第2讲检测系统及其基本特性精选文档.ppt

第2讲检测系统及其基本特性本讲稿第一页，共五十三页目录l传感器的基本理论l检测技术的基本概论l传感器与检测系统的特征l作业本讲稿第二页，共五十三页1.2检测技术的基本概论一、定义检测是利用各种物理化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面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。本讲稿第三页，共五十三页检测技术检测技术:几乎已应用于几乎已应用于所有的行业，它是多学科知识的综合应用。所有的行业，它是多学科知识的综合应用。涉及涉及:半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术、以及数理统计、控制论、信息论等近代新技术和新理技术、计算机应用技术、以及数理统计、控制论、信息论等近代新技术和新理论。论。最终目的最终目的就是从测量对象中获取反映其变化规律的有用信息，为了实现就是从测量对象中获取反映其变化规律的有用信息，为了实现此目的，一个广义的检测系统一般此目的，一个广义的检测系统一般由激励装置、测试装置、数据处理与记录装由激励装置、测试装置、数据处理与记录装置所组成置所组成（如图（如图1.2）。）。1.2检测技术的基本概论本讲稿第四页，共五十三页1.2检测技术的基本概论二、基本结构和类型信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）（分析处理部分、通信接口及总线）图1-3本讲稿第五页，共五十三页三、三、各组成部分的特点各组成部分的特点（1）激励信号激励信号 激激励励信信号号由由激激励励装装置置产产生生，采采用用激激励励装装置置是是为为了了使使被被测测对对象象处处于于预预定定状状态态下下，并并将将其其有有关关方方面面的的内内在在联联系系充充分分显显示示出出来来，以便于有效的测量。以便于有效的测量。对对于于能能量量控控制制型型传传感感器器中中的的一一些些类类型型，如如：超超声声波波探探伤伤、激激光光散散斑斑技技术术测测量量应应变变，就就是是由由外外部部能能源源供供给给激激励励信信号号发发生生器器，而而激激励励信信号号发发生生器器以以信信号号激激励励被被测测对对象象，输输入入传传感感器器的的信信号号就就是是被被测测对对象象对对激激励励信信号号的的响响应应，它它反反映映了了被被测测对对象象的的性性质质或或状状态。态。1.2检测技术的基本概论本讲稿第六页，共五十三页三、三、各组成部分的特点各组成部分的特点（2）测试对象测试对象 测试对象的特性均以信号的形式给出测试对象的特性均以信号的形式给出;被测信号一般都是随时间变化的动态量，即使在检测不被测信号一般都是随时间变化的动态量，即使在检测不随时间变化的静态量时，由于混有动态的干扰噪声，通常随时间变化的静态量时，由于混有动态的干扰噪声，通常也也也按动态量进行检测测量。也按动态量进行检测测量。由于被测信号描述了被测对象特征信息，且信号本身的结由于被测信号描述了被测对象特征信息，且信号本身的结构对所选用测试装置有重大影响，因此应当熟悉和了解各种信构对所选用测试装置有重大影响，因此应当熟悉和了解各种信号的基本特征和分析方法。号的基本特征和分析方法。1.2检测技术的基本概论本讲稿第七页，共五十三页三、三、各组成部分的特点各组成部分的特点（3）传感器）传感器传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用:将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。由于传感器种类繁多，所以几乎能检测所有非电量参量。但因传感器输出的电信号种类多、功率小，故一般不能直接将这种电信号传输到后续的信号处理电路或输出元件中去，必须经过信号的调理。1.2检测技术的基本概论本讲稿第八页，共五十三页三、三、各组成部分的特点各组成部分的特点（4）信号调理电路）信号调理电路信号调理电路的主要作用有两方面:l把来自于传感器的信号进行转换和放大，使其更适合于进一步把来自于传感器的信号进行转换和放大，使其更适合于进一步处理和传输，多数情况是将各种电信号转换为电压、处理和传输，多数情况是将各种电信号转换为电压、电流、频率电流、频率等少数几种便于测量的电信号，输出功率可达到等少数几种便于测量的电信号，输出功率可达到 mW 级；级；l进行信号处理，即对经过信号调理的信号，进行滤波、调制和进行信号处理，即对经过信号调理的信号，进行滤波、调制和解调、衰减、运算、数字化处理等。解调、衰减、运算、数字化处理等。