檢測系統(tǒng)的特征與性能指標(biāo).pptVIP

第1章檢測系統(tǒng)的特征與性能指標(biāo),1.1檢測系統(tǒng)的組成1.2檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標(biāo)1.3檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性與性能指標(biāo),下頁,返回,1.1檢測系統(tǒng)的組成檢測技術(shù)涉及到半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、聲控技術(shù)、遙感技術(shù)、自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)、控制論、信息論等近代新技術(shù)和新理論。其最終目的就是從測量對象中獲取反映其變化規(guī)律的有用信息，一個(gè)廣義的檢測系統(tǒng)一般由激勵裝置、測試裝置、數(shù)據(jù)處理與記錄裝置所組成（如圖1.1）。,下頁,上頁,返回,1.1.1各組成部分的特點(diǎn)（1）激勵信號激勵信號由激勵裝置產(chǎn)生，采用激勵裝置是為了使被測對象處于預(yù)定狀態(tài)下，并將其有關(guān)方面的內(nèi)在聯(lián)系充分顯示出來，以便于有效的測量。當(dāng)測試工作所希望獲取的信息并沒有直接載于可檢測的信號中，就需要激勵被測對象，使其既能表示相關(guān)信息又便于檢測。（2）測試對象測試對象的特性均以信號的形式給出，被測信號一般都是隨時(shí)間變化的動態(tài)量，即使在檢測不隨時(shí)間變化的靜態(tài)量時(shí)，由于混有動態(tài)的干擾噪聲，通常也也按動態(tài)量進(jìn)行檢測測量。,下頁,上頁,返回,（3）傳感器傳感器將感知的被測非電量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一種量值輸出，通常是電信號。傳感器輸出的電信號一般不能直接傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號處理電路或輸出元件中去，必須經(jīng)過信號的調(diào)理。（4）信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的主要作用有兩方面，一是把來自于傳感器的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，使其更適合于進(jìn)一步處理和傳輸；第二方面是進(jìn)行信號處理，即對經(jīng)過信號調(diào)理的信號，進(jìn)行濾波、調(diào)制和解調(diào)、衰減、運(yùn)算、數(shù)字化處理等。,下頁,上頁,返回,（5）信號的分析與記錄信號調(diào)理電路輸出的測量結(jié)果是對被測信號的真實(shí)記錄，為了顯示其變化過程，可以采用光線示波器、屏幕顯示器、打印機(jī)等輸出裝置。此外還可以用磁記錄器來存儲被測信號，以便于檢測工作完成后反復(fù)使用信號。要從客觀記錄的信號中找出反映被測對象的本質(zhì)規(guī)律，還必須對信號進(jìn)行分析從而提取有用信息。現(xiàn)代檢測系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將調(diào)理電路輸出的信號直接送到信號分析設(shè)備中處理，進(jìn)行在線處理，已在工程檢測和工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。,下頁,上頁,返回,1.1.2線性時(shí)不變系統(tǒng)及其主要性質(zhì),下頁,上頁,返回,當(dāng)系統(tǒng)的輸入和輸出之間關(guān)系可用常系數(shù)線性微分方程來描述時(shí)，則稱該系統(tǒng)為線性時(shí)不變系統(tǒng)，也稱為定常線性系統(tǒng)。即：（1.1）式中為時(shí)間變量，和均為常數(shù)。,（1）疊加性設(shè)為輸入，為輸出，若,下頁,上頁,返回,則（1.2）滿足疊加原理，意味著作用于線性系統(tǒng)的各個(gè)輸入所產(chǎn)生的輸出是互不影響的。（2）比例性（齊次性）設(shè)為輸入，為輸出，若，則對于任何一個(gè)常數(shù)，有（1.3）,（3）微分性零初始條件下，系統(tǒng)對原輸入微分的響應(yīng)等于原輸出的微分。即：對于為輸入，為輸出，若，則有：（1.4）,下頁,上頁,返回,（4）積分性零初始條件下，系統(tǒng)對原輸入積分的響應(yīng)等于原輸出的積分。即：為輸入，為輸出，若，則有：（1.5）,（5）頻率保持特性對于線性定常系統(tǒng)，若輸入為某一頻率的簡諧（正弦或余弦）信號，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出必定是與輸入同頻率的簡諧信號，即，此規(guī)律稱為頻率保持特性。但其幅值和初相位將發(fā)生變化。