第1章--检测系统的特征与性能指标.ppt

现代传感器与测试技术现代传感器与测试技术主讲：陈广庆主讲：陈广庆Email:Tel:13793290382主要内容v传感器与检测技术基本概论传感器与检测技术基本概论v检测系统的误差合成检测系统的误差合成v常用传感器的工作原理常用传感器的工作原理v常见非电参数的检测方法常见非电参数的检测方法v微弱信号检测微弱信号检测v检测系统抗干扰技术检测系统抗干扰技术v测量信号的调理及处理测量信号的调理及处理v现代检测系统现代检测系统第第1章章检测系统的特征与性能指标检测系统的特征与性能指标 1.1传感器的基本理论传感器的基本理论1.2检测技术的基本理论检测技术的基本理论1.3传感器与检测系统的基本特性传感器与检测系统的基本特性1.1传感器的基本理论传感器的基本理论1.1.1传感器的定义传感器的定义能感受（或响应）规定的被测量并按照一定能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。规律转换成可用输出信号的器件或装置。（1）从输入端来看，一个指定的传感器只能感受）从输入端来看，一个指定的传感器只能感受规定的被测量。规定的被测量。（2）从输出端来看，传感器的输出信号为）从输出端来看，传感器的输出信号为“有用有用信号信号”。（3）从输入与输出的关系来看，输入输出之间的）从输入与输出的关系来看，输入输出之间的关系应具有关系应具有“一定规律一定规律”。1.1.2传感器的组成传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转敏感元件、转换元件、转换电路换电路三部分组成：电路电路被测量被测量 敏感元件敏感元件转化元件转化元件转换电路转换电路注：有的书上不包括虚线后部分敏感元件（敏感元件（Sensitiveelement）：直接感受被测量，）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件（转换元件（Transductionelement）：以敏感元件）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。的输出为输入，把输入转换成电路参数。转换电路（转换电路（Transductioncircuit）：将转换电路）：将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。参数接入转换电路，便可转换成电量输出。传感器种类繁多，目前常用的分类有多种：传感器种类繁多，目前常用的分类有多种：以被测量来分以被测量来分以传感器的原理来分以传感器的原理来分按信号变换特征分类按信号变换特征分类按能量关系进行分类按能量关系进行分类1.1.3传感器的分类传感器的分类被测量类别被测量类别被被测测量量热工量热工量温度、热量、比热；压力、压差、温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速真空度；流量、流速、风速机械量机械量位移（线位移、角位移），尺寸、位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声频率、加速度、噪声按被测量来分类按被测量来分类被测量类别被测量类别被被测测量量物性和成分物性和成分量量气体化学成分、液体化学成分；气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（酸碱度（PH值）、盐度、浓度、值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重粘度；密度、比重状态量状态量颜色、透明度、磨损量、材料内颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量质量电阻式，光电式（红外式、光导纤维式），电阻式，光电式（红外式、光导纤维式），电感式，谐振式，电容式，霍尔式（磁式）电感式，谐振式，电容式，霍尔式（磁式），阻抗式（电涡流式），超声式，磁电式，阻抗式（电涡流式），超声式，磁电式，同位素式，热电式，电化学式，压电式，同位素式，热电式，电化学式，压电式，微波式微波式 按传感器的原理来分类按传感器的原理来分类按信号变换特征分类按信号变换特征分类v结构型结构型通过传感器结构参量的变化实现信号转通过传感器结构参量的变化实现信号转换，如电容式传感器换，如电容式传感器v物性型物性型利用敏感元件材料本身物理属性的变化利用敏感元件材料本身物理属性的变化实现信号变换，如水银温度计，压电传感器实现信号变换，如水银温度计，压电传感器按能量关系分类按能量关系分类v能量转换型（有源传感器）能量转换型（有源传感器）传感器直接由被测对象输入能量使其工传感器直接由被测对象输入能量使其工作，如热电偶、光电池等作，如热电偶、光电池等v能量控制型（无源传感器）能量控制型（无源传感器）传感器从外部获得能量使其工作，由被测传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。