传感器与检测技术基本概论课件.ppt

1、同学们好！同学们好！自动检测技术与仪表自动检测技术与仪表高高 群群gaoqun06163课程邮箱：课程邮箱：用户名（自动检测技术）：用户名（自动检测技术）：zdjcjs1234163 密码（山东工商学院）：密码（山东工商学院）：sdgsxy1234人用手取书的反馈控制系统人用手取书的反馈控制系统用软硬件模拟用软硬件模拟人用手取书的反馈控制系统人用手取书的反馈控制系统自动检测系统的总体框图自动检测系统的总体框图待检测待检测物理量物理量传感器传感器电路信号电路信号信号调信号调理电路理电路A/D数字信号数字信号合适的电压合适的电压或电流信号或电流信号CPU键盘键盘设定设定显示显示控制控制空调的显示和

2、键盘空调的显示和键盘2019全国大学生电子设计竞赛题目全国大学生电子设计竞赛题目液位自动控制装置液位自动控制装置 基本要求基本要求 v通过键盘可以设定通过键盘可以设定B瓶里的液位（瓶里的液位（0-25cm内的任意值），并通过控制电内的任意值），并通过控制电磁阀使磁阀使B瓶的液位达到设定值。瓶的液位达到设定值。v液位液位误差误差不超过不超过0.3cm。v液位超过液位超过25cm或液位低于或液位低于2cm时发时发出警报。出警报。1.显示器能实时显示当前液位状态和显示器能实时显示当前液位状态和瓶内液体重量，以及阀门状态。瓶内液体重量，以及阀门状态。液位液位传感器传感器采用无补偿型压力传感器采用无补偿

3、型压力传感器MPX10MPX10，它是一种离，它是一种离子注入式子注入式X X型硅压力传感器，压力测量范围为型硅压力传感器，压力测量范围为0-10KPa0-10KPa，线性线性度度是是1%1%，满量程电压，满量程电压35mv35mv，零点偏移量，零点偏移量（OffsetOffset）为为0 035mV35mV，灵敏度，灵敏度3.5mv/kPa3.5mv/kPa，破碎压力，破碎压力100KPa100KPa，不带温度补偿不带温度补偿。它能提供一个精确的、它能提供一个精确的、直接与外加压力成正比直接与外加压力成正比的的线性电压线性电压输输出，是标准的无补偿型压力传感器出，是标准的无补偿型压力传感器.

4、2019山东省大学生电子设计竞赛题目山东省大学生电子设计竞赛题目 F题题 宿舍智能防盗防火报警系统宿舍智能防盗防火报警系统【本科组】【本科组】一、任务一、任务 设计一个报警系统（低成本），系统应用于学生宿舍，能自动监设计一个报警系统（低成本），系统应用于学生宿舍，能自动监视宿舍内的安全情况，有异常情况发生时能立即发出报警和求助信息。视宿舍内的安全情况，有异常情况发生时能立即发出报警和求助信息。二、要求二、要求1.基本要求基本要求（1）实现）实现人体检测人体检测与声光报警功能。与声光报警功能。（2）实现）实现烟雾检测烟雾检测与声光报警功能。与声光报警功能。（3）用键盘输入密码完成报警系统的解警等

5、工作状况。）用键盘输入密码完成报警系统的解警等工作状况。（4）实现异地监控。）实现异地监控。（5）能反映宿舍内）能反映宿舍内人员的进出情况人员的进出情况及人数的记录。及人数的记录。（6）宿舍）宿舍无人时提示锁门无人时提示锁门。2.发挥部分发挥部分（1）人体检测范围）人体检测范围5米左右。米左右。（2）能记录最近几天的宿舍安防情况。）能记录最近几天的宿舍安防情况。（3）实现）实现网络控制网络控制，可在监控点监控多个宿舍。，可在监控点监控多个宿舍。（4）能）能检测本宿舍贵重物品检测本宿舍贵重物品的进出情况。的进出情况。热释电红外人体传感器热释电红外人体传感器烟雾传感器烟雾传感器热释电传感器加上一个

