《檢測(cè)系統(tǒng)的特征與》PPT課件.ppt

1、第1章 傳感器與檢測(cè)技術(shù)概論,1.1 檢測(cè)技術(shù)概論 1.2 傳感器概論 1.3 傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向 1.4 檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 1.5 檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo),下頁(yè),返回,1.1 檢測(cè)系統(tǒng)概論 1.1.1 檢測(cè)的定義 檢測(cè)（Detection）是利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各方面的有關(guān)信息通過(guò)檢查與測(cè)量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過(guò)程。 1.1.2 檢測(cè)技術(shù)的作用 檢測(cè)是科學(xué)研究的基礎(chǔ)。 汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化測(cè)試生產(chǎn)線(xiàn)圖 典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷示意圖,下頁(yè),上頁(yè),返回,下頁(yè),上頁(yè),返回,測(cè)控技術(shù)在交通領(lǐng)域監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,下頁(yè)

2、,上頁(yè),返回,測(cè)控技術(shù)在國(guó)防科研中的應(yīng)用,測(cè)控系統(tǒng)在航天領(lǐng)域應(yīng)用,下頁(yè),上頁(yè),返回,智能家居中應(yīng)用,網(wǎng)絡(luò)在智能建筑應(yīng)用,下頁(yè),上頁(yè),返回,網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖,下頁(yè),上頁(yè),返回,水源安全遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖,滑坡位移監(jiān)測(cè)儀及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),下頁(yè),上頁(yè),返回,遠(yuǎn)程會(huì)診系統(tǒng)圖,植物生理監(jiān)控系統(tǒng),下頁(yè),上頁(yè),返回,1.1.3 工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的類(lèi)型和內(nèi)容 工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容非常廣泛，常見(jiàn)的工業(yè)檢測(cè)涉及的內(nèi)容有,1.1.4 檢測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 圖1.11所示為涵蓋各種功能模塊的檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，由傳感器、模擬信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)分析與處理部分、顯示部分以及將處理信號(hào)傳送給控制器、其他檢測(cè)系統(tǒng)或上位機(jī)系統(tǒng)的

3、通信接口部分等。,下頁(yè),上頁(yè),返回,（1）傳感器 傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要作用是將感知的被測(cè)非電量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一種量值輸出，通常是電信號(hào)。由于傳感器種類(lèi)繁多，所以幾乎能檢測(cè)所有非電量參量。但因傳感器輸出的電信號(hào)種類(lèi)多、功率小，故一般不能直接將這種電信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號(hào)處理電路或輸出元件中去，必須經(jīng)過(guò)信號(hào)的調(diào)理。 （2）信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)理電路的主要作用有兩方面，一是把來(lái)自于傳感器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，使其更適合于進(jìn)一步處理和傳輸，多數(shù)情況是將各種電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率等少數(shù)幾種便于測(cè)量的電信號(hào)，輸出功率可達(dá)到 級(jí)；第二方面是進(jìn)行信號(hào)處理，即對(duì)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的信號(hào)，進(jìn)行

4、濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減、運(yùn)算、數(shù)字化處理等。,下頁(yè),上頁(yè),返回,（3）記錄、顯示儀器 記錄、顯示儀器是將所測(cè)得的信號(hào)變?yōu)橐环N能為人們所理解的形式、以供人們觀察和分析。目前常用的顯示器有四類(lèi)：模擬顯示、數(shù)字顯示、圖像顯示及記錄儀等。 （4）信號(hào)分析處理 它是現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)中不斷被注入新內(nèi)容的一部分，逐漸成為檢測(cè)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。它是用來(lái)對(duì)測(cè)試所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、運(yùn)算、邏輯判斷、線(xiàn)性變換，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果作頻譜分析（幅值譜分析、功率譜分析）、相關(guān)分析等，完成這些工作必須采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。 （5）通信接口和總線(xiàn) 它是實(shí)現(xiàn)由許多測(cè)量子系統(tǒng)或測(cè)量節(jié)點(diǎn)組成的大型檢測(cè)系統(tǒng)中子系統(tǒng)與上位機(jī)之間以及子系統(tǒng)之間的信息

