1、自动检测技术全册配套最完整自动检测技术全册配套最完整 精品课件精品课件1 自动检测技术自动检测技术 什么是自动检测什么是自动检测 自动检测就是在测量和检验过程中完全不需要或仅需要很少的人工 干预而自动进行并完成的检测。 自动检测是完成自动控制的必经之路。 自动检测的任务自动检测的任务 自动检测的任务主要有两种： 一是将被测参数直接测量并显示出来，以告诉人们或其他系统有关 被测对象的变化情况，即通常而言的自动检测或自动测试； 二是用作自动控制系统的前端系统，以便根据参数的变化情况做出 相应的控制决策，实施自动控制。 自动检测的意义自动检测的意义 实现自动检测可以提高自动化水平和程度，减少人为干扰
2、因素和人 为差错，可以提高生产过程或设备的可靠性及运行效率。 一般工业上有温度、压力、物位、流量、成分温度、压力、物位、流量、成分5种重要的过程参数。 位移、厚度、倾角、转速、振动、力、力矩、水分、湿度、密度、浓度和气 体等参数 以上均为非电量 一般将非电量通过传感器和接口电路转化为对应的电量（阻抗、电压、电流等） 来表征其值的大小 自动检测技术自动检测技术课程性质课程性质专业基础课专业基础课 自动检测技术是自动化科学技术的一个重要分支科学，是在仪器仪 表的使用、研制、生产的基础上，在完成自动控制的需求上，发展起来 的一门综合性技术。它被列为自动化专业的“主要课程”，是必修的专 业基础课。 学
3、习本课程的目的和任务学习本课程的目的和任务 为学习专业课以及今后从事自动化技术领域的工作打下基础。 了解和掌握常用传感器的基本原理、常见非电量的电测方法和常用仪 表的共性技术， 课程重点与难点：课程重点与难点： 传感器原理与非电量电测技术是本课程重点。 技术密集、知识分散、种类繁多、纵横交错、缺乏严密逻辑体系是 本课程的难点。 1)被测非电量五花八门，常见的约有几十种； 2)传感器种类繁多，约有两万多种，而且每年以1000多种的速度递增； 3)被测非电量与所使用的传感器之间又存在着纵横交错的复杂关系， 一种非电量可以使用多种传感器来测量，同一种传感器也可以测量多 种被测量。 4) 需要将这种网
4、络状连接的“技术单元”，按科学的方法表述出来。 课程特色课程特色 技术密集、知识分散。 在一只微小的传感器中，涉及机械、材料、物理、化学、电子 技术、计算机等多学科知识。 传感器技术飞速发展，新技术不断出现，学科交叉融合和应用领 域都在不断扩大。 学习学习自动检测技术自动检测技术的预备知识的预备知识 大学物理、大学物理实验、电路、模拟电子、 数字电子、自动控制原理、微机原理、概率与数理 统计、机械制图 教材与学时教材与学时 孙传友，现代检测技术及仪表， 高等教育出版社， 2006。 参考教材参考教材 徐科军传感器与检测技术 常健生检测与转换技术 王绍纯自动检测技术 贾伯年传感器技术 孙传友感测
5、技术基础 现代检测技术与仪表现代检测技术与仪表 目录目录 第第1 1章章 绪论绪论 第第2 2章章 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 第第3 3章章 误差分析与数据处理基础误差分析与数据处理基础 第第4 4章章 阻抗型传感器阻抗型传感器（电阻、电容、电感）（电阻、电容、电感）+ +接口电路接口电路 第第5 5章章 电压型传感器电压型传感器（电压变化）（电压变化）+ +接口电路接口电路 第第6 6章章 数字式传感器数字式传感器（编码，计数等）（编码，计数等）+ +接口电路接口电路 第第7 7章章 新型传感器新型传感器 第第8 8章章 几何量的电测法几何量的电测法 第第9 9章章 机械量的电测
6、法机械量的电测法 第第1010章章 热工量的电测法热工量的电测法 第第1111章章 成分与含量的电测法成分与含量的电测法 第第1212章章 模拟式检测仪表的设计及实例模拟式检测仪表的设计及实例 第第1313章章 数字式检测仪表的设计及实例数字式检测仪表的设计及实例 第第1414章章 微机化检测仪表的设计及实例微机化检测仪表的设计及实例 第第1515章章 现代检测新技术现代检测新技术 传感器的基本原理传感器的基本原理 （某一传感器可以测哪些量的角（某一传感器可以测哪些量的角 度）度） 常见非电量的电测方法常见非电量的电测方法 （某一非电量可用哪些传感器来测的角度）（某一非电量可用哪些传感器来测的
