第2讲检测系统及其基本特性

1、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。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所有的行业,它是多学科知识的综合应用。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论。论等近代新技术和新理论。最终目

2、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,为了实现此目的为了实现此目的,一个广义的检测系统一般一个广义的检测系统一般由激励装置、测试装置、由激励装置、测试装置、数据处理与记录装置所组成数据处理与记录装置所组成（如图（如图1.2）。）。 信号调理电路 测试对象 传感器 激励信号 信号分析与记录 电信号输出 图 1.2 检测系统原理图 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 激励信号由激励装置产生激励信

3、号由激励装置产生,采用激励装置是为了使采用激励装置是为了使被测对象处于预定状态下被测对象处于预定状态下,并将其有关方面的内在联系并将其有关方面的内在联系充分显示出来充分显示出来,以便于有效的测量。以便于有效的测量。 对于能量控制型传感器中的一些类型对于能量控制型传感器中的一些类型,如如:超声波探超声波探伤、激光散斑技术测量应变伤、激光散斑技术测量应变,就是由外部能源供给激励就是由外部能源供给激励信号发生器信号发生器,而激励信号发生器以信号激励被测对象而激励信号发生器以信号激励被测对象,输输入传感器的信号就是被测对象对激励信号的响应入传感器的信号就是被测对象对激励信号的响应,它反它反映了被测对象

4、的性质或状态。映了被测对象的性质或状态。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被测信号一般都是随时间变化的动态量, ,即使在检即使在检测不随时间变化的静态量时测不随时间变化的静态量时, ,由于混有动态的干扰噪声由于混有动态的干扰噪声, ,通常也通常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由于被测信号描述了被测对象特征信息,且信号本且信号本身的结构对所选用测试装置有重大影响身的结构对所选用测试装置有重大影响,因此应当熟

5、悉因此应当熟悉和了解各种信号的基本特征和分析方法。和了解各种信号的基本特征和分析方法。 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。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把来自于传感器的

6、信号进行转换和放大, ,使其更适合于使其更适合于进一步处理和传输进一步处理和传输, ,多数情况是将各种电信号转换为电压多数情况是将各种电信号转换为电压、电流、频率等少数几种便于测量的电信号电流、频率等少数几种便于测量的电信号,输出功率可输出功率可达到达到 mW 级级;l进行信号处理进行信号处理,即对经过信号调理的信号即对经过信号调理的信号,进行滤波、调进行滤波、调制和解调、衰减、运算、数字化处理等。制和解调、衰减、运算、数字化处理等。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信号调理电路输出的测量结果是对被测信号的真实记录录

7、, ,为了显示其变化过程为了显示其变化过程, ,可以采用光线示波器、屏幕显可以采用光线示波器、屏幕显示器、打印机等输出装置。示器、打印机等输出装置。 此外还可以用磁记录器来存储被测信号此外还可以用磁记录器来存储被测信号, ,以便于检测以便于检测工作完成后反复使用信号。工作完成后反复使用信号。 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但要从客观记录的信号中找出反映被测对象的本质规律规律, ,还必须对信号进行分析（如还必须对信号进行分析（如: :信号强度分析、信号信号强度分析、信号的频谱分析、信号的相关分析、信号的概率密度谱分析

8、的频谱分析、信号的相关分析、信号的概率密度谱分析等）等）, ,从而提取有用信息。从而提取有用信息。 信号分析的设备各式各样信号分析的设备各式各样, ,有专用的分析仪（如有专用的分析仪（如: :相相关分析仪、概率密度分析仪、频谱分析仪、传递函数分关分析仪、概率密度分析仪、频谱分析仪、传递函数分析仪等）析仪等）, ,也有作综合分析用的信号处理机和数字信号处也有作综合分析用的信号处理机和数字信号处理系统理系统一、一、 静态特性与性能指标静态特性与性能指标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:稳定的稳定的,不随时间变化或变化比较缓慢不随时间变化或变化比较缓慢动态信