5、交換。總線(xiàn)更多的是指一種規(guī)范、一種結(jié)構(gòu)形式；而接口多指完成通信的硬件系統(tǒng)。,下頁(yè),上頁(yè),返回,1.2傳感器概論 1.2.1傳感器的定義 傳感器（Transducer/sensor）的定義為：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。 1.2.2 傳感器的組成,下頁(yè),上頁(yè),返回,（1）傳感器一般由敏感元件、變換元件和其他輔助元件組成。 （2）敏感元件感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的其他量的元件。 （3）變換元件又稱(chēng)傳感元件，是傳感器的重要組成元件。 （4）信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路能把傳感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄和控制

6、的有用信號(hào)的電路。,下頁(yè),上頁(yè),返回,1.2.3 傳感器分類(lèi) 傳感器的種類(lèi)繁多。傳感器有許多種分類(lèi)方法。常用的分類(lèi)方法有： （1）按被測(cè)量分類(lèi) 機(jī)械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振動(dòng)、噪聲 熱工量：溫度、熱量、流量（速）、風(fēng)速、壓力（差）、液位 物性參量：濃度、粘度、比重、酸堿度 狀態(tài)參量：裂紋、缺陷、泄漏、磨損、表面質(zhì)量 （2）按測(cè)量原理分類(lèi) 按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、光纖、磁敏式、激光、超聲波等傳感器。,下頁(yè),上頁(yè),返回,（3）按信號(hào)變換特征分類(lèi) 結(jié)構(gòu)型：主要是通過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。 物性型：利用敏感元件材料本身物理屬性的變

7、化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換 （4）按能量關(guān)系分類(lèi) 能量轉(zhuǎn)換型：傳感器直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。 能量控制型：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測(cè)量的變化控制外部供給能量的變化。,下頁(yè),上頁(yè),返回,下頁(yè),上頁(yè),返回,下頁(yè),上頁(yè),返回,1.3 傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向,1.3.1 測(cè)量?jī)x器向高精度和多功能發(fā)展 1.3.2 參數(shù)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理向自動(dòng)化方向發(fā)展 1.3.3 傳感器向智能化、集成化、微型化、量子化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展 1.3.4 開(kāi)展極端測(cè)量,1.4 檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標(biāo) 靜態(tài)檢測(cè)是指測(cè)量時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)不隨時(shí)間變化或變化很緩慢。靜態(tài)檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)所表現(xiàn)出的響應(yīng)特性稱(chēng)為靜態(tài)

8、響應(yīng)特性。通常用來(lái)描述靜態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)有測(cè)量范圍、靈敏度、非線(xiàn)性度、回程誤差等。一般用標(biāo)定曲線(xiàn)來(lái)評(píng)定檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，理想的線(xiàn)性裝置的標(biāo)定曲線(xiàn)是直線(xiàn)，而實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定曲線(xiàn)并非如此。通常采用靜態(tài)測(cè)量的方法求取輸入輸出關(guān)系曲線(xiàn)，作為標(biāo)定曲線(xiàn)。多數(shù)情況還需要按最小二乘法原理求出標(biāo)定曲線(xiàn)的擬合直線(xiàn)。 1.4.1 測(cè)量范圍 檢測(cè)系統(tǒng)能正常測(cè)量的最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。,下頁(yè),上頁(yè),返回,1.4.2 靈敏度 靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比，即： （1.1） 如圖1.13所示，線(xiàn)性系統(tǒng)的靈敏度S為常數(shù)，即輸入輸出關(guān)系直線(xiàn)的斜率，斜率越大，其靈敏度就越高。非線(xiàn)性系統(tǒng)的靈敏度S是變量，是輸

9、入輸出關(guān)系曲線(xiàn)的斜率，輸入量不同，靈敏度就不同，通常用擬合直線(xiàn)的斜率表示系統(tǒng)的平均靈敏度。要注意靈敏度越高，就越容易受外界干擾的影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越差，測(cè)量范圍相應(yīng)就越小。,下頁(yè),上頁(yè),返回,1.4.3 非線(xiàn)性度 如圖1.14所示，標(biāo)定曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)的偏離程度就是非線(xiàn)性度。如果在全量程A輸出范圍內(nèi)，標(biāo)定曲線(xiàn)偏離擬合直線(xiàn)的最大偏差為B，則定義非線(xiàn)性度為： （1.2） 1.4.4 回程誤差 如圖1.15所示，回程誤差也稱(chēng)為滯后或變差。實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)在相同的測(cè)量條件下，當(dāng)輸入量由小增大，,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖1.13,圖1.14,或由大減小時(shí)，對(duì)于同一輸入量所得到的兩個(gè)輸出量存在差值，則定義回程誤差