,下頁,上頁,返回,1.2檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標(biāo)靜態(tài)檢測是指測量時(shí)，檢測系統(tǒng)的輸入、輸出信號不隨時(shí)間變化或變化很緩慢。靜態(tài)檢測時(shí)，系統(tǒng)所表現(xiàn)出的響應(yīng)特性稱為靜態(tài)響應(yīng)特性。通常用來描述靜態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)有測量范圍、靈敏度、非線性度、回程誤差等。1.2.1測量范圍檢測系統(tǒng)能正常測量的最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。,下頁,上頁,返回,1.2.2靈敏度靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比，即：（1.6）,下頁,上頁,返回,1.2.3非線性度如圖1.3所示，標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。如果在全量程A輸出范圍內(nèi)，標(biāo)定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B，則定義非線性度為：（1.7）1.2.4回程誤差如圖1.4所示，回程誤差也稱為滯后或變差。實(shí)際測量系統(tǒng)在相同的測量條件下，當(dāng)輸入量由小增大，,下頁,上頁,返回,或由大減小時(shí)，對于同一輸入量所得到的兩個(gè)輸出量存在差值，則定義回程誤差為：（1.8）1.2.5穩(wěn)定度和漂移穩(wěn)定度通常是相對時(shí)間而言，指檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下保持其測量特性恒定不變的能力。漂移指檢測系統(tǒng)隨時(shí)間的慢變化。在規(guī)定條件下，對于一個(gè)恒定的輸入在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的輸出在標(biāo)稱范圍最低值處的變化，稱為零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。溫度變化引起的漂移叫溫漂。1.2.6靜態(tài)響應(yīng)特性的其他術(shù)語（1）精度精確度的簡稱。表示隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的綜合評定指標(biāo)。,下頁,上頁,返回,（2）可靠性與檢測系統(tǒng)無故障工作時(shí)間長短有關(guān)的一種描述。（3）分辨率能引起輸出變化的輸入量的最小變化量，表示檢測系統(tǒng)分辨輸入量微小變化的能力。（4）靈敏閥又稱死區(qū)，是用來衡量檢測起始點(diǎn)不靈敏的程度。,下頁,上頁,返回,式中t為時(shí)間變量，和均為常數(shù)，此系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)。,1.3檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性與性能指標(biāo)1.3.1微分方程檢測系統(tǒng)用于動態(tài)測量時(shí)，輸入與輸出均隨時(shí)間變化，其關(guān)系用式（1.1）的微分方程描述，即,下頁,上頁,返回,故有（1.9）,1.3.2傳遞函數(shù)（1）傳遞函數(shù)的定義零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換和輸入量的拉氏變換之比稱為系統(tǒng)傳遞函數(shù)。在零初始條件下，對式（1.1）兩邊同時(shí)作拉氏變換，則有,下頁,上頁,返回,（2）傳遞函數(shù)的特點(diǎn)1）傳遞函數(shù)表示了系統(tǒng)本身的動態(tài)性能與輸入量大小及性質(zhì)無關(guān)。對于具體的系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)不因輸入的變化而不同，對任何一個(gè)輸入都有確定的輸出。2）相似系統(tǒng)。傳遞函數(shù)不拘泥于被描述系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)而只反映動態(tài)性能。不同的物理系統(tǒng)，可以用相同的傳遞函數(shù)來描述，稱為相似系統(tǒng)。3）傳遞函數(shù)可以有量綱，也可以無量綱。4）傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理分式。對于實(shí)際系統(tǒng)，分子階次mn，分母最高階次n為輸出量最高階導(dǎo)數(shù)的階次，也確定系統(tǒng)的階次n階系統(tǒng)。,下頁,上頁,返回,（3）常見測試裝置的傳遞函數(shù)1）一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)（1.10）式中：T為時(shí)間常數(shù)，單位為秒。