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1、检测系统的特征与性能指标第1页，本讲稿共78页 1.1检测技术概论检测技术概论1.1.1检测技术的定义：检测技术的定义：检测检测就是利用各种物理、化学、生物就是利用各种物理、化学、生物等效等效应应。选择选择合适的方法与装置，将生合适的方法与装置，将生产产、科研、生活等等各方面的有关信息通科研、生活等等各方面的有关信息通过检过检查查与与测测量的方法量的方法赋赋予定性和定量予定性和定量结结果的果的过过程。程。第2页，本讲稿共78页1.1.21.1.2检测技术的作用：检测技术的作用：仪器仪表是科学研究和工业技术的仪器仪表是科学研究和工业技术的“耳目耳目”。我国著名科学家、光学仪器和测试技术的老前辈、
2、我国著名科学家、光学仪器和测试技术的老前辈、两院院士王大珩先生强调，两院院士王大珩先生强调，“仪器仪表是人们认识世仪器仪表是人们认识世界的工具。界的工具。”没有这个工具我们就无法去探索自然界没有这个工具我们就无法去探索自然界新的奥秘。新的奥秘。在近一个世纪以来，在诺贝尔物理学和化学奖中大在近一个世纪以来，在诺贝尔物理学和化学奖中大约有约有1/4是属于在测试方法和测量仪器上有所发明、是属于在测试方法和测量仪器上有所发明、有所创新而获奖的。有所创新而获奖的。“工欲善其事，必先利其器工欲善其事，必先利其器”，科研工作是要对未，科研工作是要对未知进行探索，则必然要借助实验方法和仪器设备，往知进行探索，
3、则必然要借助实验方法和仪器设备，往往科研的创新工作都是从研究新的测试方法和实验仪往科研的创新工作都是从研究新的测试方法和实验仪器开始的。器开始的。第3页，本讲稿共78页著名科学家钱学森院士在对新技术革命著名科学家钱学森院士在对新技术革命的论述中讲到：的论述中讲到：“新技术革命的关键是新技术革命的关键是信息技术，信息技术由测量技术、计算信息技术，信息技术由测量技术、计算机技术和通信技术三部分组成，测量技机技术和通信技术三部分组成，测量技术则是关键和基础。术则是关键和基础。”检测是科学研究的基础。检测是科学研究的基础。“测量是技术生命的神经系统。测量是技术生命的神经系统。”英国科学家库克英国科学家
4、库克第4页，本讲稿共78页“Whateverexists,existsinsomeamount.”“Ioftensaythatwhenyoucanmeasurewhatyouarespeakingaboutandexpressitinnumbers,youknowsomethingaboutit,andwhenyoucannotmeasureit,whenyoucannotexpressitinnumbers,yourknowledgeisofmeagerandunsatisfactorykind.Itmaybethebeginningofknowledge,butyouhavescarcel
5、y,inyourthought,advancedtothestagewhateverthematterbe.”WilliamThomson第5页，本讲稿共78页 “凡存在之物，必以一定的量存在。凡存在之物，必以一定的量存在。”“我经常说，当你能测量你所谈及的事我经常说，当你能测量你所谈及的事物并用数字表达它时，你对它便是有所物并用数字表达它时，你对它便是有所了解的；但当你不能测量它，不能将它了解的；但当你不能测量它，不能将它用数字表达时，你的知识便是贫瘠的、用数字表达时，你的知识便是贫瘠的、不能令人满意的。这也许是知识的开始，不能令人满意的。这也许是知识的开始，但无论情况怎样，在你的思想中，你
6、却但无论情况怎样，在你的思想中，你却几乎还没有上升到这一阶段。几乎还没有上升到这一阶段。”开尔文勋爵开尔文勋爵第6页，本讲稿共78页检测技术和仪器仪表的发展代表着科技检测技术和仪器仪表的发展代表着科技进步的前沿，是科技发展的支柱。进步的前沿，是科技发展的支柱。现以分析仪器为例：现以分析仪器为例：1922年阿斯通年阿斯通(Aston)发明了质谱技术，产生了质谱发明了质谱技术，产生了质谱仪，可用来测定同位素。仪，可用来测定同位素。1952年马丁年马丁(Martin)发明了分配色谱法，产生了发明了分配色谱法，产生了色谱仪，它可以对复杂的有机物进行多组分、快色谱仪，它可以对复杂的有机物进行多组分、快速
