《第2章检测装置基本特性PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章检测装置基本特性PPT讲稿.ppt（62页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第2章检测装置基本特性第1页，共62页，编辑于2022年，星期一检测装置的特性分析应用参数检测：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：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：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）第2页，共62页，编辑于2022年，星期一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线性特性第3页，共62页，编辑于2022年，星期一2.1 线性检
2、测装置概述 无无论论复复杂杂度度如如何何，把把检检测测量量装装置置作作为为一一个个系系统统来来看看待待。问问题题简简化化为为处处理理输输入入量量x(t)x(t)、系系统统传传输输特特性性h(t)h(t)和输出和输出y(t)y(t)三者之间的关系。三者之间的关系。x(t)h(t)y(t)输入量输入量系统特性系统特性输出输出第4页，共62页，编辑于2022年，星期一常系数线性微分方程n任何一个具体的输入量和输出量之间的关系都可以写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成下列数学形式ny：输出量；：输出量；x：输入量；：输入量；t：时间：时间n系统的阶次由输出量最高微分阶次n决
3、定。第5页，共62页，编辑于2022年，星期一 理想的理想的检测装置检测装置应该具有单值的、确定的输入输应该具有单值的、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出和输入成线性时不变关系线性时不变关系最佳。最佳。xy线性线性xy线性线性xy非线性非线性第6页，共62页，编辑于2022年，星期一线性时不变系统线性时不变系统(时域描述时域描述)系统输入系统输入x(t)x(t)和输出和输出y(t)y(t)间的关系可以用常系数间的关
4、系可以用常系数线性微分方程来描述：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。一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。第7页，共62页，编辑于2022年，星期一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。1.1.叠加性叠加性 系系统统对对各各输输入入之之和和的的输输出出等等于于各各单单个个输输入入的的输输出出之之和和，即即 若若 x1(t)y1(t)，x2(t)y2(t)则则 x1(t)x2(t)y1(t)y2(t)第8页，共62页，编辑于2022年，星期一2.2.齐次性（比例性）齐次性（比例性）常常数数倍倍输输入入所所得得的的输输出出等等于于原原输输入入所
5、所得得输输出出的的常常数倍，即数倍，即:若若 x(t)y(t)x(t)y(t)则则 Cx(t)Cy(t)Cx(t)Cy(t)3.3.微分性微分性 系系统统对对原原输输入入信信号号的的微微分分等等于于原原输输出出信信号号的的微微分分，即即 若若 x(t)y(t)x(t)y(t)则则 x(t)y(t)x(t)y(t)第9页，共62页，编辑于2022年，星期一4.4.积分性积分性 当当初初始始条条件件为为零零时时，系系统统对对原原输输入入信信号号的的积积分分等于原输出信号的积分，即等于原输出信号的积分，即 若若 x(t)y(t)x(t)y(t)则则 x(t)dt y(t)dt x(t)dt y(t)
6、dt 5.5.频率保持性频率保持性 若若系系统统的的输输入入为为某某一一频频率率的的谐谐波波信信号号，则则系系统统的的稳稳态输出将为同一频率的谐波信号，即态输出将为同一频率的谐波信号，即 若若 x(t)=Acos(t+x)x(t)=Acos(t+x)则则 y(t)=Bcos(t+y)y(t)=Bcos(t+y)第10页，共62页，编辑于2022年，星期一 线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原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。理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。第11页，共62页，编辑于2022年，星期一2.2 检测装置的静态特性1、静态
7、特性的定义、静态特性的定义被测量的值处于被测量的值处于稳定状态稳定状态时，传感器的输出与输入时，传感器的输出与输入的关系。的关系。第12页，共62页，编辑于2022年，星期一静态测量静态测量 第13页，共62页，编辑于2022年，星期一 对缓慢变化的对象进行测对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。量亦属于静态测量。第14页，共62页，编辑于2022年，星期一2、静态特性描述：数学公式或数学模型。、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：第15页，共62页，编辑于2022年，星期一2.2.1 检测装置的静
8、态特性参数检测装置的静态特性参数（1）零点）零点:当输入为零时，检测装置的输出量不为零的数值。一般检测装置应将一般检测装置应将零点调整为零零点调整为零第16页，共62页，编辑于2022年，星期一（2）灵敏度）灵敏度:测试装置的输入测试装置的输入x有一增量有一增量x,引起输引起输出出y发生相应变化发生相应变化yy yx xxxyy第17页，共62页，编辑于2022年，星期一线性传感器线性传感器,k=y/x为常数为常数,非线性传感器的灵敏度非线性传感器的灵敏度,k=dy/dx。k随随X变化而变化。变化而变化。一般测量范围越大，非线性越严重，灵敏度变化越一般测量范围越大，非线性越严重，灵敏度变化越大