如电阻量的变化控制外部供给能量的变化。如电阻式、电感式。式、电感式。1.1.4传感器技术的发展方向传感器技术的发展方向测量仪器向高精度和多功能发展测量仪器向高精度和多功能发展参数测量与数据处理向自动化方向发展参数测量与数据处理向自动化方向发展传感器向智能化、集成化、微型化、量传感器向智能化、集成化、微型化、量子化、网络化的方向发展子化、网络化的方向发展开展极端测量开展极端测量1.2检测技术的基本概论检测技术的基本概论1.2.1检测系统的定义检测系统的定义检测（检测（detection)是利用各种物理、化是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查科研、生活等各方面的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。与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。称为自动检测与转换技术。1.2.2检测系统的基本结构检测系统的基本结构一一个个广广义义的的检检测测系系统统一一般般由由激激励励装装置置、测测试试装装置置、数数据据处处理理与与记记录录装装置置所所组组成成（如图（如图1.1）。）。u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的内在联系充分显示出来，以便于有效的测量。面的内在联系充分显示出来，以便于有效的测量。（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，被测信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随时间变化的静态量时，由于混有动态的干扰噪声，通常也按动态量进行检测。声，通常也按动态量进行检测。（3）传感器）传感器传传感感器器将将感感知知的的被被测测非非电电量量按按一一定定的的规规律律转转化化为为某某一一种种量量值值输输出出，通通常常是是电电信信号号。传传感感器器输输出出的的电电信信号号一一般般不不能能直直接接传传输输到到后后续续的的信信号号处处理理电电路路或或输出元件中去，必须经过信号的调理。输出元件中去，必须经过信号的调理。（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，一是把来信号调理电路的主要作用有两方面，一是把来自于传感器的信号进行转换和放大；第二方面是进自于传感器的信号进行转换和放大；第二方面是进行信号处理，即对经过信号调理的信号，进行滤波、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。调制和解调、衰减、运算、数字化处理等。（5）信号的分析与记录）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信号调理电路输出的测量结果是对被测信号的真实记录，可以采用光线示波器、屏幕显示器、的真实记录，可以采用光线示波器、屏幕显示器、打印机等输出装置。此外还可用磁记录器来存储打印机等输出装置。此外还可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。被测信号，以便于检测工作完成后反复使用信号。要从客观记录的信号中找出反映被测对象的本质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从而提取有用信息。规律，还必须对信号进行分析从而提取有用信息。现代检测系统采用了计算机和网络技术，将现代检测系统采用了计算机和网络技术，将调理电路输出的信号直接送到信号分析设备中处调理电路输出的信号直接送到信号分析设备中处理，进行在线处理。理，进行在线处理。1.2.3检测系统的作用检测系统的作用检测（检测（detection)是利用各种物理、化是利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查科研、生活等各方面的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。与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。称为自动检测与转换技术。