9、号动态信号:随时间变化而变化随时间变化而变化输入量的状态不同输入量的状态不同,系统所呈现出来的输入输出特性也系统所呈现出来的输入输出特性也不同不同,因此存在静态特性和动态特性。因此存在静态特性和动态特性。良好的静态和动态特性良好的静态和动态特性,可降低或消除测量误差可降低或消除测量误差,才能才能使信号按规律准确转换。使信号按规律准确转换。2021/2/712线性度线性度(非线性误差）非线性误差）输出量与输入量之间的实际关系曲线偏输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度。（属系统误差）离直线的程度。（属系统误差）式中式中, max输出量与输入量实际曲线与你和直线之间的最大偏输出量与输入量实

10、际曲线与你和直线之间的最大偏差差;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、线性度、线性度%100maxSFyE2021/2/713 (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、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

11、宽准线性度理想线性特性2021/2/714一、一、 静态特性与性能指标静态特性与性能指标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的输出增量与输入增量的比值,用用Sn表示表示,即即具有输出具有输出/输入量纲。输入量纲。xySn2021/2/715一、一、 静态特性与性能指标静态特性与性能指标2、灵敏度、灵敏度(Sensitivity)图图1-5 灵敏度定义灵敏度定义xyySn0dxdysn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dxdysnxyySn02021/2/716一、一、 静态特性与

12、性能指标静态特性与性能指标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。时所得特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）:%100maxSFSyE图图1-6 重复性重复性2021/2/717迟滞现象迟滞现象 对于同一大小的输入信号对于同一大小的输入信号,传感器的正、反行程的传感器的正、反行程的输出信号大小不相等的现象。输出信号大小不相等的现象。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

13、图%100maxmaxSFyE一、一、 静态特性与性能指标静态特性与性能指标4、迟滞（滞环）（迟滞（滞环）（Hysteresis)diyyE2021/2/718一、一、 静态特性与性能指标静态特性与性能指标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说明测量结果的分散性,即对某一稳定的被测量即对某一稳定的被测量,由同由同一个测量者一个测量者,用同一个检测系统用同一个检测系统,在相当短的时间内连续重复测在相当短的时间内连续重复测量多次量多次(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

14、例如,某测温传感器的精密度为某测温传感器的精密度为0.5。精密度是随即误差大小。精密度是随即误差大小的标志的标志,精密度高精密度高,意味着随机误差小。注意意味着随机误差小。注意:精密度高不一定准精密度高不一定准确度高。确度高。2021/2/719一、一、 静态特性与性能指标静态特性与性能指标5、精确度、精确度与精确度有关指标与精确度有关指标:精密度、准确度和精确度精密度、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表示该传感

15、器的输出值与真值偏离真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志准确度是系统误差大小的标志, ,准确度高意准确度高意味着系统误差小。同样味着系统误差小。同样, ,准确度高不一定精密度高。准确度高不一定精密度高。2021/2/720一、一、 静态特性与性能指标静态特性与性能指标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。 2021/2/721一、一、 静态特性与性能指标

16、静态特性与性能指标5、精确度、精确度为表示测量结果的准确程度为表示测量结果的准确程度,引入精确度等级概念引入精确度等级概念,用用A表示。表示。A以一系列标准百分数值以一系列标准百分数值(0.001,0.005,0.02,0.05,1.5,2.5,4.0,)进行分档。进行分档。此数值是检测系统和测量仪表在规定条件下此数值是检测系统和测量仪表在规定条件下,其允许的最大绝对其允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数误差值相对于其测量范围的百分数:%100FSyAA2021/2/722 分辨率和分辩力都是表示检测系统能检测被测量的最小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。值

17、的性能指标。 分辨率是以满量程的百分数来表示分辨率是以满量程的百分数来表示,无量纲无量纲; 分辩力是以最小量程的单位值来表示分辩力是以最小量程的单位值来表示,有量纲。有量纲。一、一、 静态特性与性能指标静态特性与性能指标6、分辨率和分辩力（分辨率和分辩力（Resolution）7、漂移、漂移在外界干扰下在外界干扰下,在一定时间间隔内在一定时间间隔内,输出量发生与输入输出量发生与输入无关的、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%1000FSYY零漂