7、的定性定量分析。速的定性定量分析。1979年荷马克年荷马克(Cormark)发明了计算机控制的扫描发明了计算机控制的扫描层析诊断法，产生了医用和工业用的层析诊断法，产生了医用和工业用的CT扫描仪，扫描仪，它能够深入人体和物体内部进行观察。它能够深入人体和物体内部进行观察。1991年埃伦斯特年埃伦斯特(Ernst)发明了高分辨率的核磁共发明了高分辨率的核磁共振法，产生了核磁共振波谱仪，它可完成分子成振法，产生了核磁共振波谱仪，它可完成分子成像，为分子结构和分子运动的研究创造了条件。像，为分子结构和分子运动的研究创造了条件。第7页，本讲稿共78页检测技术和仪器仪表除在科学研究中的检测技术和仪器仪表
8、除在科学研究中的重要作用外，在工农业生产、环境保护重要作用外，在工农业生产、环境保护和能源节约中都发挥着重要的作用。它和能源节约中都发挥着重要的作用。它担负着对生产过程的监测和控制，是保担负着对生产过程的监测和控制，是保证生产连续、高效、安全和无污染运行证生产连续、高效、安全和无污染运行的关键。的关键。此外，在产品质量评估、计量标准实施此外，在产品质量评估、计量标准实施中则起着技术监督的中则起着技术监督的“物质法官物质法官”的作的作用。用。第8页，本讲稿共78页仪器仪表工业还是国民经济的仪器仪表工业还是国民经济的“倍增器倍增器”。应用仪器仪表是使生产从应用仪器仪表是使生产从“粗放型粗放型”转变
9、为转变为“集约集约型型”的必然条件，是改造传统产业的重要手段。的必然条件，是改造传统产业的重要手段。检测技术和仪器仪表在国民经济的各个领域都具有重大检测技术和仪器仪表在国民经济的各个领域都具有重大的影响。以美国为例，根据美国国家标准技术研究院的影响。以美国为例，根据美国国家标准技术研究院(NIST)的统计，美国为了完成质量认证、工业控制的统计，美国为了完成质量认证、工业控制和流程分析，每天要完成和流程分析，每天要完成2.5亿个检测，这需要大量亿个检测，这需要大量的种类繁多的检测及分析仪器。的种类繁多的检测及分析仪器。美国商业部国家标准局美国商业部国家标准局(NBS)于于20世纪世纪90年代初在
10、评年代初在评估仪器仪表工业对美国国民生产总值的影响作用时所提估仪器仪表工业对美国国民生产总值的影响作用时所提出的报告中称，虽然仪器仪表工业总产值约占工业总产出的报告中称，虽然仪器仪表工业总产值约占工业总产值的值的4%，但它对国民经济的影响却达到，但它对国民经济的影响却达到66%。第9页，本讲稿共78页各发达国家高度重视测量技术和仪器仪表技术及产业的发展。除美国外，日本科技厅将测量技术列为21世纪首先发展技术之一。欧盟在其第三个科技发展规划中将测量与检测技术列为15个专项之一。我国在“十五”、“十一五”规划纲要中把仪器仪表技术放在重要位置，国家发改委和科技部列有专项支持。第10页，本讲稿共78页
11、北京,May26,2008西门子中国为地震灾区提供远程医疗诊断系统西门子中国为地震灾区提供远程医疗诊断系统为了给四川地震灾区的伤员提供更及时的医疗救援，西门子中国医疗协同四川大学华西医院、成都华西公用医疗信息服务有限公司和成都电信于5月18日建立了一套远程影像诊断系统。这套远程诊断系统的运行开启了四川地震灾区的一种创新紧急救援模式。通过这套系统，位于四川成都的华西医院实现了与70公里之外的地震重灾区绵竹市的远程连接。截止至5月26日，近600名伤员通过这套系统接受了远程诊断。第11页，本讲稿共78页第12页，本讲稿共78页l崔琦与另两位科学家（德国科学家霍斯特崔琦与另两位科学家（德国科学家霍斯
12、特施特默和施特默和美国科学家罗伯特美国科学家罗伯特劳克林）因发现强磁场中共同相劳克林）因发现强磁场中共同相互作用的电子能形成具有分数分子电荷的新型互作用的电子能形成具有分数分子电荷的新型“粒子粒子”而获得而获得1998年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖，他的故乡在我们河南，他的故乡在我们河南平顶山市宝丰县范庄村。平顶山市宝丰县范庄村。第13页，本讲稿共78页朱棣文从事的是目前世界上最尖端的激光致冷捕捉技术朱棣文从事的是目前世界上最尖端的激光致冷捕捉技术研究，有着非常广泛的实际用途，这项研究为帮助人类了研究，有着非常广泛的实际用途，这项研究为帮助人类了解放射线与物质之间的相互作用，特别是深入理解气体在
13、解放射线与物质之间的相互作用，特别是深入理解气体在低温下的量子物理特性开辟了道路。在原子与分子物理学低温下的量子物理特性开辟了道路。在原子与分子物理学中，研究气体的原子与分子相当困难，因为它们即使在室中，研究气体的原子与分子相当困难，因为它们即使在室温下，也会以上百公里的速度朝四面八方移动温下，也会以上百公里的速度朝四面八方移动,唯一可行的唯一可行的方法是冷却方法是冷却,然而，一般冷却方法会让气体凝结为液体进而然而，一般冷却方法会让气体凝结为液体进而结冻。朱棣文等位学者则利用激光达到冷却气体的效果，结冻。朱棣文等位学者则利用激光达到冷却气体的效果，即用激光束即用激光束(molassos)达到万