检测方法的推进检测方法的推进检测仪器与计算机技术集成检测仪器与计算机技术集成u硬件功能软件化硬件功能软件化u仪器仪表集成化和模块化仪器仪表集成化和模块化u参数整定和修改实时化参数整定和修改实时化u硬件平台通用化硬件平台通用化1.2.4检测技术的现状与发展检测技术的现状与发展1.静态数学模型静态数学模型静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系。如不考虑迟滞特性和蠕动效应，输入量间的一种函数关系。如不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表示：次多项式来表示：y=a0+a1x+a2x2+anxn 式中式中x为输入量；为输入量；y为输出量；为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；为零输入时的输出，也叫零位输出；a1为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或或S表示；表示；a2,a3,an为非线性项系数，其数值由具体传感器为非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定。非线性特性决定。1.3传感器与检测系统的基本特性传感器与检测系统的基本特性1.3.1传感器的数学模型传感器的数学模型图图1-1传感器的静态特性传感器的静态特性 1)微分方程微分方程式中：式中：x(t)为输入量，为输入量，y(t)为输出量。为输出量。为结构常数，为结构常数，1.1.微分方程微分方程2.传感器的动态数学模型传感器的动态数学模型通常除通常除b0外，其余参数外，其余参数对微分方程两边取拉普拉斯变换，则得：对微分方程两边取拉普拉斯变换，则得：该系统的传递函数该系统的传递函数H(s)为：为：2.传递函数传递函数等号右边是一个与输入无关的表达式，只与系统结构等号右边是一个与输入无关的表达式，只与系统结构参数有关，传递函数参数有关，传递函数H(s)是描述传感器本身传递信息的是描述传感器本身传递信息的特性，即传输和变换特性。由输入激励和输出响应的拉特性，即传输和变换特性。由输入激励和输出响应的拉氏变换求得。当传感器比较复杂或传感器的基本参数未氏变换求得。当传感器比较复杂或传感器的基本参数未知时，可以通过实验求得传递函数。知时，可以通过实验求得传递函数。系统的传递函数框图示意系统的传递函数框图示意见图见图1-2。对于对于n个环节的并联系统：个环节的并联系统：2.传递函数传递函数对于对于n个环节的串联系统：个环节的串联系统：1.3.2检测系统的静态特性与性能指标检测系统的静态特性与性能指标 静静态态检检测测是是指指测测量量时时，检检测测系系统统的的输输入入、输输出出信信号号不不随随时时间间变变化化或或变变化化很很缓缓慢慢。静静态态检检测测时时，系系统统所所表表现现出出的的响响应应特特性性称称为为静静态态响响应应特特性。性。1.测量范围测量范围 检检测测系系统统能能正正常常测测量量的的最最小小输输入入量量和和最最大大输输入量之间的范围。入量之间的范围。2.灵敏度灵敏度灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即：灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即：3.线性度线性度(Linearity)标标定定曲曲线线与与拟拟合合直直线线的的偏偏离离程程度度就就是是线线性性度度，又又称称非非线线性性误误差差。如如果果在在全全量量程程A输输出出范范围围内内，标标定定曲曲线线偏偏离离拟拟合合直直线线的的最最大大偏偏差差为为B，则则定定义义非线性度为：非线性度为：对于系统静态特性存在非线性的情况，都应进对于系统静态特性存在非线性的情况，都应进行线性处理。行线性处理。常用的方法：理论直线法、端点线法、常用的方法：理论直线法、端点线法、最佳直线法、最小二乘法和计算程序法等。最佳直线法、最小二乘法和计算程序法等。l理论直线法理论直线法y=axl端点线法端点线法l最佳直线法最佳直线法图1.41.4 几种不同的几种不同的拟合方法合方法()理理论直直线法法 ()端点端点连线法法 ()端点端点连线平移法平移法l最小二乘法最小二乘法按最小二乘法取拟合直线，该直按最小二乘法取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。设实际校准测试点有设实际校准测试点有n个，则第个，则第i个校准数个校准数据据yi与拟合直线上相应值之间的残差为与拟合直线上相应值之间的残差为根据最小二乘原理，应使根据最小二乘原理，应使最小；故由最小；故由分别分别对对k和和b求一阶偏导数并令其等于零，即可求得求一阶偏导数并令其等于零，即可求得k和和b。