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1、传感器与检测技术传感器与检测技术自动化教研室自动化教研室自动化教研室自动化教研室 邢航邢航邢航邢航：1371045250913710452509第一章第一章 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 检测系统概述检测系统概述1） 检测的定义检测的定义 检测检测Detection是利用各种物理、化学效应，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。性或定量结果的过程。2工业检测技术的类型和内容工业检测技术的内容非常
2、广泛，常见的工业检测涉及的内容有3） 检测系统的基本结构检测系统的基本结构 由由传传感感器器、模模拟拟信信号号调调理理电电路路、数数字字信信号号分分析析与与处处理理部部分分、显显示示部部分分以以及及将将处处理理信信号号传传送送给给控控制制器器、其其他他检测系统或上位机系统的通信接口部分等。检测系统或上位机系统的通信接口部分等。数据显示、记录、分析、综合、判别、决策、监控通信接口和总线底层显示分析处理信号调理电路传感器底层显示分析处理信号调理电路传感器（1传感器传感器 传传感感器器是是检检测测系系统统的的第第一一个个环环节节，其其主主要要作作用用是是将将感感知知的的被被测测非非电电量量按按一一定
3、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。由由于于传传感感器器种种类类繁繁多多，所所以以几几乎乎能能检检测测所所有有非非电电量量参参量量。但但因因传传感感器器输输出出的的电电信信号号种种类类多多、功功率率小小，故故一一般般不不能能直直接接将将这这种种电电信信号号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输出出元元件件中中去去，必必须须经经过过信信号的调理。号的调理。（2信号调理电路信号调理电路 信信号号调调理理电电路路的的主主要要作作用用有有两两方方面面，一一是是把把来来自自于于传传感感器器的的信信号号进进行行转转换换和和放放大大，使使其其更
4、更适适合合于于进进一一步步处处理理和和传传输输，多多数数情情况况是是将将各各种种电电信信号号转转换换为为电电压压、电电流流、频频率率等等少少数数几几种种便便于于测测量量的的电电信信号号；第第二二方方面面是是进进行行信信号号处处理理，即即对对经经过过信信号号调调理理的的信信号号，进进行行滤滤波、调制和解调、运算、数字化处理等。波、调制和解调、运算、数字化处理等。（3记录、显示仪器记录、显示仪器 目目前前常常用用的的显显示示器器有有四四类类：模模拟拟显显示示、数数字字显显示示、图图像显示及记录仪等。像显示及记录仪等。（4信号分析处理信号分析处理 它它是是现现代代检检测测系系统统中中不不断断被被注注
5、入入新新内内容容的的一一部部分分，逐逐渐渐成成为为检检测测系系统统的的研研究究重重点点。它它是是用用来来对对测测试试所所得得的的实实验验数数据据进进行行处处理理、运运算算、逻逻辑辑判判断断、线线性性变变换换，对对动动态态测测试试结结果果作作频频谱谱分分析析幅幅值值谱谱分分析析、功功率率谱谱分分析析）、相关分析等，完成这些工作必须采用计算机技术。、相关分析等，完成这些工作必须采用计算机技术。（5通信接口和总线通信接口和总线 它它是是实实现现由由许许多多测测量量子子系系统统或或测测量量节节点点组组成成的的大大型型检检测测系系统统中中子子系系统统与与上上位位机机之之间间以以及及子子系系统统之之间间的
6、的信信息息交交换换。总总线线更更多多的的是是指指一一种种规规范范、一一种种结结构构形形式式；而而接口多指完成通信的硬件系统。接口多指完成通信的硬件系统。 1.2 传感器概论传感器概论 1传感器的定义传感器的定义 传感器传感器Transducer/sensor的定义的定义为：为：“能感受或响应规定的被测量，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器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成件组成”。2传感器的组成传感器的组成 敏感元件(Sensing element) 是指传感器中能直接感受被测量的部分转换元件(
7、Transition element) 是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。信号调理电路：能把转换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。常用电桥、放大器、阻抗变换器等敏感元件敏感元件转换元件转换元件压压力力作作用用膜片形变应变）膜片形变应变）应变片电阻改变应变片电阻改变敏感元件(Sensing element) 是指传感器中能直接感受被测量的部分转换元件(Transition element) 是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。信号调理电路：能把转换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。常用电桥、放大
