檢測系統(tǒng)及其基本特性

1、第三章第三章 檢測系統(tǒng)及其基本特性檢測系統(tǒng)及其基本特性一、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗技術(shù)一、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗技術(shù)1. 用戶的產(chǎn)品質(zhì)量觀：用戶的產(chǎn)品質(zhì)量觀：- 質(zhì)量管理科學(xué)的一個重要組成部分質(zhì)量管理科學(xué)的一個重要組成部分 要求質(zhì)量可靠、功能齊全要求質(zhì)量可靠、功能齊全 要求產(chǎn)品性能要求產(chǎn)品性能/價格比高價格比高物美價廉物美價廉 要求產(chǎn)品具備自動化和智能化的功能要求產(chǎn)品具備自動化和智能化的功能2. 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的作用：產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的作用： 保證產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗是維護(hù)消費者利益的關(guān)鍵保證產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗是維護(hù)消費者利益的關(guān)鍵 嚴(yán)格產(chǎn)品質(zhì)量是打開國際市場的鑰匙嚴(yán)格產(chǎn)品質(zhì)量是打開國際市場的鑰匙 加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗是促進(jìn)企業(yè)前

2、進(jìn)的法寶加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗是促進(jìn)企業(yè)前進(jìn)的法寶- - 評價產(chǎn)品質(zhì)量的主要依據(jù)評價產(chǎn)品質(zhì)量的主要依據(jù) 輕薄短小、精制大方是產(chǎn)品外觀發(fā)展的趨勢輕薄短小、精制大方是產(chǎn)品外觀發(fā)展的趨勢檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng) 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的重要環(huán)節(jié)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗的重要環(huán)節(jié)二、檢測系統(tǒng)性能二、檢測系統(tǒng)性能- 基本特性、功能、技術(shù)指標(biāo)、性能基本特性、功能、技術(shù)指標(biāo)、性能/價格比價格比- 常量輸入下系統(tǒng)的性能指標(biāo)常量輸入下系統(tǒng)的性能指標(biāo)靜態(tài)特性靜態(tài)特性- 靈敏度、不確定度、輸入范圍、分辨力等靈敏度、不確定度、輸入范圍、分辨力等- 決定系統(tǒng)能不能進(jìn)行所需的檢測和完成所需檢測的程度決定系統(tǒng)能不能進(jìn)行所需的檢測和完成所需檢測的程度動態(tài)特性動

3、態(tài)特性 - 動態(tài)或變態(tài)信號輸入下，與系統(tǒng)頻率響應(yīng)有關(guān)的特性動態(tài)或變態(tài)信號輸入下，與系統(tǒng)頻率響應(yīng)有關(guān)的特性檢測系統(tǒng)常用技術(shù)性能指標(biāo)檢測系統(tǒng)常用技術(shù)性能指標(biāo) 輸入量性能指標(biāo)：量程、測量范圍、過載能力等輸入量性能指標(biāo)：量程、測量范圍、過載能力等 靜態(tài)特性指標(biāo)：線性度、遲滯、重復(fù)性、準(zhǔn)確度、靈敏度、靜態(tài)特性指標(biāo)：線性度、遲滯、重復(fù)性、準(zhǔn)確度、靈敏度、分辨率、閾值、穩(wěn)定性、漂移等分辨率、閾值、穩(wěn)定性、漂移等 動態(tài)特性指標(biāo)：時間常數(shù)、上升時間、響應(yīng)時間、過沖量、阻動態(tài)特性指標(biāo)：時間常數(shù)、上升時間、響應(yīng)時間、過沖量、阻尼率、固有頻率、頻率特性、頻響范圍、穩(wěn)態(tài)誤差、臨界速度、采尼率、固有頻率、頻率特性、頻響范

4、圍、穩(wěn)態(tài)誤差、臨界速度、采樣頻率等樣頻率等 對環(huán)境和配接要求：工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、靈對環(huán)境和配接要求：工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、靈敏度溫度系數(shù)、熱滯后、抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕、抗電磁干擾能力、敏度溫度系數(shù)、熱滯后、抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕、抗電磁干擾能力、抗沖振要求等抗沖振要求等 可靠性指標(biāo)：平均壽命、平均無故障工作時間、故障率、疲勞可靠性指標(biāo)：平均壽命、平均無故障工作時間、故障率、疲勞性能、絕緣耐壓、耐溫、保險期、時間穩(wěn)定性、抗過載能力等性能、絕緣耐壓、耐溫、保險期、時間穩(wěn)定性、抗過載能力等 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：性能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：性能/價格比價格比1）基本功能特性）基本功能特性 - 決定系統(tǒng)的

