检测系统的特征与性能指标PPT课件.ppt

第第1章章  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  检测系统的组成检测系统的组成 •1.2  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 •1.3  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 下页下页返回返回1.1  检测系统的组成检测系统的组成          检检测测技技术术涉涉及及到到半半导导体体技技术术、、激激光光技技术术、、光光纤纤技技术术、、声声控控技技术术、、遥遥感感技技术术、、自自动动化化技技术术、、计计算算机机应应用用技技术术、、以以及及数数理理统统计计、、控控制制论论、、信信息息论论等等近近代代新新技技术术和和新新理理论论其其最最终终目目的的就就是是从从测测量量对对象象中中获获取取反反映映其其变变化化规规律律的的有有用用信信息息，，一一个个广广义义的的检检测测系系统统一一般般由由激激励励装装置置、、测测试试装装置置、、数数据据处处理理与与记记录装置所组成（如图录装置所组成（如图1.1）下页下页上页上页返回返回1.1.1  各组成部分的特点各组成部分的特点（（1）激励信号）激励信号             激激励励信信号号由由激激励励装装置置产产生生，，采采用用激激励励装装置置是是为为了了使使被被测测对对象象处处于于预预定定状状态态下下，，并并将将其其有有关关方方面面的的内内在在联联系系充充分分显显示示出出来来，，以以便便于于有有效效的的测测量量。

当当测测试试工工作作所所希希望望获获取取的的信信息息并并没没有有直直接接载载于于可可检检测测的的信信号号中中，，就就需需要要激激励励被被测测对对象，使其既能表示相关信息又便于检测象，使其既能表示相关信息又便于检测2）测试对象）测试对象 测试对象的特性均以信号的形式给出，被测信号一般测试对象的特性均以信号的形式给出，被测信号一般都是随时间变化的动态量，即使在检测不随时间变化的静都是随时间变化的动态量，即使在检测不随时间变化的静态量时，由于混有动态的干扰噪声，通常也态量时，由于混有动态的干扰噪声，通常也也按动态量进也按动态量进行检测测量行检测测量下页下页上页上页返回返回（（3）传感器）传感器            传传感感器器将将感感知知的的被被测测非非电电量量按按一一定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传传感感器器输输出出的的电电信信号号一一般般不不能能直直接接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，，必必须须经经过信号的调理过信号的调理4）信号调理电路）信号调理电路            信号调理电路的主要作用有两方面，一是把来自于传感信号调理电路的主要作用有两方面，一是把来自于传感器的信号进行转换和放大，使其更适合于进一步处理和传器的信号进行转换和放大，使其更适合于进一步处理和传输输；第二方面是进行信号处理，即对经过信号调理的信号，；第二方面是进行信号处理，即对经过信号调理的信号，进行滤波、调制和解调、衰减、运算、数字化处理等。

进行滤波、调制和解调、衰减、运算、数字化处理等下页下页上页上页返回返回   （（5）信号的分析与记录）信号的分析与记录 信号调理电路输出的测量结果是对被测信号的真实记信号调理电路输出的测量结果是对被测信号的真实记录，为了显示其变化过程，可以采用光线示波器、屏幕录，为了显示其变化过程，可以采用光线示波器、屏幕显示器、打印机等输出装置此外还可以用磁记录器来显示器、打印机等输出装置此外还可以用磁记录器来存储被测信号，以便于检测工作完成后反复使用信号存储被测信号，以便于检测工作完成后反复使用信号要从客观记录的信号中找出反映被测对象的本质规律，要从客观记录的信号中找出反映被测对象的本质规律，还必须对信号进行分析从而提取有用信息现代检测系还必须对信号进行分析从而提取有用信息现代检测系统采用了计算机和网络技术，将调理电路输出的信号直统采用了计算机和网络技术，将调理电路输出的信号直接送到信号分析设备中处理，进行处理，已在工程接送到信号分析设备中处理，进行处理，已在工程检测和工业控制中得到广泛的应用检测和工业控制中得到广泛的应用下页下页上页上页返回返回1.1.2  线性时不变系统及其主要性质线性时不变系统及其主要性质下页下页上页上页返回返回            当当系系统统的的输输入入     和和输输出出     之之间间关关系系可可用用常常系系数数线线性性微微分分方方程程来来描描述述时时，，则则称称该该系系统统为为线线性性时时不不变变系系统统，，也也称为定常线性系统。