7、角度） 传感器以后的仪器部分 回答一般性检测系统的数学模型及特性问题回答一般性检测系统的数学模型及特性问题 检测过程中的数据处理问题检测过程中的数据处理问题 第一章第一章 绪论绪论 本章目录 1.1 检测技术及仪表的地位与作用 1.2 传感器概述 1.3 检测仪表与系统概述 1.1 1.1 检测技术及仪表的地位与作用检测技术及仪表的地位与作用 1.1.1 1.1.1 检测仪表（或称仪器仪表，仪器）的地位与作用检测仪表（或称仪器仪表，仪器）的地位与作用（信息的源头技术）（信息的源头技术） 什么是检测？ “检测”与“测试”基本上是同义词，即对研究对象进行测量和试验，取得定量 信息和定性信息的过程。
8、 检测的手段是什么？ 检测仪表是专门用于检测的手段或工具。 因此，要实现自动检测，必须设计、研究、制造相应的仪器仪表。 本课程主要研究仪器仪表中的共性技术共性技术。 或者说自动检测中的共性技术。 检测或测试是人类认识世界和改造世界必不可少的重要手段。 科学的发展、突破是以测试技术的水平为基础的。（SPM） 在诺贝尔物理奖和化学奖中大约有1/4是属于测试方法和仪器的创新。（宾尼） 检测仪器或者系统在生产过程中起着把关和指导的作用，它从生产现场获取各种参数， 运用科学规律和系统工程的做法（信号处理等），综合有效的利用各种先进技术，通过 自控手段和装备，使每个生产环节得到优化，进而保证生产规范化，提
9、高产品质量，降 低成本， 满足需要，保证安全生产。 仪器的功能在于用物理、化学或生物的方法，获取被检测对象运动或变化的信息，通 过信息转换的处理，使其成为易于人们阅读和识别表达（信息显示、转换和运用）的量 化形式，或进一步信号化、图像化。通过显示系统，以利观测、入库存档，或直接进入 自动化、智能运转控制系统。 仪器是一种信息的工具，起着不可或缺的信息源的作用。仪器是信息时代的信息获 取处理传输的链条中的源头技术。如果没有仪器，就不能获取生产、科学、环 境、社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。 钱学森：“ 新技术革命的关键是是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术、通 信技术三
10、部分组成。测量技术则是关键和基础。”现在提到信息技术通常指后两者，而 关键的测量技术却往往被忽视了。所以，仪器技术是信息的源头技术。（检测仪表的地 位与作用） 1.1.2 1.1.2 检测技术是仪器仪表的技术基础检测技术是仪器仪表的技术基础 科研和工程上需要检测的量可分为： 电量 非电量 检测仪表也因此分为两类： 电量检测仪表 非电量检测仪表 由于非电量种类比电量种类多得多，因此，非电量检测仪表的种类比电量检 仪表种类多的多。 早期，非电量的检测多用非电的方法检测，例如：尺子测量长度，水银温度计 测量温度等。 但是，随着科学技术的发展，对测量精度、速度都提出了新的要求，尤其对动 态变化的物理过
11、程进行测量，以及对物理量的远距离测量，用非电的方法已经不能 满足要求，而必须采用电测法。（比如电机转速的动态过程测量，欠阻尼二阶系统阶跃响应形式） 电测法就是把非电量转换为电量（电阻、电感、电容、电压）来测量，同非电 量的方法相比，电测法就有无可比拟的优越性（问答题）（问答题）： 1）便于采用电子技术，用放大和衰减的方法灵活的改变测量仪器的灵敏度，从而 扩大仪器的量程。 2）电子测量仪器具有极小的惯性，即能测量缓慢变化的量，也可测量快速变换的 量，因此采用电测技术将具有很宽的测量频率范围（频带，带宽对应系统响应速度）。 3）把非电量变成电信号后，便于远距离传送和控制，这样就可实现远距离的自动
12、测量。 4）把非电量转换为数字电信号，不仅能实现测量结果的数字显示，而且更重要的 是能与计算机技术相结合，便于用计算机对测量数据进行处理，实现测量的微机化 与智能化。 5）结合数字控制器或者模拟控制器，易于形成反馈控制。）结合数字控制器或者模拟控制器，易于形成反馈控制。 由于电测法具有无可比拟的优越性，因此，在现代测量中，非电量大多数用传由于电测法具有无可比拟的优越性，因此，在现代测量中，非电量大多数用传 感器转换成电量再进行测量感器转换成电量再进行测量非电量的电测量。非电量的电测量。 非电量的电测量非电量的电测量 现代的检测工作包括： 电量检测 非电量检测 一是怎样用传感器将非电量转换 为电
13、量； 二是怎样用对电量进行测量； 现代检测技术组成部分 电量测量技术 传感器技术 非电量电测技术（重点，其实包含了前两者）非电量电测技术（重点，其实包含了前两者） 在科研、生产、生活、国防等各个领域都需要检测一些电量或非电量，而每一 种电量或非电量又有多种测量方法，因此仪器仪表的种类和型号是很多的。 但是从这些仪器仪表的硬件上看，内部组成模块大致相同；软件上看，整机原 理、总体设计思想、主要的软件算法也大体相近。 也就是说，各类仪器仪表尽管用途、名称型号、性能各不相同，但它们之间有 很多共性，而且这些共性和个性相比，共性是主要的。它们的共同的理论基础与 技术基础实质就是“检测技术”。正如标题所
