檢測裝置基本特性

檢測裝置基本特性第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日檢測系統(tǒng)的一般特性側(cè)重應(yīng)用的場合稱檢測裝置理論分析時稱為檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)和檢測裝置第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日傳感器的基本特性：傳感器的輸入－輸出關(guān)系特性。是傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部表現(xiàn)輸入信號分為：穩(wěn)態(tài)、動態(tài)對應(yīng)傳感器特性：靜態(tài)特性、動態(tài)特性對傳感器的要求：高精度－＞信號（或能量）無失真轉(zhuǎn)換－＞反映被測量的原始特征第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日檢測系統(tǒng)的特性分析通常應(yīng)用在三個方面：1.已知裝置的特性和輸出信號，推斷輸入信號。測量未知量2.已知檢測裝置的特性和輸入信號，推斷輸出信號。3.已知裝置的輸入輸出信號，推斷裝置的特性。用于裝置的分析、設(shè)計和研究。(反卷積)(正問題)（系統(tǒng)辨識)第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日如何描述檢測裝置的特性呢？一般用數(shù)學(xué)表達(dá)式（數(shù)學(xué)模型）表示模擬檢測系統(tǒng)——微分方程離散時間域——差分方程本章討論連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。微分方程描述了裝置的輸入輸出關(guān)系第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)特性線性檢測裝置概述檢測裝置的基本特性：線性性質(zhì)非線性影響其準(zhǔn)確性第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日一般數(shù)學(xué)模型

對于線性系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)使用最廣泛的數(shù)學(xué)模型是高階常系數(shù)微分方程。線性系統(tǒng)表示第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日一般數(shù)學(xué)模型既是線性的又是時不變的系統(tǒng)叫做線性時不變系統(tǒng)。具有如下性質(zhì)：1.疊加性2.齊次性綜合性質(zhì)1和2得線性時不變系統(tǒng)的性質(zhì)第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日檢測系統(tǒng)的一般特性

為使檢測系統(tǒng)能正確反映其被測量與輸出信號的數(shù)值或變化情況，我們來研究它的一些靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性檢測系統(tǒng)的一般特性第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)特性靜態(tài)特性輸入和輸出信號不隨時間變化，則微分為零，輸出是輸入的線性表達(dá)。靜態(tài)模型:在靜態(tài)信號(輸入信號不隨時間變化)的作用下，輸出量Y與輸入量X間的關(guān)系。第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日檢測系統(tǒng)的四種典型靜態(tài)特性靜態(tài)特性方程檢測系統(tǒng)四種典型靜態(tài)特性輸出量(測量值)....221實際輸出量理論值；輸入量(被測量)；---++++=yYY/y－xxaxaxaaYnn第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)特性線性度.見（圖1-2）、（圖1-3）、（圖1-4）靈敏度.遲滯性（又叫回差）.重復(fù)性.分辨率.漂移.靜態(tài)特性參數(shù)第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)特性－－線性度靜態(tài)特性－線性度線性化補(bǔ)償電路機(jī)械式非線性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)軟件處理

線性化處理第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日基準(zhǔn)曲線的不同擬合方法實線表示實際特性曲線；虛線表示擬合曲線目的是減小其最大偏差至最小方法可改變斜率或使其最大正負(fù)偏差絕對值相等基準(zhǔn)曲線的不同擬合方法第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日端基線性度

端基直線定義：由輸出量程所決定的實際平均輸出特性曲線首末兩端點的連線。端基線性度擬合直線端基直線第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)特性-靈敏度

系統(tǒng)在靜態(tài)工作的條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，稱靈敏度.靜態(tài)特性－靈敏度第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)特性-遲滯性靜態(tài)特性－遲滯性遲滯性用回差度量。反映傳感器的輸入量在正向行程和反向行程全量程多次測試時，所得到的特性曲線的不重合程度。圖1－6遲滯現(xiàn)象原因：傳感器機(jī)械部分存在摩擦、間隙、松動、積塵等第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)特性-重復(fù)性靜態(tài)特性－重復(fù)性重復(fù)性（不重復(fù)性）Ex反映了傳感器在輸入量按同一方向（增或減）全量程多次測試時，所得到的特性曲線的不一致程度。Δmax─最大不重復(fù)誤差圖1－7重復(fù)性第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)特性-分辨率靜態(tài)特性－分辨率

