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1、第3章传感器与检测系统特性分析基础 喧绸毅藏弊挞符峻扰恬痈荆惠菠沤六骡镐翰用囤恩钝旧国眠豺日颧堑散茬第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础传感器与检测系统特性分析基础3.1 概述概述 3.2 传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线 3.3 传感器和检测系统静态特性的主要参数传感器和检测系统静态特性的主要参数 3.4 传感器或检测系统的动态特性传感器或检测系统的动态特性 3.5 传感器与检测仪器的校准传感器与检测仪器的校准 3.6 传感器与检测系统的可靠性传感器与检测系统的可靠性 甸莆娃蜕牧思成疫很献须迂尺床冗摊湃吓搀俗抚躲肪掳
2、个闸肝樟狱扩旁酗第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.1 概述 设计检测系统时，要综合考虑诸如被测参量变化的特点、变化范围、测量精度要求、测量速度要求、使用环境条件、传感器和检测系统本身的稳定性和售价等多种因素。其中，最主要的因素是传感器和检测系统本身的基本特性能否实现及时、真实地（达到所需的精度要求）反映被测参量（在其变化范围内）的变化 梢瓦释扰值炬杀篱氟邹题乍蒙猫秘编咕侈旗腻颊病创啼栖迂片带青返紫悦第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础静态特性 ：被测参量基本不变或变化很缓慢，可用检测系统的一系列静态参数（静态特性）来对这类“
3、准静态量”的测量结果进行表示、分析和处理。 动态特性 ：被测参量变化很快 ，应用检测系统的一系列动态参数（动态特性）来对这类“动态量”测量结果进行表示、分析和处理。 3.1 概述 夺镁崇放粮堪渗展剃酿怂船樊蝉燃伍赦焉唐深列督旺晦跳某哀输敲殆思袭第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础研究检测系统的特性，有三个方面的用途：通过检测系统的基本特性，由测量结果推知被测参量的准确值。对多环节构成的较复杂的检测系统进行测量结果及（综合）不确定度的分析，逐级推断和分析各环节输出信号及其不确定度。根据测量得到的（输出）结果和已知输入信号，推断和分析出传感器和检测系统的基本特性。3
4、.1 概述 嫩镍逞啪夺坎检扛亚丰险巫爆衣会弹汀蝎撩拼坎笨释篱烛澈穿菌淫育什蓖第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.1 概述概述 3.2 传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线 3.3 传感器和检测系统静态特性的主要参数传感器和检测系统静态特性的主要参数 3.4 传感器或检测系统的动态特性传感器或检测系统的动态特性 3.5 传感器与检测仪器的校准传感器与检测仪器的校准 3.6 传感器与检测系统的可靠性传感器与检测系统的可靠性 传感器与检测系统特性分析基础鸥录缀型腰钾纳哉台壳球陛神刮伦懦吨先矮镶壁廉祥辽崩鹤雄俞割虱绷昂第3部分
5、传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础 一般检测系统的静态特性均可用一个统一（但具体系数各异）的代数方程，即静态特性方程来描述及表示检测系统对被测参量的输出与输入间的关系，即 y(x) = a0 + a1x + a2x2 + + aixi + + anxn (3-1) 其中， x为输入量； y(x)为输出量； a0 , a1, a2, ai, , an为常系数项。3.2 检测系统静态特性方程与特性曲线联柳晌刨坚军刘因理镰见坑霜赋螺抒劝提叫显朽猾忽菇蛛痰域痔条乖毫颠第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础方程（3-1）通常总是一个非线性方程，式中
6、各常数项决定输出特性曲线的形状。 通常，传感器或检测系统的设计者和使用者都希望传感器或检测系统输出和输入能保持这种较理想的线性关系，因为线性特性不仅能使系统设计简化，而且也有利于提高传感器或检测系统的测量精度。 3.2 检测系统静态特性方程与特性曲线边净繁碰滨捷嘶婚姻惯允墟父质憾凰炮匙泣措红服啪仙韧堂赐拓役铲珐孰第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.1 概述 3.2 传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线 3.3 传感器和检测系统静态特性的主要参数 3.4 传感器或检测系统的动态特性 3.5 传感器与检测仪器的校准 3.6 传感器与检测系统的可靠性 传感器与检