14、说正如标题所说“检测技术是仪器仪表的技术基检测技术是仪器仪表的技术基 础础” 常见的各类仪器仪表只不过是作为其“共同基础”的“检测技术”与各个具体 应用领域的“特殊要求”相结合的产物。 本书不是逐个介绍具体的仪器仪表产品，而是讲述各类仪器仪表中常见的传感 器、常见非电量的电测方法、常规仪表的共性技术共性技术。 因为“产品”是“技术”的产物，只要掌握了常见的各类仪器仪表产品通用的 模块和常用的技术，今后遇到具体仪器仪表时，在了解一下该仪器仪表应用领域 的特殊要求和某些专用电路，就能很快适应所从事仪器仪表的具体工作。 1.2 1.2 传感器概述传感器概述 1.1.2 1.1.2 传感器的基本概念传
15、感器的基本概念 现代检测技术组成部分 电量测量技术 传感器技术 非电量电测技术（重点，其实包含了前两者）非电量电测技术（重点，其实包含了前两者） 国家标准传感器通用术语，对传感器的定义为： 能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或 装置。 传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号（一般指电信号：阻 抗、电压、电流）输出的转换元件及相应的电子线路所组成。 传感器的组成 敏感元件 转换元件 传感器接口电路（测量电路） 1.1.2.1 传感器的定义传感器的定义 图 934 受力等强度梁应变片的粘贴 传感器的组成 敏感元件（敏感器） 转换元件（有时也习惯称此部
16、分为传感器） 电子线路（传感器接口电路）（测量电路） 传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号（一般指电信号） 输出的转换元件及相应的电子线路所组成。 图 933 受力圆柱上应变片的粘贴 狭义定义为： 1）能把外界非电信息转换成电信号输出的器件或装置。 或 2）能把非电量转换成电量的器件或装置。 1）若所要测量的非电量正好是某传感器能转换的那种非电量，而该传感器转换出 来的电量又正好能为后面的显示记录电路所利用，那么就只要由传感器和显示仪表 便可非常容易的构成一个非电量测量系统。 例如：热电偶测温度时产生的热电动势可以驱动动圈式毫伏表。 1.1.2.2 传感器与敏感器（区分前面）传
17、感器与敏感器（区分前面） 非电量测量系统两种构成 非电量测量系统的组成 传感器：把可用非电量转换为电量 接口电路+显示仪表（表头） 非电量测量系统的组成 传感器：把可用非电量转换为电量 接口电路+显示仪表（表头） （敏感器）： 把被测非电量转换为可用非电量 2）然而，很多情况下，所要测量的非电量并不是我们所持有的传感器所能转换的那 种非电量，这就需要在传感器前面增加一个能把被测非电量转换为该传感器所能接受 和转换的非电量（即可用非电量）的装置或器件，这种能把被测非电量转换为可用非 电量的器件或装置称为敏感器。 如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称为预变换器。 例如，用电阻应变片测压力时就要
18、将应变片粘贴到承受压力的弹性元件上，弹性 元件将压力转换为应变，应变片再将应变转换为电阻变化，这里应变片 便是传感 器，而弹性元件便是敏感器。 1.1.2.3 非电量电测法分类非电量电测法分类 非电量电测法分类 直接法：无需敏感器，被测非电量x直接转换为电量y 。 单值函数 直接传感器 间接法：需要敏感器，先将被测量x转换为传感器的可用 ( )yf x 非电量z，再用传感器将可用非电量z转换为电量y。 ( ) ( ) ( )( ) zx yz yxf x 间接（复合）传感器 敏感器 传感器 在以后的学习中，会看到，只要将“敏感器”与“传感器”适当配合，就可以使 一种传感器开发出多种用途，一种非
19、电量也就可以有多种测量方法。 1.1.2.4 传感器接口电路（测量电路）传感器接口电路（测量电路） 在很多情况下，传感器所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路（表头）所 能利用的。 例如，电阻式应变传感器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不能像热 电偶产生的热电动势那样被电压显示仪表所接受。 这就需要用某种电路来对传感器转换出来的电量进行变换和处理，使之成为便于显 示、记录、传输或处理的可用电信号。 接在传感器后面的这种功能电路，称之为测量电路或传感器接口电路。 例如，电阻应变片接入电桥，将电阻变化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传 感器常用的测量电路。 理论上讲，理论上讲， M种敏感