6、菲涅热释电传感器加上一个菲涅尔透镜尔透镜，增加感应距离，增加感应距离“飞思卡尔杯飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛全国大学生智能车竞赛光电组光电组红外车红外车比赛的赛道比赛的赛道“山商迅雷山商迅雷”队的队的“牛车牛车”“山商迅雷山商迅雷”队的队的“眼睛眼睛”RPR220“飞思卡尔杯飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛全国大学生智能车竞赛光电组的高级车光电组的高级车激光车激光车激光车传感器激光车传感器“飞思卡尔杯飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛全国大学生智能车竞赛摄像头车摄像头车摄像头车传感器摄像头车传感器测速码盘测速码盘测速用的编码器测速用的编码器“飞思卡尔杯飞思卡尔杯”全国大学生智能车竞赛全国大学

7、生智能车竞赛电磁车电磁车电磁车传感器电磁车传感器高精度高精度电容和电感电容和电感赛道中心黑色线下铺设有直径 0.1-0.8mm 漆包线，其中通有 20KHz，100mA的交变电流。频率范围 20K1K，电流范围(10020mA)。学时：48学时。学时。其中授课：其中授课：4040学时；实验：学时；实验：8 8学时学时成绩考核分三部分：考试、实验、平时成绩评定：成绩评定：本门课程的总成绩期末考试成绩本门课程的总成绩期末考试成绩70%+实验成绩实验成绩15%+平时成绩平时成绩15%期末考试方式：期末考试方式：闭卷考试闭卷考试平时成绩包括平时作业、上课情况平时成绩包括平时作业、上课情况第第1章章 传

8、感器与检测技术基本概论传感器与检测技术基本概论 1.0 绪言绪言 1.1 传感器的基本概论传感器的基本概论 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 检测技术在生活、生产中的应用检测技术在生活、生产中的应用 为了了解某一生产为了了解某一生产（比如葡萄酒和化工）（比如葡萄酒和化工）过程过程或试验的进展情况，我们必须对能表征它们特征、或试验的进展情况，我们必须对能表征它们特征、状态的各物理量进行测量，比如状态的各物理量进行测量，比如电压电压、电流电流、温度温度、压力压力、流量流量、液位液位、成分成分等。通过对

9、这些参数的大等。通过对这些参数的大小、变化速度、变化方向等进行监督和控制，就能小、变化速度、变化方向等进行监督和控制，就能使生产或试验过程使生产或试验过程处于最佳的状态处于最佳的状态。1.0 绪言绪言检测技术这门学科涉及的内容检测技术这门学科涉及的内容v必须弄清楚物理原理（传感器的传感原理），被测必须弄清楚物理原理（传感器的传感原理），被测量的一般是非电量：量的一般是非电量：热工参数热工参数中的温度、压力、流量、液位等；中的温度、压力、流量、液位等；机械量参数机械量参数中的尺寸、位移、速度、加速度等；中的尺寸、位移、速度、加速度等；物性参数物性参数中的酸碱度、湿度、成分含量等。中的酸碱度、湿度

10、、成分含量等。v进行进行非电量非电量电量电量的转换。的转换。v对转换的对转换的信号进行调理信号进行调理，便于传输和处理。，便于传输和处理。v研究在终端的接受方式和研究在终端的接受方式和显示方式显示方式。v对整个系统的对整个系统的误差误差进行分析。进行分析。1.1.1 传感器的定义传感器的定义1.1 传感器的概论传感器的概论1.1.2 传感器及检测系统的组成传感器及检测系统的组成传感器一般由传感器一般由敏感元件敏感元件、转换元件转换元件和其他和其他辅助元件辅助元件组成。组成。敏感元件：敏感元件：感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他感受被测量，并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。量的元件

