第11-13章 檢測(cè)系統(tǒng)

1、欲使測(cè)量結(jié)果具有普遍的科學(xué)意義，測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的。 標(biāo)定：用已知的標(biāo)準(zhǔn)校正儀器或測(cè)量系統(tǒng)的過(guò)程稱為標(biāo)定。 輸入到測(cè)量系統(tǒng)中的已知量是靜態(tài)量還是動(dòng)態(tài)量，標(biāo)定分靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定。,11 傳感器與檢測(cè)儀器的標(biāo)定,2,11 傳感器與檢測(cè)儀器的標(biāo)定,靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器或檢測(cè)儀器的靜態(tài)特性指標(biāo)如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。 動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如頻率響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。,3,11.1 傳感器或檢測(cè)儀器的靜態(tài)標(biāo)定,靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒(méi)有加速度、振動(dòng)、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測(cè)物理量)及環(huán)境溫度一般為室溫(205)相對(duì)濕度不大

2、于85。大氣壓力為(1017)kPa的情況。,標(biāo)定儀器設(shè)備(標(biāo)準(zhǔn)量具)精度等級(jí)的確定 標(biāo)準(zhǔn)量具的精度等級(jí)比被標(biāo)定傳感器至少高一個(gè)等級(jí)；,4,11.1 傳感器或檢測(cè)儀器的靜態(tài)標(biāo)定,靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 確定傳感器靜態(tài)指標(biāo)，主要是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行標(biāo)定的，主要用于檢驗(yàn)、測(cè)試其靜態(tài)特性指標(biāo)。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件主要包括沒(méi)有加速度、振動(dòng)、沖擊（除參數(shù)本身是被測(cè)量）及環(huán)境溫度（一般為室溫205）、相對(duì)濕度不大于85、氣壓為（1017）kPa等條件。 一般的靜態(tài)標(biāo)定包括如下步驟： （1）將傳感器全量程（測(cè)量范圍）分成若干等間距點(diǎn)。,5,11.1 傳感器或檢測(cè)儀器的靜態(tài)標(biāo)定

3、,（2）根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大、逐點(diǎn)遞增輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄與各點(diǎn)輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。 （3）將輸入量值由大到小、逐點(diǎn)遞減，同時(shí)記錄下與各點(diǎn)輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。 （4）按上述步驟（2）、（3）所述過(guò)程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次（一般為310次）測(cè)試，將得到的輸出-輸入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或畫(huà)成曲線。 （5）對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理。輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測(cè)出傳感器的輸出，給出標(biāo)定曲線、標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計(jì)算靈敏度、線性度、滯差、重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。,6,11.2 傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 與動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)的

4、參數(shù)：一階系統(tǒng)只有一個(gè)時(shí)間常數(shù)，二階系統(tǒng)則有固有頻率n和阻尼比兩個(gè)參數(shù)。,7,一階傳感器或檢測(cè)儀器的單位階躍響應(yīng)（如圖1-15）,11.2 傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,圖1-15 一階傳感器的階躍響應(yīng) (a)單位階躍信號(hào)；(b)一階傳感器階躍響應(yīng)曲線,一、一階傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,確定時(shí)間常數(shù),對(duì)于一階測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)得階躍響應(yīng)后，取輸出值達(dá)到最終值63.2%所經(jīng)過(guò)的時(shí)間作為時(shí)間常數(shù) 。只用到一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。,8,11.2 傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,存在的問(wèn)題： 沒(méi)有涉及響應(yīng)的全過(guò)程，測(cè)量結(jié)果的可靠性僅僅取決某些個(gè)別的瞬時(shí)值，尤其是零點(diǎn)不好確定，其次是動(dòng)態(tài)測(cè)量中存在隨機(jī)噪聲的影響，必然影響到讀數(shù)誤差。

5、 改進(jìn)方法： 一階測(cè)量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)函數(shù)為,9,11.2 傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,圖11-1,若改寫(xiě)上式為： 1y(t)= et/,作zt曲線，根據(jù)t/z值由此確定時(shí)間 常數(shù)，這種方法考慮了傳感器 瞬態(tài)響應(yīng)的全過(guò)程。如圖11-1所示。,式中， z=ln1y(t),上式表明z和時(shí)間t成線性關(guān)系,并且有=t / z （如圖11-1 ）,令,二、二階傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定 確定傳感器的阻尼比和固有頻率n 。 欠阻尼二階傳感器的階躍響應(yīng)（如圖11-2）,圖11-2 二階傳感器(1)的階躍響應(yīng),11.2 傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,y(t)以d= n12作衰減振蕩，按照求極值的方法可得 各振蕩峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)