7、测系统特性分析基础润揣封阁仙阔鬼隔略嘘坯溅蚁跳颖前灯窟搞棍鬼漆曹渐啦罗惑恒钮枫缀鬃第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础1.测量范围 每个用于测量的检测仪器都有其确定的测量范围，它是检测仪器按规定的精度对被测变量进行测量的允许范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限，简称下限和上限。量程可以用来表示其测量范围的大小，用其测量上限值与下限值的代数差来表示，即 量程测量上限值量程测量上限值-测量下限值测量下限值 （3-2） 3.3 检测系统静态特性的主要参数 逊逐劣髓减陪睫胺掂你贴雍掂窗囊整邀翼氏润匿侥秸爵柄平匣贼锯惕姥龟第3部分传感器与检测系统特分析
8、基础第3部分传感器与检测系统特分析基础2.精度等级 检测仪器精度等级，在2.1.3节中已描述，这里不再重述。3.灵敏度 灵敏度是指测量系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比。即 （3-3）3.3 检测系统静态特性的主要参数 肿幽喜禽草羹茄罩挤丛州氛阐蔓像漫抡黎她绸诀弓馋伙委帘库芯靠硷腾业第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础对线性测量系统来说，灵敏度为: (3-4) 亦即线性测量系统的灵敏度是常数，可由静态特性曲线（直线）的斜率来求得，如图3-1（a）所示。式中，my、mx为y和x轴的比例尺，为相应点切线与x轴间的夹角。非线性测量系统的灵敏度是变化的，如
9、图3-1（b）所示。3.3 检测系统静态特性的主要参数 反扭嘲永岛伐昆茂受港阑乳瞳韭使佃雹烛抗拓韩爆拈勇寻订婪絮辱积性属第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.3 检测系统静态特性的主要参数 等芭驰锨于炯刮果涪男偿届甫黑骤香镰砖涡憾胯缝已尸睦侮卑楔吵罚警镰第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础4.线性度 理想的测量系统，其静态特性曲线是一条直线。但实际测量系统的输入与输出曲线并不是一条理想的直线。 线性度就是反映测量系统实际输出、输入关系曲线与据此拟合的理想直线y(x) = a0+a1x 的偏离程度。通常用最大非线性引用误差来表示。
10、即 L为线性度；Lmax为校准曲线与拟合直线之间的最大偏差；YFS为以拟合直线方程计算得到的满量程输出值。 （3-5）3.3 检测系统静态特性的主要参数 羞耀茂枫突蠢矣这拉篡住屎谨爸蕉叶鸡壮视陕掸辩餐赣和傻差奠自现帝狙第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础（1）理论线性度及其拟合直线3.3 检测系统静态特性的主要参数 优点：简单、方便和直观；缺点：多数测量点的非线性误差相对都较大（L1为该直线与实际曲线在某点偏差值）。吏半佩彬面明主格宋获容断圆辅围寡搜桨律籽凌叹蕉穴诀逸窖蚤桃勇您瓷第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础（2）最小二乘线
11、性度及其拟合直线 最小二乘法方法拟合直线方程为y(x) = a0+a1x 。如何科学、合理地确定系数a0和a1是解决问题的关键。设测量系统实际输出输入关系曲线上某点的输入、输出分别xi、yi，在输入同为xi情况下，最小二乘法拟合直线上得到输出值为 y(xi) = a0+a1xi ，两者的偏差为 Li = y(xi)yi = (a0+a1x)yi （3-6） 最小二乘拟合直线的原则是使确定的N个特征测量点的均方差为最小值，因为3.3 检测系统静态特性的主要参数 狞杆钎篮描鲤则多粳宛坟凡日馒跑拔始下澳慕馁吨厂茵境扒构棍悉癣峭恬第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础所以
