動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的主要區(qū)別 動(dòng)態(tài)特性中輸出量與輸入量的關(guān)系不是一個(gè)定值 而是時(shí)間的函數(shù) 它隨輸入信號(hào)的頻率而改變 檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示 任意信號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 階躍信號(hào)和正弦信號(hào) 階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng) 二 動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 階躍響應(yīng) 當(dāng)給靜止的系統(tǒng)輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào) 其輸出特性為階躍響應(yīng)特性 單位階躍響應(yīng)性能指標(biāo) 1 超調(diào)量 h t 的最大值與穩(wěn)態(tài)值之差與穩(wěn)態(tài)值之比 2 延遲時(shí)間Td 指h t 上升到穩(wěn)態(tài)的50 所需的時(shí)間 3 上升時(shí)間Tr 指h t 第一次上升到穩(wěn)態(tài)值的10 90 所需的時(shí)間 4 峰值時(shí)間Tp h t 第一次達(dá)到峰值所需的時(shí)間 上述三個(gè)指標(biāo)表征系統(tǒng)初始階段的快慢 5 調(diào)節(jié)時(shí)間Ts 指h t 和h 之間的偏差達(dá)到允許范圍 2 5 時(shí)的暫態(tài)過(guò)程時(shí)間 它反映了系統(tǒng)的快速性 6 振蕩次數(shù)N 調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi) 輸出偏離穩(wěn)態(tài)的次數(shù) 7 穩(wěn)態(tài)誤差ess 單位反饋時(shí) 實(shí)際值 穩(wěn)態(tài) 與期望值 1 t 之差 它反映系統(tǒng)的精度 二 動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 頻率響應(yīng) 在一定條件下 任意信號(hào)均可分解為一系列不同頻率的正弦信號(hào) 一個(gè)復(fù)雜的被測(cè)實(shí)際信號(hào)包含多種不同頻率的正弦波 正弦信號(hào) 輸入 檢測(cè)系統(tǒng) 輸出 頻率響應(yīng) 二 動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的特性 頻率響應(yīng) 在一定條件下 任意信號(hào)均可分解為一系列不同頻率的正弦信號(hào) 一個(gè)復(fù)雜的被測(cè)實(shí)際信號(hào)包含多種不同頻率的正弦波 正弦信號(hào) 輸入 檢測(cè)系統(tǒng) 輸出 頻率響應(yīng) 常見(jiàn)測(cè)試裝置的傳遞函數(shù)1 一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)式中 T 為時(shí)間常數(shù) 單位為秒 例如 液柱式水銀溫度計(jì)設(shè)x t 為被測(cè)環(huán)境溫度 y t 為水銀柱輸出溫度值 C表示熱容量 R表示熱阻 由熱力學(xué)方程有 分母S的最高次數(shù)為階數(shù) 令T RC 兩邊同時(shí)作拉氏變換 整理得 2 二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)式中 為系統(tǒng)的靈敏度 為系統(tǒng)的阻尼比 為系統(tǒng)的無(wú)阻尼固有頻率 例如 RLC電路 輸入為 輸出為 根據(jù)電路基本定律 有 上式兩邊同時(shí)作拉氏變換 并消去中間變量 得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 1 3 3頻率響應(yīng)函數(shù)根據(jù)線性定常系統(tǒng)的同頻性 如果輸入信號(hào)為 則輸出信號(hào)為可得 1 12 其中 稱為測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) 即 1 13 是頻率響應(yīng)函數(shù)的模 為的函數(shù) 也是動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度 隨著頻率變化而變化 故稱為幅頻特性 與靜態(tài)測(cè)量中靈敏度為常數(shù)有顯著的區(qū)別 1 3 3頻率響應(yīng)函數(shù)是頻率響應(yīng)函數(shù)的模 為的函數(shù) 也是動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度 隨著頻率變化而變化 故稱為幅頻特性 與靜態(tài)測(cè)量中靈敏度為常數(shù)有顯著的區(qū)別 為頻率響應(yīng)函數(shù)的相角 它表示了檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)初始相位的遷移量 也是的函數(shù) 所以也稱為相頻特性 常見(jiàn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) 1 一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為 其幅頻特性與相頻特性分別為 1 14 1 15 其中負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)滯后于輸入信號(hào) 一階系統(tǒng)奈氏圖 幅相頻率特性 伯德圖 對(duì)數(shù)頻率特性 分別如圖1 7 圖1 8所示 一階系統(tǒng)的幅頻 相頻特性圖如圖1 9所示 圖1 7一階系統(tǒng)奈氏圖 圖1 8一階系統(tǒng)伯德圖 由圖1 9可見(jiàn) 一階系統(tǒng)的幅頻特性曲線隨著的增加單調(diào)減小 衰減很快 所以一階系統(tǒng)具有低通濾波的特性 在一階系統(tǒng)特性中 應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn) 1 當(dāng)激勵(lì)頻率遠(yuǎn)小于時(shí) 輸出與輸入的幅值幾乎相等 接近1 當(dāng) 系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)積分器 其中幾乎與激勵(lì)頻率成反比 相位滯后近90 故一階系統(tǒng)適合測(cè)試緩變或低頻的被測(cè)量 2 時(shí)間常數(shù)T是反映一階系統(tǒng)特性的重要參數(shù) 其值決定系統(tǒng)適用的頻率范圍 2 二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)由二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 可得二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為 相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性分別為 1 16 1 17 相應(yīng)的幅頻 相頻特性曲線的伯德圖如圖 1 10 所示 圖1 10二階系統(tǒng)伯德圖 a 幅頻特性 b 相頻特性 二階系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn) 1 當(dāng)時(shí) 2 影響二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)是固有頻率和阻尼比 其固有頻率的選擇應(yīng)以工作頻率范圍為依據(jù) 在附近 系統(tǒng)幅頻特性受阻尼比影響極大 時(shí) 系統(tǒng)發(fā)生共振 實(shí)際測(cè)量時(shí) 應(yīng)該避免此情況 此時(shí) 在測(cè)定系統(tǒng)本身參數(shù)時(shí) 有重要的意義 二階系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn) 3 段 很小 且和頻率近似成正比增加 段 趨近于180 即輸出信號(hào)幾乎和輸入反相 在區(qū)間 隨頻率的變化而劇烈變化 而且越小 變化越劇烈 4 二階系統(tǒng)是一個(gè)振蕩環(huán)節(jié) 從檢測(cè)工