14、分之一绝对温度，等于非常达到万分之一绝对温度，等于非常接近绝对零度（摄氏零下接近绝对零度（摄氏零下273度）。原子一旦陷入其中，速度）。原子一旦陷入其中，速度将变得非常缓慢，而变得容易俘获。度将变得非常缓慢，而变得容易俘获。第14页，本讲稿共78页该技术可以用来做精确测量该技术可以用来做精确测量，特别是做，特别是做重力测量重力测量；人们还可以利用此技术做成重力分析图，由此解开；人们还可以利用此技术做成重力分析图，由此解开地球上的许多谜团：例如观察油田的内层、勘探海底地球上的许多谜团：例如观察油田的内层、勘探海底或地层内的矿物质，在生物科技上可以解读去氧核糖或地层内的矿物质，在生物科技上可以解读
15、去氧核糖核酸核酸(DNA)的密码；科学家还可以借此研究的密码；科学家还可以借此研究原子激光原子激光，制造精密的电子元件；也可以测量万有引力，进一，制造精密的电子元件；也可以测量万有引力，进一步发展太空宇航系统，进行准确的地面卫星定位。科步发展太空宇航系统，进行准确的地面卫星定位。科学家们普遍认为，这的确是一个了不起的研究成果学家们普遍认为，这的确是一个了不起的研究成果.瑞典皇家科学院瑞典皇家科学院1997年年10月月15日宣布，本年度日宣布，本年度的诺贝尔物理学奖授予美国斯坦福大学物理教授的诺贝尔物理学奖授予美国斯坦福大学物理教授朱棣文、美国标准与技术研究所的菲利普朱棣文、美国标准与技术研究所
16、的菲利普斯和法斯和法国学者科昂国学者科昂.塔诺季，以表彰他们发明了用激光冷塔诺季，以表彰他们发明了用激光冷却进行低温下俘获原子的方法。却进行低温下俘获原子的方法。第15页，本讲稿共78页1.1.3工业检测技术的类型和内容：工业检测技术的类型和内容：热工量：热工量：温度、热量、比热容、热流、热分布、压力、差压、真空温度、热量、比热容、热流、热分布、压力、差压、真空度、流量、流速、物位、液位、界面度、流量、流速、物位、液位、界面机械量：机械量：位移、角位移、速度、转速、应力、应变、力矩、位移、角位移、速度、转速、应力、应变、力矩、振动、噪声、质量振动、噪声、质量几何量：几何量：长度、厚度、角度、同
17、轴度、平行度长度、厚度、角度、同轴度、平行度化学量：化学量：成分、浓度、密度、黏度、湿度、酸碱度、浊、成分、浓度、密度、黏度、湿度、酸碱度、浊、PH值、透明度值、透明度状态量：状态量：启停、超温、过载启停、超温、过载电工量：电工量：脉宽、相位、波形、频谱脉宽、相位、波形、频谱第16页，本讲稿共78页1.1.4检测系统的组成检测系统的组成检测技术几乎已应用于所有的行业，它是多学科知识的综合应用。它涉及到半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术、以及数理统计、控制论、信息论等近代新技术和新理论。其最终目的就是从测量对象中获取反映其变化规律的有用信息，为了实现此
18、目的，一个广义的检测系统一般由激励装置、测试装置、数据处理与记录装置所组成（如图1.1）。下页下页上页上页返回返回第17页，本讲稿共78页力力位移位移速度速度加速度加速度压力压力液位液位流量流量电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式压电式压电式热电式热电式光电式光电式磁电式磁电式电桥电桥放大器放大器滤波器滤波器调制器调制器解调器解调器运算器运算器等等等等笔式记录仪笔式记录仪光线示波器光线示波器磁带记录器磁带记录器电子示波器电子示波器半导体存储半导体存储器器显示器显示器数据处理器数据处理器频谱分析仪频谱分析仪实时信号分实时信号分析仪析仪电子计算机电子计算机被测对象被测对象传感器传感器中间变换中间变
19、换测量装置测量装置中间变换中间变换测量装置测量装置试验结果试验结果处理装置处理装置激发装置激发装置图图1-2 1-2 典型测试系统框图典型测试系统框图第18页，本讲稿共78页1.1.4.1 1.1.4.1 各组成部分的特点各组成部分的特点（1）激励信号 激励信号由激励装置产生，采用激励装置是为了使被测对象处于预定状态下，并将其有关方面的内在联系充分显示出来，以便于有效的测量。当测试工作所希望获取的信息并没有直接载于可检测的信号中，就需要激励被测对象，使其既能表示相关信息又便于检测。对于能量控制型传感器中的一些类型，如：超声波探伤、激光散斑技术测量应变，就是由外部能源供给激励信号发生器，而激励信
