檢測(cè)系統(tǒng)的特征與第1頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)信息通過檢查與測(cè)量的方法賦予定性或定量結(jié)果的過程。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)。汽車生產(chǎn)過程中自動(dòng)化測(cè)試生產(chǎn)線圖典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷示意圖

下頁(yè)上頁(yè)返回第2頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)用第3頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

下頁(yè)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)用第4頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)用第5頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月下頁(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)圖第6頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月下頁(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)第7頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月下頁(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)第8頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

下頁(yè)上頁(yè)返回1.1.3工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的類型和內(nèi)容

工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容非常廣泛，常見的工業(yè)檢測(cè)涉及的內(nèi)容有第9頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)的通信接口部分等。下頁(yè)上頁(yè)返回?cái)?shù)據(jù)顯示、記錄、分析、綜合、判斷、決策、監(jiān)控通信接口和總線底層顯示分析處理信號(hào)調(diào)理電路傳感器┅┅┅底層顯示分析處理信號(hào)調(diào)理電路傳感器第10頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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)過信號(hào)調(diào)理的信號(hào)，進(jìn)行濾波、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)返回第11頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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：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)之間的信息交換?？偩€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)返回第12頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)返回第13頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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、記錄和控制的有用信號(hào)的電路。下頁(yè)上頁(yè)返回第14頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3傳感器分類傳感器的種類繁多。傳感器有許多種分類方法。常用的分類方法有：（1）按被測(cè)量分類機(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)返回第15頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）按信號(hào)變換特征分類結(jié)構(gòu)型：主要是通過傳感器結(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化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換（4）按能量關(guān)系分類能量轉(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)返回第16頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

下頁(yè)上頁(yè)返回第17頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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開展極端測(cè)量第18頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)特性稱為靜態(tài)響應(yīng)特性。通常用來描述靜態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)有測(cè)量范圍、靈敏度、非線性度、回程誤差等。一般用標(biāo)定曲線來評(píng)定檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，理想的線性裝置的標(biāo)定曲線是直線，而實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定曲線并非如此。通常采用靜態(tài)測(cè)量的方法求取輸入輸出關(guān)系曲線，作為標(biāo)定曲線。多數(shù)情況還需要按最小二乘法原理求出標(biāo)定曲線的擬合直線。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)返回第19頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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，線性系統(tǒng)的靈敏度S為常數(shù)，即輸入輸出關(guān)系直線的斜率，斜率越大，其靈敏度就越高。非線性系統(tǒng)的靈敏度S是變量，是輸入輸出關(guān)系曲線的斜率，輸入量不同，靈敏度就不同，通常用擬合直線的斜率表示系統(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)返回第20頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4.3非線性度如圖1.14所示，標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。如果在全量程A輸出范圍內(nèi)，標(biāo)定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B，則定義非線性度為：（1.2）1.4.4回程誤差如圖1.15所示，回程誤差也稱為滯后或變差。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第21頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)稱范圍最低值處的變化，稱為零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱零漂。溫度變化引起的漂移叫溫漂。下頁(yè)上頁(yè)返回圖1.15第22頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)，所得特性曲線不一致性的程度（如圖1.16）。1.4.7分辨力分辨力是用來表示檢測(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第23頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1.4.8精確度（精度）

精確度指標(biāo)有三個(gè)：精密度、正確度和精確度。

（1）精密度：說明測(cè)量結(jié)果的分散性，愈小則說明測(cè)量愈精密（對(duì)應(yīng)隨機(jī)誤差）。

（2）正確度：它說明測(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)值來表示的。

它可表示為：

（1.5）返回上頁(yè)下頁(yè)第24頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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失真的改變。在實(shí)際檢測(cè)過程中，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)返回第25頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（1.6）式中t為時(shí)間變量，和均為常數(shù)，此系統(tǒng)為線性定常系統(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，常常采用傳遞函數(shù)。（1）傳遞函數(shù)的定義零初始條件下，線性定常系統(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)返回第26頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)來描述，稱為相似系統(tǒng)。

3）傳遞函數(shù)可以有量綱，也可以無量綱。

下頁(yè)上頁(yè)返回第27頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)，分子階次m<n，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)返回第28頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月令，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)第29頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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)返回第30頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上式兩邊同時(shí)作拉氏變換，并消去中間變量，得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

下頁(yè)上頁(yè)返回圖1.18RLC振蕩電路第31頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.5.3頻率響應(yīng)函數(shù)根據(jù)線性定常系統(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)返回第32頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為頻率響應(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)，所以也稱為相頻特性。常見系統(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)返回第33頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由圖1.21可見，一階系統(tǒng)的幅頻特性曲線隨著的增加單調(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)伯德圖第34頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)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、相頻特性圖第35頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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)返回第36頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月相應(yīng)的幅頻、相頻特性曲線的伯德圖如圖（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)返回第37頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二階系統(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)