5、工作能力決定系統(tǒng)的工作能力1、靜態(tài)特性：、靜態(tài)特性：2）精度特性）精度特性 - 決定系統(tǒng)的在什么程度上完成所需的檢測決定系統(tǒng)的在什么程度上完成所需的檢測 測量范圍（測量范圍（Range）：系統(tǒng)實現(xiàn)不失真測量時的最大輸入信號范圍）：系統(tǒng)實現(xiàn)不失真測量時的最大輸入信號范圍上限值、下限值上限值、下限值 分辨力（分辨力（Resolution） 動態(tài)范圍（動態(tài)范圍（Dynamic Range）跨度與絕對分辨力之比跨度與絕對分辨力之比 - 系統(tǒng)對輸入信號大小的綜合檢測能力系統(tǒng)對輸入信號大小的綜合檢測能力 跨度（跨度（Span）：）：- 測量范圍上限與下限的算術(shù)差值測量范圍上限與下限的算術(shù)差值測量范圍的導(dǎo)出

6、量（下限為零時）測量范圍的導(dǎo)出量（下限為零時）線性檢測裝置線性檢測裝置 - 常數(shù)；常數(shù)；非線性檢測裝置非線性檢測裝置 - 變量變量輸出量與輸入量為同一量綱輸出量與輸入量為同一量綱 - 放大比放大比/放大倍數(shù)放大倍數(shù) 靈敏度（靈敏度（Sensitivity）：系統(tǒng)輸出信號的變化相對于輸入信號變化）：系統(tǒng)輸出信號的變化相對于輸入信號變化的比值的比值 k =dy/dx能使系統(tǒng)輸出發(fā)生變化所對應(yīng)的最小的輸入變化量能使系統(tǒng)輸出發(fā)生變化所對應(yīng)的最小的輸入變化量絕對值絕對值 - ；相對值；相對值 - 滿刻度（滿刻度（Full Scale）的百分比）的百分比minmaxxx動態(tài)范圍minmaxlg20 xx動

7、態(tài)范圍分貝數(shù)表示分貝數(shù)表示- 常量常量/緩慢變化的輸入情況下的輸出特性緩慢變化的輸入情況下的輸出特性200200800800 C C、 5mm5mm- 測量值與被測量真值之差測量值與被測量真值之差 - 準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度 非線性（非線性（Non-linearity）a) 最小二乘直線：標(biāo)定最小二乘直線：標(biāo)定值相對于該直線的誤差值相對于該直線的誤差平方和最小平方和最小b) 端點連線：連接最大端點連線：連接最大與最小標(biāo)定值的直線與最小標(biāo)定值的直線 - 端基直線端基直線參考直線參考直線非線性誤差非線性誤差 - 實測曲線偏離理想直線的程度實測曲線偏離理想直線的程度 示值誤差（示值誤差（error） 重復(fù)性（

8、重復(fù)性（Repeatability）外界條件不變的情況下，對同一被測量多次重復(fù)測量時測量值之間的外界條件不變的情況下，對同一被測量多次重復(fù)測量時測量值之間的分散性分散性 - 精密度精密度理想檢測系統(tǒng)理想檢測系統(tǒng) - 輸出與輸入輸出與輸入 - 比例關(guān)系：比例關(guān)系：y(t)=kx(t)實際檢測裝置實際檢測裝置 - 輸出與輸入不是理性的線性關(guān)系輸出與輸入不是理性的線性關(guān)系誤差測量值真實值誤差測量值真實值表示：實際測得的輸入表示：實際測得的輸入輸出特性曲線（標(biāo)定曲線）與其擬和直線輸出特性曲線（標(biāo)定曲線）與其擬和直線之間的最大偏差與檢測裝置滿量程輸出范圍之比：之間的最大偏差與檢測裝置滿量程輸出范圍之比：

9、e = m/yFS1 - 標(biāo)定曲線標(biāo)定曲線2 - 擬和直線擬和直線 死區(qū)（死區(qū)（Dead band） 漂移（漂移（Drift）- 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 回程誤差（回程誤差（Hysteresis）當(dāng)系統(tǒng)輸出信號不發(fā)生變化時所對應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)輸出信號不發(fā)生變化時所對應(yīng)的輸入信號的變化范圍的輸入信號的變化范圍- 系統(tǒng)元件的摩擦及空程等現(xiàn)象引起的系統(tǒng)元件的摩擦及空程等現(xiàn)象引起的- - 遲滯遲滯/ /滯后誤差滯后誤差正向（輸入量增大）和反向（輸入量減?。┬谐唐陂g正向（輸入量增大）和反向（輸入量減?。┬谐唐陂g - 檢測裝置檢測裝置輸入輸入 輸出曲線的不重合程度輸出曲線的不重合程度外界條件不變外界條件不變 - 同一大小的