20、号发生器以信号激励被测对象，输入传感器的信号就是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。（2）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 下页下页上页上页返回返回第19页，本讲稿共78页 也按动态量进行检测测量。由于被测信号描述了被测对象特征信息，且信号本身的结构对所选用测试装置有重大影响，因此应当熟悉和了解各种信号的基本特征和分析方法。（3）传感器 传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按一定的规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。由于传感器种类繁多，
21、所以几乎能检测所有非电量参量。但因传感器输出的电信号种类多、功率小，故一般不能直接将这种电信号传输到后续的信号处理电路或输出元件中去，必须经过信号的调理。（4）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，多数情况是将各种电信号转换为电压、下页下页上页上页返回返回第20页，本讲稿共78页 电流、频率等少数几种便于测量的电信号，输出功率可达到 级；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。（5）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录，为了显示其变
22、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存储被测信号，以便于检测工作完成后反复使用信号。但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（如：信号强度分析、信号的频谱分析、信号的相关分析、信号的概率密度谱分析等），从而提取有用信息。信号分析的设备各式各样，有专用的分析仪（如：相关分析仪、概率密度分析仪、频谱分析仪、传递函数分析仪等），也有作综合分析用的信号处理机和数字信号处理系统。现代检测系统采用了计算机和网络技术，将调理电路下页下页上页上页返回返回第21页，本讲稿共78页输出的信号直接送到信号分析设备中处理，进行在线处理，已在工程
23、检测和工业控制中得到广泛的应用。为了保证测量结果的准确性，上述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。1.1.4.2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 在信号传输通道中，检测系统是指连接输入、输出并具有特定功能的部分。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。故下面重点讨论线性时不变系统的主要性质。下页下页上页上页返回返回第22页，本讲稿共78页当系统的输入和输出之间
24、关系可用常系数线性微分方程来描述时，则称该系统为线性时不变系统，也称为定常线性系统。即：（1.1）式中 为时间变量，和 均为常数。线性时不变系统具有以下主要性质：（1）叠加性 设为 输入，为输出，若下页下页上页上页返回返回第23页，本讲稿共78页则（1.2）满足叠加原理，意味着作用于线性系统的各个输入所产生的输出是互不影响的，所以在分析有多个输入作用的系统输出时，可以分别求出在单个输入的作用下系统的输出，然后再进行叠加。（2）比例性（齐次性）设为输入，为输出，若，则对于任何一个常数，有（1.3）（3）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的微分。即：对于 为输入，为输出，若 ，
25、则有：（1.4）下页下页上页上页返回返回第24页，本讲稿共78页（4）积分性零初始条件下，系统对原输入积分的响应等于原输出的积分。即：为输入，为输出，若，则有：（1.5）（5）频率保持特性 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 ，则系统的稳态输出必定是与输入同频率的简谐信号，即 ，此规律称为频率保持特性。但其幅值和初相位将发生变化。下页下页上页上页返回返回第25页，本讲稿共78页 线性定常系统的这些主要性质，特别是叠加性和频率保持特性，在工程测试中具有重要意义。例如当检测系统的输入信号是由多个信号叠加而成的复杂信号，根据叠加性就可以把复杂信号的作用看成若干简单信号的单独作