6、間tp=0，/d，2/d，將 t=/d代入y(t)的表達(dá)式，可得最大過(guò)沖量M 或 測(cè)得M，由上式或圖11-3，可求阻尼比；由標(biāo)定測(cè)得的tp ，得d ，n。,11.2 傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,11.2 傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,圖11-3 -M曲線,如果測(cè)得階躍響應(yīng)有較長(zhǎng)瞬變過(guò)程，還可利用任意兩個(gè)過(guò)調(diào)量 和 來(lái)求得阻尼比 ， 其中n為兩峰值相隔的周期（整數(shù)）。設(shè) 峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間為ti，則峰值 對(duì)應(yīng)的時(shí)間為,將它們代入欠阻尼二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)計(jì)算式，可得,整理后可得,式中,(11-5),11.2 傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,14,當(dāng) 0.1時(shí),若考慮以l代替 ，則,也可以利用正弦信號(hào)輸入，

7、測(cè)定傳感器輸出與輸入的幅 值比和相位差來(lái)確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根 據(jù)幅頻特性分別按圖11-4和11-5來(lái)求一階傳感器的時(shí)間常數(shù) 和欠阻尼二階傳感器的阻尼比和固有頻率n。,圖11-4 由幅頻特性求一階 11-5 由幅頻特性求欠阻尼 傳感器時(shí)間常數(shù) 二階裝置的和n,11.2 傳感器或檢測(cè)儀器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ), 測(cè)量的目的是希望通過(guò)測(cè)量獲取被測(cè)量的真實(shí)值。但由于種種原因, 例如, 傳感器本身性能不十分優(yōu)良, 測(cè)量方法不十分完善, 外界干擾的影響等, 都會(huì)造成被測(cè)參數(shù)的測(cè)量值與真實(shí)值不一致, 兩者不一致程度用測(cè)量誤差表示。 ,測(cè)量誤差,（1）絕對(duì)誤差 絕對(duì)誤差在理論上是指測(cè)

8、量值X與被測(cè)量的真實(shí)值L之 間的差值，即 =XL 絕對(duì)誤差是可正可負(fù)的，而不是誤差的絕對(duì)值；絕對(duì)誤 差還有量綱，它的單位與被測(cè)量的單位相同。,測(cè)量誤差的表示方法有多種, 含義各異。 ,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),測(cè)量誤差就是測(cè)量值與真實(shí)值之間的差值。 它反映了測(cè)量質(zhì)量的好壞。,采用絕對(duì)誤差表示測(cè)量誤差, 不能很好說(shuō)明測(cè)量質(zhì)量的好壞。 例如, 在溫度測(cè)量時(shí), 絕對(duì)誤差=1 , 對(duì)體溫測(cè)量來(lái)說(shuō)是不允許的, 而對(duì)測(cè)量鋼水溫度來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)極好的測(cè)量結(jié)果。 某采購(gòu)員分別在三家商店購(gòu)買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購(gòu)員對(duì)賣巧克力的商店意見(jiàn)最大，是何原因？ ,13 檢測(cè)技

9、術(shù)基礎(chǔ),測(cè)量誤差的分類： 根據(jù)引起誤差的原因和誤差的性質(zhì)，測(cè)量誤差可分為 三類： 系統(tǒng)誤差，具有確定性，決定測(cè)量的準(zhǔn)確度，可以進(jìn) 行修正； 隨機(jī)誤差（偶然誤差），具有偶然性，決定測(cè)量的精密度，利用誤差理論進(jìn)行處理； 疏忽誤差，是錯(cuò)誤，應(yīng)剔除。,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),（2）相對(duì)誤差 實(shí)際相對(duì)誤差： （13-4）,由于被測(cè)量的真實(shí)值L無(wú)法知道, 實(shí)際測(cè)量時(shí)用測(cè)量值X代替真實(shí)值L進(jìn)行計(jì)算, 這個(gè)相對(duì)誤差稱為標(biāo)稱相對(duì)誤差, 即：,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),14.0.2 儀表誤差 1 .儀表誤差術(shù)語(yǔ) 測(cè)量?jī)x表的示值誤差 =儀表示值x-真實(shí)值xi =xx0(xi用約定真值x0來(lái)代替 ) 相對(duì)示值誤差 測(cè)量?jī)x表的最

10、大允許誤差 定義是“對(duì)給定的測(cè)量?jī)x 表，規(guī)范、規(guī)程等所允許的誤差極限值”。有時(shí)也稱為測(cè) 量?jī)x表的允許誤差限，或簡(jiǎn)稱允許誤差（允）。,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),（3)引用誤差 測(cè)量范圍和量程 測(cè)量范圍: 指“測(cè)量?jī)x器的誤差處在規(guī)定極限內(nèi)的一組 被測(cè)量的值”。 量程: 指測(cè)量范圍的上限值和下限值的代數(shù)差。 例如：測(cè)量范圍為0100時(shí)，量程為100； 測(cè)量范圍為20100時(shí)，量程為80； 測(cè)量范圍為20100時(shí)，量程為120。,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),儀表誤差： （儀表）引用誤差： 儀表的準(zhǔn)確度用儀表的最大引用誤差max（即儀表的最大 允許誤差允）來(lái)表示，即 式中，max儀表在測(cè)量范圍內(nèi)的最大絕對(duì)誤差； 儀表

