檢測系統(tǒng)的特征與性能指標

檢測系統(tǒng)的特征與性能指標第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五主要內容傳感器與檢測技術基本概論檢測系統(tǒng)的誤差合成常用傳感器的工作原理常見非電參數(shù)的檢測方法微弱信號檢測檢測系統(tǒng)抗干擾技術測量信號的調理及處理現(xiàn)代檢測系統(tǒng)第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第1章檢測系統(tǒng)的特征與性能指標

1.1傳感器的基本理論1.2檢測技術的基本理論1.3傳感器與檢測系統(tǒng)的基本特性

第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.1傳感器的基本理論1.1.1傳感器的定義能感受（或響應）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。（1）從輸入端來看，一個指定的傳感器只能感受規(guī)定的被測量。（2）從輸出端來看，傳感器的輸出信號為“有用信號”。（3）從輸入與輸出的關系來看，輸入輸出之間的關系應具有“一定規(guī)律”。第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.1.2傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路三部分組成：

電路被測量

敏感元件轉化元件轉換電路注：有的書上不包括虛線后部分第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五敏感元件（Sensitiveelement）：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。轉換元件（Transductionelement）：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉換成電路參數(shù)。轉換電路（Transductioncircuit）：將轉換電路參數(shù)接入轉換電路，便可轉換成電量輸出。第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五傳感器種類繁多，目前常用的分類有多種：以被測量來分以傳感器的原理來分按信號變換特征分類按能量關系進行分類1.1.3傳感器的分類第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五被測量類別被

測

量熱工量溫度、熱量、比熱；壓力、壓差、真空度；流量、流速、風速機械量位移（線位移、角位移），尺寸、形狀；力、力矩、應力；重量、質量；轉速、線速度；振動幅度、頻率、加速度、噪聲按被測量來分類第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五被測量類別被

測

量物性和成分量氣體化學成分、液體化學成分；酸堿度（PH值）、鹽度、濃度、粘度；密度、比重狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、材料內部裂縫或缺陷、氣體泄漏、表面質量第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五電阻式，光電式（紅外式、光導纖維式），電感式，諧振式，電容式，霍爾式（磁式），阻抗式（電渦流式），超聲式，磁電式，同位素式，熱電式，電化學式，壓電式，微波式

按傳感器的原理來分類第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五按信號變換特征分類結構型通過傳感器結構參量的變化實現(xiàn)信號轉換，如電容式傳感器物性型利用敏感元件材料本身物理屬性的變化實現(xiàn)信號變換，如水銀溫度計，壓電傳感器第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五按能量關系分類能量轉換型（有源傳感器）傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作，如熱電偶、光電池等能量控制型（無源傳感器）傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測量的變化控制外部供給能量的變化。如電阻式、電感式。第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.1.4傳感器技術的發(fā)展方向測量儀器向高精度和多功能發(fā)展參數(shù)測量與數(shù)據(jù)處理向自動化方向發(fā)展傳感器向智能化、集成化、微型化、量子化、網絡化的方向發(fā)展開展極端測量第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.2檢測技術的基本概論1.2.1檢測系統(tǒng)的定義