1.2检测技术的基本概论本讲稿第九页，共五十三页三、三、各组成部分的特点各组成部分的特点（5）信号的分析与记录 信号调理电路输出的测量结果是对被测信号的真实记录，为信号调理电路输出的测量结果是对被测信号的真实记录，为了显示其变化过程，可以采用光线示波器、屏幕显示器、打印机了显示其变化过程，可以采用光线示波器、屏幕显示器、打印机等输出装置。等输出装置。此外还可以用磁记录器来存储被测信号，以便于检测工作完此外还可以用磁记录器来存储被测信号，以便于检测工作完成后反复使用信号。成后反复使用信号。1.2检测技术的基本概论本讲稿第十页，共五十三页三、三、各组成部分的特点各组成部分的特点（5）信号的分析与记录 但要从客观记录的信号中找出反映被测对象的本质规律，还必但要从客观记录的信号中找出反映被测对象的本质规律，还必须对信号进行分析（如：信号强度分析、信号的频谱分析、信号的须对信号进行分析（如：信号强度分析、信号的频谱分析、信号的相关分析、信号的概率密度谱分析等），从而提取有用信息。相关分析、信号的概率密度谱分析等），从而提取有用信息。信号分析的设备各式各样，有专用的分析仪（如：相关分析仪、信号分析的设备各式各样，有专用的分析仪（如：相关分析仪、概率密度分析仪、频谱分析仪、传递函数分析仪等），也有作综合概率密度分析仪、频谱分析仪、传递函数分析仪等），也有作综合分析用的信号处理机和数字信号处理系统分析用的信号处理机和数字信号处理系统1.2检测技术的基本概论本讲稿第十一页，共五十三页一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性检测系统的非电量检测两种形式：检测系统的非电量检测两种形式：静态信号：静态信号：稳定的，不随时间变化或变化比较缓慢稳定的，不随时间变化或变化比较缓慢动态信号：动态信号：随时间变化而变化随时间变化而变化输输入入量量的的状状态态不不同同，系系统统所所呈呈现现出出来来的的输输入入输输出出特特性性也也不同，因此存在静态特性和动态特性。不同，因此存在静态特性和动态特性。良良好好的的静静态态和和动动态态特特性性，可可降降低低或或消消除除测测量量误误差差，才才能能使使信号按规律准确转换。信号按规律准确转换。本讲稿第十二页，共五十三页线线性性度度(非非线线性性误误差差）输输出出量量与与输输入入量量之之间间的的实实际际关关系系曲曲线线偏偏离离直直线的程度。（属系统误差）线的程度。（属系统误差）式式中中，max输输出出量量与与输输入入量量实实际际曲曲线线与与你你和和直直线线之之间间的的最最大大偏偏差差；yF S输出满量程。输出满量程。一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性1、线性度、线性度本讲稿第十三页，共五十三页 (a)普遍情况：普遍情况：y=a1x+a2x2+a3x3+a4x4+(b)理想线性：理想线性：y=a1x ，灵敏度灵敏度Sn=y/x=a1=常数（常数（K）(c)具有偶次项非线性：具有偶次项非线性：y=a1x+a2x2+a4x4+(d)具有奇次项非线性：具有奇次项非线性：y=a1x+a3x3+a5x5+一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性1、线性度、线性度图图1-4 线性度表示线性度表示仅有奇次方的多项式有较宽准线性度理想线性特性本讲稿第十四页，共五十三页一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性2、灵敏度、灵敏度(Sensitivity)灵敏度是指灵敏度是指在稳态下在稳态下的输出增量与输入增量的比值，用的输出增量与输入增量的比值，用Sn表示，即表示，即具有输出具有输出/输入量纲。输入量纲。本讲稿第十五页，共五十三页一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性2、灵敏度、灵敏度(Sensitivity)图图1-5 灵敏度定义灵敏度定义线性系统，灵敏度就是静态特性的斜率非线性系统灵敏度是一个变量，某工作点的灵敏度为本讲稿第十六页，共五十三页一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性3、重复性（重复性（Repeatability)重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。性曲线不一致的程度。不重复性误差不重复性误差(属随机误差）：属随机误差）：图图1-6 重复性重复性本讲稿第十七页，共五十三页迟滞现象迟滞现象 对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程的输出信号对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程的输出信号大小不相等的现象。