8、器、阻抗变换器等3） 传感器分类传感器分类 传感器的种类繁多。传感器有许多种分类方传感器的种类繁多。传感器有许多种分类方法。常用的分类方法有：法。常用的分类方法有： （1按被测量分类按被测量分类 机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振动、噪声速度、振动、噪声 热工量：温度、热量、流量速）、风速、热工量：温度、热量、流量速）、风速、压力差）、液位压力差）、液位 物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度 状态参量：裂纹、缺陷、走漏、磨损、表面状态参量：裂纹、缺陷、走漏、磨损、表面质量质量 （2按测量原理分类按测量原理分类 按
9、传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、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、激电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。光、超声波等传感器。（3按信号变换特征分类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。例如号变换的。例如:电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. 物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换。例如实现信号变换。例如:水银温度计水银温度计,压电测力计压电测力计.（4按能量关系分类按能量关系
10、分类 能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。例如工作。例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.也称有源也称有源传感器。传感器。 能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由能量控制型：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。例如被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如:电阻式、电阻式、电容式、电感式电容式、电感式.也称无源传感器。也称无源传感器。 输入鼓励）输入鼓励）输出呼应）输出呼应）输入鼓励）输入鼓励）输出呼应）输出呼应）1.3 检测系统特性检测系统特性 为了保证测量结果的准确性，检测
11、系统各环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，这种关系通常是线性关系，而且必须尽可能地减小或消除各种干扰。 在工程测试实践中，大多数检测系统属于线性时不变系统。线性时不变系统的分析方法已形成了完整严密的体系，即使是一些非线性系统或时变系统，在限定条件下，它们也遵循线性时不变的规律。 故下面重点讨论线性时不变系统的主要性质。 式中式中t t为时间自变量。系统的系数为时间自变量。系统的系数 均为常数。均为常数。 叠加性意味着作用于线性装置的各个输入所产生的叠加性意味着作用于线性装置的各个输入所产生的输出是互不影响的输出是互不影响的. 在分析众多输入同时加在装置上所产生的总效果时，
12、在分析众多输入同时加在装置上所产生的总效果时，可以先分别分析单个输入的效果，然后将这些效果叠加可以先分别分析单个输入的效果，然后将这些效果叠加起来表示总的效果。起来表示总的效果。几个输入所产生的总输出是各个输入所产生的输几个输入所产生的总输出是各个输入所产生的输出叠加的结果。即若：出叠加的结果。即若：测试装置的输入信号扩大测试装置的输入信号扩大a a倍，输出信号也扩倍，输出信号也扩大大a a倍。对于任意常数倍。对于任意常数a a，都有，都有 系统对输入导数的响应等于对原输入响应的导系统对输入导数的响应等于对原输入响应的导数数如系统的初始状态均为零，则系统对输入积分如系统的初始状态均为零，则系统