檢測（detection)是利用各種物理、化學效應，選擇合適的方法與裝置，將生產、科研、生活等各方面的有關信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結果的過程。能夠自動地完成整個檢測處理過程的技術稱為自動檢測與轉換技術。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.2.2檢測系統(tǒng)的基本結構一個廣義的檢測系統(tǒng)一般由激勵裝置、測試裝置、數(shù)據(jù)處理與記錄裝置所組成（如圖1.1）。第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五各組成部分的特點（1）激勵信號激勵信號由激勵裝置產生，采用激勵裝置是為了使被測對象處于預定狀態(tài)下，并將其有關方面的內在聯(lián)系充分顯示出來，以便于有效的測量。（2）測試對象測試對象的特性均以信號的形式給出，被測信號一般都是隨時間變化的動態(tài)量，即使在檢測不隨時間變化的靜態(tài)量時，由于混有動態(tài)的干擾噪聲，通常也按動態(tài)量進行檢測。第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（3）傳感器傳感器將感知的被測非電量按一定的規(guī)律轉化為某一種量值輸出，通常是電信號。傳感器輸出的電信號一般不能直接傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號處理電路或輸出元件中去，必須經過信號的調理。（4）信號調理電路信號調理電路的主要作用有兩方面，一是把來自于傳感器的信號進行轉換和放大；第二方面是進行信號處理，即對經過信號調理的信號，進行濾波、調制和解調、衰減、運算、數(shù)字化處理等。第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（5）信號的分析與記錄信號調理電路輸出的測量結果是對被測信號的真實記錄，可以采用光線示波器、屏幕顯示器、打印機等輸出裝置。此外還可用磁記錄器來存儲被測信號，以便于檢測工作完成后反復使用信號。要從客觀記錄的信號中找出反映被測對象的本質規(guī)律，還必須對信號進行分析從而提取有用信息。現(xiàn)代檢測系統(tǒng)采用了計算機和網絡技術，將調理電路輸出的信號直接送到信號分析設備中處理，進行在線處理。第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.2.3檢測系統(tǒng)的作用

檢測（detection)是利用各種物理、化學效應，選擇合適的方法與裝置，將生產、科研、生活等各方面的有關信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結果的過程。能夠自動地完成整個檢測處理過程的技術稱為自動檢測與轉換技術。第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五檢測方法的推進檢測儀器與計算機技術集成硬件功能軟件化儀器儀表集成化和模塊化參數(shù)整定和修改實時化硬件平臺通用化1.2.4檢測技術的現(xiàn)狀與發(fā)展第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.靜態(tài)數(shù)學模型靜態(tài)數(shù)學模型是指在靜態(tài)信號作用下，傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關系。如不考慮遲滯特性和蠕動效應，傳感器的靜態(tài)數(shù)學模型一般可以用n次多項式來表示：

y=a0+a1x+a2x2+···+anxn

式中x

為輸入量；y為輸出量；

a0為零輸入時的輸出，也叫零位輸出；

a1為傳感器線性項系數(shù)也稱線性靈敏度，常用K或S表示；

a2,a3,···,an為非線性項系數(shù)，其數(shù)值由具體傳感器非線性特性決定。

1.3傳感器與檢測系統(tǒng)的基本特性1.3.1傳感器的數(shù)學模型第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五

圖1-1傳感器的靜態(tài)特性第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五

1)微分方程式中：x(t)為輸入量，y(t)為輸出量。

為結構常數(shù)，1.微分方程2.傳感器的動態(tài)數(shù)學模型通常除b0外，其余參數(shù)第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五對微分方程兩邊取拉普拉斯變換，則得：

該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)為：

2.傳遞函數(shù)等號右邊是一個與輸入無關的表達式，只與系統(tǒng)結構參數(shù)有關，傳遞函數(shù)H(s)是描述傳感器本身傳遞信息的特性，即傳輸和變換特性。由輸入激勵和輸出響應的拉氏變換求得。當傳感器比較復雜或傳感器的基本參數(shù)未知時，可以通過實驗求得傳遞函數(shù)。第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖示意見圖1-2。

對于n個環(huán)節(jié)的并聯(lián)系統(tǒng)：

2.傳遞函數(shù)對于n個環(huán)節(jié)的串聯(lián)系統(tǒng)：第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1.3.2檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標

靜態(tài)檢測是指測量時，檢測系統(tǒng)的輸入、輸出信號不隨時間變化或變化很緩慢。靜態(tài)檢測時，系統(tǒng)所表現(xiàn)出的響應特性稱為靜態(tài)響應特性。1.測量范圍

檢測系統(tǒng)能正常測量的最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2.靈敏度靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比，即：

第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五3.線性度(Linearity)