20、器、种敏感器、N种传感器和种传感器和L种仪表电路的排列组合可以产生出种仪表电路的排列组合可以产生出M*N*L种种 非电量检测仪表。非电量检测仪表。 1.1.2.5 变送器变送器 把凡能输出标准信号的传感器称为变送器。 即“变送器”是“传感器”配接能输出标准信号的“接口电路”后构成的将非电 量转换为标准信号的器件或装置。 国际电工委员会将4-20mA直流电流信号和1-5V直流电压信号确定为过程控制系 统电模拟信号的统一标准。 所以，“变送器”通常就是指将被测非电量转换为4-20mA直流电流信号或和1- 5V直流电压信号的器件或装置。 1.1.3 1.1.3 传感器的分类和命名法传感器的分类和命名
21、法 1.1.3.1 1.1.3.1 传感器的分类传感器的分类 传感器一般都是按照物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的。因此可进行分类。 传感器分类 物理型（本书重点介绍）：应用于工业测控技术领域 化学型 生物型 用于化学工业、环保监测和医学诊断 物理型传感器 物理型传感器：利用其物理特性变化实现信号转换 如热敏电阻、光敏电阻 结构性传感器：利用其结构参数变化实现信号转换 如变极距型电容传感器、变气隙型电感式传感器 物理型传感器的分类： 1）按构成原理分类 2）按输出信号表示形式分类 物理型传感器 模拟式传感器 数字式传感器 阻抗型（第4章） 电压型（第5章） 电阻 电容 电感 （第6章）
22、 1.1.3.2 1.1.3.2 传感器的命名法传感器的命名法 一种传感器产品的名称，应由主题词加四级修饰语构成： (1) 主题词传感器 (2) 第一级修饰语被测量，包括修饰被测量的定语 (3) 第二级修饰语转换原理，一般可后续以“式”字 (4) 第三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料 特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后续以“型”字。 (5) 第四级修饰语主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。 有关传感器的统计表格、图书索引，检索及计算机汉字处理等特殊场合， 应采用以上命名法所规定的顺序： 例1：传感器，绝对压力，应变计式，放大型，13500kPa; 例2：传感器
23、，加速度，压电式， 20g 在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名 称应采用与上述相反的顺序 例1：13500kPa放大型应变计式绝对压力传感器; 例2： 20g压电式加速度传感器 1.3 1.3 检测仪表与系统概述检测仪表与系统概述 1.3.1 1.3.1 检测仪表与系统的基本组成检测仪表与系统的基本组成 检测系统 电量检测系统 非电量检测系统（更常见，更具有普遍性，本书研究内容）非电量检测系统（更常见，更具有普遍性，本书研究内容） 非电量常常都通过传感器转换成电量来测量， 电量检测系统的前端加上传感器即构成非电量检测系统， 所以电量检测系统大多已被包含在非电量检
24、测系统中。 一般工业上有温度、压力、物位、流量、成分温度、压力、物位、流量、成分5种重要的过程参数。 位移、厚度、倾角、转速、振动、力、力矩、水分、湿度、密度、浓度和气体 等参数 非电量测量系统的组成 传感器（信息的获得）（内部可能包括敏感器） 测量电路（信息的转换）（接口电路） 显示装置（信息的显示）（即表头） 传感器（信息的获得）：把一个被测的非电量转换成电量的装置，因此是一种获得 信息的手段，在非电量测量中占有重要的位置。 测量电路（信息的转换）：作用是把传感器输出变量变成电压或电流信号，使信号 能在显示仪表上指示或在记录仪中记录。 显示装置（信息的显示）：显示信息。显示方式目前有三种：
25、模拟显示、数字显示、 图像式。动态变化过程则需要记录仪。 各种检测仪表的用途、名称型号、性能尽管各不相同，但差别仅在于仪表 的前端即传感器和测量方法不同，传感器以后的部分却是基本相同的。 为了适应今后从事非电量测量工作，不仅要学习传感器原理，也要学习非 电量测量仪表的共性技术和设计方法。 本书的内容结构（目录） 本教材约定： 传感器：将非电量转换成电量的器件或装置。 敏感期： 将被测非电量转换成可用非电量的器件或装置。 只要将敏感器与传感器适当配合，就可以使一种传感器开发出多种用途，一只要将敏感器与传感器适当配合，就可以使一种传感器开发出多种用途，一 种非电量也就可以有多种测量方法。各种检测仪