即：称为定常线性系统即：            （（1.1）） 式中式中 为时间变量，为时间变量， 和和 均为常数均为常数（（1）叠加性）叠加性  设为设为 输入，输入， 为输出，若为输出，若 下页下页上页上页返回返回    则则                                                                              （（1.2））             满满足足叠叠加加原原理理，，意意味味着着作作用用于于线线性性系系统统的的各各个个输输入入所产生的输出是互不影响的所产生的输出是互不影响的2）比例性（齐次性））比例性（齐次性）           设设为为      输输入入，，    为为输输出出，，若若                ，，则则对对于于任任何何一个常数一个常数     ，有，有                          （（1.3））（（3）微分性）微分性 零初始条件下，系统对原输入微分的响应等于原输出零初始条件下，系统对原输入微分的响应等于原输出的微分。

即：对于的微分即：对于 为输入，为输入， 为输出，若为输出，若 ，则有：，则有：                            （（1.4））下页下页上页上页返回返回（（4）积分性）积分性        零零初初始始条条件件下下，，系系统统对对原原输输入入积积分分的的响响应应等等于于原原输输出出的的积积分分即即：：    为为输输入入，，     为为输输出出，，若若                      ，，则有：则有：                         （（1.5））（（5）频率保持特性）频率保持特性 对于线性定常系统，若输入为某一对于线性定常系统，若输入为某一频率的简谐（正弦或余弦）信号频率的简谐（正弦或余弦）信号 ，则系统的稳态输出必定是与输入同频，则系统的稳态输出必定是与输入同频率的简谐信号，即率的简谐信号，即 ，，此规律称为频率保持特性但其幅值和此规律称为频率保持特性。

但其幅值和初相位将发生变化初相位将发生变化 下页下页上页上页返回返回1.2  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 静静态态检检测测是是指指测测量量时时，，检检测测系系统统的的输输入入、、输输出出信信号号不不随随时时间间变变化化或或变变化化很很缓缓慢慢静静态态检检测测时时，，系系统统所所表表现现出出的的响响应应特特性性称称为为静静态态响响应应特特性性通通常常用用来来描描述述静静态态响响应应特特性性的的指指标标有有测测量量范围、灵敏度、非线性度、回程误差等范围、灵敏度、非线性度、回程误差等1.2.1  测量范围测量范围 检检测测系系统统能能正正常常测测量量的的最最小小输输入入量量和和最最大大输输入量之间的范围入量之间的范围下页下页上页上页返回返回  灵敏度灵敏度         灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即：灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即：（（1.6）） 下页下页上页上页返回返回1.2.3  非线性度非线性度        如如图图1.3所所示示，，标标定定曲曲线线与与拟拟合合直直线线的的偏偏离离程程度度就就是是非非线线性性度度。

如如果果在在全全量量程程A输输出出范范围围内内，，标标定定曲曲线线偏偏离离拟拟合合直线的最大偏差为直线的最大偏差为B，则定义非线性度为：，则定义非线性度为：                         （（1.7））1.2.4   回程误差回程误差        如如图图1.4所所示示，，回回程程误误差差也也称称为为滞滞后后或或变变差差实实际际测测量量系统在相同的测量条件下，当输入量由小增大，系统在相同的测量条件下，当输入量由小增大，下页下页上页上页返回返回 或或由由大大减减小小时时，，对对于于同同一一输输入入量量所所得得到到的的两两个个输输出出量量存存在差值，则定义回程误差为：在差值，则定义回程误差为：                    （（1.8））1.2.5  稳定度和漂移稳定度和漂移         稳定度通常是相对时间而言，指检测系统在规定的稳定度通常是相对时间而言，指检测系统在规定的条件下保持其测量特性恒定不变的能力条件下保持其测量特性恒定不变的能力         漂移指检测系统随时间的慢变化在规定条件下，漂移指检测系统随时间的慢变化在规定条件下，对于一个恒定的输入在规定时间内的输出在标称范围对于一个恒定的输入在规定时间内的输出在标称范围最低值处的变化，称为零点漂移，简称零漂。

温度变最低值处的变化，称为零点漂移，简称零漂温度变化引起的漂移叫温漂化引起的漂移叫温漂1.2.6  静态响应特性的其他术语静态响应特性的其他术语（（1）精度）精度 精确度的简称表示随机误差和系统误差的综合精确度的简称表示随机误差和系统误差的综合评定指标评定指标 下页下页上页上页返回返回（（2）可靠性）可靠性          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3）分辨率）分辨率         能引起输出变化的输入量的最小变化量，表示检测系能引起输出变化的输入量的最小变化量，表示检测系统分辨输入量微小变化的能力统分辨输入量微小变化的能力4）灵敏阀）灵敏阀 又称死区，是用来衡量检测起始点不灵敏的程度又称死区，是用来衡量检测起始点不灵敏的程度 下页下页上页上页返回返回             式式中中t为为时时间间变变量量，，                      和和                       均均为常数，此系统为线性定常系统为常数，此系统为线性定常系统1.3  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 1.3.1  微分方程微分方程 检测系统用于动态测量时，输入检测系统用于动态测量时，输入 与输出与输出 均随均随时间变化，其关系用式（时间变化，其关系用式（1.1）的微分方程描述，即）的微分方程描述，即 下页下页上页上页返回返回 故有故有                                                                                                                     （（1.9））1.3.2  传递函数传递函数   （（1）传递函数的定义）传递函数的定义 零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换零初始条件下，线性定常系统输出量的拉氏变换和输入量的拉氏变换之比称为系统传递函数。