11、。变换元件：变换元件：又称又称传感元件传感元件，将敏感元件感测到的物理量转换，将敏感元件感测到的物理量转换为电量信号（大多数情况下是电量信号）。为电量信号（大多数情况下是电量信号）。有的传感器可以明显的分为敏感元件和变换元件，比如膜有的传感器可以明显的分为敏感元件和变换元件，比如膜片和应变片组成的压力传感器；有的传感器的敏感元件同时又片和应变片组成的压力传感器；有的传感器的敏感元件同时又是变换元件，比如热电偶、热电阻等。是变换元件，比如热电偶、热电阻等。信号调理与转换电路信号调理与转换电路：把传感器输出的电信号转换为便于显：把传感器输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的信号。示、记录和控制的

12、信号。敏感元件敏感元件转换元件转换元件转换电路转换电路被测量被测量电量电量1、按被测量分类：、按被测量分类：1.1.3 传感器的分类传感器的分类电工量电工量：电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、：电压、电流、电功率、电阻、电容、频率、磁场强度、磁通密度等；磁通密度等；热工量热工量：温度、热量、比热、热流、热分布，压力、压差、真：温度、热量、比热、热流、热分布，压力、压差、真空度，流量、流速，物位、液位、界面等；空度，流量、流速，物位、液位、界面等；机械量机械量：位移、形状，力、应力、力矩，重量、质量，转速、：位移、形状，力、应力、力矩，重量、质量，转速、线速度，振动、加速度、噪声等

13、；线速度，振动、加速度、噪声等；物性和成分量物性和成分量：气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐：气体成分、液体成分、固体成分、酸碱度、盐度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；度、浓度、粘度、粒度、密度、比重等；光学量光学量：光强、光通量、光照度、辐射能量等；：光强、光通量、光照度、辐射能量等；状态量状态量：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质：颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量等。量等。2、按测量原理分类：、按测量原理分类：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器、超声波式传感器、磁敏式传感

14、器等。感器、光电式传感器、超声波式传感器、磁敏式传感器等。传传感器的测量原理都是基于物理、化学、生物等各种效应和定律感器的测量原理都是基于物理、化学、生物等各种效应和定律。这种分类方法可以从原理上认识输入与输出之间的关系。这种分类方法可以从原理上认识输入与输出之间的关系。3、按信号变换特征分类：、按信号变换特征分类：结构型：结构型：通过通过传感器结构参数的变化实现信号变换传感器结构参数的变化实现信号变换，比如电容，比如电容式传感器。式传感器。物性型：物性型：利用利用传感器材料本身物理属性的变化实现信号变换传感器材料本身物理属性的变化实现信号变换，比如压电式传感器、热电阻温度传感器等。比如压电式

15、传感器、热电阻温度传感器等。4、按能量关系分类：、按能量关系分类：能量转换型（有源）：能量转换型（有源）：传感器直接使用被测对象输入的能量工传感器直接使用被测对象输入的能量工作，比如热电偶、光电池等。作，比如热电偶、光电池等。能量控制型（无源）：能量控制型（无源）：传感器从外部获得能量工作，比如电阻传感器从外部获得能量工作，比如电阻式传感器、电感式传感器等。式传感器、电感式传感器等。1.1.4 传感器技术的发展方向传感器技术的发展方向1、测量仪器向高精度和多功能发展。、测量仪器向高精度和多功能发展。2、参数测量与数据处理向自动化方向发展。、参数测量与数据处理向自动化方向发展。3、传感器向智能化

16、、集成化、微型化、量子化、网络化方向、传感器向智能化、集成化、微型化、量子化、网络化方向发展。发展。4、开展极端测量。、开展极端测量。1.2 检测系统的基本概论检测系统的基本概论一、概念一、概念1、检测：、检测：利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。方法赋予定性或定量结果的过程。2、自动检测与转换技术：、自动检测与转换技术：能自动完成整个检测处理过程的技能自动完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。

