檢測裝置基本特性課件

1、主要內(nèi)容2.12.22.32.4 線性檢測裝置概述 檢測裝置的動(dòng)態(tài)特性 不失真測量條件和裝置組建 檢測裝置的靜態(tài)特性2.5 檢測裝置的基本特性測試主要內(nèi)容2.12.22.32.4 線性檢測裝置概述 檢測檢測裝置的特性分析應(yīng)用參數(shù)檢測：已知裝置的特性和輸出信號(hào),求出輸入信號(hào)。多環(huán)節(jié)檢測裝置組建：已知裝置的特性和輸入信號(hào),求出輸出信號(hào)。裝置的特性分析：由裝置的輸入輸出信號(hào)，推斷裝置的特性。（系統(tǒng)辯識(shí)）檢測裝置的特性分析應(yīng)用參數(shù)檢測：已知裝置的特性和輸出信號(hào),求輸出與輸入之間的關(guān)系檢測裝置基本特性動(dòng)態(tài)特性靜態(tài)特性 當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)，這一關(guān)系稱為動(dòng)態(tài)特性。 當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時(shí)，這一

2、關(guān)系稱為靜態(tài)特性；檢測裝置的最基本特性是線性特性輸出與輸入之間的關(guān)系動(dòng)態(tài)特性靜態(tài)特性 當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地2.1 線性檢測裝置概述 無論復(fù)雜度如何，把檢測量裝置作為一個(gè)系統(tǒng)來看待。問題簡化為處理輸入量x(t)、系統(tǒng)傳輸特性h(t)和輸出y(t)三者之間的關(guān)系。x(t)h(t)y(t)輸入量系統(tǒng)特性輸出2.1 線性檢測裝置概述 無論復(fù)雜度如何，常系數(shù)線性微分方程任何一個(gè)具體的輸入量和輸出量之間的關(guān)系都可以寫成下列數(shù)學(xué)形式y(tǒng)：輸出量；x：輸入量；t：時(shí)間系統(tǒng)的階次由輸出量最高微分階次n決定。常系數(shù)線性微分方程y：輸出量；x：輸入量；t：時(shí)間 理想的檢測裝置應(yīng)該具有單值的、確定的輸入輸出關(guān)系。對(duì)于每

3、一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對(duì)應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。其中以輸出和輸入成線性時(shí)不變關(guān)系最佳。 xy線性xy線性xy非線性 理想的檢測裝置應(yīng)該具有單值的、確定的輸入輸出關(guān)系。線性時(shí)不變系統(tǒng)(時(shí)域描述) 系統(tǒng)輸入x(t)和輸出y(t)間的關(guān)系可以用常系數(shù)線性微分方程來描述： 一般在工程中使用的測試裝置都是線性系統(tǒng)。線性時(shí)不變系統(tǒng)(時(shí)域描述) 系統(tǒng)輸入x(t)線性時(shí)不變檢測裝置服從疊加性、齊次性、微分、積分和頻率保持特性。1.疊加性 系統(tǒng)對(duì)各輸入之和的輸出等于各單個(gè)輸入的輸出之和，即 若 x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 則 x1(t)x2(t) y1(t)y2(t

4、) 線性時(shí)不變檢測裝置服從疊加性、齊次性、微分、積分和頻率保持特2.齊次性（比例性） 常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍，即: 若 x(t) y(t) 則 Cx(t) Cy(t) 3.微分性 系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的微分等于原輸出信號(hào)的微分，即 若 x(t) y(t) 則 x(t) y(t) 2.齊次性（比例性） 3.微分性 4.積分性 當(dāng)初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的積分等于原輸出信號(hào)的積分，即 若 x(t) y(t) 則 x(t)dt y(t)dt 5.頻率保持性 若系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號(hào)，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號(hào)，即 若 x(t)=Acos(t+x) 則