,下頁,上頁,返回,2）二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)（1.11）式中：為系統(tǒng)的靈敏度；為系統(tǒng)的阻尼比；為系統(tǒng)的無阻尼固有頻率。,令，兩邊同時(shí)作拉氏變換，整理得：,下頁,上頁,返回,例1：液柱式水銀溫度計(jì)設(shè)為被測環(huán)境溫度，為水銀柱輸出溫度值，C表示熱容量，R表示熱阻，由熱力學(xué)方程有：,例2：RLC電路，輸入為，輸出為，根據(jù)電路基本定律，有,下頁,上頁,返回,上式兩邊同時(shí)作拉氏變換，并消去中間變量，得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：,1.3.3頻率響應(yīng)函數(shù)根據(jù)線性定常系統(tǒng)的同頻性，如果輸入信號為，則輸出信號為代入式（1.1），可得（1.12）其中：稱為測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。即：（1.13）是頻率響應(yīng)函數(shù)的模，為的函數(shù)，也是動態(tài)檢測系統(tǒng)的靈敏度，隨著頻率變化而變化，故稱為幅頻特性，與靜態(tài)測量中靈敏度為常數(shù)有顯著的區(qū)別。,下頁,上頁,返回,為頻率響應(yīng)函數(shù)的相角，它表示了檢測系統(tǒng)輸出信號相對于輸入信號初始相位的遷移量，也是的函數(shù)，所以也稱為相頻特性。常見系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)（1）一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為，其幅頻特性與相頻特性分別為：（1.14）（1.15）其中負(fù)號表示輸出信號滯后于輸入信號。一階系統(tǒng)奈氏圖、伯德圖分別如圖1.7、圖1.8所示；一階系統(tǒng)的幅頻、相頻特性圖如圖1.9所示。,下頁,上頁,返回,圖1.7一階系統(tǒng)奈氏圖,圖1.8一階系統(tǒng)伯德圖,下頁,上頁,返回,1）當(dāng)激勵頻率遠(yuǎn)小于時(shí)，輸出與輸入的幅值幾乎相等，接近1。當(dāng)，系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)積分器。其中幾乎與激勵頻率成反比，相位滯后近90。故一階系統(tǒng)適合測試緩變或低頻的被測量。2）時(shí)間常數(shù)T是反映一階系統(tǒng)特性的重要參數(shù)，其值決定系統(tǒng)適用的頻率范圍。,下頁,上頁,返回,由圖1.9可見，一階系統(tǒng)的幅頻特性曲線隨著的增加單調(diào)減小，衰減很快，所以一階系統(tǒng)具有低通濾波的特性。在一階系統(tǒng)特性中，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：,（2）二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)由二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可得二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為：相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性分別為：（1.16）（1.17）,下頁,上頁,返回,相應(yīng)的幅頻、相頻特性曲線的伯德圖如圖（1.10）所示。,圖1.10二階系統(tǒng)伯德圖,（a）幅頻特性（b）相頻特性,下頁,上頁,返回,二階系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：1）當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，；2）影響二階系統(tǒng)動態(tài)特性的參數(shù)是固有頻率和阻尼比。其固有頻率的選擇應(yīng)以工作頻率范圍為依據(jù)。在附近，系統(tǒng)幅頻特性受阻尼比影響極大。時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生共振，實(shí)際測量時(shí)，應(yīng)該避免此情況。此時(shí)，在測定系統(tǒng)本身參數(shù)時(shí)，有重要的意義；3）段，很小，且和頻率近似成正比增加。段，趨近于180，即輸出信號幾乎和輸入反相。在區(qū)間，隨頻率的變化而劇烈變化，而且越小，變化越劇烈；4）二階系統(tǒng)是一個(gè)振蕩環(huán)節(jié)。從檢測工作的角度來看，總希望檢測系統(tǒng)在較寬的頻帶內(nèi)由于頻率特性不理想所引起的誤差盡可能小。因此，要選擇恰當(dāng)?shù)墓逃蓄l率和阻尼比的組合，以獲得較小的誤差。,下頁,上頁,返回,1.3.4實(shí)現(xiàn)不失真測量的條件如果一個(gè)檢測系統(tǒng)，其輸出和輸入滿足下列關(guān)系：（1.18）其中都是常數(shù)，表明該系統(tǒng)輸出的波形和輸入的波形精確的一致，只是