17、术称为自动检测与转换技术。二、检测系统构成二、检测系统构成信息获取信息获取转换转换显示和处理显示和处理（信号检出部分）（信号检出部分）（信号变换部分）（信号变换部分）（分析处理部分、（分析处理部分、通信接口及总线）通信接口及总线）（1 1）传感器）传感器 传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。它的器件或装置。它的作用作用是感受指定被测参量的变化是感受指定被测参量的变化并并按照一定规律转换按照一定规律转换成一个相应的成一个相应的便于传递的便于传递的输出输出信号。信号。传感器在检测系统中占有重要的位置，它获取传感器在检测系统中占有重要的位置，它

18、获取信息的正确与否决定了检测系统的精度。信息的正确与否决定了检测系统的精度。（2 2）信号调理）信号调理 信号调理在检测系统中的作用是对信号调理在检测系统中的作用是对传感器输出的传感器输出的(微弱微弱)信号信号进行进行检波、转换、滤波、放大检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续等，以方便检测系统后续处理或显示。处理或显示。例如，工程上常见的热电阻型数字温度检测（控制）仪例如，工程上常见的热电阻型数字温度检测（控制）仪表其传感器表其传感器Pt100Pt100输出信号为热电阻值的变化输出信号为热电阻值的变化，为便于后续，为便于后续处理，通常需设计一个处理，通常需设计一个四臂电桥四臂电桥，把随

19、被测温度变化的热电，把随被测温度变化的热电阻阻阻值转换成电压信号阻值转换成电压信号；由于信号中往往夹杂着；由于信号中往往夹杂着50Hz50Hz工频等工频等噪声电压，故其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化噪声电压，故其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。等环节。对信号调理电路的一般要求是：对信号调理电路的一般要求是：(1)(1)能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；(2)(2)信噪比高，抗干扰性能要好。信噪比高，抗干扰性能要好。（3 3）数据采集）数据采集 数据采集在检测系统中的数据采集在检测系统中的作用作用是对信号调理后的是对信号调理后的连续

20、模拟连续模拟信号信号离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数字数字信息信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。或依次自动存储。数据采集系统通常以各类数据采集系统通常以各类模模/数（数（A/DA/D）转换器）转换器为核心，辅为核心，辅以模拟多路开关、采样以模拟多路开关、采样/保持器、输入缓冲器、输出锁存器等组保持器、输入缓冲器、输出锁存器等组成。成。（4 4）信号处理）信号处理 信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处

21、理和各种控制的数据处理和各种控制的中枢环节中枢环节，其作用与功能和，其作用与功能和人的大脑相类似。现代检测仪表、检测系统中的信人的大脑相类似。现代检测仪表、检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的号处理模块通常以各种型号的单片机、微处理器单片机、微处理器为为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的增加数据传输和运算速度快、处理精度高的DSP或或直接采用工业控制计算机。直接采用工业控制计算机。（5 5）信号显示）信号显示 通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其

22、随时间的变化情况；因此，各类检测仪累积值或其随时间的变化情况；因此，各类检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的当前表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的当前值后通常均需送各自的显示器作实时显示。显示器值后通常均需送各自的显示器作实时显示。显示器是检测系统与人联系的主要环节之一，显示器一般是检测系统与人联系的主要环节之一，显示器一般可分为可分为模拟式模拟式、数字式数字式和和屏幕式屏幕式三种。三种。（6 6）信号输出）信号输出 在许多情况下，检测仪表和检测系统在信号处理在许多情况下，检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后器计算出被测参量的瞬时值后除送显示器进行实时显除送显

23、示器进行实时显示外示外，通常还需把测量值及时传送给控制器或其它，通常还需把测量值及时传送给控制器或其它执执行器行器、打印机打印机、记录仪记录仪等，从而等，从而构成闭环控制系统构成闭环控制系统或或实现打印（记录）输出实现打印（记录）输出。检测仪表和检测系统信号输。检测仪表和检测系统信号输出通常为经出通常为经D/A变换和放大后的变换和放大后的420 mA的模拟电压、的模拟电压、开关量、脉宽调制开关量、脉宽调制PWM、串行数字通信和并行数字、串行数字通信和并行数字输出等多种形式，需根据测控系统的具体要求确定。输出等多种形式，需根据测控系统的具体要求确定。（7 7）输入设备）输入设备 输入设备是操作人