26、表的用途、名称型号、性能种非电量也就可以有多种测量方法。各种检测仪表的用途、名称型号、性能 尽管各不相同，但差别仅在于仪表的前端所使用的传感器和测量方法不同，尽管各不相同，但差别仅在于仪表的前端所使用的传感器和测量方法不同， 传感器以后的仪器部分却基本上是相同的。传感器以后的仪器部分却基本上是相同的。 理论上讲，M种敏感器，N种传感器和种仪表电路的排列组合可产生出（ ）种非电量检测仪表。 只要学习和掌握了这（）种组成模块，今后根据特定的检测任务 要求，将这些模块恰当的排列组合，再引入一些新器件和新技术，就能创新 设计出自己的检测方案或者仪表产品。 图 934 受力等强度梁应变片的粘贴图 933
27、 受力圆柱上应变片的粘贴 1.3.2 1.3.2 常规检测仪表与系统的基本类型常规检测仪表与系统的基本类型 目前，国内常规的检测仪表与系统按照终端部分的不同，可分为三种类型： 普通模拟式检测仪表 普通数字式检测仪表 微机化检测系统 1.3.2.1 1.3.2.1 普通模拟式检测仪表普通模拟式检测仪表 图 132 普通模拟式检测仪表简化框图 1.3.2.2 1.3.2.2 普通数字式检测仪表普通数字式检测仪表 模数转换式 脉冲计数式 图 133 普通数字式检测仪表简化框图 1.3.2.3 1.3.2.3 微机化检测系统微机化检测系统 图 134 微机化检测系统简化框图 由于计算机技术的引入，使微
28、机化检测系统具有了普通模拟式和数字式检测仪表 所没有的新特点和功能（问答）（问答）： 1）自动调零功能 。 在每次采样前对传感器的输出值自动清零，从而大大降低因 测控系统漂移变化造成的误差。 2）量程自动切换功能 。 可根据测量值和控制值的大小改变测量范围和控制范围， 在保证测量和控制范围的同时提高分辨率。 3）多点快速测量。 可对多种不同参数进行快速测量。 4）数字滤波功能。 利用计算机软件对测量数据进行分析，可抑制各种干扰和脉冲 信号。 5）自动修正误差。 许多传感器和控制器的特性是非线性的，且受环境参数变化的 影响比较严重，从而给仪器带来误差。采用计算机技术，可以依靠软件在线或离线 进行
29、修正。 6）数据处理功能。利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和 运算功能，比如统计分析、检索排序、函数变换、差值近似、频谱分析等。 7）多媒体功能。 利用计算机的多媒体功能，可以使仪器具有声光和语音等功能， 增强测控系统的个性或特色。 8）通信或网络功能。利用计算机的数据通信功能，可以大大增强测控系统的外部接 口功能和数据传输功能。采用网络功能的测控系统则将拓展一系列新颖的功能。 9）自我诊断功能。采用计算机技术后，可对测控系统进行监测，一旦发现故障，则 立即进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原因，对排除故障的方法进行提示。 （中断技术与故障诊断） 重要一点：易于构成计
30、算机控制系统。重要一点：易于构成计算机控制系统。 1.3.3 1.3.3 新型仪器仪表的发展趋势新型仪器仪表的发展趋势 高新技术的应用，使得仪器仪表领域发生了根本性变革现代仪器仪表产品已 经成为典型的高科技产品。（比如手机） 突破了传统的光、机、电的框架，向着计算机化、网络化、智能化、多功能化的 方向发展。朝着更高速、更灵敏、更可靠、更简捷的获取被分析、检测、控制对象 全方位信息的方向阔步前进。 传统的仪器仪表将仍然朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环境 适应和长寿命的方向发展。 新型的仪器仪表将朝着微型化、集成化、电子化、数字化、多功能化、智能化、 网络化、计算机化、综合自动化、
31、光机电一体化、家庭化、个人化、无维护化以及 组装生产自动化、规模化的方向发展。 第二章第二章 检测系统的基本特性检测系统的基本特性 本章目录 2.1 静态特性及性能指标 2.2 动态特性及性能指标 检测系统作为一个系统，有输入和输出，因此可以建立检测系统的数学模型， 来研究其各种特性。这种数学模型有两种情况： 静态模型（线性代数方程）：静态测量，是指在测量过程中，被测量保持恒定不 变时的测量。 动态模型（微分方程）：动态测量，假如被测量本身随时间变化，而检测系统又能 准确的跟随被测量的变化而变化，则称为动态测量。 2.1 2.1 静态特性及性能指标静态特性及性能指标 2.1.1 2.1.1 静