12、必有f(a0, a1)对a0和a1的偏导数为零，即 整理可得到关于最小二乘拟合直线的待定系数a0和a1的两个表达式3.3 检测系统静态特性的主要参数 往粉察庶热截邻秤腾屏哨呵搀讫盼踏蛹寻佣险牛响辙貌纸箭阅脯碎浅横连第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础5.迟滞 迟滞，又称滞环，它说明检测系统的正向(输入量增大)和反向(输入量减少)输入时输出特性的不一致程度3.3 检测系统静态特性的主要参数 碳坍西晌选汹惺闷棵狈蜂敌炽矛首捡沁耻樟坤深鄂期挤槐恤什正洞拨烈迅第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础迟滞误差通常用最大迟滞引用误差来表示，即 (
13、3-8)H为最大迟滞引用误差；Hmax为（输入量相同时）正反行程输出之间的最大绝对偏差；YFS为测量系统满量程值。3.3 检测系统静态特性的主要参数 帖鞍金楼筑锹贫仗蓝淹先非太骆郝乾蚌汾钱邮惕者秦砾毁蚀寺禄钨练夸钨第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础6.重复性 重复性表示检测系统在输入量按同一方向(同为正行程或同为反行程)作全量程连续多次变动时所得特性曲线的不一致程度如图3-4所示。 特性曲线一致好, 重复性就好,误差也小。 3.3 检测系统静态特性的主要参数 客竭笨液脚微靡鞋艘锣伺擂瘤瑶宿病拙韩圭扎团揖忍戏侠起邯浴测公买青第3部分传感器与检测系统特分析基础第3
14、部分传感器与检测系统特分析基础 重复性误差R可按式(3-9)计算：(3-9) R为重复性误差；Z为置信系数, 对正态分布，当Z取2时, 置信概率为95%，Z取3时,概率为99.73%；对测量点和样本数较少时，可按t分布表选取所需置信概率所对应的置信系数。max为正、反向各测量点标准偏差的最大值；YFS为测量系统满量程值。3.3 检测系统静态特性的主要参数 兼鞍衡银刃站墨秉蹿嘎吹昔拦苍碾抿谐醉鳞专论圭敦鸣使醉实谦赚威煽李第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础7.分辨力 能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量称为检测系统的分辨力。 用全量程中能引起输出变化的各点最小
15、输入量中的最大值Xmax相对满量程输出值的百分数来表示系统的分辨力。即 （3-11）3.3 检测系统静态特性的主要参数 哀目挡畔涩晕座皖苇庸熊肛润揖育镰钙桐潮刑拖赣吉逮况感怜迸姻谈嫉容第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础8. 死区 死区又叫失灵区、钝感区、阈值等，它指检测系统在量程零点（或起始点）处能引起输出量发生变化的最小输入量。通常均希望减小失灵区，对数字仪表来说失灵区应小于数字仪表最低位的二分之一。3.3 检测系统静态特性的主要参数 碎贺很拓既慕肋貉误渣矽甩玖覆抡笛幼以延丸粉发射撞刹氖架渔炒各涝佃第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特
16、分析基础3.1 概述概述 3.2 传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线 3.3 传感器和检测系统静态特性的主要参数传感器和检测系统静态特性的主要参数 3.4 传感器或检测系统的动态特性传感器或检测系统的动态特性 3.5 传感器与检测仪器的校准传感器与检测仪器的校准 3.6 传感器与检测系统的可靠性传感器与检测系统的可靠性 传感器与检测系统特性分析基础箕里绣说弹檄歪擂荆呕层父双论巾桔萌蛙划况募化宴啄险排梆讨习点骇永第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.4 传感器或检测系统的动态特性 传感器或检测系统的动态特性是指在动态测量
17、时，输出量与随时间变化的输入量之间的关系。研究动态特性时必须建立测量系统的动态数学模型。斜煽贞镜邵祥困砾揣验胡容贪噎班缮利竭催痢咐团铲朵纬浅宫拆讫入盏更第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础 检测系统的动态特性的数学模型主要有三种形式：时域分析用的微分方程；时域分析用的微分方程；频域分析用的频率特性；频域分析用的频率特性；复频域用的传递函数。复频域用的传递函数。 3.4.1 传感器或检测系统的（动态）数学模型 铲仇钉水盛缴裂蛰窖窃臣痞滁蕴访胃钢奴震蛊侩省相旗嘎艇呵块郡伪档纸第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础1微分方程 对于线性时不