13、对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分的响应等同于对原输入响应的积分若给测试装置输入某一频率的正余弦信若给测试装置输入某一频率的正余弦信号，则稳态输出必定是与输入相同频率的正号，则稳态输出必定是与输入相同频率的正余弦信号。余弦信号。 已知系统是线性的和其输入的频率，那么已知系统是线性的和其输入的频率，那么依据频率保持性，可以认定测得信号中只依据频率保持性，可以认定测得信号中只有与输入频率相同的成分才真正是由该输有与输入频率相同的成分才真正是由该输入引起的输出，而其它频率成分都是噪声。入引起的输出，而其它频率成分都是噪声。进而依据这一特性，采用相应的滤波技术，进而依据这一特性，采用相应的滤波技
14、术，在很强的噪声干扰下，把有用的信息提取在很强的噪声干扰下，把有用的信息提取出来；出来；由于信号的频域函数实际上用信号的各频由于信号的频域函数实际上用信号的各频率成分的叠加来描述的。因此，同频性与率成分的叠加来描述的。因此，同频性与叠加原理相结合，研究复杂输入信号所引叠加原理相结合，研究复杂输入信号所引起的输出时，就可以转换到频域中去研究，起的输出时，就可以转换到频域中去研究，研究输入频域函数所产生的输出的频域函研究输入频域函数所产生的输出的频域函数数线性的定常系统的特性中，叠加性和频率线性的定常系统的特性中，叠加性和频率保持性在工程测试中具有重要意义。保持性在工程测试中具有重要意义。1.4
15、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 定常线性测试装置的数学描述为：定常线性测试装置的数学描述为： 在静态测量中，理想的定常线性系统的输入在静态测量中，理想的定常线性系统的输入-输出微分方输出微分方 程式变成：程式变成： 其中斜率其中斜率S S是灵敏度，应是常数。是灵敏度，应是常数。实际的测量装置并非理想的定常线性系统：实际的测量装置并非理想的定常线性系统：非线性原因：非线性原因：( (结构原理性原因除外结构原理性原因除外) )误差因素误差因素检检 测测 系系 统统输入输入 x输出输出 y = f(x)温温度度湿湿度度压压力力冲冲击击振振动动磁磁场场电电场场摩摩擦擦间间隙隙
16、松松动动迟迟滞滞蠕蠕变变变变形形老老化化外界干扰外界干扰 理理想想测测试试系系统统的的线线性性关关系系通通常常采采用用静静态态测测量量的的方方法法求求取取输输入入输输出出关关系系曲曲线线，作作为为标标定定曲曲线线。多多数数情情况况还还需需要按最小二乘法原理求出标定曲线的拟合直线。要按最小二乘法原理求出标定曲线的拟合直线。 测试装置的静态特性指标测试装置的静态特性指标当装置输入一个变化量当装置输入一个变化量x x时，产生输出的变时，产生输出的变化量化量y y；输出的变化量；输出的变化量y y与输入的变化量与输入的变化量x x的比值称作传感器的灵敏度。的比值称作传感器的灵敏度。 定义定义:表达表达
17、:但是，一般的测试装置总不是理想定常线性系统，用拟合直线的斜率来作为该装置的灵敏度留意：灵敏度越高，稳定性越差，测量范围相应越小。标定曲线与拟合直线之间的偏离程度。标定曲线与拟合直线之间的偏离程度。表达表达:定义定义:非线性度非线性度=B/A*100%=B/A*100%B B 为标定曲线与拟合直线的最大偏差。为标定曲线与拟合直线的最大偏差。A A 为装置的全量程输出范围。为装置的全量程输出范围。标定曲线：表示实际特性，一般是使用高一级仪表反复多次测量后取得的平均值曲线。拟合直线: 按一定方式拟合的用来代替实际曲线的直线。目前两种常用的拟合基准直线方法： 平均法 最小二乘法0yx拟合直线标定曲线
18、平均法主要是确定拟合直线的系数，使标定曲线和拟合直线之间的偏差的代数和为零。即：设系统拟合直线为：该方法主要是确定拟合直线的系数，使标定曲线和拟合直线之间偏差的平方和为零。即：亦称滞后或变差。反映了传感器的输入量在亦称滞后或变差。反映了传感器的输入量在正向行程和反向行程全量程多次测试时，所正向行程和反向行程全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不重合程度。得到的特性曲线的不重合程度。定义定义:表达表达:A A 为装置的全量程输出范围。为装置的全量程输出范围。稳定性是表示传感器经过长期使用以后，稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感其输出特性不发生变化的性能。影响
19、传感器稳定性的因素是时间与环境。器稳定性的因素是时间与环境。测量装置的测量特性随时间的慢变化，称为测量装置的测量特性随时间的慢变化，称为漂移。漂移。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。能引起输出变化的输入量的最小变化量。能引起输出变化的输入量的最小变化量。又称死区，用来衡量检测起始点不灵敏度的程度。又称死区，用来衡量检测起始点不灵敏度的程度。精度反映测试结果与真值的接近程度。与误差大小相对应。与精度有关的指标有三个：精密度、正确度和精确度(精度)精密度：说明测量传感器输出值的分散程度。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。留
