檢測系統(tǒng)的特性與技術(shù)指標(biāo)

檢測系統(tǒng)的特性與技術(shù)指標(biāo)第一頁，共二十四頁，2022年，8月28日

2.1

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性2.1.1

靜態(tài)模型靜態(tài)特性：檢測系統(tǒng)在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入輸出關(guān)系檢測系統(tǒng)輸入量x輸出量y理想狀態(tài)：實(shí)際狀態(tài)：a---零點(diǎn)輸出b---理論靈敏度線性關(guān)系非線性關(guān)系xyaO第二頁，共二十四頁，2022年，8月28日非線性原因：(結(jié)構(gòu)原理性原因除外)誤差因素檢測系統(tǒng)輸入x輸入y=f(x)溫度濕度壓力沖擊振動磁場電場摩擦間隙松動遲滯蠕變變形老化外界干擾

2.1

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性第三頁，共二十四頁，2022年，8月28日

2.1.2

靜態(tài)特性指標(biāo)

線性度回程誤差分辨力重復(fù)性靈敏度

2.1

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性第四頁，共二十四頁，2022年，8月28日線性度:檢測系統(tǒng)輸入輸出曲線與理想直線的偏離程度相對誤差輸出值與理想直線的最大偏差值理論滿量程輸出值理想直線：亦稱非線性誤差定義:表達(dá):xyΔ擬合直線一般不存在或很難獲得準(zhǔn)確結(jié)果利用測量數(shù)據(jù)，通過計算獲得

2.1

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日獲取擬合直線方法：(c)最小二乘法：計算：有n個測量數(shù)據(jù):(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)，(n>2)殘差：i=yi–(a+b

xi)殘差平方和最?。?i=min使得正負(fù)偏差相等(a)端點(diǎn)連線法：檢測系統(tǒng)輸入輸出曲線的兩端點(diǎn)連線特點(diǎn)：xyΔ算法：簡單、方便，偏差大，與測量值有關(guān)(b)端點(diǎn)連線平移法：精度高，計算法算法：特點(diǎn)：算法：特點(diǎn)：精度高xyΔΔ簡單實(shí)用

2.1

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日回程誤差檢測系統(tǒng)在正行程和反行程的輸入輸出曲線不重合的程度相對誤差Hmax：正反行程輸出值的最大偏差定義：亦稱空程誤差、滯后算法：

2.1

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性第七頁，共二十四頁，2022年，8月28日分辨力:能夠檢測出的被測量的最小變化量2、分辨率---是相對數(shù)值：定義：1、分辨力---是絕對數(shù)值，如0.01mm，0.1g，10ms說明：表征測量系統(tǒng)的分辨能力能檢測的最小被測量的變換量相對于滿量程的百分?jǐn)?shù)，如：0.1%,0.02%3、閾值---在系統(tǒng)輸入零點(diǎn)附近的分辨力

2.1

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性第八頁，共二十四頁，2022年，8月28日重復(fù)性同一條件下，對同一被測量，同一方向，多次重復(fù)測量，差異程度對同一被測量值：各次測量數(shù)值的偏差程度重復(fù)性是檢測系統(tǒng)最基本的技術(shù)指標(biāo)，是其他各項指標(biāo)的前提和保證測量數(shù)據(jù)的分散性重復(fù)性誤差：隨機(jī)誤差標(biāo)準(zhǔn)差：大，則分散性大；反之亦然計算：貝塞爾公式y(tǒng)i---測量輸出值，i=1,2,…,ny---輸出值的平均值對不同被測數(shù)值：各次測量曲線的偏差程度

2.1

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性第九頁，共二十四頁，2022年，8月28日靈敏度測量系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量的增量與輸入量的增量之比斜率：a.線性檢測系統(tǒng)：靈敏度為常數(shù)；例：間隙式平板電容傳感器定義：b.非線性檢測系統(tǒng)：靈敏度為變數(shù)說明：(靈敏度系數(shù))靈敏度雙曲線、非線性

2.1

檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性第十頁，共二十四頁，2022年，8月28日

2.2.1

動態(tài)模型動態(tài)特性：檢測系統(tǒng)在被測量隨時間變化的條件下輸入輸出關(guān)系微分方程：根據(jù)相應(yīng)的物理定律（如牛頓、能量守恒、基爾霍夫電路定律等），用線性常系數(shù)微分方程表示系統(tǒng)的輸入x與輸出y關(guān)系ai、bj(i,j=0,1,…)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，常數(shù)，n>=m，n稱為系統(tǒng)的階次。常見為零階、一階、二階系統(tǒng)

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日零階系統(tǒng)：例電位計、電子示波器一階系統(tǒng)：例:無質(zhì)量單自由度振動系統(tǒng)、無源積分電路、液柱式溫度計

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日二階系統(tǒng)：

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性例：彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，RLC振蕩電路，動圈式儀表第十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日傳遞函數(shù)：利用拉氏變換，將微分方程轉(zhuǎn)換成為復(fù)數(shù)域的數(shù)學(xué)模型，輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比：