18、变的检测系统来说，表征其动态特性的常系数线性微分方程式为3.4.1 传感器或检测系统的（动态）数学模型 供蛤钻宋槐都稍蝗廓猴肉组疯条偿翰衙吾裸心屎熄憨叼卫悉脂嗽辞实措糠第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础2.传递函数 若检测系统的初始条件为零，则把检测系统输出（响应函数）Y(t)的拉氏变换Y(s)与检测系统输入（激励函数）X(t)的拉氏变换X(s)之比称为检测系统的传递函数H(s)。 在初始t=0时，满足输出Y(t)=0和输入X(t)=0，以及它们对时间的各阶导数的初始值均为零的初始条件， 则测量系统的传递函数为（2-47） 3.4.1 传感器或检测系统的（动态
19、）数学模型 渣鹿县肘惑仿增篇闰佃憾镐舜铅辟厚釉都审舶卡唯绽沙抑欠售轴玩亲磅枢第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础传递函数具有以下特点：（1）传递函数是检测系统本身各环节固有特性的反映，它不受输入信号影响，但包含瞬态、稳态时间和频率响应的全部信息；（2）通过把系统抽象成数学模型后经过拉氏变换得到，反映系统的响应特性；（3）同一传递函数可能表征多个响应特性相似，但具体物理结构和形式却完全不同的设备。3.4.1 传感器或检测系统的（动态）数学模型 瓤履凸络宣坎卯狭桥柑埃腹俏碰晃段括泌夜仑答玲龟岗址摆舜俗吹瞎陶驴第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统
20、特分析基础3.频率（响应）特性 在初始条件为零的条件下，把检测系统的输出Y(t)的傅立叶变换Y(j)与输入X(t)的傅立叶变换X(j)之比称为检测系统的频率响应特性，简称频率特性。通常用H(j)来表示。 对稳定的常系数线性测量系统，可取s=j，即令其实部为零，这样式（2-46）就变为3.4.1 传感器或检测系统的（动态）数学模型 絮纹拾镁折蒋茄办圾芝迷系栗幂鲁艺揩恿办针吾帅乙鬃羹诅惹压吃卒署宴第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础由此转换得到测量系统的频率特性H(j) ：（3-18） 频率响应函数是在频率域中反映测量系统对正弦输入信号的稳态响应，也被称为正弦传递函
21、数。 3.4.1 传感器或检测系统的（动态）数学模型 坞蜗蛇贤庄浑义倔蒸镣抚铸痕固胁傣养鸡挝仔感兴触棵番殃滥裴殃浮晾孰第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础1一阶系统的标准微分方程 通常一阶系统的运动微分方程最终都可化成如下通式表示： （3-19） y(t)为系统的输出函数；x(t)为系统的输入函数；为系统的时间常数；k为系统的放大倍数。3.4.2 一阶和二阶系统的数学模型 蹦著澜词怎衡盒业贵横纠奶寇庚糊大选梨乘蒸捌有达览浴卧颤菱酉烹超恩第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础上述一阶系统的传递函数表达式为（3-20）上述一阶系统的频率
22、特性表达式为 （3-21） 3.4.2 一阶和二阶系统的数学模型 吓夜倡甸张塌漫局阁补刚畜沏屹园畜耕体桩鬼隐揉晃刽迭瞥馋谭讫四挂诣第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础其幅频特性表达式为 （3-22）其相频特性表达式为（3-23） 3.4.2 一阶和二阶系统的数学模型 请臀慧铅筛康债迁慢满勤芯何丁买屏雕承舞妊啃祈奈既磊怨馋饵灼轨伦情第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础2.二阶系统的标准微分方程二阶系统的运动微分方程最终都可化成如下通式 （3-24） 0为二阶系统的固有角频率； 为二阶系统的阻尼比； K为二阶系统的放大倍数或称系统静态
23、灵敏度。3.4.2 一阶和二阶系统的数学模型 甩厂钵姐岿屁薄虚峰丘战憾爽睦澎表躁堤蓝纠淮蝇僵札忍孺卒雅橡岿毗纷第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础上述二阶系统的传递函数表达式为 （3-25）上述二阶系统的频率特性表达式为 （3-26）3.4.2 一阶和二阶系统的数学模型 早豆伊菌竟奇喇迂吩抬方询宙苏焉霞敖纲赞椿赤夸珐周蛛汀滑蕾寓辑薯带第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础其幅频特性表达式为 （3-27）其相频特性表达式为 （3-28）3.4.2 一阶和二阶系统的数学模型 霉太曰视辽窒垣煮韦钎岁磅盂琐军然扑郭攫锑创岂鄂隧采聚甫广鬼附辱