10、輸入信號同一大小的輸入信號 - 正反行程的輸出信號數(shù)值不相等正反行程的輸出信號數(shù)值不相等產(chǎn)生：檢測裝置中的彈性元件、機(jī)械產(chǎn)生：檢測裝置中的彈性元件、機(jī)械傳動中的間隙和內(nèi)摩擦、磁性材料的傳動中的間隙和內(nèi)摩擦、磁性材料的磁滯磁滯 - 實驗確定實驗確定- 滿量程輸出滿量程輸出yFS的百分比表示的百分比表示%100maxFSHhy輸入不變的情況下，檢測裝置的輸出隨時間變化的趨勢輸入不變的情況下，檢測裝置的輸出隨時間變化的趨勢溫度的漂移（溫漂）：靈敏度的溫漂、零位的溫漂溫度的漂移（溫漂）：靈敏度的溫漂、零位的溫漂 - 定量表示定量表示2、動態(tài)特性、動態(tài)特性 - 變化變化/動態(tài)信號動態(tài)信號動態(tài)測量動態(tài)測量

11、 - 被測量本身隨時間變化，而測量系統(tǒng)又能準(zhǔn)確的跟隨被測量被測量本身隨時間變化，而測量系統(tǒng)又能準(zhǔn)確的跟隨被測量的變化而變化的變化而變化例：彈簧秤的力學(xué)模型例：彈簧秤的力學(xué)模型動態(tài)信號動態(tài)信號 - 幅值、時間、空間幅值、時間、空間/頻率頻率- 由系統(tǒng)元件的機(jī)械、物理及光、電、磁等特性決定由系統(tǒng)元件的機(jī)械、物理及光、電、磁等特性決定 - 靜止物理模型靜止物理模型m - 被測物體質(zhì)量被測物體質(zhì)量k - 彈簧彈性系數(shù)彈簧彈性系數(shù)m=ky/g“動態(tài)模型動態(tài)模型” - 停止振動之前測量重量停止振動之前測量重量x - 托盤和被測物體的位移托盤和被測物體的位移M - 托盤的質(zhì)量托盤的質(zhì)量微分方程（運(yùn)動方程）微

12、分方程（運(yùn)動方程）動態(tài)特性動態(tài)特性 - 輸入與輸出在幅值與頻率上的相互關(guān)系輸入與輸出在幅值與頻率上的相互關(guān)系y - 彈簧變形量彈簧變形量y - 指針的位移指針的位移mgkxxcxmM.)(xy.ygkyycyMmm - 未知數(shù)未知數(shù)t 時刻的輸出信號時刻的輸出信號 - t 時刻之前的輸入對系統(tǒng)作用影響的綜合時刻之前的輸入對系統(tǒng)作用影響的綜合傅立葉變換傅立葉變換 - 頻率域頻率域檢測過程檢測過程 - 輸出對于輸入的頻率響應(yīng)輸出對于輸入的頻率響應(yīng) 被檢測信號被檢測信號1 1）檢測系統(tǒng)的頻率響應(yīng)）檢測系統(tǒng)的頻率響應(yīng)輸出輸出- 輸入與系統(tǒng)自身特性的卷積：輸入與系統(tǒng)自身特性的卷積：Y( )、X( )、H

13、( ) - 輸入、輸出、系統(tǒng)在頻率域中的特性輸入、輸出、系統(tǒng)在頻率域中的特性)()()()()()()(00txthdhtxdxthtyttdtdethxdtetyYtjtj)()()()()(0)()()()()(jttjtjeHXdtethdexH( ) - 系統(tǒng)幅頻響應(yīng)特性；系統(tǒng)幅頻響應(yīng)特性； ( ) - 系統(tǒng)相頻響應(yīng)特性系統(tǒng)相頻響應(yīng)特性帶寬（帶寬（Band width）- 系統(tǒng)動態(tài)特性的技術(shù)指標(biāo)（工作頻率范圍）系統(tǒng)動態(tài)特性的技術(shù)指標(biāo)（工作頻率范圍）- 檢測系統(tǒng)的適用頻率范圍檢測系統(tǒng)的適用頻率范圍 - 檢測裝置能夠保證它的有關(guān)性能指標(biāo)檢測裝置能夠保證它的有關(guān)性能指標(biāo)- 靈敏度、非線性等靈

14、敏度、非線性等h(t), H(w)檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)x(t), X(w)y(t), Y(w)檢測系統(tǒng)的自身特性檢測系統(tǒng)的自身特性 檢測系統(tǒng)輸出信號檢測系統(tǒng)輸出信號三部分三部分:- 相當(dāng)于一個勻速加載過程相當(dāng)于一個勻速加載過程統(tǒng)計意義統(tǒng)計意義 - 概率分布、均值與方差等概率分布、均值與方差等表示表示 2 2）典型動態(tài)輸入信號）典型動態(tài)輸入信號 正弦信號正弦信號A - 振幅（常數(shù)）振幅（常數(shù)） 階躍信號階躍信號 斜坡信號斜坡信號000)(ttAttAtx載荷由載荷由A0瞬時加載到瞬時加載到A并維持在這個水平并維持在這個水平0)(tkttxtAtxsin)( 隨機(jī)信號隨機(jī)信號 2 f - 角頻率角頻率

