检测系统的特征与性能指标

测量装置的测量特性随时间的慢变化，称为漂移。
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分辨率
灵敏阈
可靠性
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。
又称死区，用来衡量检测起始点不灵敏度的程度。
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。注意：精 密度高不一定正确度高。
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检测装置
检测装置
为了保证测量结果的准确性，检测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。
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。
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: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实现信号变换。例如:水银温度计,压电测力计.
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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:热电偶温度计,压电式加速度计.也称有源传感器。 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:电阻式、电容式、电感式.也称无源传感器。
传感器
信号调理电路
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。
记录、显示仪器
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。
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传感器与检测技术
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第一章 检测系统的特征与性能指标
202X
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演讲人姓名
3） 检测系统的基本结构 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。
压力
电场
变形
老化
外界干扰
理想测试系统的线性关系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。
灵 敏 度
测量范围
回程误差
精确度
….
非线性度
测试装置的静态特性指标
灵敏度
当装置输入一个变化量∆x时，产生输出的变化量∆y；输出的变化量∆y与输入的变化量∆x的比值称作传感器的灵敏度。
例：一台精度等级为0.5级、量程范围为600~1200 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？
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1.5 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。
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而控制技术中，由于常常要研究典型输入信号所引起的系统响应，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来描述。
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1.5 一阶、二阶系统的动态特性
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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，一阶和二阶装置的传递特性是研究高阶装置传递特性的基础。
动态特性：指测试装置对于随时间变化的动态输入量的响应特性
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-输出微分方
程式变成： 其中斜率S是灵敏度，应是常数。
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实际的测量装置并非理想的定常线性系统：
非线性原因： (结构原理性原因除外)
误差因素
检 测 系 统
输入 x
输出 y = f(x)
掌握静态特性指标
掌握动态特性分析方法
掌握不失真测试的条件
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作 业
2
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13
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因此研究检测系统的动态特性有着十分重要的意义。
动态特性的描述方法：
（1）微分方程 （2）传递函数 （3）频率响应函数
h(t)
H(s)
H(ω)
S=jω
拉
氏
变
换
傅
立
叶
变
换
拉
氏
反
变
换
傅
立
叶
反
变
换
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系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为O阶、一阶、二阶系统
优点：概念清晰，输入-输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应
0
y
x
拟合直线
标定曲线
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：
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：
稳定性
漂 移
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。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
当系统初始条件全为零时
利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的传递函数。
分母中s的幂次n代表了系统微分方程的阶数，也称为传递函数的阶次。
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传递函数的特点 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。 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。 传递函数可以有量纲，也可以无量纲。
因此对于一阶系统， 越小，不仅响应速度快，而且其满足测试不失真条件的通频带宽。
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 二阶系统
因此，要尽可能减小失真，首先要选择合适的测试装置。其次，应对输入信号做必要的前置处理，及时滤去非信号频带内的噪声。
本 章 重 点
了解检测系统的组成
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
酒精
湿度
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（二）二阶系统
自然频率
阻尼比
系统灵敏度
二阶系统传递函数标准形式： 在零初始状态下，求其laplace变换：
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实际测试装置选用时应避免发生共振的现象。 但是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以其工作频率范围为依据。 加速度
设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系： 该系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。 时域条件 1.5 实现不失真测试的条件
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
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压
力
作
用
膜片形变（应变）
应变片电阻改变
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
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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：
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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。
传递函数是复变量s的有理分式。对于实际系统，分子阶次m<n，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）频率响应函数
频率响应函数H(jω)定义为输出量的傅氏变换和输入量的傅氏变换之比。
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5
频率响应函数直观反映了系统对不同频率输入较好的测量结果，常常在系统处于稳态输出阶段进行测试，常用频率响应函数来描述系统的动态特性。
故下面重点讨论线性时不变系统的主要性质。
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2
线性时不变系统：
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02.
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线性时不变系统具有以下性质：
叠 加 性
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. 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出叠加的结果。即若：
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。
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
检测系统的静态特性与性能指标
测试装置的性能分为两种：静态特性和动态特性。
静态特性：当被测量是恒定的、或是缓慢变化的物理量时所涉及的是系统的静态特性问题。这时输出与输入之间的关系称为测试装置的静态特性。
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为简化分析，令 K＝1
二阶系统传递函数标准形式：
频率响应函数 可见，固有频率 和阻尼比 是二阶系统最重要的参数。
1
2
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幅频特性 （b）相频特性
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
二阶系统的BODE图
可用一条折线来近似描述。 滞后 二阶装置是一个振荡环节，为此要选择恰当的固有频率和阻尼比的组合，以便获得较小的误差和较宽的工作频率范围。一般取 （ωn越大越好），
缺点：求解方程麻烦，测试装置调整时分析困难
微分方程
动态特性指测试装置对于随时间变化的输入量的响应特性
中t为时间变量， 和 均为常数，此系统为线性定常系统。
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（2）传递函数
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H(s)即：
对时域条件做傅立叶变换 ：
频域条件 即：若要求装置的输出波形不失真，则装置的幅频和相频特性应分别满足 则测试装置的频域响应函数应满足 ：
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实际测量装置不可能在非常宽广的频率范围内都满足不失真测试条件，即使在某一频率范围内工作，也难以完全理想的实现不失真测试。只能努力把波形失真限制在一定的误差范围内。
信号分析处理
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。
通信接口和总线
1.2 传感器概论 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”。 2）传感器的组成
（一）一阶系统
系统灵敏度
时间常数
进行laplace变换： 一阶系统均可用一阶微分方程来描述： 一阶系统传递函数标准形式：
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为简化分析，令 K＝1
传递函数
微分方程
频率响应函数 其中负号表示输出信号滞后于输入信号。 可见，时间常数 是一阶系统最重要的参数。
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一阶系统的BODE图
可用一条折线来近似描述。
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比例特性 测试装置的输入信号扩大a倍，输出信号也扩大a倍。对于任意常数a，都有 微分特性 系统对输入导数的响应等于对原输入响应的导数 积分特性 如系统的初始状态均为零，则系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分
频率保持性 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（余）弦信号。
定义:
表达:
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 注意：灵敏度越高，稳定性越差，测量范围相应越小。。
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非线性度
B 为标定曲线与拟合直线的最大偏差。 A 为装置的全量程输出范围。
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目前两种常用的拟合基准直线方法： ① 平均法 ② 最小二乘法