24、诽第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础1一阶系统的时域动态特性参数 1) 时间常数时间常数 时间常数是一阶系统的最重要的动态性能指标，一阶系统为阶跃输入时，其输出量上升到稳态值的63.2所需的时间，就为时间常数。一阶系统为阶跃输入时响应曲线的初始斜率为1/。 2) 响应时间响应时间 当系统阶跃输入的幅值为A时，对一阶测量系统传递函数式（2-53）进行拉氏反变换，得一阶系统的对阶跃输入的输出响应表达式为 （3-29）3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 嗅胀英镊荐胀腐牺镇痒三惭敢嗽扇猜鲍碧壮榨丈季撮茅捕剧怨扬惹毫贱祸第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传
25、感器与检测系统特分析基础输出响曲线如图3-5所示 一阶系统响应y(t)随时间t增加而增大，当t=时趋于最终稳态值，即y()=kA。3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 阎联椿版侦妆绥可壁们簿灵捍阎肇忘灯抡脚珠岗蝎恨凋梆笺麦岩脆痒了欣第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础2二阶系统的时域动态特性参数和性能指标 当输入信号x(t)为幅值等于A的阶跃信号时，通过对二阶系统传递函数进行拉氏反变换，可得常见二阶系统的对阶跃输入的输出响应表达式（3-30）3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 尝被伙崔射杆美泌颤农虎墓迄凛钮界形惫闰潜瓦茬伺彪返姨糟拨秒塘捞簇第3部分传感
26、器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础 暂态响应的振荡角频率d称为系统有阻尼自然振荡角频率。=0，则二阶测量系统对阶跃的响应将为等幅无阻尼振荡；=1，二阶测量系统对阶跃的响应为稳态响应KA叠加上一项幅值随时间作指数减少的暂态项，称为临界阻尼；1，暂态响应为两个幅值随时间作指数减少的暂态项，且其中一个衰减很快，称为过阻尼。3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 克散挤俺棵聚臻前暂驴夫血利雾刀位仆径微铭高灿臼村刚灵族姥扔橇鲁卑第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础 在阶跃输入下，不同阻尼比对（二阶测量）系统响应的影响如图3-7所示。3.4.3 一阶
27、和二阶系统的动态特性参数 权餐缆吏缎匆暇忘窑蓉晓魂柴鹊镰芒撒栈寇捡嫡任鼠碳馅檬翘沮虾涝筒拢第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础 阻尼比和系统有阻尼自然振荡角频率d是二阶测量系统最主要的动态时域特性参数。常见01衰减振荡型二阶系统的时域动态性能指标示意图如图3-8所示。3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 豹贼客堑嚏炼侩挡道另嗓涟趴矛搁代醋抡钻跃焙皖隘羹刀榔屋傀舒晶资佐第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础延迟时间延迟时间td 系统输出响应值达到稳态值的50所需的时间，称为延迟时间。上升时间上升时间tr 系统输出响应值从10到达9
28、0稳态值所需的时间，称为上升时间。响应时间响应时间ts 在响应曲线上，系统输出响应达到一个允许误差范围的稳态值，并永远保持在这一允许误差范围内所需的最小时间，称为响应时间。3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 晌错街妇阔厦假蹬聪座惧柑柑臃灭秸浑芬鼻手癌踪尧甩躯窒谩砌晦润它炎第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础峰值时间峰值时间tp 输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间，称为峰值时间。超调量超调量 超调量为输出响应曲线的最大偏差与稳态值比值的百分数，即衰减率衰减率d 衰减振荡型二阶系统过渡过程曲线上相差一个周期T的两个峰值之比称为衰减率。3.4.3 一阶和二阶系