5、y(t)=Bcos(t+y)4.積分性 5.頻率保持性 線性系統(tǒng)的這些主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持性，在測量工作中具有重要作用。 線性系統(tǒng)的這些主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持2.2 檢測裝置的靜態(tài)特性1、靜態(tài)特性的定義被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器的輸出與輸入的關(guān)系。2.2 檢測裝置的靜態(tài)特性1、靜態(tài)特性的定義被測量的值處于靜態(tài)測量 靜態(tài)測量 對(duì)緩慢變化的對(duì)象進(jìn)行測量亦屬于靜態(tài)測量。 對(duì)緩慢變化的對(duì)象進(jìn)行測量亦屬于靜態(tài)測量。2、靜態(tài)特性描述：數(shù)學(xué)公式或數(shù)學(xué)模型。以溫度檢測為例 若溫度為零時(shí)，水銀溫度計(jì)液柱高度不為零，則 檢測裝置的輸出與輸入關(guān)系通用表達(dá)式： 2、靜態(tài)特性描述

6、：數(shù)學(xué)公式或數(shù)學(xué)模型。以溫度檢測為例 若溫度2.2.1 檢測裝置的靜態(tài)特性參數(shù)（1）零點(diǎn):當(dāng)輸入為零時(shí)，檢測裝置的輸出量不為零的數(shù)值。一般檢測裝置應(yīng)將零點(diǎn)調(diào)整為零2.2.1 檢測裝置的靜態(tài)特性參數(shù)一般檢測裝置應(yīng)將零點(diǎn)調(diào)整為（2）靈敏度:測試裝置的輸入x有一增量x,引起輸出y發(fā)生相應(yīng)變化yyxxy（2）靈敏度:測試裝置的輸入x有一增量x,引起輸出y發(fā)生相線性傳感器, k=y/x為常數(shù), 非線性傳感器的靈敏度, k=dy/dx。k隨X變化而變化。一般測量范圍越大，非線性越嚴(yán)重，靈敏度變化越大。線性傳感器, k=y/x為常數(shù), 當(dāng)被測量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。對(duì)數(shù)字儀表而

7、言，如果沒有其他附加說明，可以認(rèn)為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。（3）分辨力指能引起輸出量發(fā)生變化時(shí)輸入量的最小變化量，反映檢測裝置能夠有效辨別最小輸入變化量的能力。當(dāng)被測量的變化小于分辨力時(shí)，傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng)。（4）量程是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。反映檢測裝置能夠有效測量最大輸入變化量的能力。（4）量程2.2.2 靜態(tài)特性的質(zhì)量指標(biāo)2.2.2 靜態(tài)特性的質(zhì)量指標(biāo)滯差、重復(fù)性、線性度、 靈敏度、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性（1）滯差檢測裝置在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐唐陂g其輸出-輸入特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。滯差以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)

8、表示0yyHMyFS遲滯特性如稱重傳感器，加載，卸載，同一重量，輸出不同。滯差、重復(fù)性、線性度、 靈敏度、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性（1）（2） 重復(fù)性重復(fù)性誤差的計(jì)算重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向（增大或減小）作全量程連續(xù)多次變化時(shí), 所得特性曲線不一致的程度。重復(fù)性特性曲線（2） 重復(fù)性重復(fù)性誤差的計(jì)算重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同（3）線性度檢測裝置的輸出與輸入之間數(shù)量關(guān)系的線性程度。 檢測裝置非線性大小評(píng)定方法校準(zhǔn)曲線即實(shí)測曲線：通過實(shí)際測試獲得。 首先在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下，用標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定（測試），得到其輸入輸出曲線即為校準(zhǔn)曲線。（3）線性度 檢測裝置非線性大小評(píng)定方法校準(zhǔn)曲

9、線即實(shí)測曲線擬合直線即理想直線：人為作出。校準(zhǔn)曲線與擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，稱為傳感器的非線性誤差（或線性度）線性度的計(jì)算公式最大非線性誤差量程輸出非線性偏差的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。擬合直線即理想直線：人為作出。線性度的計(jì)算公式最大非線性誤差溫度儀恒溫油槽標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)傳感器探頭可控硅溫度控制儀標(biāo)準(zhǔn)器具T溫度儀恒溫油槽標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)傳感器探頭可控硅溫度控制儀標(biāo)準(zhǔn)器xyLmaxyFS0 xMxyL2L1yxLmaxyFSxm0yxyFSxm0(c)端點(diǎn)連線擬合(b