大小不相等的现象。迟滞误差迟滞误差（属系统误差）（属系统误差）图图1-7 滞环特性示意图滞环特性示意图一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性4、迟滞（滞环）（迟滞（滞环）（Hysteresis)本讲稿第十八页，共五十三页一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性5、精确度、精确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)精密度精密度：说明测量结果的分散性，即对某一稳定的被测量，由同说明测量结果的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个检测系统，在相当短的时间内连续重复测量一个测量者，用同一个检测系统，在相当短的时间内连续重复测量多次多次(等精度测量等精度测量)，其测量结果的分散程度。，其测量结果的分散程度。(对应随机误差对应随机误差)例如，某测温传感器的精密度为例如，某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随即误差大小的标。精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。本讲稿第十九页，共五十三页一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性5、精确度、精确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度精度)正确度正确度(准确度准确度)：说明测量结果与真值的偏离程度。：说明测量结果与真值的偏离程度。如如,某流量传感器的准确度为某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。同样，准确度高不一定精密度高。本讲稿第二十页，共五十三页一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性5、精确度、精确度精确度精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。（a）准确度高而精密度低 （b）准确度低而精密度高 （c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。本讲稿第二十一页，共五十三页一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性5、精确度、精确度为表示测量结果的准确程度，引入精确度等级概念，用为表示测量结果的准确程度，引入精确度等级概念，用A表示。表示。A以以一一系系列列标标准准百百分分数数值值(0.001,0.005,0.02,0.05,1.5,2.5,4.0,)进进行行分分档。档。此此数数值值是是检检测测系系统统和和测测量量仪仪表表在在规规定定条条件件下下，其其允允许许的的最最大大绝绝对对误误差值相对于其测量范围的百分数：差值相对于其测量范围的百分数：本讲稿第二十二页，共五十三页分辨率和分辩力都是表示检测系统能检测被测量的最小值的性能指分辨率和分辩力都是表示检测系统能检测被测量的最小值的性能指标。标。分辨率是以满量程的百分数来表示，无量纲；分辨率是以满量程的百分数来表示，无量纲；分辩力是以最小量程的单位值来表示，有量纲。分辩力是以最小量程的单位值来表示，有量纲。一、一、静态特性与性能指标静态特性与性能指标1.3检测系统的特性6、分辨率和分辩力（分辨率和分辩力（Resolution）7、漂移、漂移在在外外界界干干扰扰下下，在在一一定定时时间间间间隔隔内内，输输出出量量发发生生与与输输入入无关的、不需要的变化。无关的、不需要的变化。零点漂移和灵敏度漂移零点漂移和灵敏度漂移时间漂移和温度漂移时间漂移和温度漂移本讲稿第二十三页，共五十三页零点漂移零点漂移 l检测系统在长时间工作的情况下输出量发生的变化，长时间工作稳定性或零点漂移零漂 式中Y0最大零点偏差；YFS 满量程输出。本讲稿第二十四页，共五十三页温漂温漂 l检测系统在外界温度下输出量发出的变化温漂 式中max 输出最大偏差；T 温度变化范围；YFS 满量程输出。本讲稿第二十五页，共五十三页二、二、动态特性与性能指标动态特性与性能指标1.3检测系统的特性检测系统的动态特性是指检测系统测量动态信号时，输出对输入的响应特性。理想测量系统：具有确定的输入输出关系。输入输出呈线性关系最佳线性是不变系统(实际系统是非线性系统)。