26、用之和，就可以简化问题。又例如已知线性系统的输入频率，根据频率保持特性，可确定该系统输出信号中只有与输入同频率的成分才可能是该输入信号引起的输出，其他频率成分的输出都是噪声干扰，所以可以采用相应的滤波技术，在很强的噪声干扰下，把有用的信息提取出来。下页下页上页上页返回返回第26页，本讲稿共78页1.2传感器与检测技术的发展传感器与检测技术的发展1.2.1 传感器的定义：传感器（sensor）：从被测对象获取有用的信息，将其转换为适合于测量的变量或信号的装置。一、国家标准的定义：依照【中华人民共和国国家标GB/T7665-1987】中对传感器的定义为：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可
27、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。其中敏感元件是指能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号的部分”。第27页，本讲稿共78页二、传感器的基本概念二、传感器的基本概念人的五官：人的五官：眼睛眼睛 耳朵耳朵 鼻子鼻子 舌头舌头 皮肤皮肤视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉定义：定义：传感器是一种把特定的被测信息量按照一定规律转换成为传感器是一种把特定的被测信息量按照一定规律转换成为 可用信号输可用信号输出的器件或装置。出的器件或装置。被测量：物理量、化学量、生物量被测量：物理量、化学量、生物
28、量 规律：确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）规律：确定规律，可以重复（线性、非线性、周期）可用信号：便于处理和传输的非噪声信号可用信号：便于处理和传输的非噪声信号 （电信号、光信号（电信号、光信号）器件器件/装置：狭义装置：狭义 系统：系统：广义广义R例：热敏电阻例：热敏电阻-温度变化温度变化 电阻变化电阻变化传感器：传传感器：传-传递信息；感传递信息；感-感受被测量；器感受被测量；器-器件器件sensorsensor：传感器，敏感器：传感器，敏感器 transducer transducer：转换器，变换器：转换器，变换器第28页，本讲稿共78页1.2.2传感器的组成被测量被测量敏感元
29、件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路电电量量图图1-3 1-3 传感器组成框图传感器组成框图辅助电源辅助电源电电量量一、敏感元件：传感器中能直接感受或响应被测量的部分；二、转换元件：传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转 换称适于传输和测量的电信号的部分第29页，本讲稿共78页三、传感器的构成型式(a)自源型：仅含有转换元件自源型：仅含有转换元件-最简单、最基本的传感器构成形式。最简单、最基本的传感器构成形式。特点：不需外部能源；转换元件具有从被测对象直接吸取能量，特点：不需外部能源；转换元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量的电效应；输出能量较弱。并转换成电量的电效应；输
30、出能量较弱。实例：热电偶、压电器件等均属于自源型传感器。实例：热电偶、压电器件等均属于自源型传感器。(b)激励型：转换元件激励型：转换元件+辅助能源（起激励作用，电源辅助能源（起激励作用，电源/磁源）磁源）特点：不需要变换电路即可获得较大的电信号输出。特点：不需要变换电路即可获得较大的电信号输出。实例：磁实例：磁电式传感器和霍尔传感器即属于激励型传感器。电式传感器和霍尔传感器即属于激励型传感器。(c)外源型：由利用被测量实现阻抗变换的转换元件组成，外源型：由利用被测量实现阻抗变换的转换元件组成，特点：必须通过带有外接电源的变换（测量）电路才能输出电信号特点：必须通过带有外接电源的变换（测量）电
31、路才能输出电信号实例：电阻应变式传感器、电感式传感器等即属于外源型传感器。实例：电阻应变式传感器、电感式传感器等即属于外源型传感器。第30页，本讲稿共78页四、传感器的构成型式四、传感器的构成型式变换电路：又称变换电路：又称“信号调理与转换电路信号调理与转换电路”或或“测量电路测量电路”作用：把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和作用：把转换元件输出的电信号变换成为便于记录、显示、处理和控制的可用信号的电路，控制的可用信号的电路，实例：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。实例：电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等。补偿型结构：补偿原理补偿型结构：补偿原理