24、员和检测仪表或检测系统联系输入设备是操作人员和检测仪表或检测系统联系的另一主要环节，的另一主要环节，用于输入设置参数、下达有关命令用于输入设置参数、下达有关命令等。最常用的输入设备是各种等。最常用的输入设备是各种键盘、拨码盘、条码阅键盘、拨码盘、条码阅读器读器等。最简单的输入设备是各种开关、按钮。等。最简单的输入设备是各种开关、按钮。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。三、检测系统的作用三、检测系统的作用1、检测技术在国民经济中起着极其重要的地位。、检测技术在国民经济中起着极其重要的地位。2、检测是科学研究的基础。、检测是科学研究的基础。3、现在出现了、现在出现了“信息

25、处理能力发达，检测功能不足信息处理能力发达，检测功能不足”的局面，的局面，新型传感器有待进一步发展。新型传感器有待进一步发展。四、检测技术的现状与发展四、检测技术的现状与发展1、检测方法的推进。、检测方法的推进。2、检测仪器与计算机技术的集成。、检测仪器与计算机技术的集成。1.3 传感器与检测系统的基本特性传感器与检测系统的基本特性一、传感器的数学模型概述一、传感器的数学模型概述（参考（参考自控原理自控原理的知识）的知识）1、静态模型、静态模型 输入信号不随时间变化情况下，传感器输出量与输入量输入信号不随时间变化情况下，传感器输出量与输入量之间的函数关系。一般可用之间的函数关系。一般可用多项式

26、多项式来表示。来表示。2、动态模型、动态模型 输入信号为随时间变化的量，传感器输出量与输入量之输入信号为随时间变化的量，传感器输出量与输入量之间的数学关系。一般可用间的数学关系。一般可用微分方程微分方程或或传递函数传递函数来表示。来表示。测量仪表测量的量一般有两种形式：测量仪表测量的量一般有两种形式：一种是稳定的，不随时间变化或变化及其缓慢，称为一种是稳定的，不随时间变化或变化及其缓慢，称为静态信静态信号号；一种是随时间变化的，称为一种是随时间变化的，称为动态信号动态信号。因此，测量仪表的特性通常分为因此，测量仪表的特性通常分为静态特性静态特性和和动态特性动态特性两大类。两大类。二、二、检测系

27、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 静态检测是指测量时，检测系统的输入、输出信号不随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。时间变化或变化很缓慢。静态检测时，系统所表现出的响应静态检测时，系统所表现出的响应特性称为静态响应特性。特性称为静态响应特性。1 1、线性度（非线性误差）、线性度（非线性误差）非线性误差是非线性误差是衡量实际特性衡量实际特性偏离线性程度偏离线性程度的的指标，它取实际值与理论值之间的绝对误差的最指标，它取实际值与理论值之间的绝对误差的最大值和仪表量程之比的百分数。大值和仪表量程之比的百分数。00max100SFLLy线性度线性度

28、 仪器的量程仪器的量程 输出与理论最大偏差输出与理论最大偏差 xyS2、灵敏度、灵敏度 灵敏度指灵敏度指输出的增量与输入的增量之比输出的增量与输入的增量之比，即：，即：线性系统线性系统的灵敏度的灵敏度S为常数，即输入输出关系直线的斜率，斜为常数，即输入输出关系直线的斜率，斜率越大，其灵敏度就越高。率越大，其灵敏度就越高。非线性系统非线性系统的灵敏度的灵敏度S是变量，是是变量，是输入输出关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，通常输入输出关系曲线的斜率，输入量不同，灵敏度就不同，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，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，

29、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。相应就越小。3、重复性、重复性 重复性表示检测系统在输入量重复性表示检测系统在输入量按同一方向做全程多次测量按同一方向做全程多次测量时，所得的特性曲线不一致性的程度。时，所得的特性曲线不一致性的程度。%100maxFSxYE4、迟滞（变差、回程误差）、迟滞（变差、回程误差）迟滞特性表示检测系统在迟滞特性表示检测系统在正正(输入量增大输入量增大)、反（输入量减小）、反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合的现象称为迟滞行程中输出输入曲线不重合的现象称为迟滞。%100/maxFS