9、。大。第18页，共62页，编辑于2022年，星期一当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输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，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。后一位所表示的数值就是它的分辨力。（3）分辨力）分辨力指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，反映反映检测装置能够有效辨别最小输入变化量的能力。检测装置能够有效辨别最小输入变化量的能力。第19页，共62页，编辑于2022年，星期一（4）量程
10、）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。范围。反映检测装置能够有效测量最大输入变化量的能力。第20页，共62页，编辑于2022年，星期一2.2.2 静态特性的质量指标静态特性的质量指标第21页，共62页，编辑于2022年，星期一滞差、重复性、线性度、滞差、重复性、线性度、灵敏度、准确度、稳定性和可靠性灵敏度、准确度、稳定性和可靠性（1）滞差）滞差检测装置在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期检测装置在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出间其输出-输入特性曲线不重合的
11、现象称为迟滞。输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。滞差滞差以满量程输出的百分数表示0yyHMyFS迟滞特性迟滞特性如称重传感器，加载，卸载，同如称重传感器，加载，卸载，同一重量，输出不同。一重量，输出不同。第22页，共62页，编辑于2022年，星期一（2 2）重复性重复性重复性重复性重复性误差的计算重复性误差的计算重复性是指传感器在输入重复性是指传感器在输入量按同一方向（增大或减量按同一方向（增大或减小）作全量程连续多次变小）作全量程连续多次变化时化时,所得特性曲线不一所得特性曲线不一致的程度。致的程度。重复性特性曲线重复性特性曲线第23页，共62页，编辑于2022年，星期一（3）线性度）线性度
12、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检测装置非线性大小评定方法校准曲线即实测曲线：校准曲线即实测曲线：通通过过实实际际测测试试获获得得。首首先先在在标标准准工工作作状状态态下下，用用标标准准仪仪器器设设备备对对传传感感器器进进行行标标定定（测测试试），得得到到其其输输入入输出曲线即为输出曲线即为校准曲线。校准曲线。第24页，共62页，编辑于2022年，星期一拟合直线即理想直线：拟合直线即理想直线：人为作出。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
13、传感器的非线性误差（或线量程输出之比，称为传感器的非线性误差（或线性度）性度）线性度的计算公式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。第25页，共62页，编辑于2022年，星期一温度仪恒温油槽标准水银温度计标准水银温度计传感器探头可控硅温可控硅温度控制仪度控制仪标准器具标准器具T第26页，共62页，编辑于2022年，星期一xyLmaxyFS0 xMxyL2L1yxLmaxyFSxm0yxyFSxm0(c)端点连线拟合端点连线拟合(b)过零旋转拟合过零旋
14、转拟合(a)理论拟合理论拟合(d)最小二乘拟合最小二乘拟合第27页，共62页，编辑于2022年，星期一目的目的:1、用拟合直线代替校准曲线，方便计算。、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。、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。用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。拟合直线方程拟合直线方程 Y=b+k Xn对测量数据（对测量数据（x i,y i）,用直线方程用直线方程Y=b+kX拟合拟合,根据测量数据值根据测量数据值,求方程中系数求方程中系数b、k的最佳估计值。的最佳估计值。(2-12)第28页，共62页，编辑于2022年，星期一应
15、用最小二乘法原理应用最小二乘法原理:使各测量数据点使各测量数据点y i与直线输出与直线输出Y偏偏差的平方和为最小。差的平方和为最小。第29页，共62页，编辑于2022年，星期一将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。第30页，共62页，编辑于2022年，星期一（4）准确度）准确度说明检测装置输出值与真值的偏离程度。如说明检测装置输出值与真值的偏离程度。如,某速度传感某速度传感器的准确度为器的准确度为0.3m/s，表示该传感器的输出值与真值偏，表示该传感器的输出值与真值偏离离0.3m/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意。准确度是系统误差大小
16、的标志，准确度高意味着系统误差小。味着系统误差小。准确度等级准确度等级a表示产品精度的一项指标。仪表产品的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。差应小于精度等级。第31页，共62页，编辑于2022年，星期一（5）稳定性和可靠性）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。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。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
17、限的情况可靠性：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。下，装置性能保持不变的能力。第32页，共62页，编辑于2022年，星期一衡量装置可靠性的指标：衡量装置可靠性的指标：平均无故障时间（平均无故障时间（MTBF）和故障率。）和故障率。例：某台仪表例：某台仪表MTBF为为500Kh，故障率为，故障率为0.2%/kh。1000台仪表工作台仪表工作1000小时，有多少台仪表可能出现故小时，有多少台仪表可能出现故障。障。第33页，共62页，编辑于2022年，星期一2.2.3 检测装置的标定检测装置的标定标准装置待测装置XY2Y1在标准条件下，由标准器具给出一系列已知输入量