標定曲線與擬合直線的偏離程度就是線性度，又稱非線性誤差。如果在全量程A輸出范圍內，標定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B，則定義非線性度為：

對于系統(tǒng)靜態(tài)特性存在非線性的情況，都應進行線性處理。第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五

常用的方法：理論直線法、端點線法、最佳直線法、最小二乘法和計算程序法等。理論直線法y=ax端點線法最佳直線法圖1.4

幾種不同的擬合方法

(ａ)理論直線法(ｂ)端點連線法(ｃ)端點連線平移法第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五最小二乘法按最小二乘法取擬合直線，該直線能保證傳感器校準數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。設實際校準測試點有n個，則第i個校準數(shù)據(jù)yi與擬合直線上相應值之間的殘差為根據(jù)最小二乘原理，應使最??；故由分別對k和b求一階偏導數(shù)并令其等于零，即可求得k和b。第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五4.重復性(Repeatability)重復性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-3所示。傳感器輸出特性的不重復性主要由傳感器的機械部分的磨損、間隙、松動，部件的內磨擦、積塵，電路元件老化、工作點漂移等原因產生。圖1-3傳感器的重復性重復性極限誤差由下式表示：EZ=?MAX/yFS·100%

第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減?。┢陂g，輸出-輸入特性曲線不一致的程度，如圖1-4所示。在行程環(huán)中同一輸入量xi對應的不同輸出量yi和yd的差值叫滯環(huán)誤差，最大滯環(huán)誤差與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率EMAX：EMAX=?m/yFS·100%圖1-4傳感器的遲滯現(xiàn)象5.遲滯現(xiàn)象(Hysteresis)第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五6.穩(wěn)定度和漂移穩(wěn)定度通常是相對時間而言，指檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下保持其測量特性恒定不變的能力。漂移指檢測系統(tǒng)隨時間的慢變化。在規(guī)定條件下，對于一個恒定的輸入在規(guī)定時間內的輸出在標稱范圍最低值處的變化，稱為零點漂移，簡稱零漂。溫度變化引起的漂移叫溫漂。第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五7.靜態(tài)響應特性的其他術語（1）精度精確度的簡稱。表示隨機誤差和系統(tǒng)誤差的綜合評定指標。（2）可靠性與檢測系統(tǒng)無故障工作時間長短有關的一種描述。（3）分辨率能引起輸出變化的輸入量的最小變化量，表示檢測系統(tǒng)分辨輸入量微小變化的能力。（4）靈敏閥又稱死區(qū)，是用來衡量檢測起始點不靈敏的程度。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五式中t為時間變量，和均為常數(shù)。線性時不變系統(tǒng)及其主要性質當系統(tǒng)的輸入x(t)和輸出y(t)之間關系可用常系數(shù)線性微分方程來描述時，則稱該系統(tǒng)為線性時不變系統(tǒng)，也稱為線性定常系統(tǒng)。即：

（1.1）

1.3.3檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性與性能指標第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五設x(t)為輸入，y(t)為輸出，若，則對于任何一個常數(shù)k，有則（1.2）（1）疊加性設x(t)為輸入，y(t)為輸出，若滿足疊加原理，意味著作用于線性系統(tǒng)的各個輸入所產生的輸出是互不影響的。（2）比例性（齊次性）第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（3）微分性零初始條件下，系統(tǒng)對原輸入微分的響應等于原輸出的微分。即：對于x(t)為輸入，y(t)為輸出，若x(t)→y(t)，則有：

（1.4）（4）積分性零初始條件下，系統(tǒng)對原輸入積分的響應等于原輸出的積分。即：x(t)為輸入，y(t)為輸出，若x(t)→y(t)，則有：（1.5）第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（5）頻率保持特性對于線性定常系統(tǒng)，若輸入為某一頻率的簡諧信號x(t)=X0cosωt，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出必定是與輸入同頻率的簡諧信號，即y(t)=Y0cos(ωt+φ0)，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。第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五式中t為時間變量，和為常數(shù)，系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)。1.3檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性與性能指標