30、HHy式中式中 HmaxHmax正反行程间输出的最大差值。正反行程间输出的最大差值。迟滞特性如图所示，它一般是由实验迟滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以方法测得。迟滞误差一般以满量程满量程输输出的百分数表示出的百分数表示,即即0yxHmaxyFS迟滞特性5 5、精确度（精度）、精确度（精度）相关的概念：相关的概念：v 精密度精密度：测量仪表输出值的：测量仪表输出值的分散性分散性，是，是随机随机误差误差大小的标志。大小的标志。v 正确度正确度：它说明仪表输出值：它说明仪表输出值与真值的偏离程与真值的偏离程度度，是，是系统误差系统误差大小的标志。大小的标志。a.a.精确度精确度

31、：它是精密度和准确度两者的总和，：它是精密度和准确度两者的总和，精确度高精确度高表示表示精密度准确度都比较高精密度准确度都比较高。以射击为例，加深对三个概念的理解。以射击为例，加深对三个概念的理解。(a)(a)准确度高，精密度低；准确度高，精密度低；(b)(b)准确度低，精密度高；准确度低，精密度高；(c)(c)精确度高精确度高6、分辨力、分辨力 能引起输出变化的输入量的最小变化量能引起输出变化的输入量的最小变化量，表示检，表示检测系统或仪表装置分辨输入量微小变化的能力。当被测系统或仪表装置分辨输入量微小变化的能力。当被测量变化量小于分辩力时，检测系统对输入量的变换测量变化量小于分辩力时，检测

32、系统对输入量的变换没有任何反应。没有任何反应。7、漂移、漂移 漂移指检测系统漂移指检测系统随时间随时间的慢变化。在规定条件下，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，简称最低值处的变化，称为零点漂移，简称零漂零漂。温度变。温度变化引起的漂移叫化引起的漂移叫温漂温漂。三三 测量装置的动态特性测量装置的动态特性测量装置的动态特性测量装置的动态特性测量装置对随时间变化的输入量的响应特性。测量装置对随时间变化的输入量的响应特性。了解和掌握测量装置动态特性的目的：了解和掌握测量装置动态特性的目的：(

33、1)(1)根据信号频率范围及测量误差的要求确定测量根据信号频率范围及测量误差的要求确定测量装置。装置。(2)(2)已知测量装置的动态特性，估算可测量信号的已知测量装置的动态特性，估算可测量信号的频率范围与对应的动态误差。频率范围与对应的动态误差。0101)()()(asasabsbsbsXsYsHnnmm n=1一阶系统的传递函数一阶系统的传递函数 n=2二阶系统的传递函数二阶系统的传递函数 传递函数特点：传递函数特点：(1)H(s)与输入无关，只反映系统的特性。与输入无关，只反映系统的特性。一、传递函数一、传递函数1、传递函数、传递函数H(s)：初始条件为零时，系统输出的拉氏变换与初始条件为

34、零时，系统输出的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比输入量的拉氏变换之比（式式3-1）。(2)H(s)与具体的物理结构无关与具体的物理结构无关,只反映系统的响应只反映系统的响应特性。特性。(3)H(s)对任一具体的输入都唯一给出相应的输出对任一具体的输入都唯一给出相应的输出及其量纲。及其量纲。(4)H(s)中的分母完全由系统（包括研究对象和测中的分母完全由系统（包括研究对象和测量装置）的结构确定，分子与输入（激励）点的量装置）的结构确定，分子与输入（激励）点的位置、所测变量及测点布置等情况有关。位置、所测变量及测点布置等情况有关。2、频率（响应）特性、频率（响应）特性测量装置的频率响应特性测量装置的