18、，对待在标准条件下，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。测装置输入输出关系进行测量处理过程。标准器具校准校准将检测装置在使用一定时间后进行性能复测。将检测装置在使用一定时间后进行性能复测。标定标定第34页，共62页，编辑于2022年，星期一所用的测量仪器的精度至少要比被标定的装置的精度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。高一个等级。标定仪器的精度等级标定仪器的精度等级标定仪器的精度等级标定仪器的精度等级 静态标定的目的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
19、、重复性、灵敏度等）（线性度、迟滞、重复性、灵敏度等）第35页，共62页，编辑于2022年，星期一对检测装置进行正、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。3.3.静态特性标定的方法静态特性标定的方法静态特性标定的方法静态特性标定的方法例：温度传感器或测温仪表标定。例：温度传感器或测温仪表标定。第36页，共62页，编辑于2022年，星期一温度仪恒温油槽标准水银温度计标准水银温度计传感器探头可控硅温可控硅温度控制仪度控制仪标准器具标准器具T温度标定系统温度标定系统第37页，共62
20、页，编辑于2022年，星期一标准温度待测温度传感器输出值正行程反行程 0.00 0.01 0.00 10.00 10.02 10.01 20.00 20.03 20.02 30.00 30.03 30.03 40.00 40.04 40.03 50.00 50.04 50.04 60.00 60.05 60.04 70.00 70.06 70.06 80.00 80.07 80.09 90.00 90.08 90.07 100.00 100.08 100.08第38页，共62页，编辑于2022年，星期一2.3 检测装置的动态特性地震测量地震测量振动波形振动波形第39页，共62页，编辑于2022
21、年，星期一 1、定义、定义传感器输出对随时间变化的输入量的响应特性。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、研究方法时域瞬态响应法，标准的输入信号时域瞬态响应法，标准的输入信号阶跃输入。阶跃输入。频域频率响应法，标准的输入信号频域频率响应法，标准的输入信号正弦输入。正弦输入。第40页，共62页，编辑于2022年，星期一动态特性的三种表示方法动态特性的三种表示方法微分方程、传递函数、频率响应特性微分方程、传递函数、频率响应特性2.3.1 微分方程（时域）微分方程（时域）(2.1.1)经拉氏变换经拉氏变换第41页，共62页，编辑于2022年，星期一2.3.2传递函数（复域）传递函数
22、（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。第42页，共62页，编辑于2022年，星期一2.3.3 频率响应特性（频率域）频率响应特性（频率域）2.4.2 输出信号不失真条件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第43页，共62页，编辑于2022年，星期一2.5.1 常见装置的数学模型常见装置的数学模型（1）一阶装置的传递函数）一阶装置的传递函数CKX（t）y（t）A（a）弹簧-阻尼器一阶环节第44页，共62页，编辑于2022年，星期一电容电容-电阻电阻RC电路电路v（t）RCu（t）第4
23、5页，共62页，编辑于2022年，星期一温度传热装置温度传热装置无论哪个领域，什么装置，无论哪个领域，什么装置，一阶装置一阶装置数学模型是一数学模型是一致的。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。置的结构参数。温度温度第46页，共62页，编辑于2022年，星期一一阶装置一阶装置特征：特征：测量滞后测量滞后阶跃响应阶跃响应第47页，共62页，编辑于2022年，星期一一阶装置时间常数测量：一阶装置时间常数测量：阶跃响应阶跃响应0.63第48页，共62页，编辑于2022年，星期一（2）二阶装置的传递函数）二阶装置的传递函数加速加速度度第49页，共
24、62页，编辑于2022年，星期一y（t）CKf（t）m（a）质量）质量-弹簧弹簧-阻尼器二阶环节阻尼器二阶环节质量质量-弹簧弹簧-阻尼器二阶环节运动方程阻尼器二阶环节运动方程第50页，共62页，编辑于2022年，星期一电感电感-电容电容-电阻电阻RLC电路回路方程电路回路方程v（t）RCu（t）L第51页，共62页，编辑于2022年，星期一等效为二阶系统微分方程等效为二阶系统微分方程第52页，共62页，编辑于2022年，星期一5、瞬态响应特性、瞬态响应特性（1）一阶环节的阶跃响应）一阶环节的阶跃响应1t0 x1t00.632y图图2-8 一阶环节的阶跃响应一阶环节的阶跃响应(2-29)第53页
25、，共62页，编辑于2022年，星期一动态误差的计算？减小动态误差的方法？（2）二阶环节的阶跃响应）二阶环节的阶跃响应(2-30)(2-31)第54页，共62页，编辑于2022年，星期一(2-32)第55页，共62页，编辑于2022年，星期一图图2-9 二阶环节的阶跃响应二阶环节的阶跃响应第56页，共62页，编辑于2022年，星期一(2-33)(2-34)第57页，共62页，编辑于2022年，星期一图图2-10 二阶环节的阶跃响应二阶环节的阶跃响应第58页，共62页，编辑于2022年，星期一(1)(1)一阶装置的频率特性一阶装置的频率特性一阶装置的频率特性一阶装置的频率特性幅频特性 相频特性 6
26、 6、频率特性频率特性频率特性频率特性时间常数时间常数越小，频率响应特性越好。越小，频率响应特性越好。(2-35)(2-36)(2-37)第59页，共62页，编辑于2022年，星期一(a)幅频特性幅频特性 (b)相频特性相频特性 1.11 一阶传感器的频率特性一阶传感器的频率特性第60页，共62页，编辑于2022年，星期一（2 2）二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性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)第61页，共62页，编辑于2022年，星期一1.12 二阶传感器的频率特性二阶传感器的频率特性第62页，共62页，编辑于2022年，星期一