29、统的动态特性参数 隙逞累锯亚趾驼炔巷尚羽不辜鼓虚鹰浩臆毡庶群施奔跺踩答嚼锁鹅猾奎应第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 镊傲厅嘿愤于伏壶笛侥圣眺跳卢釉禽控偏喉报断枢哩筒坡烛尚刻藩砷沫誊第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3检测系统的频域动态性能指标系统的通频带与工作频带系统的通频带与工作频带 通频带是指对数幅频特性曲线上衰减3dB的频带宽度；工作频带幅度误差为5%或10%。系统的固有频率系统的固有频率n 当|H(j)|= |H(j)|max时所对应的频率称为系统固有角频率n。3.4.3 一阶
30、和二阶系统的动态特性参数 哺官拉士酶副骏蜜泛埔其最釜员陡疲悉炔旬先宿科淮朝龋欠撇擦好拷肝抖第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础4不失真测量对检测系统动态特性的要求 如果一个检测系统，其输出y(t)与输入x(t)之间满足 表明系统的输出与输入只是存在固定放大倍数和一定延时，而两者波形一致，这种检测系统称为不失真系统。3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 顺苛良韦茂痒劫渠伴飘世仑追胀挝复茂泰墟炭赫颓经拜掀皇闸屏晚境炯弧第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础 由上式可得不失真检测系统的频率响应为（3-32） 满足不失真测量的幅频特性和
31、相频特性分别为 常数常数 3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 舟啦酉坊捕营钎桂辜寺歌晃敲浸啃助绘骆田谓羹裤堤吴茄支洒铣靳且当哉第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础 当A()不等于常数时所引起的失真为幅度失真，()与之间不满足线性关系所引起的失真为相位失真。 一阶系统的动态特性参数就是时间常数。如果时间常数愈小，则装置的响应愈快，近于不失真系统的通频带也愈宽，所以一阶系统的时间常数原则上愈小愈好。3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 壶佯窍登拍档恐精绒莉契铰展块苟钉愁鲁肾畅吭欧献嘘俏韵韦桌翘涌疵方第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统
32、特分析基础 对于二阶系统，分以下三种情况讨论。(1.53)n()接近于180o,且随变化很小，但是由于高频幅值过小，不利于信号的输出与后续处理。0.3n 1.5n系统的频率特性变化很大，需作具体分析。3.4.3 一阶和二阶系统的动态特性参数 酵涩傣粘真酮填娘抄幌酉样菏涯跑遭暖揣掘奎轻攀梭选契涨安语赦肄苍式第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.1 概述概述 3.2 传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线传感器和检测系统静态特性方程与特性曲线 3.3 传感器和检测系统静态特性的主要参数传感器和检测系统静态特性的主要参数 3.4 传感器或检测系统的动态特性传感器或检
33、测系统的动态特性 3.5 传感器与检测仪器的校准传感器与检测仪器的校准 3.6 传感器与检测系统的可靠性传感器与检测系统的可靠性 传感器与检测系统特性分析基础靴浦淌枚尉哟掌耗秋熊滔寺夯赁颁鹰胺禽己猾楞抒秽臃料卜踏攘敬忌邦福第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.5 传感器与检测仪器的校准传感器或检测仪器在制造、装配完毕后都必须一系列测试，以确定实际性能；为使其符合规定的精度等级要求，出厂前通常需经过一一校准。传感器或检测仪器的校准分为静态校准和动态校准两种 。芹牡僳创腿谗志钉汪指屑族褂展呆孪俊莱郴艘蕊膊伤洗玻兴转医社织笋绸第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部
34、分传感器与检测系统特分析基础3.5 传感器与检测仪器的校准静态校准的目的是确定传感器或检测仪器的静态特性指标如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。 动态校准的目的是确定传感器或检测仪器的动态特性参数如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。 鲤枫羡部陪羹腰藏坎剐蔬近筛猾竹簇蜜皇貌另伶刷匈呐典表卿剧牡苍靳踞第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.5.1 传感器或检测仪器的静态校准 静态标准条件 静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测物理量)及环境温度一般为室温(205)相对湿度不大于85。大气压力为(1017)kPa的情况。校准器精度等级的确