35、频率响应特性H(j)在初始条件为零的条件下，系统输出在初始条件为零的条件下，系统输出y(t)0101)()()()()()()(ajajabjbjbjXjYjHnnmm二、常见测量系统的数学模型二、常见测量系统的数学模型1 1、一阶系统、一阶系统惯性环节（非周期环节）惯性环节（非周期环节）如如:液柱式温度计、液柱式温度计、RC低通滤波器、弹簧低通滤波器、弹簧-阻尼系阻尼系 统等。统等。(1）一阶系统的微分方程）一阶系统的微分方程 例例:弹簧弹簧-阻尼系统如下页图阻尼系统如下页图3-53-5所示所示的傅氏变换的傅氏变换Y(j)与输入量与输入量x(t)的傅氏变换的傅氏变换X(j)之之比。比。xky

36、dtdyc,/kckS/1令令Sxydtdy则：则：kc y(t)（位移）（位移）x(t)（力）（力）图图3-5 3-5 弹簧弹簧阻尼系统阻尼系统(2(2）一阶系统的传递函数）一阶系统的传递函数 sSsXsYsH1)()()(（3 3）一阶系统的频率特性）一阶系统的频率特性 jSjXjYjH1)()()(2.二阶系统二阶系统振荡环节振荡环节如如:质量质量-弹簧弹簧-阻尼系统、阻尼系统、RLC电路、动圈式仪表。电路、动圈式仪表。时间常数，时间常数，由系统的固有属性由系统的固有属性结构参数决定。结构参数决定。Sxydtdyxkydtdycdtydm22令令 kS/1系统的静态灵敏度。系统的静态灵敏

37、度。mkc 2/阻尼率；阻尼率；mkn/系统的固有频率；系统的固有频率；上式变为上式变为 22212nndyd yyS xd td tkc y(t)x(t)m（1 1）二阶系统的微分方程）二阶系统的微分方程 如如图图3-63-6有一质量有一质量-弹簧弹簧-阻尼系统阻尼系统（2 2）二阶系统的传递函数）二阶系统的传递函数2222)()()(nnnsssXsYsH（3 3）二阶系统的频率特性）二阶系统的频率特性2()1()()1()2nnYjHjXjj三、动态特性参数三、动态特性参数1 1阶跃响应阶跃响应1 1）一阶系统的阶跃响应）一阶系统的阶跃响应Sxydtdydtydnn21222输入阶跃信号

38、输入阶跃信号000)(tconstAttx当当A=1时，输入为单位阶跃信号（函数）。时，输入为单位阶跃信号（函数）。微分方程的解为（令微分方程的解为（令S=1）/1)(tetyy(t)为一指数曲线。为一指数曲线。y(0)=0,y()=1。在在0到到的时间范围内，的时间范围内，总存在过渡响应动误差。总存在过渡响应动误差。，曲线趋于，曲线趋于1的时间越的时间越y(t)t2 3 10小大0.63长，输出与输入差异越大。长，输出与输入差异越大。t=3t=3或或44为响应时间为响应时间.Sxydtdy2 2）二阶系统的阶跃响应）二阶系统的阶跃响应(如如图图3-73-7所示所示)（微分方程微分方程）010

39、11（过阻尼状态）（过阻尼状态）)1()1(1211)()1(2)1(2222ttnneety阶跃响应性质：阶跃响应性质：响应曲线形状三种（如响应曲线形状三种（如图图3-73-7）。）。响应曲线形状取决于响应曲线形状取决于，通常设计通常设计在在0.60.60.80.8之间。之间。响应速度随固有频率的变化而不同响应速度随固有频率的变化而不同,当当一定，一定，n n越大，响应速度越快。越大，响应速度越快。图图3-7 二阶系统阶跃响应二阶系统阶跃响应3 3）二阶系统时域动态性能指标）二阶系统时域动态性能指标 (如如图图3-83-8）延迟时间延迟时间t td d单位阶跃响应曲线达到其终值的单位阶跃响应