本讲稿第二十六页，共五十三页二、二、动态特性与性能指标动态特性与性能指标1.3检测系统的特性1、线性时不变系统、线性时不变系统（1）叠加性与比例性 设 为输入，为输出，若 本讲稿第二十七页，共五十三页二、二、动态特性与性能指标动态特性与性能指标1.3检测系统的特性1、线性时不变系统、线性时不变系统（2）微分性质零初始条件下，系统对原输入微分的响应等于原输出的微分。若 ，则（3）积分性质零初始条件下，系统对原输入积分的响应等于原输出的积分。若 ，则本讲稿第二十八页，共五十三页对于线性定常系统，若输入为某一频率的简谐（正弦或余弦）信号 ，则系统的稳态输出必定是与输入同频率的简谐信号，即 ，此规律称为频率保持特性。但其幅值和初相位将发生变化。二、二、动态特性与性能指标动态特性与性能指标1.3检测系统的特性（4）频率保持特性1、线性时不变系统、线性时不变系统本讲稿第二十九页，共五十三页 线性定常系统的这些主要性质，特别是叠加性和频率保持特性叠加性和频率保持特性，在工程测试中具有重要意义。l例如当检测系统的输入信号是由多个信号叠加而成的复杂信号，根据叠加性就可以把复杂信号的作用看成若干简单信号的单独作用之和，就可以简化问题。l 例如已知线性系统的输入频率，根据频率保持特性，可确定该系统输出信号中只有与输入同频率的成分才可能是该输入信号引起的输出，其他频率成分的输出都是噪声干扰，所以可以采用相应的滤波技术，在很强的噪声干扰下，把有用的信息提取出来。二、二、动态特性与性能指标动态特性与性能指标1.3检测系统的特性1、线性时不变系统、线性时不变系统本讲稿第三十页，共五十三页一、一、动态特性与性能指标动态特性与性能指标1.3检测系统的特性动态特性与静态特性的主要区别：动态特性与静态特性的主要区别：动动态态特特性性中中输输出出量量与与输输入入量量的的关关系系不不是是一一个个定定值值，而而是是时间的函数，它随输入信号的频率而改变。时间的函数，它随输入信号的频率而改变。检检测测系系统统的的动动态态特特性性常常用用它它对对某某些些标标准准输输入入信信号号的的响响应应来表示。来表示。任意信号标准信号标准信号:阶跃信号和正弦信号(阶跃响应和频率响应)本讲稿第三十一页，共五十三页二、二、动态特性与性能指标动态特性与性能指标1.3检测系统的特性阶跃响应：阶跃响应：当给静止的系统输入一个单位阶跃函数信号当给静止的系统输入一个单位阶跃函数信号表达式：1其输出特性为阶跃响应特性。其输出特性为阶跃响应特性。本讲稿第三十二页，共五十三页超调误差带稳态误差EssTdTrTpTs0tH(t)10.90.50.1上升时间峰值时间调整时间阶跃响应输出单位阶跃响应性能指标：本讲稿第三十三页，共五十三页1 超调量：h(t)的最大值与稳态值之差与 稳态值之比：2 延迟时间Td：指h(t)上升到稳态的50%所 需的时间。3 上升时间Tr：指h(t)第一次上升到稳态值 的10%-90%所需的时间。4 峰值时间Tp：h(t)第一次达到峰值所需的 时间。上述三个指标表征系统初始阶段的快慢。本讲稿第三十四页，共五十三页5 调节时间Ts：指h(t)和h()之间的偏差 达到允许范围（2%-5%）时的暂态过程时 间。它反映了系统的快速性。6 振荡次数N：调节时间内，输出偏离稳态 的次数。7 稳态误差ess：单位反馈时，实际值（稳 态）与期望值（1（t）之差。它反映 系统的精度。本讲稿第三十五页，共五十三页二、二、动态特性与性能指标动态特性与性能指标1.3检测系统的特性频率响应：频率响应：在在一一定定条条件件下下，任任意意信信号号均均可可分分解解为为一一系系列列不不同同频频率率的的正正弦信号。弦信号。一个复杂的被测实际信号包含多种不同频率的正弦波。一个复杂的被测实际信号包含多种不同频率的正弦波。正弦信号输入检测系统输出频率响应本讲稿第三十六页，共五十三页二、二、动态特性与性能指标动态特性与性能指标1.3检测系统的特性频率响应：频率响应：在在一一定定条条件件下下，任任意意信信号号均均可可分分解解为为一一系系列列不不同同频频率率的的正弦信号。正弦信号。一个复杂的被测实际信号包含多种不同频率的正弦波。一个复杂的被测实际信号包含多种不同频率的正弦波。正弦信号输入检测系统输出频率响应本讲稿第三十七页，共五十三页常见测试装置的传递函数1）一阶系统传递函数式中：T为时间常数，单位为秒。例如：液柱式水银温度计设x(t)为被测环境温度，y(t)为水银柱输出温度值，C表示热容量，R表示热阻，由热力学方程有：分母S的最高次数为阶数本讲稿第三十八页，共五十三页令T=RC，两边同时作拉氏变换，整理得：本讲稿第三十九页，共五十三页2）二阶系统传递函数式中：为系统的灵敏度；为系统的阻尼比；为系统的无阻尼固有频率。例如：RLC电路，输入为，输出为，根据电路基本定律，有本讲稿第四十页，共五十三页 上式两边同时作拉氏变换，并消去中间变量 ，得系统的传递函数为：本讲稿第四十一页，共五十三页1.3.3 频率响应函数频率响应函数根据线性定常系统的同频性，如果输入信号为，则输出信号为可得（1.12）其中：称为测量系统的频率响应函数。