4.重复性重复性(Repeatability)重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-3所示。所示。传感器输出特性的不传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂电路元件老化、工作点漂移等原因产生。移等原因产生。图图1-3传感器的重复性传感器的重复性重复性极限误差由下式表示：重复性极限误差由下式表示：EZ=MAX/yFS100%传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的输入特性曲线不一致的程度，如图程度，如图1-4所示。所示。在行程环中同一输在行程环中同一输入量入量xi对应的不同输出对应的不同输出量量yi和和yd的差值叫滞环的差值叫滞环误差，最大滞环误差与误差，最大滞环误差与满量程输出值的比值称满量程输出值的比值称最大滞环率最大滞环率EMAX：EMAX=m/yFS100%图图1-4传感器的迟滞现象传感器的迟滞现象5.迟滞滞现象象(Hysteresis)6.稳定度和漂移稳定度和漂移稳定度通常是相对时间而言，指检测系统在稳定度通常是相对时间而言，指检测系统在规定的条件下保持其测量特性恒定不变的能力。规定的条件下保持其测量特性恒定不变的能力。漂移指检测系统随时间的慢变化。在规定条漂移指检测系统随时间的慢变化。在规定条件下，对于一个恒定的输入在规定时间内的输出件下，对于一个恒定的输入在规定时间内的输出在标称范围最低值处的变化，称为零点漂移，简在标称范围最低值处的变化，称为零点漂移，简称零漂。温度变化引起的漂移叫温漂。称零漂。温度变化引起的漂移叫温漂。7.静态响应特性的其他术语静态响应特性的其他术语（1）精度）精度精确度的简称。表示随机误差和系统误差的综合评定指标。精确度的简称。表示随机误差和系统误差的综合评定指标。（2）可靠性）可靠性与检测系统无故障工作时间长短有关的一种描述。与检测系统无故障工作时间长短有关的一种描述。（3）分辨率）分辨率能引起输出变化的输入量的最小变化量，表示检测系能引起输出变化的输入量的最小变化量，表示检测系统分辨输入量微小变化的能力。统分辨输入量微小变化的能力。（4）灵敏阀）灵敏阀又称死区，是用来衡量检测起始点不灵敏的程度。又称死区，是用来衡量检测起始点不灵敏的程度。式中式中t为时间变量，为时间变量，和和 均均为常数。为常数。线性时不变系统及其主要性质线性时不变系统及其主要性质当当系系统统的的输输入入x(t)和和输输出出y(t)之之间间关关系系可可用用常常系系数数线线性性微微分分方方程程来来描描述述时时，则则称称该该系系统统为为线线性性时时不不变变系系统统，也也称为线性定常系统。即：称为线性定常系统。即：（1.1）1.3.3检测系统的动态特性与性能指标检测系统的动态特性与性能指标设设x(t)为为输输入入，y(t)为为输输出出，若若，则对于任何一个常数则对于任何一个常数k，有，有则则（1.2）（1）叠加性叠加性设设x(t)为输入，为输入，y(t)为输出，若为输出，若满足叠加原理，意味着作用于线性系统的满足叠加原理，意味着作用于线性系统的各个输入所产生的输出是互不影响的。各个输入所产生的输出是互不影响的。（2）比例性（齐次性）比例性（齐次性）（3）微分性）微分性零初始条件下，系统对原输入微分的响应等于零初始条件下，系统对原输入微分的响应等于原输出的微分。即：对于原输出的微分。即：对于x(t)为输入，为输入，y(t)为输出，为输出，若若x(t)y(t)，则有：，则有：（1.4）（4）积分性积分性零零初初始始条条件件下下，系系统统对对原原输输入入积积分分的的响响应应等等于于原原输输出出的的积积分分。即即：x(t)为为输输入入，y(t)为为输输出出，若若x(t)y(t)，则有：，则有：（1.5）（5）频率保持特性）频率保持特性对于线性定常系统，若输入为某一频率对于线性定常系统，若输入为某一频率的简谐信号的简谐信号x(t)=X0cost，则系统的稳态，则系统的稳态输出必定是与输入同频率的简谐信号，输出必定是与输入同频率的简谐信号，即即y(t)=Y0cos(t+0)，此规律称为频率保，此规律称为频率保持特性。但其幅值和初相位将发生变化。持特性。但其幅值和初相位将发生变化。式中式中t为时间变量，为时间变量，和和为常数，系统为线性定常系统。为常数，系统为线性定常系统。1.3检测系统的动态特性与性能指标检测系统的动态特性与性能指标1.3.1微分方程微分方程 检测系统用于动态测量时，输入检测系统用于动态测量时，输入x(t)与输出与输出y(t)均随时间变化，其关系用式（均随时间变化，其关系用式（1.1）的微分方程）的微分方程描述，即描述，即 故有故有1.3.2传递函数传递函数（1）传递函数的定义）传递函数的定义零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换和输入量的拉氏变换之比称为系统传递函数。