在零初和输入量的拉氏变换之比称为系统传递函数在零初始条件下，对式（始条件下，对式（1.1）两边同时作拉氏变换，则有）两边同时作拉氏变换，则有 下页下页上页上页返回返回 （（2）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大）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对于具体的系统，其传递函数不因输入小及性质无关对于具体的系统，其传递函数不因输入的变化而不同，对任何一个输入都有确定的输出的变化而不同，对任何一个输入都有确定的输出 2 2）相似系统传递函数不拘泥于被描述系统物理）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，称为相似系统的传递函数来描述，称为相似系统 3 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）传递函数是复变量）传递函数是复变量s的有理分式对于实的有理分式对于实际系统，分子阶次际系统，分子阶次m

阶系统下页下页上页上页返回返回（（3）常见测试装置的传递函数）常见测试装置的传递函数         1）一阶系统）一阶系统         传递函数传递函数                      （（1.10））     式中：式中：T——为时间常数，单位为秒为时间常数，单位为秒     下页下页上页上页返回返回        2）二阶系统）二阶系统       传递函数传递函数                   （（1.11））      式中：式中：     ——为系统的灵敏度；为系统的灵敏度；                       ——为系统的阻尼比；为系统的阻尼比；                       ——为系统的无阻尼固有频率为系统的无阻尼固有频率             令令            ，，两两边边同同时时作作拉拉氏氏变变换，整理得：换，整理得：下页下页上页上页返回返回例例1：液柱式水银温度计：液柱式水银温度计            设设      为为被被测测环环境境温温度度，，    为为水水银银柱柱输输出出温温度度值值，，C表示热容量，表示热容量，R表示热阻，由热力学方程有：表示热阻，由热力学方程有： 例例2：：RLC电电路路，， 输输入入为为，，  输输出出为为，，根据电路基本定律，有根据电路基本定律，有下页下页上页上页返回返回 上式两边同时作拉氏变换，并消去中间变量上式两边同时作拉氏变换，并消去中间变量 ，，得系统的传递函数为：得系统的传递函数为： 1.3.3  频率响应函数频率响应函数 根根 据据 线线 性性 定定 常常 系系 统统 的的 同同 频频 性性 ，， 如如 果果 输输 入入 信信 号号 为为                      ，， 则则 输输 出出 信信 号号 为为                                               代代 入入 式式 （（ 1.1）） ，， 可可 得得                                                                                                          （（1.12））    其中：其中：                                                                                  称为测量系统的频率响应函数。

即：称为测量系统的频率响应函数即：                     （（1.13）） 是频率响应函数的模，为是频率响应函数的模，为 的函数，也是动的函数，也是动态检测系统的灵敏度，随着频率变化而变化，故称为幅频特态检测系统的灵敏度，随着频率变化而变化，故称为幅频特性，与静态测量中灵敏度为常数有显著的区别性，与静态测量中灵敏度为常数有显著的区别 下页下页上页上页返回返回                           为为频频率率响响应应函函数数的的相相角角，，它它表表示示了了检检测测系系统统输输出出信信号号相相对对于于输输入入信信号号初初始始相相位位的的迁迁移移量量，，也也是是     的的函函数数，，所以也称为相频特性所以也称为相频特性       常见系统的频率响应函数常见系统的频率响应函数（（1））一一阶阶系系统统的的频频率率响响应应函函数数为为                                   ，，其其幅幅频频特性与相频特性分别为：特性与相频特性分别为：                        （（1.14））                        （（1.15））  其中负号表示输出信号滞后于输入信号。