20、意：精密度高不一定正确度高。正确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。正确度是系统误差大小的标志，正确度高意味着系统误差小。同样，正确度高不一定精密度高。精确度：是精密度与正确度两者的总和，精确度高表示精密度和正确度都比较高。（a正确度高而精密度低 （b正确度低而精密度高 （c精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。 精度在工程应用中，常用精确度等级来表示测量结果的可靠程度。精确度等级以一系列标准百分数值进行分档：0.001，0.005，0.02，0.05，1.5，2.5，4.0，.传感器设计和出厂时，传感器精度等级代表的误差指传感器测量的最大允许误差。 衡量精度的性能指标常用相对误差和引
21、用误差来表示。例：一台精度等级为0.5级、量程范围为6001200 OC的温度传感器，它最大允许绝对误差是多少？检验时某点的最大绝对误差是4 OC，问此表是否合格？我国测试仪表的精度等级仍多用引用误差的百分数值来表示。1.5 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 对于测量动态信号的检测系统，要求检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。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不当，输出量不能良好地追随输入量的快
22、速变化会导致较大的测量误差。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因此研究检测系统的动态特性有着十分重要的意义。重要的意义。（1 1微分方程微分方程（2 2传递函数传递函数（3 3频率响应函数频率响应函数 动态特性的描述方法：动态特性的描述方法：h(t)h(t)H(s)H(s)H()H()S=jS=j拉拉氏氏变变换换傅傅立立叶叶变变换换拉拉氏氏反反变变换换傅傅立立叶叶反反变变换换系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为O O阶、阶、一阶、二阶系统一阶、二阶系统优点：概念清晰，输入优点：概念清晰，输入- -输出关系明了，可区
23、分暂态响输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应应和稳态响应缺陷：求解方程麻烦，测试装置调整时分析困难缺陷：求解方程麻烦，测试装置调整时分析困难式中t为时间变量，和均为常数，此系统为线性定常系统。利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的传利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的传递函数。递函数。当系统初始条件全为零时当系统初始条件全为零时分母中分母中s s的幂次的幂次n n代表了系统微分方程的阶数，也称为传代表了系统微分方程的阶数，也称为传递函数的阶次。递函数的阶次。对微分方程作拉氏变换，并将输出和输入两对微分方程作拉氏变换，并将输出和输入两者的拉氏变换之比定义为传递函数者的拉氏变换之比定义为传
24、递函数H(s)H(s)即：即： 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。大小及性质无关。 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。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。传递函数可以有量纲，也可以无量纲。 4传传递递函函数数是是复复变变量量s的的有有理理分分式式。对对于于实实际际系系统统，分分子子阶阶次次mn，
25、分分母母最最高高阶阶次次n为为输输出出量量最高阶导数的阶次，也确定系统的阶次最高阶导数的阶次，也确定系统的阶次n阶系统。阶系统。频率响应函数频率响应函数H(j)H(j)定义为输出量的傅氏变换和定义为输出量的傅氏变换和输入量的傅氏变换之比。输入量的傅氏变换之比。输入量：输入量：输出量：输出量：( (稳态输出稳态输出) )根据定常线性系统的频率保持性，根据定常线性系统的频率保持性，幅值变化：幅值变化：相角变化：相角变化：幅频特性幅频特性相频特性相频特性（频率特性）（频率特性） 其中幅频特性也是动态检测系统的灵敏度，随着频率变化而其中幅频特性也是动态检测系统的灵敏度，随着频率变化而变化与静态测量中灵
