检测系统及其基本特性

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1、传感器与现代检测技术传感器与现代检测技术 四川大学电气信息学院自动化系主讲教师：蒋荣华目录目录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1.2 1.2 检测技术的基本概论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。检测技术: 几乎已应用于所有的行业，它是多学科知识的综合应用。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。最终目的就是从测量对象中获取反映其变化规

2、律的有用信息， 为了实现此目的，一个广义的检测系统一般由激励装置、测试装置 、数据处理与记录装置所组成（如图1.2）。1.2 1.2 检测技术的基本概论检测技术的基本概论1.2 1.2 检测技术的基本概论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1-3三、 各组成部分的特点（1）激励信号激励信号由激励装置产生，采用激励装置是为了 使被测对象处于预定状态下，并将其有关方面的内在 联系充分显示出来，以便于有效的测量。对于能量控制型传感器中的一些类型，如 ：超声波探伤、激光散斑技术测量应变，就是由外部 能源供给激

3、励信号发生器，而激励信号发生器以信号 激励被测对象，输入传感器的信号就是被测对象对激 励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。1.2 1.2 检测技术的基本概论检测技术的基本概论三、 各组成部分的特点（2）测试对象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。 1.2 1.2 检测技术的基本概论检测技术的基本概论三、 各组成部分的特点 （3）传感

4、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 1.2 检测技术的基本概论检测技术的基本概论三、 各组成部分的特点（4）信号调理电路信号调理电路的主要作用有两方面:u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 mW 级；u进行信号处

5、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。1.2 1.2 检测技术的基本概论检测技术的基本概论三、 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。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。1.2 1.2 检测技术的基本概论检测技术的基本概论三、 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

6、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、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1.2 1.2 检测技术的基本概论检测技术的基本概论一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性检测系统的非电量检测两种形式：静态信号：稳定的，不随时间变化或变化比较缓慢 动态信号：随时间变化而变化输入量的状态不同，系统所呈现出来的输入输出特性 也不同，因此存在静态特性和动态特性。良好的静态和动态特性，可降低或消除测量误差，才 能使信号按规律准确转换。线性度(非线性误差）输出量

7、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）式中，max输出量与输入量实际曲线与你和直线之间的最大 偏差；yFS输出满量程。一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性1、线性度(a)普遍情况：y=a1x+a2x2+a3x3+a4x4+(b)理想线性：y=a1x ， 灵敏度Sn=y/x=a1=常数（K）(c)具有偶次项非线性：y=a1x+a2x2+a4x4+(d)具有奇次项非线性：y=a1x+a3x3+a5x5+ 一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性1、线性度图1-4 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

8、性一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性2、灵敏度(Sensitivity)灵敏度是指在稳态下的输出增量与输入增量的比值，用Sn表示， 即具有输出/输入量纲。一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性2、灵敏度(Sensitivity)图1-5 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一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性3、重复性（Repeatability) 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 时所得特性曲线不一致的程度。不重复性误差(

9、属随机误差）：图1-6 重复性迟滞现象 对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程的 输出信号大小不相等的现象。迟滞误差（属系统误差）图1-7 滞环特性示意图一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性4、迟滞（滞环）（Hysteresis)一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性5、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：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 重复测量多次(等精度测量)，其测量结果的分散程度。(对应随 机误差)例如，某测温传感器的精密度为0

10、.5。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。一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性5、精确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)正确度(准确度)：说明测量结果与真值的偏离程度。如,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。同样，准确度高不一定精密度高。一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性5、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。

11、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。 一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性5、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A表示。A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。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 对误差值相对于其测量范围的百分数：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。分辨率是以满量程的百分数来表示

12、，无量纲； 分辩力是以最小量程的单位值来表示，有量纲。一、 静态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性6、分辨率和分辩力（Resolution）7、漂移在外界干扰下，在一定时间间隔内，输出量发生与输 入无关的、不需要的变化。零点漂移和灵敏度漂移时间漂移和温度漂移零点漂移零点漂移 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。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。 二、 动态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统

13、的特性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)。二、 动态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性1、线性时不变系统（1）叠加性与比例性 设 为输入， 为输出，若 二、 动态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性1、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 ，则对于线性定常系统，若输入为

14、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、 动态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性（4）频率保持特性1、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 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

15、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、 动态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性1、线性时不变系统一、 动态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性动态特性与静态特性的主要区别：动态特性中输出量与输入量的关系不是一个定值，而 是时间的函数，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 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、 动态特性与性能指标1.3 1.3 检测系统的特性检测系统的特性阶跃响应：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。超调误差带稳态误差EssTdTr TpTs0tH(t)1 0.90.50.1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：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。5 调节时间Ts：指h