《檢測系統(tǒng)的特征與》PPT課件.ppt

1、第1章 傳感器與檢測技術(shù)概論,1.1 檢測技術(shù)概論 1.2 傳感器概論 1.3 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向 1.4 檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1.5 檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo),下頁,返回,1.1 檢測系統(tǒng)概論 1.1.1 檢測的定義 檢測（Detection）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、生活等各方面的有關(guān)信息通過檢查與測量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。 1.1.2 檢測技術(shù)的作用 檢測是科學(xué)研究的基礎(chǔ)。 汽車生產(chǎn)過程中自動(dòng)化測試生產(chǎn)線圖 典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在線監(jiān)測與故障診斷示意圖,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,測控技術(shù)在交通領(lǐng)域監(jiān)測中的應(yīng)用,下頁

2、,上頁,返回,測控技術(shù)在國防科研中的應(yīng)用,測控系統(tǒng)在航天領(lǐng)域應(yīng)用,下頁,上頁,返回,智能家居中應(yīng)用,網(wǎng)絡(luò)在智能建筑應(yīng)用,下頁,上頁,返回,網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)圖,下頁,上頁,返回,水源安全遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)圖,滑坡位移監(jiān)測儀及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),下頁,上頁,返回,遠(yuǎn)程會(huì)診系統(tǒng)圖,植物生理監(jiān)控系統(tǒng),下頁,上頁,返回,1.1.3 工業(yè)檢測技術(shù)的類型和內(nèi)容 工業(yè)檢測技術(shù)的內(nèi)容非常廣泛，常見的工業(yè)檢測涉及的內(nèi)容有,1.1.4 檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 圖1.11所示為涵蓋各種功能模塊的檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，由傳感器、模擬信號調(diào)理電路、數(shù)字信號分析與處理部分、顯示部分以及將處理信號傳送給控制器、其他檢測系統(tǒng)或上位機(jī)系統(tǒng)的

3、通信接口部分等。,下頁,上頁,返回,（1）傳感器 傳感器是檢測系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要作用是將感知的被測非電量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一種量值輸出，通常是電信號。由于傳感器種類繁多，所以幾乎能檢測所有非電量參量。但因傳感器輸出的電信號種類多、功率小，故一般不能直接將這種電信號傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號處理電路或輸出元件中去，必須經(jīng)過信號的調(diào)理。 （2）信號調(diào)理電路 信號調(diào)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(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轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等少數(shù)幾種便于測量的電信號，輸出功率可達(dá)到 級；第二方面是進(jìn)行信號處理，即對經(jīng)過信號調(diào)理的信號，進(jìn)行

4、濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減、運(yùn)算、數(shù)字化處理等。,下頁,上頁,返回,（3）記錄、顯示儀器 記錄、顯示儀器是將所測得的信號變?yōu)橐环N能為人們所理解的形式、以供人們觀察和分析。目前常用的顯示器有四類：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示及記錄儀等。 （4）信號分析處理 它是現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中不斷被注入新內(nèi)容的一部分，逐漸成為檢測系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。它是用來對測試所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、邏輯判斷、線性變換，對動(dòng)態(tài)測試結(jié)果作頻譜分析（幅值譜分析、功率譜分析）、相關(guān)分析等，完成這些工作必須采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。 （5）通信接口和總線 它是實(shí)現(xiàn)由許多測量子系統(tǒng)或測量節(jié)點(diǎn)組成的大型檢測系統(tǒng)中子系統(tǒng)與上位機(jī)之間以及子系統(tǒng)之間的信息

5、交換。總線更多的是指一種規(guī)范、一種結(jié)構(gòu)形式；而接口多指完成通信的硬件系統(tǒng)。,下頁,上頁,返回,1.2傳感器概論 1.2.1傳感器的定義 傳感器（Transducer/sensor）的定義為：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。 1.2.2 傳感器的組成,下頁,上頁,返回,（1）傳感器一般由敏感元件、變換元件和其他輔助元件組成。 （2）敏感元件感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量的元件。 （3）變換元件又稱傳感元件，是傳感器的重要組成元件。 （4）信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄和控制