一阶系统奈氏其中负号表示输出信号滞后于输入信号一阶系统奈氏图、伯德图分别如图图、伯德图分别如图1.7、图、图1.8所示；一阶系统的幅频、相所示；一阶系统的幅频、相频特性图如图频特性图如图1.9所示 下页下页上页上页返回返回图1.7 一阶系统奈氏图图1.8 一阶系统伯德图下页下页上页上页返回返回             1））当当激激励励频频率率远远小小于于      时时，，输输出出与与输输入入的的幅幅值值几几乎乎相相等等，，     接接近近1当当           ，，                    ，，系系统统相相当当于于一一个个积积分分器器其其中中      几几乎乎与与激激励励频频率率成成反反比比，，相相位位滞滞后后近近90°故故一阶系统适合测试缓变或低频的被测量一阶系统适合测试缓变或低频的被测量             2）时间常数）时间常数T是反映一阶系统特性的重要参数，其值决是反映一阶系统特性的重要参数，其值决定系统适用的频率范围定系统适用的频率范围 下页下页上页上页返回返回 由图由图1.9可见，一阶系统的幅频特性曲线随着可见，一阶系统的幅频特性曲线随着 的增的增加单调减小，衰减很快，所以一阶系统具有低通滤波的特加单调减小，衰减很快，所以一阶系统具有低通滤波的特性。

在一阶系统特性中，应特别注意以下几点：性在一阶系统特性中，应特别注意以下几点： （（2）二阶系统的频率响应函数）二阶系统的频率响应函数由二阶系统的传递函数由二阶系统的传递函数                                  ，可得二阶，可得二阶系统的频率响应函数为：系统的频率响应函数为：    相应的幅频特性和相频特性分别为：相应的幅频特性和相频特性分别为：                （（1.16））                     （（1.17））下页下页上页上页返回返回相应的幅频、相频特性曲线的伯德图如图（相应的幅频、相频特性曲线的伯德图如图（1.10）所示      图图1.10  二阶系统伯德图二阶系统伯德图（（a）幅频特性）幅频特性                                                （（b）相频特性）相频特性下页下页上页上页返回返回二阶系统具有以下的特点：二阶系统具有以下的特点：1）当）当             时，时，            ；当；当                时，时，             ；；2））影影响响二二阶阶系系统统动动态态特特性性的的参参数数是是固固有有频频率率和和阻阻尼尼比比。

其其固固有有频频率率    的的选选择择应应以以工工作作频频率率范范围围为为依依据据在在          附附近近，，系系统统幅幅频频特特性性受受阻阻尼尼比比影影响响极极大大      时时，，系系统统发发生生共共振振，，实实际际测测量量时时，，应应该该避避免免此此情情况况此此时时                                  ，，在在测定系统本身参数时，有重要的意义；测定系统本身参数时，有重要的意义；3））          段，段，     很小，且和频率近似成正比增加很小，且和频率近似成正比增加                段段，，          趋趋近近于于180°，，即即输输出出信信号号几几乎乎和和输输入入反反相相在在                         区区间间，，    随随频频率率的的变变化化而而剧剧烈烈变变化化，，而而且且     越越小小，，变变化化越越剧剧烈；烈；4）二阶系统是一个振荡环节二阶系统是一个振荡环节 从检测工作的角度来看，总希望检测系统在较宽的频带从检测工作的角度来看，总希望检测系统在较宽的频带内由于频率特性不理想所引起的误差尽可能小。

因此，要选内由于频率特性不理想所引起的误差尽可能小因此，要选择恰当的固有频率和阻尼比的组合，以获得较小的误差择恰当的固有频率和阻尼比的组合，以获得较小的误差下页下页上页上页返回返回1.3.4  实现不失真测量的条件实现不失真测量的条件             如如果果一一个个检检测测系系统统，，其其输输出出       和和输输入入      满满足足下下列列关系：关系：                              （（1.18））              其其中中          都都是是常常数数，，表表明明该该系系统统输输出出的的波波形形和和输输入入的的波波形形精精确确的的一一致致，，只只是是幅幅值值放放大大了了A倍倍和和时时间间上上延延迟迟了了    ，这种情况，被认为测试装置具有不失真测量的特性这种情况，被认为测试装置具有不失真测量的特性             对式（对式（1.18）两边取拉氏变换，得）两边取拉氏变换，得                         故不失真测试装置的传递函数为故不失真测试装置的传递函数为                                                                                                                                                                          （（1.19）） 下页下页上页上页返回返回频率响应函数为频率响应函数为                             （（1.20））其幅频与相频特性分别为其幅频与相频特性分别为                      （（1.21））                        （（1.22）） 由此可见，要实现不失真检测，检测系统的幅频由此可见，要实现不失真检测，检测系统的幅频特性应为常数，相频特性应为线性。

特性应为常数，相频特性应为线性 引起的失真称为幅值失真，引起的失真称为幅值失真， 与与 之间不满足线性关之间不满足线性关系引起的失真称为相位失真系引起的失真称为相位失真 上页上页返回返回。