在零和输入量的拉氏变换之比称为系统传递函数。在零初始条件下，对式（初始条件下，对式（1.1）两边同时作拉氏变换，则）两边同时作拉氏变换，则有有（2）传递函数的特点）传递函数的特点1）传递函数表示了系统本身的动态性能与输入量大）传递函数表示了系统本身的动态性能与输入量大小及性质无关。对于具体的系统，其传递函数不因输入小及性质无关。对于具体的系统，其传递函数不因输入的变化而不同，对任何一个输入都有确定的输出。的变化而不同，对任何一个输入都有确定的输出。2）相似系统。传递函数不拘泥于被描述系统物理结）相似系统。传递函数不拘泥于被描述系统物理结构而只反映动态性能。不同的物理系统，可以用相同的构而只反映动态性能。不同的物理系统，可以用相同的传递函数来描述，称为相似系统。传递函数来描述，称为相似系统。3）传递函数可以有量纲，也可以无量纲。）传递函数可以有量纲，也可以无量纲。4）传递函数是复变量传递函数是复变量s的有理分式。对于实际系统，的有理分式。对于实际系统，分子阶次分子阶次m1，H(j)=1/jT，系系统统相相当当于于一一个个积积分分器器。其其中中A()几几乎乎与与激激励励频频率率成成反反比比，相相位位滞滞后后近近90。故一阶系统适合测试缓变或低频的被测量。故一阶系统适合测试缓变或低频的被测量。2）时间常数）时间常数T是反映一阶系统特性的重要参数，其值决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。定系统适用的频率范围。由图由图1.9可见，一阶系统的幅频特性曲线随着可见，一阶系统的幅频特性曲线随着的增加单调的增加单调减小，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：一阶系统特性中，应特别注意以下几点：（2）二阶系统的频率响应函数）二阶系统的频率响应函数由二阶系统的传递函数由二阶系统的传递函数，可，可得二阶系统的频率响应函数为：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：相应的幅频特性和相频特性分别为：（1.16）（1.17）相应的幅频、相频特性曲线的伯德图如图（相应的幅频、相频特性曲线的伯德图如图（1.10）所示。）所示。图图1.10二阶系统伯德图二阶系统伯德图（a）幅频特性幅频特性（b）相频特性相频特性二阶系统具有以下的特点：二阶系统具有以下的特点：1）当）当时，时，；当；当时，时，；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。其其固固有有频频率率的的选选择择应应以以工工作作频频率率范范围围为为依依据据。在在附附近近，系系统统幅幅频频特特性性受受阻阻尼尼比比影影响响极极大大。时时，系系统统发发生生共共振振。此此时时；3）段，段，很小，且和频率近似成正比增加。很小，且和频率近似成正比增加。段段，趋趋近近于于180，即即输输出出信信号号几几乎乎和和输输入入反反相相。在在 区区间间，随随频频率率的的变变化化而而剧剧烈烈变变化化，而而且且越越小小，变变化化越越剧剧烈；烈；4）二阶系统是一个振荡环节。）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。当的固有频率和阻尼比的组合，以获得较小的误差。1.3.4实现不失真测量的条件实现不失真测量的条件如如果果一一个个检检测测系系统统，其其输输出出y(t)和和输输入入x(t)满满足足下下列列关关系：系：（1.18）其其中中A和和t0都都是是常常数数，表表明明该该系系统统输输出出的的波波形形和和输输入入的的波波形形精精确确的的一一致致，只只是是幅幅值值放放大大了了A倍倍和和时时间间上上延延迟迟了了t0，这种情况，被认为测试装置具有不失真测量的特性。，这种情况，被认为测试装置具有不失真测量的特性。对式（对式（1.18）两边取拉氏变换，得）两边取拉氏变换，得故不失真测试装置的传递函数为故不失真测试装置的传递函数为（1.19）频率响应函数为频率响应函数为（1.20）其幅频与相频特性分别为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。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，引起的失真称为幅值失真，与与之间不满足线性关系引起的失真称为相位失真。之间不满足线性关系引起的失真称为相位失真。Thanks for listening