10、為： （1.3） 1.4.5 穩(wěn)定度和漂移 穩(wěn)定度通常是相對(duì)時(shí)間而言，指檢測(cè)系統(tǒng)在規(guī)定的條件下保持其測(cè)量特性恒定不變的能力。 漂移指檢測(cè)系統(tǒng)隨時(shí)間的慢變化。在規(guī)定條件下，對(duì)于一個(gè)恒定的輸入在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的輸出在標(biāo)稱(chēng)范圍最低值處的變化，稱(chēng)為零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)零漂。溫度變化引起的漂移叫溫漂。,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖1.15,1.4.6 重復(fù)性 重復(fù)性表示檢測(cè)系統(tǒng)在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線(xiàn)不一致性的程度（如圖1.16）。,1.4.7 分辨力 分辨力是用來(lái)表示檢測(cè)系統(tǒng)或儀表裝置能夠檢測(cè)被測(cè)量最小變化量的能力。,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖1.16,1.4.8 精確度（精度） 精確度指標(biāo)有三個(gè)：

11、精密度、正確度和精確度。（1）精密度 ：說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的分散性， 愈小則說(shuō)明測(cè)量愈精密（對(duì)應(yīng)隨機(jī)誤差）。 （2）正確度 ：它說(shuō)明測(cè)量結(jié)果偏離真值大小的程度，即示值有規(guī)則偏離真值的程度。指所測(cè)值與真值的符合程度（對(duì)應(yīng)系統(tǒng)誤差）。 （3）精確度 ：它含有精密度與正確度兩者之和的意思，即測(cè)量的綜合優(yōu)良程度。通常精確度是以測(cè)量誤差的相對(duì)值來(lái)表示的。 它可表示為：,（1.5）,返回,上頁(yè),下頁(yè),1.5 檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間迅速變化，輸出要受檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，因此需要了解檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)，要求檢測(cè)系統(tǒng)在輸入量改變時(shí)，其輸出量能立即隨之不

12、失真的改變。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，由于檢測(cè)系統(tǒng)選用不當(dāng)，輸出量不能良好地追隨輸入量的快速變化會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。因此研究檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有著十分重要的意義。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性一般通過(guò)描述系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、單位脈沖響應(yīng)函數(shù)等數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行研究。 1.5.1 微分方程 檢測(cè)系統(tǒng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，輸入 與輸出 均隨時(shí)間變化，其關(guān)系用式（1.6）的微分方程描述，即,下頁(yè),上頁(yè),返回,（1.6） 式中t為時(shí)間變量， 和 均為常數(shù)，此系統(tǒng)為線(xiàn)性定常系統(tǒng)。 1.5.2 傳遞函數(shù) 雖然微分方程中含有描述檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的信息，但使用時(shí)不是很方便，所以描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，常常采用傳遞函

13、數(shù)。 （1）傳遞函數(shù)的定義 零初始條件下，線(xiàn)性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換和輸入量的拉氏變換之比稱(chēng)為系統(tǒng)傳遞函數(shù)。在零初始條件下，對(duì)式（1.6）兩邊同時(shí)作拉氏變換，則有,下頁(yè),上頁(yè),返回,故有 （1.7） （2）傳遞函數(shù)的特點(diǎn) 1）傳遞函數(shù)表示了系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)性能與輸入量大小及性質(zhì)無(wú)關(guān)。對(duì)于具體的系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)不因輸入的變化而不同，對(duì)任何一個(gè)輸入都有確定的輸出。 2）相似系統(tǒng)。傳遞函數(shù)不拘泥于被描述系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)而只反映動(dòng)態(tài)性能。不同的物理系統(tǒng)，可以用相同的傳遞函數(shù)來(lái)描述，稱(chēng)為相似系統(tǒng)。 3）傳遞函數(shù)可以有量綱，也可以無(wú)量綱。,下頁(yè),上頁(yè),返回,4）傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理分式。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，分子