32、态特性静态特性 2.1.1.1 定义：定义： 静态测量 是指在测量过程中，被测量保持恒定不变时的测量。（如零件尺寸的测量） 当被测量为缓慢变化量，但在一次测量的时间段内变动的幅值在测量精度范围之内， 这时的测量也可当做静态测量来处理。 检测系统的静态特性 在静态测量中，检测系统的输入输出特性称为静态特性，也称标度特性。 数学描述： 当输入信号x不随时间变化（即 时，或随时间变化很缓慢时检测系统的特 性，此时该系统处于稳定状态，输出信号y与输入信号x之间的函数关系，一般 可用下列代数方程多项式来表示 0 dx dt 23 0123 . n n yaa xa xa xa x 式中， 为标定系数，它
33、决定静态特性曲线的形状和位置。 称为检测系 统的零位置。 23 0123 . n n yaa xa xa xa x 01 ,., n a aa 0 a 当 时， ，即输入与输出特性曲线是经过坐标原点的 直线。这是一种理想的线性检测系统。 当 时， ，即特性曲线是一条零点迁移的直线，这是一 种带有零位置的线性检测系统。 023 .0 n aaaa 1 ya x 23 .0 n aaa 01 yaa x 图 211 线性检测系统的静态特性 2.1.1.2 静态特性的校准（标定，即如何获得静态特性曲线）静态特性的校准（标定，即如何获得静态特性曲线） 检测系统的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定
34、）的。 静态标准条件： 1）没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）； 2）环境温度一般为室温 ；相对湿度不大于85%； 3）大气压力为101 324.72 7 999.32 Pa(760 60mmHg)的情况下。 在这种标准工作状态下，利用一定精度等级的校准设备，对系统输入高精度 的标准量信号，测出相应的输出量值，并进行往复循环测试，得出系统的静 态特性，可以用输入输出数据列成表格或画成曲线（称为校准曲线或标定 曲线）表示。 205 oC 2.1.2 2.1.2 静态性能指标静态性能指标 2.1.2.1 测量范围和量程测量范围和量程 测量范围是指检测系统所能测量到的最小被测输
35、入量（下限）至最大被测输入量 （上限）之间的范围，即 。 量程是指检测系统测量上限和测量下限之代数差，即 minmax (,)xx minmax Lxx 例如 温度检测系统的量程， 加速度检测系统的量程 2.1.2.2 灵敏度灵敏度S 灵敏度是指检测系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比的极限值，即 0 lim x ydy S xdx 灵敏度的量纲 线性检测系统的灵敏度为一个常数。 非线性系统的灵敏度是变化的。 若检测系统是由灵敏度分别为 等多个相互独立的环节串联而成的， 该检测系统的总灵敏度为各组成环节灵敏度的连乘积，即 123 S s s s 123 ,S S S 2.1.2.3
36、 分辨力与分辨率分辨力与分辨率 分辨力是指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量 。 它说明了检测系统响应与分辨输入量微小变化的能力。 分辨率是指全量程中最大的 即 与满量程 之比的百分数。 min x min x min max xL 2.1.2.4 精度（精度与误差的关系）精度（精度与误差的关系） 在静态测量中，任何测量系统和测量结果都含有一定大小的误差。精度大小往 往用误差来表示，具体表示方法将在第3章专门讨论。 2.1.2.5 线性度线性度 L e 通常希望检测系统的输入输出关系是线性的。但实际上，这很难实现。 检测系统的线性度通常用检测系统实际测得的输入输出特性曲线与其拟合直 线之
37、间的最大偏差 与满量程 输出比值的百分数来表示。 max L F.S y max F.S 100% L L e y 图213 线性度 拟合直线的确定方法 端点法 最小二乘法（偏差的平方和最小数值分析） 所得直线与实测特性曲线相应点之间偏差的平方和为最小，称为最小二乘直线，以最小二乘直线作为基准来确 定的线性度称为最小二乘线性度。 2.1.2.6 迟滞迟滞 （Hysteresis) H e 检测系统的输入量由小增大（正行程），继而自大减小（反行程）的测试过程中， 对应于同一输入量，输出量往往有差别，这种差别称为迟滞或迟滞误差，也称为 回程误差。 迟滞大小常用全量程中最大的迟滞 与满量程输出值之比