40、曲线达到其终值的50%50%所需所需的时间。的时间。上升时间上升时间t tr r单位阶跃响应曲线从其终值的单位阶跃响应曲线从其终值的10%10%上升到上升到终值的终值的90%90%所需的时间。所需的时间。峰值时间峰值时间t tp p 单位阶跃响应曲线从零开始超过其稳态单位阶跃响应曲线从零开始超过其稳态值而达到第一个峰值所需的时间。值而达到第一个峰值所需的时间。图图3-8 3-8 二阶系统单位阶跃响应二阶系统单位阶跃响应0.10.50.91.00trtdtptsMp允许误差0.05或0.02t()y t响应时间响应时间t ts s (如如图图3-8）单位阶跃响应曲线达到并保持在响应曲线终单位阶跃

41、响应曲线达到并保持在响应曲线终值允许的误差范围内所需的时间。值允许的误差范围内所需的时间。超调量超调量 单位阶跃响应曲线的最大值与响应曲线终单位阶跃响应曲线的最大值与响应曲线终值的差值对终值之比的百分数。值的差值对终值之比的百分数。.频率响应频率响应 ）一阶系统）一阶系统 输入正弦信号输入正弦信号x(t)=x0sint，频率响应函数，频率响应函数 jjXjYjH11)()()(幅频特性幅频特性 2)(11)(jHA相频特性相频特性 ()arctan()幅频特性图和相频特性图幅频特性图和相频特性图,见下页。见下页。图图3-9 3-9 一阶系统的幅频特性和相频特性一阶系统的幅频特性和相频特性A A

42、（）0.1 0.2 0.5 1.0 2 5 100.1 0.2 0.5 1.0 2 5 102.02.01.01.00.50.50.30.30.20.20.10.1(a)(a)幅频特性幅频特性0.1 0.2 0.5 1.0 2 5 100.1 0.2 0.5 1.0 2 5 10-80-80-40-40-60-60-20-20 0 0 （）(b)(b)相频特性相频特性特点：特点：当当0.3时，时，|H(j)|接近于接近于1，输出与输，输出与输 入入幅值几乎相等，如幅值几乎相等，如图图3-9。当当增大时，增大时，|H(j)|减小，减小，()增大。增大。当当=1/时，时，H(j)|=0.707（-

43、3dB），），=-45。=1/点称为转折频率。点称为转折频率。越小，工作频率范围越宽，响应速度越快。越小，工作频率范围越宽，响应速度越快。）二阶系统）二阶系统输入正弦信号输入正弦信号x(t)=xx(t)=x0 0sintsint，频率响应函数，频率响应函数 2()1()()1()2nnY jH jX jj幅频特性幅频特性 22224)1(1)(jHA相频特性相频特性 22()arctan1 幅频特性图幅频特性图3-103-10（a)a)和相频特性图和相频特性图3-10(b)3-10(b)二阶系统幅频特性二阶系统幅频特性/n()A(a)/n()二阶系统相频特性二阶系统相频特性(b)四、不失真测量

44、条件四、不失真测量条件 对测量装置要求：对测量装置要求：频率特性好，灵敏度高，响应快，时间滞后小频率特性好，灵敏度高，响应快，时间滞后小输出输出y(t)y(t)、输入、输入x(t)x(t)满足满足 )()(00txAty式中式中 A A0 0和和0 0为常数，输出、输入波形完全相似，为常数，输出、输入波形完全相似，没有失真（波形的不失真复现没有失真（波形的不失真复现 ）该测试系统该测试系统的输出波形与输的输出波形与输入信号的波形精入信号的波形精确地一致，只是确地一致，只是幅值放大了幅值放大了A0倍，倍，在时间上延迟了在时间上延迟了 而已。这种情况而已。这种情况下，认为测试系下，认为测试系统具有不失真的统具有不失真的特性。特性。00()()y tA x t00y(t)=A0 x(t-0)的傅立叶变换的傅立叶变换 dtetyjYtj)()()(00jXeAj测量系统的频率响应测量系统的频率响应 )(0)()()()(0jjeAeAjXjYjH波形不失真，满足：波形不失真，满足：幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 0()AAconst0()