10、)過零旋轉(zhuǎn)擬合(a)理論擬合(d)最小二乘擬合xyLmaxyFS0 xMxyL2L1yxLmaxyF目的:1、用擬合直線代替校準(zhǔn)曲線，方便計(jì)算。 2、檢驗(yàn)傳感器或儀表是否合格。用最小二乘法求取的擬合直線的擬合精度最高。 擬合直線方程 Y=b+k Xn對(duì)測量數(shù)據(jù)（x i, y i）, 用直線方程Y=b +kX擬合, 根據(jù)測量數(shù)據(jù)值, 求方程中系數(shù)b 、k的最佳估計(jì)值。(2-12)目的:1、用擬合直線代替校準(zhǔn)曲線，方便計(jì)算。用最小二乘法求取應(yīng)用最小二乘法原理: 使各測量數(shù)據(jù)點(diǎn)y i與直線輸出Y偏差的平方和為最小。 應(yīng)用最小二乘法原理: 使各測量數(shù)據(jù)點(diǎn)y i與直線輸出Y偏差的將k和b代入擬合直線方程

11、，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最（4）準(zhǔn)確度說明檢測裝置輸出值與真值的偏離程度。如,某速度傳感器的準(zhǔn)確度為0.3m/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m/s。準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差大小的標(biāo)志，準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。準(zhǔn)確度等級(jí)a表示產(chǎn)品精度的一項(xiàng)指標(biāo)。儀表產(chǎn)品的精度等級(jí)由國家計(jì)量部門給定，儀表的實(shí)際相對(duì)誤差應(yīng)小于精度等級(jí)。（4）準(zhǔn)確度說明檢測裝置輸出值與真值的偏離程度。如,某速度傳（5）穩(wěn)定性和可靠性穩(wěn)定性：在規(guī)定的工作條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，裝置性能保持不變的能力。裝置的穩(wěn)定性取決于其內(nèi)部元器件的穩(wěn)

12、定性?？煽啃裕涸诒３质褂铆h(huán)境和運(yùn)行指標(biāo)不超過極限的情況下，裝置性能保持不變的能力。（5）穩(wěn)定性和可靠性可靠性：在保持使用環(huán)境和運(yùn)行指標(biāo)不超過極衡量裝置可靠性的指標(biāo)：平均無故障時(shí)間（MTBF）和故障率。例：某臺(tái)儀表MTBF為500Kh，故障率為0.2%/kh。1000臺(tái)儀表工作1000小時(shí)，有多少臺(tái)儀表可能出現(xiàn)故障。衡量裝置可靠性的指標(biāo)：例：某臺(tái)儀表MTBF為500Kh，故障2.2.3 檢測裝置的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)裝置待測裝置XY2Y1在標(biāo)準(zhǔn)條件下，由標(biāo)準(zhǔn)器具給出一系列已知輸入量，對(duì)待測裝置輸入輸出關(guān)系進(jìn)行測量處理過程。標(biāo)準(zhǔn)器具校準(zhǔn)將檢測裝置在使用一定時(shí)間后進(jìn)行性能復(fù)測。標(biāo)定2.2.3 檢測裝置的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)

13、裝置待測裝置XY2Y1在標(biāo)準(zhǔn)條所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定的裝置的精度高一個(gè)等級(jí)。 標(biāo)定儀器的精度等級(jí) 靜態(tài)標(biāo)定的目的確定檢測裝置的輸入和輸出關(guān)系。確定靜態(tài)性能指標(biāo)（線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度等）所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定的裝置的精度高一個(gè)等級(jí)。 對(duì)檢測裝置進(jìn)行正、反行程全量程多點(diǎn)測試，將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線。對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果就確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。3. 靜態(tài)特性標(biāo)定的方法例：溫度傳感器或測溫儀表標(biāo)定。對(duì)檢測裝置進(jìn)行正、反行程全量程多點(diǎn)測試，將得到的輸出輸入測溫度儀恒溫油槽標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)傳感器探頭可控硅溫度

