檢測(cè)裝置基本特性

檢測(cè)裝置基本特性第1頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月檢測(cè)系統(tǒng)的一般特性側(cè)重應(yīng)用的場(chǎng)合稱(chēng)檢測(cè)裝置理論分析時(shí)稱(chēng)為檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)裝置第2頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的基本特性：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(hào)分為：穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)傳感器特性：靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性對(duì)傳感器的要求：高精度－＞信號(hào)（或能量）無(wú)失真轉(zhuǎn)換－＞反映被測(cè)量的原始特征第3頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月檢測(cè)系統(tǒng)的特性分析通常應(yīng)用在三個(gè)方面：1.已知裝置的特性和輸出信號(hào)，推斷輸入信號(hào)。測(cè)量未知量2.已知檢測(cè)裝置的特性和輸入信號(hào)，推斷輸出信號(hào)。3.已知裝置的輸入輸出信號(hào)，推斷裝置的特性。用于裝置的分析、設(shè)計(jì)和研究。(反卷積)(正問(wèn)題)（系統(tǒng)辨識(shí))第4頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如何描述檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)——微分方程離散時(shí)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5頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性線性檢測(cè)裝置概述檢測(cè)裝置的基本特性：線性性質(zhì)非線性影響其準(zhǔn)確性第6頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一般數(shù)學(xué)模型

對(duì)于線性系統(tǒng)的動(dòng)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7頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一般數(shù)學(xué)模型既是線性的又是時(shí)不變的系統(tǒng)叫做線性時(shí)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(shí)不變系統(tǒng)的性質(zhì)第8頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第9頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月檢測(cè)系統(tǒng)的一般特性

為使檢測(cè)系統(tǒng)能正確反映其被測(cè)量與輸出信號(hào)的數(shù)值或變化情況，我們來(lái)研究它的一些靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性檢測(cè)系統(tǒng)的一般特性第10頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性靜態(tài)特性輸入和輸出信號(hào)不隨時(shí)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(hào)(輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化)的作用下，輸出量Y與輸入量X間的關(guān)系。第11頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月檢測(cè)系統(tǒng)的四種典型靜態(tài)特性靜態(tài)特性方程檢測(cè)系統(tǒng)四種典型靜態(tài)特性輸出量(測(cè)量值)....221實(shí)際輸出量理論值；輸入量(被測(cè)量)；---++++=yYY/y－xxaxaxaaYnn第12頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性線性度.見(jiàn)（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13頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(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14頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基準(zhǔn)曲線的不同擬合方法實(shí)線表示實(shí)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(duì)值相等基準(zhǔn)曲線的不同擬合方法第15頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月端基線性度

端基直線定義：由輸出量程所決定的實(shí)際平均輸出特性曲線首末兩端點(diǎn)的連線。端基線性度擬合直線端基直線第16頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(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(chēng)靈敏度.靜態(tài)特性－靈敏度第17頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第18頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(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(cè)試時(shí)，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(dòng)、積塵等第19頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(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(cè)試時(shí)，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20頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性-分辨率靜態(tài)特性－分辨率

在規(guī)定的測(cè)量范圍內(nèi)，傳感器所能檢測(cè)出輸入量的最小變化值。有時(shí)也用相對(duì)于輸入的滿量程的相對(duì)值表示。即：△xminxFS×100%xFS——輸入量的滿量程值第21頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜態(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(wú)關(guān)的變化.主要有“零點(diǎn)漂移”和“靈敏度漂移”，這兩種漂移又可分為“時(shí)間漂移”和“溫度漂移”。時(shí)間漂移——零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間而發(fā)生緩慢的變化溫度漂移——零點(diǎn)或靈敏度隨環(huán)境溫度的變化而改變產(chǎn)生原因：零點(diǎn)漂移——傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)老化溫度漂移——測(cè)試過(guò)程中環(huán)境發(fā)生變化第22頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)動(dòng)態(tài)激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性。反映了系統(tǒng)對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性.動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律，將能再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)

第23頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)模型是指在動(dòng)態(tài)信號(hào)(輸入信號(hào)隨時(shí)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(lái)描述。

動(dòng)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(shí)域中研究階躍/脈沖響應(yīng)函數(shù)第24頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一階和二階裝置的頻率響應(yīng)第25頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一般數(shù)學(xué)模型高階微分方程數(shù)學(xué)模型例題1－1第26頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題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(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，微分方程的求解過(guò)程也很復(fù)雜，可以利用傳遞函數(shù)（系統(tǒng)函數(shù)）來(lái)處理。在x(t)為已知的情況下，余下的問(wèn)題歸結(jié)到這個(gè)一階常系數(shù)微分方程的求解問(wèn)題。第27頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳遞函數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)由零狀態(tài)起始，對(duì)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28頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題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29頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月頻率響應(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(hào)）輸入時(shí)，其輸出的正弦信號(hào)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(diǎn)：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。即?。?S

)、S

=σ+jω中的σ=

0

,Ｈ(S

)→

Ｈ(jω)《信號(hào)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(gè)復(fù)數(shù)，可以用e

指數(shù)的形式表示：Ｈ(jω)的實(shí)部Ｈ(jω)的虛部

頻率響應(yīng)第30頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題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31頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題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32頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題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(wú)上沖。(a)(b)(c)第33頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題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(wú)關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)輸入量的頻率不太高時(shí)，都可以看成是零階傳感器。條件第34頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月脈沖響應(yīng)函數(shù)階躍響應(yīng)（脈沖響應(yīng)）給原來(lái)處于靜態(tài)傳感器輸入階躍信號(hào)，在不太長(zhǎng)的一段時(shí)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(shí)間td上升時(shí)間tr峰值時(shí)間tp響應(yīng)時(shí)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35頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一階傳感器階躍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(shí)間t

=

TS

時(shí)的動(dòng)態(tài)誤差ed：穩(wěn)態(tài)輸出響應(yīng)時(shí)間一階傳感器的微分方程：第36頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二階傳感器階躍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37頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑴靜態(tài)特性掌握傳感器的基本測(cè)量精度。⑵動(dòng)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(dòng)態(tài)量測(cè)量時(shí)使其頻率處于傳感器的通帶之內(nèi)，且輸出信號(hào)的相移盡可能的??；設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，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(shí)間，對(duì)數(shù)據(jù)的采集十分重要(防止采錯(cuò)),設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，即要減小輸出的過(guò)沖，又要盡量減小階躍響應(yīng)時(shí)間。研究動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性的意義第38頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.非線性失真2.幅頻失真3.相頻失真

研究動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性的意義測(cè)量信號(hào)的失真第39頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月充分必要條件：不失真測(cè)量條件第40頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月檢測(cè)裝置的組建將傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、標(biāo)準(zhǔn)接口板卡與PC計(jì)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41頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài)特性常見(jiàn)裝置的數(shù)學(xué)模型

1.一階裝置2.二階裝置第42頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一階裝置—彈簧阻尼器第43頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一階裝置微分方程第44頁(yè)，課件共52頁(yè)，創(chuàng)作于20