检测装置基本特性.ppt

主要内容,2.1,2.2,2.3,2.4,线性检测装置概述,检测装置的动态特性,不失真测量条件和装置组建,检测装置的静态特性,2.5,检测装置的基本特性测试,检测装置的特性分析应用,参数检测：已知装置的特性和输出信号,求出 输入信号。 多环节检测装置组建：已知装置的特性和输 入信号,求出输出信号。 装置的特性分析：由装置的输入输出信号， 推断装置的特性。（系统辩识）,输出与输入之间的关系,检测装置基本特性,动态特性,静态特性,当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。,当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；,检测装置的最基本特性是线性特性,2.1 线性检测装置概述,无论复杂度如何，把检测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。,常系数线性微分方程 任何一个具体的输入量和输出量之间的关系都可以写成下列数学形式,y：输出量；x：输入量；t：时间 系统的阶次由输出量最高微分阶次n决定。,理想的检测装置应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性时不变关系最佳。,线性时不变系统(时域描述),系统输入x(t)和输出y(t)间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：,一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。,线性时不变检测装置服从叠加性、齐次性、微分、积分和频率保持特性。,1.叠加性 系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即 若 x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 则 x1(t)x2(t) y1(t)y2(t),2.齐次性（比例性） 常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即: 若 x(t) y(t) 则 Cx(t) Cy(t),3.微分性 系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即 若 x(t) y(t) 则 x(t) y(t),4.积分性 当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即 若 x(t) y(t) 则 x(t)dt y(t)dt,5.频率保持性 若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即 若 x(t)=Acos(t+x) 则 y(t)=Bcos(t+y),线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。,2.2 检测装置的静态特性,1、静态特性的定义,被测量的值处于稳定状态时，传感器的输出与输入的关系。,静态测量,对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。,2、静态特性描述：数学公式或数学模型。,以温度检测为例,若温度为零时，水银温度计液柱高度不为零，则,检测装置的输出与输入关系通用表达式：,2.2.1 检测装置的静态特性参数 （1）零点:当输入为零时，检测装置的输出量不为零的数值。,一般检测装置应将零点调整为零,（2）灵敏度:,测试装置的输入x有一增量x,引起输出y发生相应变化y,线性传感器, k=y/x为常数, 非线性传感器的灵敏度, k=dy/dx。k随X变化而变化。 一般测量范围越大，非线性越严重，灵敏度变化越大。,当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。,（3）分辨力 指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，反映检测装置能够有效辨别最小输入变化量的能力。,（4）量程 是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。反映检测装置能够有效测量最大输入变化量的能力。,2.2.2 静态特性的质量指标,滞差、重复性、线性度、 灵敏度、准确度、稳定性和可靠性,（1）滞差 检测装置在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。,滞差以满量程输出的百分数表示,0,y,yHM,yFS,迟滞特性,如称重传感器，加载，卸载，同一重量，输出不同。,（2） 重复性,重复性误差的计算,重复性是指传感器在输入量按同一方向（增大或减小）作全量程连续多次变化时, 所得特性曲线不一致的程度。,重复性特性曲线,（3）线性度 检测装置的输出与输入之间数量关系的线性程度。, 检测装置非线性大小评定方法,校准曲线即实测曲线： 通过实际测试获得。 首先在标准工作状态下，用标准仪器设备对传感器进行标定（测试），得到其输入输出曲线即为校准曲线。,拟合直线即理想直线：人为作出。 校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为传感器的非线性误差（或线性度）,线性度的计算公式,最大非线性误差,量程输出,非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。,y,(c)端点连线拟合,(b)过零旋转拟合,(a)理论拟合,(d)最小二乘拟合,目的:1、用拟合直线代替校准曲线，方便计算。 2、检验传感器或仪表是否合格。,用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。 ,拟合直线方程 Y=b+k X,n对测量数据（x i, y i）, 用直线方程Y=b +kX拟合, 根据测量数据值, 求方程中系数b 、k的最佳估计值。,(2-12),应用最小二乘法原理: 使各测量数据点y i与直线输出Y偏差的平方和为最小。,将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。,（4）准确度,说明检测装置输出值与真值的偏离程度。如,某速度传感器的准确度为0.3m/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。,准确度等级a表示产品精度的一项指标。仪表产品的精度等级由国家计量部门给定，仪表的实际相对误差应小于精度等级。,（5）稳定性和可靠性 稳定性：在规定的工作条件下，在规定的时间内，装置性能保持不变的能力。 装置的稳定性取决于其内部元器件的稳定性。,可靠性：在保持使用环境和运行指标不超过极限的情况下，装置性能保持不变的能力。,衡量装置可靠性的指标： 平均无故障时间（MTBF）和故障率。,例：某台仪表MTBF为500Kh，故障率为0.2%/kh。 1000台仪表工作1000小时，有多少台仪表可能出现故障。,2.2.3 检测装置的标定,标准装置,待测装置,X,Y2,Y1,在标准条件下，由标准器具给出一系列已知输入量，对待测装置输入输出关系进行测量处理过程。,标准器具,校准,将检测装置在使用一定时间后进行性能复测。,标定,所用的测量仪器的精度至少要比被标定的装置的精度高一个等级。,标定仪器的精度等级,静态标定的目的 确定检测装置的输入和输出关系。确定静态性能指标（线性度、迟滞、重复性、灵敏度等）,对检测装置进行正、反行程全量程多点测试，将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成曲线。 对测试数据进行处理，根据处理结果就确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。,3. 静态特性标定的方法,例：温度传感器或测温仪表标定。,温度标定系统,2.3 检测装置的动态特性,地震测量 振动波形,1、定义 传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性。,2、研究方法 时域瞬态响应法，标准的输入信号阶跃输入。,频域频率响应法，标准的输入信号正弦输入。,动态特性的三种表示方法 微分方程、传递函数、频率响应特性,2.3.1 微分方程（时域）,(2.1.1),经拉氏变换,2.3.2传递函数（复域）,(2.3.2),动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,2.3.3 频率响应特性（频率域）,2.4.2 输出信号不失真条件,(2.3.4),正弦输入下检测系统的动态特性,2.5.1 常见装置的数学模型,（1）一阶装置的传递函数,（a）弹簧-阻尼器一阶环节,电容-电阻RC电路,温度传热装置,无论哪个领域，什么装置，一阶装置数学模型是一致的。一阶环节的时间常数和放大倍数取决于装置的结构参数。,温度,一阶装置特征：测量滞后,阶跃响应,一阶装置时间常数测量：,阶跃响应,（2）二阶装置的传递函数,加速度,y（t）,（a）质量-弹簧-阻尼器二阶环节,质量-弹簧-阻尼器二阶环节运动方程,电感-电容-电阻RLC电路回路方程,等效为二阶系统微分方程,5、瞬态响应特性,（1）一阶环节的阶跃响应,图2-8 一阶环节的阶跃响应,(2-29),动态误差的计算？减小动态误差的方法？,（2）二阶环节的阶跃响应,(2-30),(2-31),(2-32),图2-9 二阶环节的阶跃响应,(2-33),(2-34),图2-10 二阶环节的阶跃响应,(1) 一阶装置的频率特性,幅频特性,相频特性,6、 频率特性,时间常数越小，频率响应特性越好。,(2-35),(2-36),(2-37),(a) 幅频特性 (b) 相频特性 1.11 一阶传感器的频率特性,（2） 二阶传感器的频率特性,相频特性,频率特性表达式,幅频特性,(2-38),(2-39),(2-40),1.12 二阶传感器的频率特性,