32、消除环境误差影响消除环境误差影响提高精度提高精度(d)相同传感器补偿型相同传感器补偿型(e)差动结构补偿差动结构补偿(f)不同传感器补偿不同传感器补偿第31页，本讲稿共78页五、传感器的分类分类法型式说明按基本效应分类物理型化学型生物型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换按构成原理分类结构型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电
33、容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、位移、压力、温度、流量、距离以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、）输出量为数字信号（脉冲、编码、）第32页，本讲稿共78页1.3传感器和检测技术的发展方向传感器和检测技术的发展方向1、传感器的集成化、一体化和微型化、量子化、网络化集成化：微电子技术将多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上。一体化：将传感器、转换（测量）电路、补偿元件及电路等集成一体微型
34、化：微米/纳米技术、MEMS技术体积微小、重量轻微2、传感器的数字化与智能化数字化：信息技术数据通讯智能化：微处理器双向通讯信号检测、转换、处理、存储、诊断、补偿、3、开发新型传感器新机理、新效应物性型传感器新材料、新工艺新功能传感器新领域、新需求化学传感器生物传感器仿生传感器第33页，本讲稿共78页4、测量仪器朝着高精度和多功能方向发展；5、参数测量和数据处理向自动化方向发展；6、开展极端测量。第34页，本讲稿共78页今日作业今日作业无无第35页，本讲稿共78页1.3 1.3 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检测系统的基本特性：检测系统的基本特性：是指检测系统的输出量
35、与输入量之间是指检测系统的输出量与输入量之间的关系。的关系。静态特性：当输入的被测量不随时间变化，静态特性：当输入的被测量不随时间变化，或随时间变化很缓慢时，检测系统的输出或随时间变化很缓慢时，检测系统的输出量与输入量之间的关系。量与输入量之间的关系。动态特性：当输入的被测量是动态量（随动态特性：当输入的被测量是动态量（随时间变化的量）时，检测系统的输出量与时间变化的量）时，检测系统的输出量与输入量之间的关系。输入量之间的关系。第36页，本讲稿共78页一、检测系统的静态特性静态特性：检测系统在被测量的各个值处于稳定状态时的输入输出关系检测系统输入量x输出量y理想状态：线性关系1、静态模型实际状
36、态：非线性关系静态特性曲线：a-零点输出，b-理论灵敏度，第37页，本讲稿共78页误差因素多项式代数方程：x-输入量 y-输出量 a0-零位输出a1-检测系统灵敏度 a2 an-非线性常数检测系统输入 x输入 y=f(x)非线性原因：温度湿度压力冲击振动磁场电场摩擦间隙松动迟滞蠕变变形老化外界干扰第38页，本讲稿共78页 静态检测是指测量时，检测系统的输入、输出信号不随时间变化或变化很缓慢。静态检测时，系统所表现出的响应特性称为静态响应特性。通常用来描述静态响应特性的指标有测量范围、灵敏度、非线性度、回程误差等。一般用标定曲线来评定检测系统的静态特性，理想的线性装置的标定曲线是直线，而实际检测
37、系统的标定曲线并非如此。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。1.3.1 1.3.1 测量范围测量范围 检测系统能正常测量的最小输入量和最大输入量之间的范围。下页下页上页上页返回返回第39页，本讲稿共78页示值与读数示值范围量程和测量范围标称值满量程输出值第40页，本讲稿共78页1.3.2灵敏度灵敏度灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即：（1.6）如图1.2所示，线性系统的灵敏度S为常数，即输入输出关系直线的斜率，斜率越大，其灵敏度就越高。非线性系统的灵敏度S是变量，是输入输出关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，
