文档介绍：现代传感器与测试技术
主讲：陈广庆
主要内容
传感器与检测技术基本概论
检测系统的误差合成
常用传感器的工作原理
常见非电参数的检测方法
微弱信号检测
检测系统抗干扰技术
测量信号的调理及处理
现代检测系统
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，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。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，进行在线处理。
检测系统的作用
检测（detection)是利用各种物理、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方法赋予定性或定量结果的过程。能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为自动检测与转换技术。
检测方法的推进
检测仪器与计算机技术集成
硬件功能软件化
仪器仪表集成化和模块化
参数整定和修改实时化
硬件平台通用化
检测技术的现状与发展
1. 静态数学模型
静态数学模型是指在静态信号作用下，传感器输出与输入量间的一种函数关系。如不考虑迟滞特性和蠕动效应，传感器的静态数学模型一般可以用n次多项式来表示：
y=a0+a1x+a2x2+···+anxn
式中 x 为输入量；y为输出量；
a0为零输入时的输出，也叫零位输出；
a1为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示；
a2 , a3 , ··· , an为非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定。
传感器与检测系统的基本特性
传感器的数学模型
图1-1 传感器的静态特性
1)微分方程
式中：x(t)为输入量，y(t)为输出量。
为结构常数，
1. 微分方程
2. 传感器的动态数学模型
通常除b0外，其余参数
对微分方程两边取拉普拉斯变换，则得：
该系统的传递函数H(s)为：
2. 传递函数
等号右边是一个与输入无关的表达式，只与系统结构参数有关，传递函数 H(s)是描述传感器本身传递信息的特性，即传输和变换特性。由输入激励和输出响应的拉氏变换求得。当传感器比较复杂或传感器的基本参数未知时，可以通过实验求得传递函数。
系统的传递函数框图示意见图1-2。
对于n个环节的并联系统：
2. 传递函数
对于n个环节的串联系统：
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。
1. 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。
2. 灵敏度
灵敏度指输出的增量与输入的增量之比，即：
3. 线性度(Linearity)
标定曲线与拟合直线的偏离程度就是线性度，又称非线性误差。如果在全量程A输出范围内，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：
对于系统静态特性存在非线性的情况，都应进行线性处理。
常用的方法：理论直线法、端点线法、最佳直线法、最小二乘法和计算程序法等。
理论直线法 y=ax
端点线法
最佳直线法
  几种不同的拟合方法 (ａ)理论直线法 (ｂ)端点连线法 (ｃ)端点连线平移法
最小二乘法 按最小二乘法取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。
设实际校准测试点有n个，则第i个校准数据yi与拟合直线上相应值之间的残差为
根据最小二乘原理，应使 最小；故由 分别对k和b求一阶偏导数并令其等于零，即可求得k和b。
4. 重复性(Repeatability)
重复性是传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-3所示。
传感器输出特性的不重复性主要由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。
图1-3 传感器的重复