第1章检测系统的特征与.ppt
第1章 传感器与检测技术概论,1.1 检测技术概论 1.2 传感器概论 1.3 传感器与检测技术的发展动向 1.4 检测系统的静态特性与性能指标 1.5 检测系统的动态特性与性能指标,下页,返回,1.1 检测系统概论 1.1.1 检测的定义 检测（Detection）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。 1.1.2 检测技术的作用 检测是科学研究的基础。 汽车生产过程中自动化测试生产线图 典型风力发电系统在线监测与故障诊断示意图,下页,上页,返回,下页,上页,返回,测控技术在交通领域监测中的应用,下页,上页,返回,测控技术在国防科研中的应用,测控系统在航天领域应用,下页,上页,返回,智能家居中应用,网络在智能建筑应用,下页,上页,返回,网络化环境动态监测系统图,下页,上页,返回,水源安全远程监测系统图,滑坡位移监测仪及远程监测系统,下页,上页,返回,远程会诊系统图,植物生理监控系统,下页,上页,返回,1.1.3 工业检测技术的类型和内容 工业检测技术的内容非常广泛，常见的工业检测涉及的内容有,1.1.4 检测系统的基本结构 图1.11所示为涵盖各种功能模块的检测系统的结构框图，由传感器、模拟信号调理电路、数字信号分析与处理部分、显示部分以及将处理信号传送给控制器、其他检测系统或上位机系统的通信接口部分等。,下页,上页,返回,（1）传感器 传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是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。 （2）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、电流、频率等少数几种便于测量的电信号，输出功率可达到 级；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、调制和解调、衰减、运算、数字化处理等。,下页,上页,返回,（3）记录、显示仪器 记录、显示仪器是将所测得的信号变为一种能为人们所理解的形式、以供人们观察和分析。目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图像显示及记录仪等。 （4）信号分析处理 它是现代检测系统中不断被注入新内容的一部分，逐渐成为检测系统的研究重点。它是用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果作频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等，完成这些工作必须采用计算机技术。 （5）通信接口和总线 它是实现由许多测量子系统或测量节点组成的大型检测系统中子系统与上位机之间以及子系统之间的信息交换。总线更多的是指一种规范、一种结构形式；而接口多指完成通信的硬件系统。,下页,上页,返回,1.2传感器概论 1.2.1传感器的定义 传感器（Transducer/sensor）的定义为：“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，通常由敏感元件和转换元件组成”。 1.2.2 传感器的组成,下页,上页,返回,（1）传感器一般由敏感元件、变换元件和其他辅助元件组成。 （2）敏感元件感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。 （3）变换元件又称传感元件，是传感器的重要组成元件。 （4）信号调理与转换电路能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。,下页,上页,返回,1.2.3 传感器分类 传感器的种类繁多。传感器有许多种分类方法。常用的分类方法有： （1）按被测量分类 机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振动、噪声 热工量：温度、热量、流量（速）、风速、压力（差）、液位 物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度 状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损、表面质量 （2）按测量原理分类 按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。,下页,上页,返回,（3）按信号变换特征分类 结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。 物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换 （4）按能量关系分类 能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。 能量控制型：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。,下页,上页,返回,下页,上页,返回,下页,上页,返回,1.3 传感器与检测技术的发展动向,1.3.1 测量仪器向高精度和多功能发展 1.3.2 参数测量与数据处理向自动化方向发展 1.3.3 传感器向智能化、集成化、微型化、量子化、网络化的方向发展 1.3.4 开展极端测量,1.4 检测系统的静态特性与性能指标 静态检测是指测量时，检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化很缓慢。静态检测时，系统所表现出的响应特性称为静态响应特性。通常用来描述静态响应特性的指标有测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差等。一般用标定曲线来评定检测系统的静态特性，理想的线性装置的标定曲线是直线，而实际检测系统的标定曲线并非如此。通常采用静态测量的方法求取输入输出关系曲线，作为标定曲线。多数情况还需要按最小二乘法原理求出标定曲线的拟合直线。 1.4.1 测量范围 检测系统能正常测量的最小输入量和最大输入量之间的范围。,下页,上页,返回,1.4.2 灵敏度 灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即： （1.1） 如图1.13所示，线性系统的灵敏度S为常数，即输入输出关系直线的斜率，斜率越大，其灵敏度就越高。非线性系统的灵敏度S是变量，是输入输出关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度。要注意灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，系统的稳定性就越差，测量范围相应就越小。,下页,上页,返回,1.4.3 非线性度 如图1.14所示，标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。