38、的百分数来表示， max H max F.S 100% H H e y 图 214 迟滞特性 2.1.2.6 2.1.2.6 稳定性与漂移稳定性与漂移 稳定性是指在一定工作条件下，保持输入信号不变时，输出信号随时间或温度的变化 而出现缓慢变化的程度。 回忆自动控制原理稳定性概念（在外界扰动信号消失后，系统恢复原来平衡状态的能力。 统一的） 时漂：在输入信号不变的情况下，检测系统的输出随时间变化的现象。(外界干扰） 温漂：在输入信号不变的情况下，检测系统的输出随温度变化的现象。 温漂 零位温漂（检测系统零点位置随温度的漂移） 灵敏度温漂（检测系统灵敏度随温度的漂移） 2.1 2.1 动态特性及性
39、能指标动态特性及性能指标（回顾自动控制原理的知识）（回顾自动控制原理的知识） 2.2.1 2.2.1 动态特性动态特性 2.2.1.1 定义：定义： 动态测量 假如被测量本身随时间变化，而检测系统又能准确的跟随被测量的变化而变化，则 称为动态测量。 比如单位阶跃响应过程的测量。 动态测量与静态测量对检测系统的要求以及对测得数据的处理有着很大的差别。 检测系统的动态特性 检测系统对于随时间变化的输入量的响应特性（输出不是一个定值，是时间的函 数），称为检测系统的动态特性。 2.2.1.2 2.2.1.2 检测系统动态特性的研究方法检测系统动态特性的研究方法 理论上 机理分析，建立检测系统的数学模
40、型（微分方程），求解微分方程来分析输入 输出关系。 存在问题：实际装置的数学模型往往难于建立，因此这种理论分析法仅限于分 析某些线性检测系统。 实际工作中 采用实验法来检测系统对某些典型信号的响应，来评价它的动态特性。 1）时域分析中，对系统输入阶跃信号，研究系统的阶跃响应获得系统的各项动 态性能指标。 2 2）频率分析法中，对系统输入正弦信号，辨识得到系统的）频率分析法中，对系统输入正弦信号，辨识得到系统的bodebode图，根据图，根据boedboed 图分析系统的动态特性。图分析系统的动态特性。可辨识获得系统的传递函数。可辨识获得系统的传递函数。 实际的检测系统一般都能在一定范围内看作是
41、线性时不变系统，因此可以利用自实际的检测系统一般都能在一定范围内看作是线性时不变系统，因此可以利用自 动控制原理中介绍的相关方法来研究检测系统的动态特性。动控制原理中介绍的相关方法来研究检测系统的动态特性。 2.2.2 2.2.2 检测系统的传递函数检测系统的传递函数 1）任意线性时不变系统的数学模型一般可用线性微分方程来表示： 11 110110 11 ., nnmm nnmm nnmm d ydydyd xdxdx aaaa ybbbb x nm dtdtdtdtdtdt 检测系统的输出量， 检测系统的输入量。 yx 2）检测系统系统的传递函数为 零初始条件下，检测系统的输出量与输入量的拉
42、氏变换之比： 1 110 1 110 .( ) ( ) ( ). mm mm nn nn b sbsbsbY s H s X sa sasa sa 3）检测系统的频率特性 令 ，通过传递函数即可获得检测系统的频率特性。 sj () ( )()( ) sjj H sH jKe 幅频特性， 相频特性( )K() 2.2.2.1 2.2.2.1 零阶系统零阶系统 （静态系统）（静态系统） 工程中，大部分检测系统都可概括为零阶系统、一阶系统、二阶系统或它们的组合。工程中，大部分检测系统都可概括为零阶系统、一阶系统、二阶系统或它们的组合。 1）零阶系统的方程为 00 a yb x比例环节 0 yK x
43、0 K系统的静态灵敏度 2）零阶系统的传递函数为 0 ( )H sK 频率特性 幅频特性 相频特性 0 ()H jK 0 ( )KK ( )0 零阶系统是一个与时间和频率无关的系统，输出量幅值与输入量幅值成确定的比例关 系，通常称为比例系统或无惯性系统。 在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都近似当做零阶系统来处理。 2.2.2.2 2.2.2.2 一阶系统一阶系统 100 dy aa yb x dt 0 dy yK x dt 0 ( ) 1 K H s s 0 () 1 K H j j 0 2 ( ) 1 K K ( )arctan() 一阶系统的微分方程为 通用形式为 传递函