在規(guī)定的測量范圍內(nèi)，傳感器所能檢測出輸入量的最小變化值。有時也用相對于輸入的滿量程的相對值表示。即：△xminxFS×100%xFS——輸入量的滿量程值第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日靜態(tài)特性-漂移靜態(tài)特性－漂移

傳感器在外界的干擾下，輸出量發(fā)生了與輸入量無關(guān)的變化.主要有“零點漂移”和“靈敏度漂移”，這兩種漂移又可分為“時間漂移”和“溫度漂移”。時間漂移——零點或靈敏度隨時間而發(fā)生緩慢的變化溫度漂移——零點或靈敏度隨環(huán)境溫度的變化而改變產(chǎn)生原因：零點漂移——傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)老化溫度漂移——測試過程中環(huán)境發(fā)生變化第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日動態(tài)特性動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器對動態(tài)激勵（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性。反映了系統(tǒng)對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性.動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間變化的規(guī)律，將能再現(xiàn)輸入隨時間變化的規(guī)律，即具有相同的時間函數(shù)

第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日動態(tài)特性動態(tài)特性動態(tài)模型是指在動態(tài)信號(輸入信號隨時間變化)的作用下，輸出量Y與輸入量X間的關(guān)系?？梢杂梦⒎址匠?/p>

或系統(tǒng)函數(shù)

(傳遞函數(shù)

)來描述。

動態(tài)特性的一般數(shù)學(xué)模型復(fù)頻域中研究傳遞函數(shù)頻域中研究頻率響應(yīng)函數(shù)時域中研究階躍/脈沖響應(yīng)函數(shù)第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日一階和二階裝置的頻率響應(yīng)第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日一般數(shù)學(xué)模型高階微分方程數(shù)學(xué)模型例題1－1第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日例題1－1例題1-1：由彈簧阻尼器構(gòu)成的壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量(壓力)F為F(t)=b0

x

(t)，輸出量為位移y(t)，列出其微分方程。圖1

一階傳感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：根據(jù)牛頓第二定律：{f阻力+f彈力=F(t)}阻尼系數(shù)彈性系數(shù)對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，微分方程的求解過程也很復(fù)雜，可以利用傳遞函數(shù)（系統(tǒng)函數(shù)）來處理。在x(t)為已知的情況下，余下的問題歸結(jié)到這個一階常系數(shù)微分方程的求解問題。第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日傳遞函數(shù)檢測系統(tǒng)由零狀態(tài)起始，對數(shù)學(xué)模型作拉氏變換后得系統(tǒng)傳遞函數(shù)H(s)傳遞函數(shù)例題1－2第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日例題1－2例題1-2：求例題1-1的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)輸入量(壓力)F為

F(t)=b0

x

(t

)，輸出量為位移y

(

t)。圖

1一階傳感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：①列出微分方程②作拉普拉斯變換③令H(S

)中的S

=jω,即σ=

0由Ｈ(jω)可以分析該系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日頻率響應(yīng)函數(shù)傳感器的頻率響應(yīng)是指各種頻率不同而幅值相同的正弦量（信號）輸入時，其輸出的正弦信號的幅值、相位(與輸入量間的相差）與頻率之間的關(guān)系。即幅頻特性和相頻特性。

分析切入點：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。即?。?S

)、S

=σ+jω中的σ=

0

,Ｈ(S

)→

Ｈ(jω)《信號與系統(tǒng)》H(jω)=Y(jω

)X(jω)=an

(jω)

n+an-1(jω)

n-1+

……+a1(jω)

+a0bm(jω)

m+bm-1(jω)

m-1+

……+b1(jω)