即：（1.13）是频率响应函数的模，为是频率响应函数的模，为 的函数，也是动态检测系统的灵的函数，也是动态检测系统的灵敏度，随着频率变化而变化，故称为幅频特性敏度，随着频率变化而变化，故称为幅频特性，与静态测量中灵敏度为常数有显著的区别。本讲稿第四十二页，共五十三页1.3.3 频率响应函数频率响应函数 是频率响应函数的模，为是频率响应函数的模，为 的函数，也是动态检测系统的灵敏度，的函数，也是动态检测系统的灵敏度，随着频率变化而变化，故称为幅频特性随着频率变化而变化，故称为幅频特性，与静态测量中灵敏度为常数有显著的区别。为频率响应函数的相角，它表示了检测系统输出信号相对于输入信号初始相位的迁移量，也是的函数，所以也称为相频特性。本讲稿第四十三页，共五十三页常见系统的频率响应函数(1)一阶系统的频率响应函数为，其幅频特性与相频特性分别为：（1.14）（1.15）其中负号表示输出信号滞后于输入信号。一阶系统奈氏图（幅相频率特性）、伯德图（对数频率特性）分别如图1.7、图1.8所示；一阶系统的幅频、相频特性图如图1.9所示。本讲稿第四十四页，共五十三页图1.7 一阶系统奈氏图图1.8 一阶系统伯德图由图1.9可见，一阶系统的幅频特性曲线随着 的增加单调减小，衰减很快，所以一阶系统具有低通滤波的特性。在一阶系统特性中，应特别注意以下几点：本讲稿第四十五页，共五十三页1）当激励频率远小于时，输出与输入的幅值几乎相等，接近1。当，系统相当于一个积分器。其中几乎与激励频率成反比，相位滞后近90。故一阶系统适合测试缓变或低频的被测量。2）时间常数T是反映一阶系统特性的重要参数，其值决定系统适用的频率范围。本讲稿第四十六页，共五十三页（2）二阶系统的频率响应函数由二阶系统的传递函数，可得二阶系统的频率响应函数为：相应的幅频特性和相频特性分别为：（1.16）（1.17）本讲稿第四十七页，共五十三页相应的幅频、相频特性曲线的伯德图如图（1.10）所示。图1.10 二阶系统伯德图（a）幅频特性 （b）相频特性本讲稿第四十八页，共五十三页二阶系统具有以下的特点：二阶系统具有以下的特点：1 1）当）当 时，时，；2 2）影影响响二二阶阶系系统统动动态态特特性性的的参参数数是是固固有有频频率率和和阻阻尼尼比比。其其固固有频率有频率 的选择应以工作频率范围为依据。在的选择应以工作频率范围为依据。在 附近，系统幅频特性受阻尼比影响极大。附近，系统幅频特性受阻尼比影响极大。时，系统发生共振，实际测量时，应该避免此情况。时，系统发生共振，实际测量时，应该避免此情况。此时此时 ，在测定系统本身参数时，有重要的，在测定系统本身参数时，有重要的意义；意义；本讲稿第四十九页，共五十三页二阶系统具有以下的特点：3）段，很小，且和频率近似成正比增加。段，趋近于180，即输出信号几乎和输入反相。在 区间，随频率的变化而剧烈变化，而且 越小，变化越剧烈；4）二阶系统是一个振荡环节。从检测工作的角度来看，总希望检测系统在较宽的频带内由于频率特性不理想所引起的误差尽可能小。因此，要选择恰当的固有频率和阻尼比的组合，以获得较小的误差。本讲稿第五十页，共五十三页如果一个检测系统，其输出y(t)和输入x(t)满足下列关系：（1.18）其中K和t0都是常数，表明该系统输出的波形和输入的波形精确的一致，只是幅值放大了K倍和时间上延迟了t0，这种情况，被认为测试装置具有不失真测量的特性。对式（1.18）两边取拉氏变换，得故不失真测试装置的传递函数为（1.19）三、三、实现不失真测量的条件实现不失真测量的条件1.3检测系统的特性本讲稿第五十一页，共五十三页频率响应函数为（1.20）其幅频与相频特性分别为（1.21）（1.22）由此可见，要实现不失真检测，检测系统的幅频特性应为常数，相频特性应为线性。引起的失真称为幅值失真，与 之间不满足线性关系引起的失真称为相位失真。本讲稿第五十二页，共五十三页作业1.传感器由那几部分组成？并说明各组成部分的功能。2.什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？3.请使用性能指标描述检测系统的静态特性。4.某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。5.某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.45/电桥：0.02V/放大器：100(放大倍数)笔式记录仪：0.2cm/V求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。本讲稿第五十三页，共五十三页