6、的有用信號的電路。,下頁,上頁,返回,1.2.3 傳感器分類 傳感器的種類繁多。傳感器有許多種分類方法。常用的分類方法有： （1）按被測量分類 機(jī)械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振動(dòng)、噪聲 熱工量：溫度、熱量、流量（速）、風(fēng)速、壓力（差）、液位 物性參量：濃度、粘度、比重、酸堿度 狀態(tài)參量：裂紋、缺陷、泄漏、磨損、表面質(zhì)量 （2）按測量原理分類 按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、光纖、磁敏式、激光、超聲波等傳感器。,下頁,上頁,返回,（3）按信號變換特征分類 結(jié)構(gòu)型：主要是通過傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號變換的。 物性型：利用敏感元件材料本身物理屬性的變

7、化來實(shí)現(xiàn)信號變換 （4）按能量關(guān)系分類 能量轉(zhuǎn)換型：傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作。 能量控制型：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。,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,1.3 傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向,1.3.1 測量儀器向高精度和多功能發(fā)展 1.3.2 參數(shù)測量與數(shù)據(jù)處理向自動(dòng)化方向發(fā)展 1.3.3 傳感器向智能化、集成化、微型化、量子化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展 1.3.4 開展極端測量,1.4 檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 靜態(tài)檢測是指測量時(shí)，檢測系統(tǒng)的輸入、輸出信號不隨時(shí)間變化或變化很緩慢。靜態(tài)檢測時(shí)，系統(tǒng)所表現(xiàn)出的響應(yīng)特性稱為靜態(tài)

8、響應(yīng)特性。通常用來描述靜態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)有測量范圍、靈敏度、非線性度、回程誤差等。一般用標(biāo)定曲線來評定檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性，理想的線性裝置的標(biāo)定曲線是直線，而實(shí)際檢測系統(tǒng)的標(biāo)定曲線并非如此。通常采用靜態(tài)測量的方法求取輸入輸出關(guān)系曲線，作為標(biāo)定曲線。多數(shù)情況還需要按最小二乘法原理求出標(biāo)定曲線的擬合直線。 1.4.1 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。,下頁,上頁,返回,1.4.2 靈敏度 靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比，即： （1.1） 如圖1.13所示，線性系統(tǒng)的靈敏度S為常數(shù)，即輸入輸出關(guān)系直線的斜率，斜率越大，其靈敏度就越高。非線性系統(tǒng)的靈敏度S是變量，是輸

9、入輸出關(guān)系曲線的斜率，輸入量不同，靈敏度就不同，通常用擬合直線的斜率表示系統(tǒng)的平均靈敏度。要注意靈敏度越高，就越容易受外界干擾的影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越差，測量范圍相應(yīng)就越小。,下頁,上頁,返回,1.4.3 非線性度 如圖1.14所示，標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。如果在全量程A輸出范圍內(nèi)，標(biāo)定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B，則定義非線性度為： （1.2） 1.4.4 回程誤差 如圖1.15所示，回程誤差也稱為滯后或變差。實(shí)際測量系統(tǒng)在相同的測量條件下，當(dāng)輸入量由小增大，,下頁,上頁,返回,圖1.13,圖1.14,或由大減小時(shí)，對于同一輸入量所得到的兩個(gè)輸出量存在差值，則定義回程誤差

10、為： （1.3） 1.4.5 穩(wěn)定度和漂移 穩(wěn)定度通常是相對時(shí)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(shí)間的慢變化。在規(guī)定條件下，對于一個(gè)恒定的輸入在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的輸出在標(biāo)稱范圍最低值處的變化，稱為零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。溫度變化引起的漂移叫溫漂。,下頁,上頁,返回,圖1.15,1.4.6 重復(fù)性 重復(fù)性表示檢測系統(tǒng)在輸入量按同一方向作全量程多次測試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度（如圖1.16）。,1.4.7 分辨力 分辨力是用來表示檢測系統(tǒng)或儀表裝置能夠檢測被測量最小變化量的能力。,下頁,上頁,返回,圖1.16,1.4.8 精確度（精度） 精確度指標(biāo)有三個(gè)：

11、精密度、正確度和精確度。（1）精密度 ：說明測量結(jié)果的分散性， 愈小則說明測量愈精密（對應(yīng)隨機(jī)誤差）。 （2）正確度 ：它說明測量結(jié)果偏離真值大小的程度，即示值有規(guī)則偏離真值的程度。指所測值與真值的符合程度（對應(yīng)系統(tǒng)誤差）。 （3）精確度 ：它含有精密度與正確度兩者之和的意思，即測量的綜合優(yōu)良程度。通常精確度是以測量誤差的相對值來表示的。 它可表示為：,（1.5）,返回,上頁,下頁,1.5 檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 動(dòng)態(tài)測量時(shí)，被測信號隨時(shí)間迅速變化，輸出要受檢測系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，因此需要了解檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。對于測量動(dòng)態(tài)信號的檢測系統(tǒng)，要求檢測系統(tǒng)在輸入量改變時(shí)，其輸出量能立即隨之不