+b0Ｈ(jω)是個復(fù)數(shù)，可以用e

指數(shù)的形式表示：Ｈ(jω)的實部Ｈ(jω)的虛部

頻率響應(yīng)第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日例題1－3例題1-3：一階傳感器（例題1-2）的頻率響應(yīng)圖

1一階傳感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：系統(tǒng)的微分方程和傳遞函數(shù)圖

2一階傳感器的頻率特性00-10-20-90-45-20dB/10倍頻低頻低阻尼第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日例題1－4－1例題1-4：二階傳感器的頻率響應(yīng)所謂二階傳感器是指由二階微分方程所描述的傳感器，分析如下固有頻率靜態(tài)靈敏度阻尼比第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日例題1－4－200-10-20-90-1801020ξ=0.10.20.30.50.71.0ξ=1.00.70.50.30.20.10.10.20.40.6124610圖

3二階傳感器的頻率特性曲線無上沖。(a)(b)(c)第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日例題1－5例題1-5：零階傳感器的頻率響應(yīng)零階傳感器的輸出值與輸入值成恒定的比例關(guān)系，與輸入量的頻率無關(guān)。實際應(yīng)用中當(dāng)輸入量的頻率不太高時，都可以看成是零階傳感器。條件第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日脈沖響應(yīng)函數(shù)階躍響應(yīng)（脈沖響應(yīng)）給原來處于靜態(tài)傳感器輸入階躍信號，在不太長的一段時間內(nèi)，傳感器的輸出特性即為其階躍響應(yīng)特性。輸入量x(t)一般可表示為：圖4

階躍響應(yīng)特性1.000.900.500.10Ｏ典型的階躍響應(yīng)特性最大超調(diào)量σp延滯時間td上升時間tr峰值時間tp響應(yīng)時間ts應(yīng)該指出，并不是所有的傳感器都具有相同形狀的階躍響應(yīng)特性，需要具體分析。第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日一階傳感器階躍①一階傳感器的階躍響應(yīng)特性方程的解：滿足初始條件ts0τ小τ大y一階傳感器的階躍響應(yīng)特性響應(yīng)時間t

=

TS

時的動態(tài)誤差ed：穩(wěn)態(tài)輸出響應(yīng)時間一階傳感器的微分方程：第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日二階傳感器階躍②二階傳感器的階躍響應(yīng)特性隨阻尼比ξ的不同，有三種不同的解。ys021ωntξ=01.510.60.2二階傳感器的微分方程：第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日⑴靜態(tài)特性掌握傳感器的基本測量精度。⑵動態(tài)特性①頻率響應(yīng)特性(了解傳感器的幅頻特性和相頻特性)在動態(tài)量測量時使其頻率處于傳感器的通帶之內(nèi)，且輸出信號的相移盡可能的?。辉O(shè)計傳感器時，即要保證傳感器的通帶（與ωn有關(guān)），又要控制阻尼盡可能達(dá)到臨界阻尼。

②階躍響應(yīng)特性傳感器的階躍響應(yīng)時間，對數(shù)據(jù)的采集十分重要(防止采錯),設(shè)計傳感器時，即要減小輸出的過沖，又要盡量減小階躍響應(yīng)時間。研究動態(tài)和靜態(tài)特性的意義第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日1.非線性失真2.幅頻失真3.相頻失真

研究動態(tài)特性和靜態(tài)特性的意義測量信號的失真第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日充分必要條件：不失真測量條件第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日檢測裝置的組建將傳感器、信號調(diào)理電路、標(biāo)準(zhǔn)接口板卡與PC計算機(jī)結(jié)合。組建的基本原則：使得其基本特性達(dá)到期望的指標(biāo)要求。低成本和高性能之間的折中。

第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日動態(tài)特性常見裝置的數(shù)學(xué)模型

1.一階裝置2.二階裝置第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日一階裝置—彈簧阻尼器第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日一階裝置微分方程第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期日一