44、数为 频率特性为 幅频特性为 相频特性为 图211 一阶系统幅频及相频特性曲线 典型一阶系统： 弹簧阻尼系统、质量阻尼系统； RC、LR电路、液体温度计等。 2.2.2.3 2.2.2.3 二阶系统二阶系统 图 222 二阶系统的频率特性 二阶系统的微分方程为 2 2100 2 d ydy aaa yb x dtdt 传递函数为 2 00 22 00 ( ) ( ) ( )2 KY s H s X sss 频率特性为 0 2 0 0 () 12 K H j j 幅频特性，相频特性 很多传感器，如振动传感器、压力传感器、它们一般都包含质量、弹性元件和阻尼 器，这三者就可组成一个二阶系统。除此之外
45、，RLC电路也能组成一个二阶系统。 另外，很多高阶系统也可用二阶系统来近似。 传递函数的用途： 当知道了检测系统的传递函数后，也就相当于知道了系统的动态特性。 ( )( )( )Y sX s H s 11 ( )( )( )( )y tLY sLX s H s 2.2.3 2.2.3 检测系统的阶跃响应和时域动态性能指标检测系统的阶跃响应和时域动态性能指标 2.2.3.1 2.2.3.1 检测系统的阶跃响应检测系统的阶跃响应 当对检测系统输入阶跃信号时，检测系统的时域响应，为检测系统的阶跃响应。 1）零阶系统的阶跃响应 1 0,0 ( ) ,0 ( )( ) ( )( ) t X t A t
46、A X sL X t s A y tLH s s 0 ( ),0y tK At 2）一阶系统的阶跃响应 0 ( )(1),0 t y tK Aet 0 ( )( ) 1 ( ) t y ty t e yK A 0 ( )yK A ( )( ) ( )100%100% ( ) t y ty te y 相对动态误差为 3）二阶系统的阶跃响应 无阻尼 欠阻尼 临界阻尼 过阻尼 0 01 1 1 2.2.3.2 2.2.3.2 检测系统的时域动态性能指标检测系统的时域动态性能指标 1）调节（响应）时间 2）峰值时间 3）超调量 s t p t 2.2.4 2.2.4 检测系统的正弦响应和频域动态性能指
47、标检测系统的正弦响应和频域动态性能指标 2.2.4.1 2.2.4.1 稳态正弦响应稳态正弦响应 线性系统输入正弦信号时，稳态输出的特点。 频率相同，幅值改变，相位改变。 ( )sin ( )sin() ( ) ( ) x tXt y tYt Y K X 改变输入正弦信号的频率 ，观察检测系统稳态输出响应的幅值变化和 相位滞后，就可求得检测系统的幅频特性和相频特性，获得bode图。也 就通过实验的方法获得了检测系统的频域数学模型。 2.2.4.2 2.2.4.2 检测系统的频域动态性能指标检测系统的频域动态性能指标 检测系统的频域动态性能指标由检测系统的幅频特性和相频特性的特性来表示。 ( )
48、K( ) 1）带宽频率 B 幅频特性 的值下降到频率为0时的幅频特性值 的 时所对应的频 率称为带宽频率 ， 即 ( )K0 (0)KK 1 2 0 () 2 B K K B 一阶系统的带宽频率 二阶系统 的的带宽频率（最佳阻尼比的情况下） 1 B 0 1 , 2 B 2）谐振频率 幅频特性曲线出现峰值，即 时的频率称为谐振频率。 ( ) 0 dK d 二阶系统只有在 时才有谐振频率为 1 0 2 2 0 0 2 12 () 21 r r K K 2.2.5 2.2.5 无失真检测条件无失真检测条件 2.2.5.1 2.2.5.1 什么是无失真检测什么是无失真检测 有些检测系统中（例如，地震记
49、录仪、超声诊断仪等），数据采集系统需要 把被测信号在一段时间内的波形不失真的记录下来，以便从中提取所需要的信息。 如果记录信号发生失真，那就可能造成信息丢失或提取不出真实的信息。 如果把被测信号 作为检测系统的输入，而把记录信号 作为系统的输 出，那么一个无失真检测系统应满足如下条件 上式表明，输出波形与输入波形完全相似，只是瞬时放大了 倍，时间滞后 了 。 ( )x t( )y t 0 ( )()y tK x t 0 K 2.2.5.2 2.2.5.2 非线性系统的谐波失真（非线性失真）非线性系统的谐波失真（非线性失真） 若输入信号为 ，输出信号为( )sin m x txt 0 ( )si
50、n() m y tK xt 1）对线性系统来说， 对比无失真检测条件 可知，线性系统对正弦输入信号可以实现无 失真检测。 但是对任意形式的输入信号不能保证是无失真检测。（下一个问题进行阐述） 0 ( )()y tK x t 2）对非线性系统来说， 如果给系统输入单一正弦波，系统的输出将包含多个不同频率的正弦波。这是由 于系统的非线性特性造成的。称为非线性失真，或者叫做谐波失真。 通常用谐波失真系数来衡量系统产生的非线性失真程度。谐波失真系数的定义为 输出信号中基波（其频率与输入正弦波的频率相同）分 量的幅值 输出信号中第 次谐波（其频率为输入正弦波频率的倍 数）分量的幅值 1 A k A k