15、3）系統(tǒng)的頻率特性分析與比較）系統(tǒng)的頻率特性分析與比較 零階系統(tǒng)零階系統(tǒng)數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)表達(dá)式零階系統(tǒng)、一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)零階系統(tǒng)、一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng) - 各種系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)各種系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié))()(tkxty00/abk - 系統(tǒng)靜態(tài)靈敏度系統(tǒng)靜態(tài)靈敏度頻率特性頻率特性幅頻、相頻特性曲線幅頻、相頻特性曲線 一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)微分方程微分方程物理意義物理意義- - 時間常數(shù)時間常數(shù)- - 靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度- - 歸一化處理歸一化處理頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻、相頻特性幅頻、相頻特性- - 決定系統(tǒng)工作頻率范圍決定系統(tǒng)工作頻率范圍 二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)微分方程微分方程歸一化歸一化- 系統(tǒng)固有頻率系

16、統(tǒng)固有頻率- 系統(tǒng)阻尼比系統(tǒng)阻尼比標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)- 決定系統(tǒng)帶寬決定系統(tǒng)帶寬幅頻、相頻特性幅頻、相頻特性 分辨力分辨力 系統(tǒng)的性能指標(biāo)、價格系統(tǒng)的性能指標(biāo)、價格 - 性能性能/價格比價格比1、檢測系統(tǒng)性能的綜合評估、檢測系統(tǒng)性能的綜合評估重視指標(biāo)：重視指標(biāo)：能干些什么？能在什么程度上干些什么？能干些什么？能在什么程度上干些什么？二、檢測系統(tǒng)性能的綜合評價與標(biāo)定二、檢測系統(tǒng)性能的綜合評價與標(biāo)定 工作工作/ /檢測范圍檢測范圍 工作頻率工作頻率 精度精度/重復(fù)性重復(fù)性 工作環(huán)境與壽命工作環(huán)境與壽命 成本與價格成本與價格寬工作范圍寬工作范圍 - 大的跨度和高分辨力（動態(tài)范圍）大的跨度和高分

17、辨力（動態(tài)范圍）一階系統(tǒng)一階系統(tǒng) - 時間常數(shù)；二階系統(tǒng)時間常數(shù)；二階系統(tǒng) - 固有頻率固有頻率精度高、重復(fù)性誤差小精度高、重復(fù)性誤差小 - 結(jié)果可靠結(jié)果可靠系統(tǒng)正常運(yùn)行的工作條件系統(tǒng)正常運(yùn)行的工作條件 - 溫度、相對濕度、振動、噪聲環(huán)境等溫度、相對濕度、振動、噪聲環(huán)境等滿足檢測要求滿足檢測要求 - 價格越低越好價格越低越好其他其他 - 軟硬件操作方便；軟件分析處理功能；接口；安全；容錯能力；軟硬件操作方便；軟件分析處理功能；接口；安全；容錯能力；兼容性；延續(xù)性；售后服務(wù)兼容性；延續(xù)性；售后服務(wù) 確定檢測系統(tǒng)誤差確定檢測系統(tǒng)誤差/確定檢測特性的所有操作確定檢測特性的所有操作檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng) - 定量的數(shù)據(jù)或描述定量的數(shù)據(jù)或描述標(biāo)定標(biāo)定 - 定量描述的誤差定量描述的誤差2、檢測系統(tǒng)的標(biāo)定、檢測系統(tǒng)的標(biāo)定 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)比較式標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)比較式 標(biāo)準(zhǔn)被測量比較式標(biāo)準(zhǔn)被測量比較式1）標(biāo)定方式：）標(biāo)定方式：相同條件下相同條件下 - 被標(biāo)定系統(tǒng)與已知的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)被標(biāo)定系統(tǒng)與已知的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng) - 同一被測量同一被測量 - 比較比較輸出結(jié)果輸出結(jié)果 - 確定被標(biāo)定系統(tǒng)誤差確定被標(biāo)定系統(tǒng)誤差被標(biāo)定系統(tǒng)被標(biāo)定系統(tǒng) - 已知的標(biāo)準(zhǔn)量（長度已知的標(biāo)準(zhǔn)量（長度/ /重量等）檢測結(jié)果比較重量等）檢測結(jié)果比較 - 偏差偏差為系統(tǒng)誤差為系統(tǒng)誤差標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器/ /標(biāo)準(zhǔn)被測量標(biāo)準(zhǔn)被測量 -