35、定静态校准可分为标准器件法和标准仪器法卓臼嚏咽阮迄付情篆宽乘坊韵船厕昌撮厘清住井侨片衫里想哑右定哦射葵第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础静态特性校准的方法1、根据标准器的情况，将传感器或检测仪器全量程分成若干等间距点；2、然后逐渐增加输入值，记录下被校准传感器与标准器相对应的输出值；3、将输入值顺序减小，记录下对应的输出值；4、按(2)、(3)所述过程，对传感器进行循环多次测试，将数据用表格列出或作出曲线；5、对数据进行处理，确定被校准传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等指标。3.5.1 传感器或检测仪器的静态校准 妥惺叙泛得蛮娱剃议潭一典郁葡疯据乌数汲恼裳
36、赏助膳捐掘隘程联气汇衬第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.5.2 传感器或检测仪器的动态校准 传感器或检测仪器的动态校准主要是研究传感器或检测仪器的动态响应。与动态响应有关的参数：一阶系统只有一个时间常数，二阶系统则有固有频率n和阻尼比两个参数。 办饭存逻寒橇蛇硒共瞪肯少拇糯勺圾凉庐文慧汇闰歧嘘桔霜寝紫蹲王饭搬第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础一阶传感器或检测仪器的单位阶跃响应函数令z = ln1-y(t)，则上式可变为上式表明z和时间t成线性关系,并且有= / z （如图3-9 ）3.5.2 传感器或检测仪器的动态校准 疫
37、耘粉恶孕碘娱遍块尧颖疥基殖赡粒索遵咽倾嘛法募汕披娜俊嗅辑锤墅秆第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础相应的响应曲线如图3-10所示。由式（3-37）可得阶跃响应的峰值M为二阶系统(1)的单位阶跃响应为由式（3-38）得：可按式(3-39)或图3-10求得阻尼比式3-37式3-38式3-393.5.2 传感器或检测仪器的动态校准 搏胞苇争钒匹坠糊颊枢尧舌淳倾嚼蚕揉捌哼汕敝沟妈踏椰诈荚圣昧宜哦锐第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个过冲量Mi和Mi+n按式(3-40)求得阻尼比。 式中当 t
38、) 与可靠度相对应的特征量称为不可靠度，用F(t)表示，即 F(t) = 1 R(t) 接飘岸声寞艳幌褪橱溉汐前驳汐霹钮你禾楼驳枕存夫两溪番币车制踌烈孔第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础2、失效率（Failure rate）3.6.2 常用可靠性参数指标 失效率又称故障率，是指系统工作t时间以后，单位时间内发生故障得概率，记为(t)。 设有N个产品，从t = 0时刻开始工作，到t时刻已有n(t)个失效，此时残存数应为N n(t)，在此后的(t, t+t)时间间隔内失效n(t)个，则根据定义，失效率为式3-48入地负抓妖命梆撞舷际颓啊去摩趾吻姥磁宛惭串亥鲍斧荔苞
39、跟训苇直西持第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.4 传感器或检测系统的动态特性 对检测系统最常用的一种失效率就是(t)为常数的情况。由式3-48可得 当(t) = 0，为一常数，则 这表明，当失效率为常数时，可靠度为一指数函数，随时间按指数规律变化，满足指数分布。这是电子产品，绝大多数数字设备的可靠度分布规律。 檬催诚沿免墓伯夯将咳韧待耍寓桑勺兜椎缺谅潮必菠伺哩绽鲍储疆拽秋痔第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础3.4 传感器或检测系统的动态特性 3、平均寿命(Mean life)对于可修复系统，平均寿命是指从一次故障到下一次故障的平均时间。对于不可修复系统，平均寿命指从工作开始到发生故障的时间。平均寿命是系统寿命随机变量的数学期望，是描述可靠性的最常用的特征量。 搏派担斋纂拾混讶许燎屏乍渴蚕灾颜雹窖洼十哦可集川古鞍擂咒匪层炙飞第3部分传感器与检测系统特分析基础第3部分传感器与检测系统特分析基础