12、失真的改變。在實(shí)際檢測過程中，由于檢測系統(tǒng)選用不當(dāng)，輸出量不能良好地追隨輸入量的快速變化會(huì)導(dǎo)致較大的測量誤差。因此研究檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有著十分重要的意義。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性一般通過描述系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、單位脈沖響應(yīng)函數(shù)等數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行研究。 1.5.1 微分方程 檢測系統(tǒng)用于動(dòng)態(tài)測量時(shí)，輸入 與輸出 均隨時(shí)間變化，其關(guān)系用式（1.6）的微分方程描述，即,下頁,上頁,返回,（1.6） 式中t為時(shí)間變量， 和 均為常數(shù)，此系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)。 1.5.2 傳遞函數(shù) 雖然微分方程中含有描述檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的信息，但使用時(shí)不是很方便，所以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，常常采用傳遞函

13、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（1.6）兩邊同時(shí)作拉氏變換，則有,下頁,上頁,返回,故有 （1.7） （2）傳遞函數(shù)的特點(diǎn) 1）傳遞函數(shù)表示了系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)性能與輸入量大小及性質(zhì)無關(guān)。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(gè)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(jié)構(gòu)而只反映動(dòng)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。,下頁,上頁,返回,4）傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理分式。對于實(shí)際系統(tǒng)，分子

14、階次mn，分母最高階次n為輸出量最高階導(dǎo)數(shù)的階次，也確定系統(tǒng)的階次n階系統(tǒng)。 （3）常見測試裝置的傳遞函數(shù) 1）一階系統(tǒng) 傳遞函數(shù) （1.8） 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) 為被測環(huán)境溫度， 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：,下頁,上頁,返回,令 ，兩邊同時(shí)作拉氏變換，整理得：,下頁,上頁,返回,圖1.17 液柱式水銀溫度計(jì),2）二階系統(tǒng) 傳遞函數(shù) （1.9） 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。 例如：RLC電路， 輸入為， 輸出為，根據(jù)電路基本定律，有,下頁,上頁,返回,上式兩邊同時(shí)作拉氏變換，并消

15、去中間變量 ，得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：,下頁,上頁,返回,圖1.18 RLC振蕩電路,1.5.3 頻率響應(yīng)函數(shù) 根據(jù)線性定常系統(tǒng)的同頻性，如果輸入信號為 ，則輸出信號為 代入式（1.6），可得 （1.10） 其中： 稱為測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。即： （1.11） 是頻率響應(yīng)函數(shù)的模，為 的函數(shù)，也是動(dòng)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。,下頁,上頁,返回,為頻率響應(yīng)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 的函數(shù)，所以也稱為相頻特性。 常見系統(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

16、特性分別為： （1.12） （1.13） 其中負(fù)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1.19、圖1.20所示；一階系統(tǒng)的幅頻、相頻特性圖如圖1.21所示。,下頁,上頁,返回,由圖1.21可見，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)：,下頁,上頁,返回,圖1.19 一階系統(tǒng)奈氏圖,圖1.20 一階系統(tǒng)伯德圖,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)適合測試緩變或低頻的被測量。 2）時(shí)

17、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。,下頁,上頁,返回,圖1.21 一階系統(tǒng)的幅頻、相頻特性圖,（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： （1.14） （1.15）,下頁,上頁,返回,相應(yīng)的幅頻、相頻特性曲線的伯德圖如圖（1.22）所示。,圖1.22 二階系統(tǒng)伯德圖,（a）幅頻特性 （b）相頻特性,下頁,上頁,返回,二階系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)： 1）當(dāng) 時(shí)， ；當(dāng) ， ； 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)際測量時(shí)，應(yīng)該避免此情況。此時(shí) ，在測定系統(tǒng)本身參數(shù)時(shí)，有重要的意義； 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)。 從檢測工作的角度來看，總希望檢測系統(tǒng)在較寬的頻帶內(nèi)由于頻率特性不理想所引起的誤差盡可能小。因此，要選擇恰當(dāng)?shù)墓逃蓄l率和阻尼比的組合，以獲,下頁,上頁,返回,得較小的誤差。 1.3.4 實(shí)現(xiàn)不失真