1.3.1微分方程

檢測系統(tǒng)用于動態(tài)測量時，輸入x(t)與輸出y(t)均隨時間變化，其關系用式（1.1）的微分方程描述，即

第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五

故有

1.3.2傳遞函數(shù)

（1）傳遞函數(shù)的定義零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換和輸入量的拉氏變換之比稱為系統(tǒng)傳遞函數(shù)。在零初始條件下，對式（1.1）兩邊同時作拉氏變換，則有

第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五

（2）傳遞函數(shù)的特點

1）傳遞函數(shù)表示了系統(tǒng)本身的動態(tài)性能與輸入量大小及性質無關。對于具體的系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)不因輸入的變化而不同，對任何一個輸入都有確定的輸出。

2）相似系統(tǒng)。傳遞函數(shù)不拘泥于被描述系統(tǒng)物理結構而只反映動態(tài)性能。不同的物理系統(tǒng)，可以用相同的傳遞函數(shù)來描述，稱為相似系統(tǒng)。

3）傳遞函數(shù)可以有量綱，也可以無量綱。

4）傳遞函數(shù)是復變量s的有理分式。對于實際系統(tǒng)，分子階次m<n，分母最高階次n為輸出量最高階導數(shù)的階次，也確定系統(tǒng)的階次n階系統(tǒng)。第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（3）常見測試裝置的傳遞函數(shù)

1）一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)（1.10）式中：T——為時間常數(shù)，單位為秒。

2）二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)（1.11）式中：——為系統(tǒng)的靈敏度；

——為系統(tǒng)的阻尼比；

——為系統(tǒng)的無阻尼固有頻率。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五令，兩邊同時作拉氏變換，整理得：例1：液柱式水銀溫度計設x(t)為被測環(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，由熱力學方程有：

第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五例2：RLC電路ui輸入為，uo輸出為，根據(jù)電路基本定律，有上式兩邊同時作拉氏變換，并消去中間變量，得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五

1.3.3頻率響應函數(shù)

根據(jù)線性定常系統(tǒng)的同頻性，如果輸入信號為，則輸出信號為代入式（1.1），可得（1.12）其中：稱為測量系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)。即：（1.13）

第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五是頻率響應函數(shù)的模，為ω的函數(shù)，也是動態(tài)檢測系統(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)測量中靈敏度為常數(shù)有顯著的區(qū)別。為頻率響應函數(shù)的相角，它表示了檢測系統(tǒng)輸出信號相對于輸入信號初始相位的遷移量，也是ω的函數(shù)，所以也稱為相頻特性。

第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五常見系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)（1）一階系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)為，其幅頻特性與相頻特性分別為：（1.14）（1.15）

其中負號表示輸出信號滯后于輸入信號。一階系統(tǒng)奈氏圖、伯德圖分別如圖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。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五圖1.7一階系統(tǒng)奈氏圖圖1.8一階系統(tǒng)伯德圖第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1）當激勵頻率遠小于1/T時，輸出與輸入的幅值幾乎相等，A(ω)接近1。當ωT>>1，H(jω)=1/jωT，系統(tǒng)相當于一個積分器。其中A(ω)幾乎與激勵頻率成反比，相位滯后近90°。故一階系統(tǒng)適合測試緩變或低頻的被測量。2）時間常數(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。由圖1.9可見，一階系統(tǒng)的幅頻特性曲線隨著ω的增加單調減小，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，應特別注意以下幾點：第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（2）二階系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)由二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可得二階系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)為：相應的幅頻特性和相頻特性分別為：（1.16）

（1.17）第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五相應的幅頻、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）相頻特性第51頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二階系統(tǒng)具有以下的特點：1）當時，；當時，；2）影響二階系統(tǒng)動態(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，系統(tǒng)發(fā)生共振。此時；3）