38、通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度。要注意灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，系统的稳定性就越差，测量范围相应就越小。灵敏度(sensitivity)：单位被测量引起的仪器输出值的变化。灵敏度有时亦称增益(gain)或标度因子。下页下页上页上页返回返回第41页，本讲稿共78页第42页，本讲稿共78页灵敏度灵敏度检测系统输出量的增量与输入量的增量之比。斜率：线性检测系统：灵敏度为常数；非线性检测系统：灵敏度为变数。外源型检测系统：灵敏度与电源电压相关。例：应变式位移检测系统的灵敏度为 100 mV/mmV 电源电压为1V时，每1mm的位移 输出电压100mV。注意：灵敏度误差-误差、干扰
39、、不稳定、第43页，本讲稿共78页1.3.3线性度第一种定义：用理论刻度的端点值来确定参考直线。一个无抑零范围的测量仪器的这条直线规定为穿过零点和最大值的终点。线性度按误差限的概念定义为最大的偏离量并以示值范围的百分比给出。第二种定义：用定标测量点来描述参考直线。采用线性回归技术求出该直线，使测量值偏离该直线的误差平方之和最小。最大的偏离量按照测量的不确定度的定义给出。测量不确定度(uncertainty)规定为在某个概率之下不被超过的误差值。第44页，本讲稿共78页线性度线性度:检测系统输入输出曲线与拟合直线的偏离程度，（非线性误差）相对误差：输出值与拟合直线的最大偏差值理论满量程输出值拟合
40、直线：(a)理论直线法：检测系统的理论输入输出直线（推导）(b)简单、方便，偏差大，与测试值无关(b)端基法：检测系统输入输出曲线的两端点连线（计算）简单、方便，偏差大，与测量值有关(c)最佳直线法：使得 正负行程的非线性偏差相等且最小（计算）精度最高，图解法、计算第45页，本讲稿共78页(d)最小二乘法最小二乘法：按最小二乘原理求拟合直线，（计算）残差平方和最小=距离平方和最小，精度高计算：有n个测量数据:(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)，(n2)求解最小二乘直线方程：y=a+bx 残差：i=yi (a+b xi)残差平方和最小：2i=min说明：最小二乘法的非线性误差不一定最
41、小，正负行程偏差不一定相等第46页，本讲稿共78页v第一种定义主要用于描述以系统误差为主的测量仪器或系统；v第二种定义用于以随机误差为主的测量系统。图1.3线性度的两种意义第47页，本讲稿共78页非线性度非线性度 如图1.3所示，标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。如果在全量程输出范围内，满量程输出值为A，标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为B，则定义非线性度为：（1.7）1.3.5 1.3.5 回程误差回程误差 如图1.4所示，回程误差也称为滞后或变差。实际测量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第48页，本讲稿共78页 或由大减小时，对于同一输入量所得到的两
42、个输出量存在差值，则定义回程误差为：（1.8）下页下页上页上页返回返回图图1-4 传感器的回程误差和重复性传感器的回程误差和重复性 hmax第49页，本讲稿共78页1.3.6 1.3.6 重复性重复性重复性表示检测系统在输入量按同一方向做全量程测量时，所得特性曲线不一致性的程度。式中max输出最大不重复误差；yFS满量程输出值第50页，本讲稿共78页1.3.7 1.3.7 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，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
43、，简称零漂。温度变化引起的漂移叫温漂。1.3.8 1.3.8 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 精确度的简称。表示随机误差和系统误差的综合评定指标。第51页，本讲稿共78页(3)精度精度:绝对误差 修正值或校正值示值相对误差r当测量误差很小时，示值相对误差可用近似计算：第52页，本讲稿共78页最大引用误差：引用误差：最大引用误差：第53页，本讲稿共78页精度等级:仪器仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不能超过其允许误差Q。即：工业检测仪表常以允许误差Q作为判断精度等级的尺度。规定：取允许误差百分数的分子作为精度等级的标志，即用最大引用误差中去掉百分号后的数字表示精度等