如果在全量程A输出范围内，标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为B，则定义非线性度为： （1.2） 1.4.4 回程误差 如图1.15所示，回程误差也称为滞后或变差。实际测量系统在相同的测量条件下，当输入量由小增大，,下页,上页,返回,图1.13,图1.14,或由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量存在差值，则定义回程误差为： （1.3） 1.4.5 稳定度和漂移 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。 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。,下页,上页,返回,图1.15,1.4.6 重复性 重复性表示检测系统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1.16）。,1.4.7 分辨力 分辨力是用来表示检测系统或仪表装置能够检测被测量最小变化量的能力。,下页,上页,返回,图1.16,1.4.8 精确度（精度） 精确度指标有三个：精密度、正确度和精确度。 （1）精密度 ：说明测量结果的分散性， 愈小则说明测量愈精密（对应随机误差）。 （2）正确度 ：它说明测量结果偏离真值大小的程度，即示值有规则偏离真值的程度。指所测值与真值的符合程度（对应系统误差）。 （3）精确度 ：它含有精密度与正确度两者之和的意思，即测量的综合优良程度。通常精确度是以测量误差的相对值来表示的。 它可表示为：,（1.5）,返回,上页,下页,1.5 检测系统的动态特性与性能指标 动态测量时，被测信号随时间迅速变化，输出要受检测系统动态特性的影响，因此需要了解检测系统的动态特性。对于测量动态信号的检测系统，要求检测系统在输入量改变时，其输出量能立即随之不失真的改变。在实际检测过程中，由于检测系统选用不当，输出量不能良好地追随输入量的快速变化会导致较大的测量误差。因此研究检测系统的动态特性有着十分重要的意义。系统的动态响应特性一般通过描述系统的微分方程、传递函数、频率响应函数、单位脉冲响应函数等数学模型来进行研究。 1.5.1 微分方程 检测系统用于动态测量时，输入 与输出 均随时间变化，其关系用式（1.6）的微分方程描述，即,下页,上页,返回,（1.6） 式中t为时间变量， 和 均为常数，此系统为线性定常系统。 1.5.2 传递函数 虽然微分方程中含有描述检测系统的动态响应特性的信息，但使用时不是很方便，所以描述系统的动态特性，常常采用传递函数。 （1）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（1.6）两边同时作拉氏变换，则有,下页,上页,返回,故有 （1.7） （2）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。 2）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。,下页,上页,返回,4）传递函数是复变量s的有理分式。对于实际系统，分子阶次mn，分母最高阶次n为输出量最高阶导数的阶次，也确定系统的阶次n阶系统。 （3）常见测试装置的传递函数 1）一阶系统 传递函数 （1.8） 式中：T为时间常数，单位为秒。 例如：液柱式水银温度计 设 为被测环境温度， 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：,下页,上页,返回,令 ，两边同时作拉氏变换，整理得：,下页,上页,返回,图1.17 液柱式水银温度计,2）二阶系统 传递函数 （1.9） 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,下页,上页,返回,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：,下页,上页,返回,图1.18 RLC振荡电路,1.5.3 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 代入式（1.6），可得 （1.10） 其中： 称为测量系统的频率响应函数。即： （1.11） 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，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。,下页,上页,返回,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。 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： （1.12） （1.13） 其中负号表示输出信号滞后于输入信号。一阶系统奈氏图、伯德图分别如图1.19、图1.20所示；一阶系统的幅频、相频特性图如图1.21所示。,下页,上页,返回,由图1.21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：,下页,上页,返回,图1.19 一阶系统奈氏图,图1.20 一阶系统伯德图,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。,下页,上页,返回,图1.21 一阶系统的幅频、相频特性图,（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： （1.14） （1.15）,下页,上页,返回,相应的幅频、相频特性曲线的伯德图如图（1.22）所示。,图1.22 二阶系统伯德图,（a）幅频特性 （b）相频特性,下页,上页,返回,二阶系统具有以下的特点： 1）当 时， ；当 ， ； 2）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 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。 时，系统发生共振，实际测量时，应该避免此情况。此时 ，在测定系统本身参数时，有重要的意义； 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,下页,上页,返回,得较小的误差。 1.3.4 实现不失真测量的条件 如果一个检测系统，其输出 和输入 满足下列关系： （1.17） 其中 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A倍和时间上延迟了 ，这种情况，被认为测试装置具有不失真测量的特性。 对式（1.17）两边取拉氏变换，得 故不失真测试装置的传递函数为 （1.19）,下页,上页,返回,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。,上页,返回,