14、控制儀標(biāo)準(zhǔn)器具T溫度標(biāo)定系統(tǒng)溫度儀恒溫油槽標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)傳感器探頭可控硅溫度控制儀標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)準(zhǔn)溫度待測溫度傳感器輸出值正行程反行程 0.00 0.01 0.00 10.00 10.02 10.01 20.00 20.03 20.02 30.00 30.03 30.03 40.00 40.04 40.03 50.00 50.04 50.04 60.00 60.05 60.04 70.00 70.06 70.06 80.00 80.07 80.09 90.00 90.08 90.07 100.00 100.08 100.08標(biāo)準(zhǔn)溫度待測溫度傳感器輸出值正行程反行程 2.3 檢測裝置的動(dòng)態(tài)特性地震測量

15、振動(dòng)波形2.3 檢測裝置的動(dòng)態(tài)特性地震測量 1、定義傳感器輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。 2、研究方法時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)法，標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)階躍輸入。頻域頻率響應(yīng)法，標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)正弦輸入。 1、定義2、研究方法頻域頻率響應(yīng)法，標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào)正弦輸動(dòng)態(tài)特性的三種表示方法微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)特性2.3.1 微分方程（時(shí)域）(2.1.1)經(jīng)拉氏變換動(dòng)態(tài)特性的三種表示方法2.3.1 微分方程（時(shí)域）(2.1.2.3.2傳遞函數(shù)（復(fù)域）(2.3.2)動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為0時(shí)，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。2.3.2傳遞函數(shù)（復(fù)域）(2.3.2)動(dòng)

16、態(tài)特性的傳遞函數(shù)在2.3.3 頻率響應(yīng)特性（頻率域）2.4.2 輸出信號(hào)不失真條件(2.3.4)正弦輸入下檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2.3.3 頻率響應(yīng)特性（頻率域）2.4.2 輸出信號(hào)不失真2.5.1 常見裝置的數(shù)學(xué)模型（1）一階裝置的傳遞函數(shù)CKX（t）y（t）A（a）彈簧-阻尼器一階環(huán)節(jié)2.5.1 常見裝置的數(shù)學(xué)模型（1）一階裝置的傳遞函數(shù)CKX電容-電阻RC電路v（t）RCu（t）電容-電阻RC電路v（t）RCu（t）溫度傳熱裝置無論哪個(gè)領(lǐng)域，什么裝置，一階裝置數(shù)學(xué)模型是一致的。一階環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)和放大倍數(shù)取決于裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)。溫度溫度傳熱裝置無論哪個(gè)領(lǐng)域，什么裝置，一階裝置數(shù)學(xué)模型是一致的一

17、階裝置特征：測量滯后階躍響應(yīng)一階裝置特征：測量滯后階躍響應(yīng)一階裝置時(shí)間常數(shù)測量：階躍響應(yīng)0.63一階裝置時(shí)間常數(shù)測量：階躍響應(yīng)0.63（2）二階裝置的傳遞函數(shù)加速度（2）二階裝置的傳遞函數(shù)加速度y（t）CKf（t）m（a）質(zhì)量-彈簧-阻尼器二階環(huán)節(jié)質(zhì)量-彈簧-阻尼器二階環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)方程y（t）CKf（t）m（a）質(zhì)量-彈簧-阻尼器二階環(huán)節(jié)質(zhì)量-電感-電容-電阻RLC電路回路方程v（t）RCu（t）L電感-電容-電阻RLC電路回路方程v（t）RCu（t）L等效為二階系統(tǒng)微分方程等效為二階系統(tǒng)微分方程5、瞬態(tài)響應(yīng)特性（1）一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)1t0 x1t00.632y圖2-8 一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)(2-29)5、瞬態(tài)響應(yīng)特性（1）一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)1t0 x1t00.6動(dòng)態(tài)誤差的計(jì)算？減小動(dòng)態(tài)誤差的方法？（2）二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)(2-30)(2-31)動(dòng)態(tài)誤差的計(jì)算？減小動(dòng)態(tài)誤差的方法？（2）二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)(2-32)(2-32)圖2-9 二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)圖2-9 二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)(2-33)(2-34)(2-33)(2-3