14、階次mn，分母最高階次n為輸出量最高階導(dǎo)數(shù)的階次，也確定系統(tǒng)的階次n階系統(tǒng)。 （3）常見(jiàn)測(cè)試裝置的傳遞函數(shù) 1）一階系統(tǒng) 傳遞函數(shù) （1.8） 式中：T為時(shí)間常數(shù)，單位為秒。 例如：液柱式水銀溫度計(jì) 設(shè) 為被測(cè)環(huán)境溫度， 為水銀柱輸出溫度值，C表示熱容量，R表示熱阻，由熱力學(xué)方程有：,下頁(yè),上頁(yè),返回,令 ，兩邊同時(shí)作拉氏變換，整理得：,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖1.17 液柱式水銀溫度計(jì),2）二階系統(tǒng) 傳遞函數(shù) （1.9） 式中： 為系統(tǒng)的靈敏度； 為系統(tǒng)的阻尼比； 為系統(tǒng)的無(wú)阻尼固有頻率。 例如：RLC電路， 輸入為， 輸出為，根據(jù)電路基本定律，有,下頁(yè),上頁(yè),返回,上式兩邊同時(shí)作拉氏變換，并消

15、去中間變量 ，得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖1.18 RLC振蕩電路,1.5.3 頻率響應(yīng)函數(shù) 根據(jù)線(xiàn)性定常系統(tǒng)的同頻性，如果輸入信號(hào)為 ，則輸出信號(hào)為 代入式（1.6），可得 （1.10） 其中： 稱(chēng)為測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。即： （1.11） 是頻率響應(yīng)函數(shù)的模，為 的函數(shù)，也是動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，隨著頻率變化而變化，故稱(chēng)為幅頻特性，與靜態(tài)測(cè)量中靈敏度為常數(shù)有顯著的區(qū)別。,下頁(yè),上頁(yè),返回,為頻率響應(yīng)函數(shù)的相角，它表示了檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)初始相位的遷移量，也是 的函數(shù)，所以也稱(chēng)為相頻特性。 常見(jiàn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) （1）一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為 ，其幅頻特性與相頻

16、特性分別為： （1.12） （1.13） 其中負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)滯后于輸入信號(hào)。一階系統(tǒng)奈氏圖、伯德圖分別如圖1.19、圖1.20所示；一階系統(tǒng)的幅頻、相頻特性圖如圖1.21所示。,下頁(yè),上頁(yè),返回,由圖1.21可見(jiàn)，一階系統(tǒng)的幅頻特性曲線(xiàn)隨著 的增加單調(diào)減小，衰減很快，所以一階系統(tǒng)具有低通濾波的特性。在一階系統(tǒng)特性中，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖1.19 一階系統(tǒng)奈氏圖,圖1.20 一階系統(tǒng)伯德圖,1）當(dāng)激勵(lì)頻率遠(yuǎn)小于 時(shí)，輸出與輸入的幅值幾乎相等， 接近1。當(dāng) ， ，系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)積分器。其中 幾乎與激勵(lì)頻率成反比，相位滯后近90。故一階系統(tǒng)適合測(cè)試緩變或低頻的被測(cè)量。 2）時(shí)

17、間常數(shù)T是反映一階系統(tǒng)特性的重要參數(shù)，其值決定系統(tǒng)適用的頻率范圍。,下頁(yè),上頁(yè),返回,圖1.21 一階系統(tǒng)的幅頻、相頻特性圖,（2）二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) 由二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù) ，可得二階 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為： 相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性分別為： （1.14） （1.15）,下頁(yè),上頁(yè),返回,相應(yīng)的幅頻、相頻特性曲線(xiàn)的伯德圖如圖（1.22）所示。,圖1.22 二階系統(tǒng)伯德圖,（a）幅頻特性 （b）相頻特性,下頁(yè),上頁(yè),返回,二階系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)： 1）當(dāng) 時(shí)， ；當(dāng) ， ； 2）影響二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)是固有頻率和阻尼比。其固有頻率 的選擇應(yīng)以工作頻率范圍為依據(jù)。在 附近，系統(tǒng)幅頻特性受阻尼比影響極大。 時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生共振，實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)該避免此情況。此時(shí) ，在測(cè)定系統(tǒng)本身參數(shù)時(shí)，有重要的意義； 3） 段， 很小，且和頻率近似成正比增加。 段， 趨近于180，即輸出信號(hào)幾乎和輸入反相。在 區(qū)間， 隨頻率的變化而劇烈變化，而且 越小，變化越劇烈； 4）二階系統(tǒng)是一個(gè)振蕩環(huán)節(jié)。 從檢測(cè)工作的角度來(lái)看，總希望檢測(cè)系統(tǒng)在較寬的頻帶內(nèi)由于頻率特性不理想所引起的誤差盡可能小。因此，要選擇恰當(dāng)?shù)墓逃蓄l率和阻尼比的組合，以獲,下頁(yè),上頁(yè),返回,得較小的誤差。 1.3.4 實(shí)現(xiàn)不失真