26、敏度为常数有显著的区别。变化与静态测量中灵敏度为常数有显著的区别。与传递函数相比较，频率响应的物理概念明确，也易通过实验与传递函数相比较，频率响应的物理概念明确，也易通过实验来建立；利用它和传递函数的关系，由它极易求出传递函数。来建立；利用它和传递函数的关系，由它极易求出传递函数。因此频率响应函数是实验研究系统的重要工具。因此频率响应函数是实验研究系统的重要工具。这种变化用复指数表达式这种变化用复指数表达式 表示为：表示为： 称为系统的频率响应函数，它是激励频率称为系统的频率响应函数，它是激励频率 的函数的函数但频率响应函数表达的仅仅是系统对简谐输入信号的稳但频率响应函数表达的仅仅是系统对简谐
27、输入信号的稳态输出。态输出。因此，用频率响应函数不能反应过渡过程。必须用传递因此，用频率响应函数不能反应过渡过程。必须用传递函数才能反映全过程。函数才能反映全过程。频率响应函数直观反映了系统对不同频率输入信号的频率响应函数直观反映了系统对不同频率输入信号的响应特性。响应特性。在实际工程测试技术中，为获得较好的测量结果，常在实际工程测试技术中，为获得较好的测量结果，常常在系统处于稳态输出阶段进行测试，常用频率响应常在系统处于稳态输出阶段进行测试，常用频率响应函数来描述系统的动态特性。函数来描述系统的动态特性。而控制技术中，由于常常要研究典型输入信号所引起而控制技术中，由于常常要研究典型输入信号所
28、引起的系统响应，研究一个过程从起始的瞬态变化过程到的系统响应，研究一个过程从起始的瞬态变化过程到最终的稳态过程的全部特性，因此常常要用传递函数最终的稳态过程的全部特性，因此常常要用传递函数来描述。来描述。1.5 一阶、二阶系统的动态特性一阶、二阶系统的动态特性 任何一个测试系统均可视为是多个一阶、任何一个测试系统均可视为是多个一阶、二阶装置的并、串联。因此，一阶和二二阶装置的并、串联。因此，一阶和二阶装置的传递特性是研究高阶装置传递阶装置的传递特性是研究高阶装置传递特性的基础。特性的基础。 一阶系统均可用一阶微分方程来描述：（一一阶系统（一一阶系统进行进行laplace变换：变换：一阶系统传递
29、函数标准形式：一阶系统传递函数标准形式：系统灵敏度系统灵敏度时间常数时间常数传递函数传递函数频率响应函数频率响应函数其中负号表示输出信号滞后于输入信号。其中负号表示输出信号滞后于输入信号。微分方程微分方程可见，时间常数可见，时间常数 是一阶系统最重要的参数。是一阶系统最重要的参数。为简化分析，令为简化分析，令 K1 一阶系统的一阶系统的BODE图图可用一条折线来近似描述。 值是一阶系统的重要参数，其值决定了测试装置的测量频率范围， 值越小越好。利用一阶系统在激励频率远小于 时，幅值和相位几乎不变的特性，可知，一阶测量装置适用于测量缓变或低频的被测量。 温度温度酒精酒精湿度湿度（二二阶系统（二二
30、阶系统在零初始状态下，求其在零初始状态下，求其laplacelaplace变换：变换：二阶系统传递函数标准形式：二阶系统传递函数标准形式：自然频率自然频率阻尼比阻尼比系统灵敏度系统灵敏度二阶系统传递函数标准形式：二阶系统传递函数标准形式：频率响应函数频率响应函数可见，固有频率可见，固有频率 和阻尼比和阻尼比 是二阶系统最重要的参数。是二阶系统最重要的参数。为简化分析，令为简化分析，令 K K1 1 相应的幅频、相频特性曲线的伯德图如图所示。图1.22二阶系统伯德图（a幅频特性（b相频特性二阶系统的二阶系统的BODEBODE图图可用一条折线来近似描述。实际测试装置选用时应避免发生共振的现象。但是
31、在测定系统本身参数时，选用测试装置的频率范围包括系统固有频率，使系统发生共振，此时：二阶装置适合于动态测量，但其固有频率的选择应二阶装置适合于动态测量，但其固有频率的选择应以其工作频率范围为依据。以其工作频率范围为依据。加加速速度度 设测试系统的输出设测试系统的输出y(t)与输入与输入x(t)满足关系：满足关系： 该系统的输出波形该系统的输出波形与输入信号的波形与输入信号的波形精确地一致，只是精确地一致，只是幅值放大了幅值放大了A0A0倍，倍，在时间上延迟了在时间上延迟了t0t0而已。这种情况下，而已。这种情况下，认为测试系统具有认为测试系统具有不失真的特性。不失真的特性。时域条件时域条件1.
32、5 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 对时域条件做傅立叶变换对时域条件做傅立叶变换 ：频域条件频域条件即：若要求装置的输出波形不失真，则装置的幅频和相即：若要求装置的输出波形不失真，则装置的幅频和相频特性应分别满足频特性应分别满足则测试装置的频域响应函数应满足则测试装置的频域响应函数应满足 ：因此对于一阶系统，因此对于一阶系统， 越越小，不仅响应速度快，而小，不仅响应速度快，而且其满足测试不失真条件且其满足测试不失真条件的通频带宽。的通频带宽。一阶系统一阶系统因此对于二阶系统为使系统响应速度快，同时满足因此对于二阶系统为使系统响应速度快，同时满足不失真测试条件，应选择不失真测试条件，应选择二阶系统二阶系统1. 1. 了解检测系统的组成了解检测系统的组成2. 2. 掌握静态特性指标掌握静态特性指标3. 3. 掌握动态特性分析方法掌握动态特性分析方法4. 4. 掌握不失真测试的条件掌握不失真测试的条件1.21.111.121.13