11、誤差整體上評(píng)價(jià)儀表在其測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量的好壞。,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),儀表精度等級(jí)a（去掉儀表誤差的“”號(hào)和“%”） a=0.005，0.01，0.02，0.05；0.1， 0.2， ( 0.4)，0.5； 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表 1.0，1.5， 2.5，(4.0)；等 工業(yè)用表 儀表的基本誤差： max=儀表量程a% 儀表精度等級(jí)是根據(jù)引用誤差來(lái)確定的。 例如, 0.5級(jí)表的引用 誤差的最大值不超過(guò)0.5%，1.0級(jí)表的引用誤差的最大值不 超過(guò)1%。 ,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),例13-1 某壓力傳感器的測(cè)量范圍為010MPa，校驗(yàn)該傳感 器時(shí)得到的最大絕對(duì)誤差為0.08MPa，試確定該傳感器的精 度等

12、級(jí)。 解：該傳感器的精度為： 由于國(guó)家規(guī)定的精度等級(jí)中沒(méi)有0.8級(jí)儀表，而該傳感器的 精度又超過(guò)了0.5級(jí)儀表的允許誤差，所以，這只傳感器的精 度等級(jí)應(yīng)定為1.0級(jí)。 根據(jù)儀表校驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定儀表精度等級(jí)時(shí)，儀表的精度等級(jí) 值應(yīng)選不小于由校驗(yàn)結(jié)果所計(jì)算的精度值,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),例13-2 某測(cè)溫傳感器的測(cè)量范圍為01000，根據(jù)工藝要 求，溫度指示值的誤差不允許超過(guò)7，試問(wèn)應(yīng)如何選擇傳感 器的精度等級(jí)才能滿足以上要求? 解：根據(jù)工藝要求，傳感器的精度應(yīng)滿足： 此精度介于0.5級(jí)和1.0級(jí)之間，若選擇精度等級(jí)為1.0級(jí)的傳 感器，其允許最大絕對(duì)誤差為10，這就超過(guò)了工藝要求的 允許誤差，故應(yīng)選

13、擇0.5級(jí)的精度才能滿足工藝要求。 根據(jù)工藝要求來(lái)選擇儀表精度等級(jí)時(shí)，儀表的精度等級(jí)值應(yīng) 不大于工藝要求所計(jì)算的精度值 。 在使用儀表和傳感器時(shí), 經(jīng)常也會(huì)遇到基本誤差和附加誤差 兩個(gè)概念。,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),基本誤差和附加誤差： 基本誤差是指儀表在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差。 例如, 儀表是在電源電壓(2205)V、電網(wǎng)頻率(502)Hz、環(huán)境溫度(205)、 濕度65%5%的條件下標(biāo)定的。如果這臺(tái)儀表在這個(gè)條件下工作, 則儀表所具有的誤差為基本誤差。測(cè)量?jī)x表的精度等級(jí)就是由基本誤差決定的。 附加誤差是指當(dāng)儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。例如, 溫度附加誤差、頻率附加誤差、電源電

14、壓波動(dòng)附加誤差等。 ,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),誤差的性質(zhì) 根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律, 將誤差分為三種, 即系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。這種分類方法便于測(cè)量數(shù)據(jù)處理。 （1） 系統(tǒng)誤差對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí), 如果誤差按照一定的規(guī)律出現(xiàn), 則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。例如, 標(biāo)準(zhǔn)量值的不準(zhǔn)確及儀表刻度的不準(zhǔn)確而引起的誤差。 （2） 隨機(jī)誤差對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí), 絕對(duì)值和符號(hào)不可預(yù)知地隨機(jī)變化, 但就誤差的總體而言, 具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性的誤差稱為隨機(jī)誤差。 ,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),引起隨機(jī)誤差的原因是很多難以掌握或暫時(shí)未能掌握的微小因素, 一般無(wú)法控制。對(duì)于隨機(jī)誤差不能用簡(jiǎn)單的修正值來(lái)修正,只能用概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法去計(jì)算它出現(xiàn)的可能性的大小。 （3） 粗大誤差-明顯偏離測(cè)量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差, 又稱疏忽誤差。這類誤差是由于測(cè)量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。對(duì)于粗大誤差, 首先應(yīng)設(shè)法判斷是否存在, 然后將其剔除。,13 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ), 從工程測(cè)量實(shí)踐可知, 測(cè)量數(shù)據(jù)中含有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差, 有時(shí)還會(huì)含有粗大誤差。它們的性質(zhì)不同, 對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響及處理方法也不同。 在測(cè)量中, 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí), 首先判斷測(cè)量數(shù)據(jù)中是否含有粗大誤差, 如有, 則必須