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性頻率響應(yīng)函數(shù)：將傳遞函數(shù)中的拉普拉斯算子S用jω

代替即可沖激與階躍響應(yīng)函數(shù)：見《信號與系統(tǒng)》第十四頁，共二十四頁，2022年，8月28日2.2.2

動態(tài)特性過程：激勵：暫態(tài)過程（輸出量由一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)的過渡過程）穩(wěn)態(tài)過程（輸出量達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)）信號----正弦信號、階躍信號、線性信號、脈沖信號

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第十五頁，共二十四頁，2022年，8月28日頻率響應(yīng)特性：輸入：輸出：頻率響應(yīng)特性輸入量：輸出量：頻率響應(yīng)函數(shù)：系統(tǒng)頻率特性：穩(wěn)態(tài)輸出與輸入幅值之比和兩者相位差是輸入頻率的函數(shù)：幅--頻、相—頻正弦信號---一系列，頻率不同，幅值相等正弦信號---觀察：幅值、相位、頻率(穩(wěn)態(tài))

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第十六頁，共二十四頁，2022年，8月28日典型的對數(shù)幅頻特性曲線：理想幅頻特性：相頻特性：相頻特性幅頻特性幅頻特性：頻響范圍：幅值比與頻率關(guān)系0dB水平線（幅值不變）誤差3dB對應(yīng)的頻率范圍相位與頻率的關(guān)系A(chǔ)(ω)：輸出幅值與靜態(tài)幅值比---系統(tǒng)的動態(tài)靈敏度（增益）

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第十七頁，共二十四頁，2022年，8月28日檢測系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性：輸入：階躍信號輸出：階躍響應(yīng)時間常數(shù)：上升時間Tr：響應(yīng)時間Ts：超調(diào)量a1：衰減率：穩(wěn)態(tài)誤差ess：系統(tǒng)輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值yc的63.2%所需的時間傳感器輸出從穩(wěn)態(tài)值yc的10%上升到90%所需時間輸出值達(dá)到允許范圍%的所需時間響應(yīng)曲線第一次超過穩(wěn)態(tài)值yc的峰高：ymax-yc相鄰兩個波峰（或波谷）高度下降的百分?jǐn)?shù)無限長時間后，傳感器穩(wěn)態(tài)值與目標(biāo)值偏差的相對誤差

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第十八頁，共二十四頁，2022年，8月28日零階系統(tǒng)：微分方程：特點(diǎn)：a)屬于靜態(tài)環(huán)節(jié)：d)實(shí)際零階環(huán)節(jié)：緩慢變化，頻率較低---近似零階環(huán)節(jié)c)與時間無關(guān)，與頻率無關(guān)，無滯后，無慣性理想環(huán)節(jié)靜態(tài)靈敏度系數(shù)b)輸出輸入又稱：比例環(huán)節(jié)幅頻特性：相頻特性：實(shí)例：電位計式角位移傳感器微分方程：靜態(tài)靈敏度系數(shù)：UEU0θ

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第十九頁，共二十四頁，2022年，8月28日

一階系統(tǒng)：微分方程：時間常數(shù)靜態(tài)靈敏度幅頻特性：相頻特性：幅頻特性和相頻特性對數(shù)圖（伯德圖）：失真<<1/時：A()=K零階，無滯后()=0>1/時：A()()幅值衰減相位滯后

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第二十頁，共二十四頁，2022年，8月28日輸入階躍信號：一階環(huán)節(jié)微分方程：t=2：ed=13.5%；動態(tài)誤差：特點(diǎn)：實(shí)例：動態(tài)響應(yīng)特性主要取決于時間常數(shù)；階躍響應(yīng)：t=3：ed=5%；t=5：ed=0.7%；小階躍響應(yīng)迅速截止頻率高慣性小運(yùn)動方程：帶阻尼彈簧測力傳感器時間常數(shù)：靜態(tài)靈敏度系數(shù)：k-彈簧剛度c-阻尼系數(shù)

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第二十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日二階環(huán)節(jié)：微分方程：固有頻率阻尼比幅頻特性：相頻特性：幅頻特性與相頻特性伯德圖：當(dāng)/n<<1時：較小時：A()K，()0A()隨出現(xiàn)較大波動0.7時：A()平坦段最寬，()接近斜直線A()<0衰減近似零階當(dāng)/n>0.3時：與阻尼有關(guān)當(dāng)=0時，A(n)=,附近諧振較大時：

2.2

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性第二十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日輸入當(dāng)>1時：應(yīng)用實(shí)例：當(dāng)<1時：當(dāng)=1時：無過沖，無震蕩，過阻尼曲線上升慢，響應(yīng)速度低產(chǎn)生衰減震蕩欠阻尼

曲線上升塊，響應(yīng)速度高臨界阻尼彈簧(k)阻尼(c)質(zhì)量(m)壓電式動態(tài)測力傳感器靜態(tài)靈敏度系數(shù)