18、 式中Y0最大零点偏差; YFS 满量程输出。l检测系统在外界温度下输出量发出的变化%100maxTYFS温漂 式中max 输出最大偏差;T 温度变化范围; YFS 满量程输出。 2021/2/725二、二、 动态特性与性能指标动态特性与性能指标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)。2021/2/726二、二、 动态特性与性能指标动态特性与性能指标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 )()()()(2211tytxtyt

19、x)(ty)(tx)()()()(22112211tyctyctxctxc)()(11tyctxc)()(22tyctxc2021/2/727二、二、 动态特性与性能指标动态特性与性能指标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)()(tytxdttdydttdx)()(（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)()(tytxtttytx00)()(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

20、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（4）频率保持特性tXtxcos)(0)cos()(00tYty1、线性时不变系统、线性时不变系统 线性定常系统的这些主要性质,特别是叠加性和频率保持叠加性和频率保持特性特性,在工程测试中具有重要意义。u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。u 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

21、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、线性时不变系统、线性时不变系统一、一、 动态特性与性能指标动态特性与性能指标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:动态特性中输出量与输入量的关系不是一个定值动态特性中输出量与输入量的关系不是一个定值,而是而是时间的函数时间的函数,它随输入信号的频率而改变。它随输入信号的频率而改变。检测系统的动态特性常用它对某些标准输入信号的响检测系统的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。应来表示。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)二、二、 动态特性与性能指标

22、动态特性与性能指标阶跃响应阶跃响应: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：0( )00Atr tt1其输出特性为阶跃响应特性。其输出特性为阶跃响应特性。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:2021/2/7331 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

23、三个指标表征系统初始阶段的快慢。%100)()()(%yytyp5 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。二、二、 动态特性与性能指标动态特性与性能指标频率响应频率响应:在一定条件下在一定条件下,任意信号均可分解为一系列不同频率的任意信号均可分解为一系列不同频率的正弦信号。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。

24、正弦信号输入检测系统输出频率响应二、二、 动态特性与性能指标动态特性与性能指标频率响应频率响应:在一定条件下在一定条件下,任意信号均可分解为一系列不同频率的任意信号均可分解为一系列不同频率的正弦信号。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: 11)()()(TSSXSYSGdttdyCRtytx)()

25、()(分母S的最高次数为阶数令 T=RC,两边同时作拉氏变换,整理得:11)()()(TSSXSYSG )(tx环境温度 )(ty液柱高度 图 1.5 液柱式水银温度计 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2222)(nnnSSksGkniuou)()()()(tutRidttdiLtuoidttduCtio)()( 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: )(SI11)()()(2RCSLCSsUSUSGioL i R C ui uo 图1.6 RLC振荡电

26、路 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是频率响应函数的模, ,为为 的函数的函数, ,也是动态检测系统的也是动态检测系统的灵敏度灵敏度, ,随着频率变化而变化随着频率变化而变化, ,故称为幅频特性故称为幅频特性,与静态测量中灵敏度为常数有显著的区别。 tjeXtx0)()(0)(tjeYty)()()(txjHty01110111)()()()()(ajajajabjbjbjbjHnnnnmmmm )()()()()(jHjejHtxty

27、jH00)(XYjH1.3.3 频率响应函数频率响应函数 是频率响应函数的模是频率响应函数的模, ,为为 的函数的函数, ,也是动态检测系统的也是动态检测系统的灵敏度灵敏度, ,随着频率变化而变化随着频率变化而变化, ,故称为幅频特性故称为幅频特性,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。 00)(XYjH)(jH 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

28、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。 TjjH11)(2)(11)(TATarctan)(图1.7 一阶系统奈氏图图1.8 一阶系统伯德图 T1 )( T3 0.707 1 T2 -90o -45o )(A 图 1.9 一 阶 系 统 的 幅 频 、 相 频 特 性 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: 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

29、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。 T1)(A1TTjjH1)()(A（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）2222)(nnnSSkSGnnnjjH2)()(222 2222411)(nnA 212arctan)(nn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）影响二阶系统动态特性的参数是固有频率和阻尼比。）影响二阶系统动态特性的参数是固有频率和阻尼比。其固有频率其固有频率 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 附近附近, ,系统幅频特性受阻尼比影响极大。系统幅频特性受阻尼比影响极大。