44、级，符号为G。第54页，本讲稿共78页工业仪表常见的精度等级见下表：G=100Q精度等级G0.10.20.51.01.52.55.0允许应用误差Q0.1%0.2%0.5%1.0%1.5%2.5%5.0%第55页，本讲稿共78页（2）可靠性 与检测系统无故障工作时间长短有关的一种描述。（3）分辨力 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。（4）灵敏阀 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第56页，本讲稿共78页1.5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动态测量时，被测信号随时间迅速变化，输出要受检测系统动态特性
45、的影响，因此需要了解检测系统的动态特性。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。因此研究检测系统的动态特性有着十分重要的意义。系统的动态响应特性一般通过描述系统的微分方程、传递函数、频率响应函数、单位脉冲响应函数等数学模型来进行研究。1.5.1微分方程微分方程 检测系统用于动态测量时，输入 与输出 均随时间变化，其关系用式（1.1）的微分方程描述，即下页下页上页上页返回返回第57页，本讲稿共78页(式1.1)式中t为时间变量，和均为常数，此系统为线性
46、定常系统。1.5.2 1.5.2 传递函数传递函数 虽然微分方程中含有描述检测系统的动态响应特性的信息，但使用时不是很方便，所以描述系统的动态特性，常常采用传递函数。（1）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（1.1）两边同时作拉氏变换，则有 下页下页上页上页返回返回第58页，本讲稿共78页传递函数(transferfunction)若y(t)为时间变量t的函数，且当t0时，有y(t)=0，定义y(t)的拉普拉斯变换Y(s)为式中s为复变量，s=a+jb，a0。若系统的初始条件为零，对式（1.1）作拉氏变换得第5
47、9页，本讲稿共78页定义输入和输出两者的拉普拉斯变换之比为传递函数H(s)：第60页，本讲稿共78页（2）传递函数特性：1）H(s)不因输入x(t)的改变而改变，仅表达系统特性；2）由H(s)所描述的系统，对任一具体的输入x(t)都明确给出相应的输出y(t)；3）等式中的各系数an，an-1，a1，a0和bm，bm-1，b1，b0是由测试系统本身结构特性所唯一确定的常数，称结构参数；第61页，本讲稿共78页（2）传递函数特性：4）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。5）传递函数可以有量纲，也可以无量纲。6）传递
48、函数是复变量s的有理分式。对于实际系统，分子阶次m央视网消息(新闻30分)：法国民航安全调查部门6号举行新闻发布会，介绍法航失事客机原因调查的最新进展。法国调查机构说，在大西洋上空失事的法航航班没有按照空中客车公司的建议，更换航速测量仪。法国民航安全调查分析局负责人阿尔斯拉尼安当天说，空客客机航速测量仪先前多次出现过故障，空客因此建议法航为旗下这一型号客机更换航速测量仪，但法航并未给失事客机更换这一仪器。但他同时指出，目前还不能断定事故与航速测量仪故障有关，因为即使没有更换航速测量仪，也不能说飞机就存在危险。现代客机的测速仪器主要有空速管和静压口两种。这两种航速传感器测量出的航速最终显示在飞行
49、控制台上不同的测速表上供飞行员参考。两种仪器测出的速度值不同可能导致飞行员对航速控制不当。据法国民航安全调查分析局当天发布的消息，法航航班月号失踪前，曾向地面发送条信息，显示失事客机多个系统出现故障或暂停工作，其中包括飞机的自动驾驶系统。目前调查人员仍在对这条信息进行分析，现在无法确认是飞行员关闭了自动驾驶系统，还是该系统在接收到相互矛盾的速度数据后自行停止工作。此外，调查人员认为，法航失事客机“黑匣子”上安装的信号发射器有可能脱落。第77页，本讲稿共78页法航称未与空客就更换航速测量仪达成一致法航称未与空客就更换航速测量仪达成一致CCTV.com2009年06月07日12:51进入复兴论坛进
50、入复兴论坛来源：CCTV.com进入进入新闻新闻30分分央视网消息(新闻30分)：按照法国调查部门的说法，空中客车公司在空难发生之前就已经检测出客机的航速测量仪可能存在问题，并建议客户进行更换。但遗憾的是，出事的这架法航客机并没有及时更换这一仪器。对此，法航表示，法航和空中客车公司此前没有对更换维护事宜达成一致。空中客车公司6号证实，空客在飞机失事前曾发布公告，要求使用空客飞机的大约50家民航运营商考虑更换航速测量仪，但空客同时表示，这只是为了提高飞机性能，与飞机安全无关，各航空公司可以自行选择更换。当天，法国航空公司发表声明称，法航在2008年5月就开始注意到空客A330和A340两种型号客