检测装置基本特性精选文档.ppt

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1、检测装置基本特性本讲稿第一页，共五十二页检测系统的一般特性l侧重应用的场合称侧重应用的场合称检测装置检测装置l理论分析时称为理论分析时称为检测系统检测系统检测系统和检测装置检测系统和检测装置本讲稿第二页，共五十二页传感器的基本特性：传感器的输入输传感器的基本特性：传感器的输入输出关系特性。是传感器内部结构参数作出关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现用关系的外部表现输入信号分为：稳态、动态输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特对应传感器特性：静态特性、动态特性性对传感器的要求：高精度信号（或对传感器的要求：高精度信号（或能量）无失真转换反映被测量的原能量）无失真转换

2、反映被测量的原始特征始特征本讲稿第三页，共五十二页 检测系统的特性分析通常应用在三个检测系统的特性分析通常应用在三个方面：方面：1.1.已知装置的特性和输出信号，推断已知装置的特性和输出信号，推断输入信号。测量未知量输入信号。测量未知量2.2.已知检测装置的特性和输入信号，推已知检测装置的特性和输入信号，推断输出信号。断输出信号。3.3.已知装置的输入输出信号，推断装置已知装置的输入输出信号，推断装置的特性。用于装置的分析、设计和研的特性。用于装置的分析、设计和研究。究。(反卷积反卷积)(正问题正问题)（系统辨识系统辨识)本讲稿第四页，共五十二页 如何描述检测装置的特性呢如何描述检测装置的特性

3、呢？一般用数学表达式（数学模型）表示一般用数学表达式（数学模型）表示l模拟检测系统模拟检测系统 微分方程微分方程l离散时间域离散时间域 差分方程差分方程本章讨论连续系统的微分方程。微分方程本章讨论连续系统的微分方程。微分方程描述了装置的输入输出关系描述了装置的输入输出关系本讲稿第五页，共五十二页静态特性线性检测装置概述线性检测装置概述检测装置的基本特性：线性性质检测装置的基本特性：线性性质非线性影响其准确性非线性影响其准确性本讲稿第六页，共五十二页一般数学模型 对于线性系统的动态响应使用最广泛的数学模对于线性系统的动态响应使用最广泛的数学模型是型是高阶常系数微分方程高阶常系数微分方程。线性系统

4、表示线性系统表示本讲稿第七页，共五十二页一般数学模型 既是线性的又是时不变的系统叫做既是线性的又是时不变的系统叫做线性时不变系统线性时不变系统。具有如下性质：具有如下性质：1.1.叠加性叠加性2.2.齐次性齐次性综合性质综合性质11和和2 2得得 线性时不变系统的性质线性时不变系统的性质本讲稿第八页，共五十二页本讲稿第九页，共五十二页检测系统的一般特性 为使检测系统能正确反映其被测量与输出信号为使检测系统能正确反映其被测量与输出信号为使检测系统能正确反映其被测量与输出信号为使检测系统能正确反映其被测量与输出信号的数值或变化情况，我们来研究它的一些静态和动的数值或变化情况，我们来研究它的一些静态

5、和动的数值或变化情况，我们来研究它的一些静态和动的数值或变化情况，我们来研究它的一些静态和动态性能指标。态性能指标。态性能指标。态性能指标。v 检测系统的静态特性检测系统的静态特性检测系统的静态特性检测系统的静态特性v 检测系统的动态特性检测系统的动态特性检测系统的一般特性检测系统的一般特性本讲稿第十页，共五十二页静态特性静静 态态 特特 性性输输入入和和输输出出信信号号不不随随时时间间变变化化，则则微微分分为为零，输出是输入的线性表达。零，输出是输入的线性表达。静静态态模模型型:在在静静态态信信号号(输输入入信信号号不不随随时时间间变变化化)的作用下，输出量的作用下，输出量Y Y与输入量与输

6、入量X X间的关系。间的关系。本讲稿第十一页，共五十二页检测系统的四种典型静态特性静态特性方静态特性方程程检测系统四种典型静态特性检测系统四种典型静态特性输出量(测量值).221实际输出量理论值；输入量(被测量)；-+=yYY/yxxaxaxaaYnn本讲稿第十二页，共五十二页静态特性线性度线性度.见（图见（图1-2 1-2）、（图）、（图1-31-3）、（图）、（图1-41-4）灵敏度灵敏度.迟滞性（又叫迟滞性（又叫 回差）回差）.重复性重复性.分辨率分辨率.漂移漂移.静态特性参数静态特性参数本讲稿第十三页，共五十二页静态特性线性度静态特性线性度静态特性线性度线性化补偿电路机械式非线性补偿机

7、构软件处理 本讲稿第十四页，共五十二页基准曲线的不同拟合方法实线表示实际特性曲线；虚线表示拟合曲线目的是减小其最大偏差至最小方法可改变斜率或使其最大正负偏差绝对值相等基准曲线的不同拟合方法基准曲线的不同拟合方法本讲稿第十五页，共五十二页端基线性度 端基直线定义：由输出量程所决定的实际平均输出特性曲线首末两端点的连线。端基线性度拟合直线端基线性度拟合直线端基直线本讲稿第十六页，共五十二页静态特性-灵敏度 系统在静态工作系统在静态工作的条的条件下，其单位输入所产生件下，其单位输入所产生的输出，称灵敏度的输出，称灵敏度.静态特性灵敏度静态特性灵敏度本讲稿第十七页，共五十二页本讲稿第十八页，共五十二页

8、静态特性-迟滞性静态特性迟滞性静态特性迟滞性迟滞性用回差度量。反映传感器的输入量在正向行程迟滞性用回差度量。反映传感器的输入量在正向行程和反向行程全量程多次测试时，所得到的特性曲线的和反向行程全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不重合程度。不重合程度。图图 16 迟滞现象迟滞现象原因：传感器机械部分存在摩擦、间隙、松动、积尘等本讲稿第十九页，共五十二页静态特性-重复性静态特性重复性静态特性重复性 重复性（不重复性）重复性（不重复性）E Ex x 反映了传感器在输入量按同一方向（增或反映了传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程多次测试时，所得到的特性曲线的不一致程度。减）全量程多次测试时，所得

9、到的特性曲线的不一致程度。max 最大不重复误差最大不重复误差图图17 重复性重复性本讲稿第二十页，共五十二页静态特性-分辨率静态特性分辨率静态特性分辨率 在规定的测量范围内，传感器所能检测出输入在规定的测量范围内，传感器所能检测出输入量的最小变化值。有时也用相对于输入的满量程量的最小变化值。有时也用相对于输入的满量程的相对值表示。即：的相对值表示。即：x xminx xFS100%100%x xFS FS 输入量的满量程值输入量的满量程值本讲稿第二十一页，共五十二页静态特性-漂移静态特性漂移静态特性漂移 传感器在外界的干扰下，输出量发生了与输入量无关传感器在外界的干扰下，输出量发生了与输入量

10、无关的变化的变化.主要有主要有“零点漂移零点漂移”和和“灵敏度漂移灵敏度漂移”，这两种漂移又可，这两种漂移又可分为分为“时间漂移时间漂移”和和“温度漂移温度漂移”。时间漂移时间漂移 零点或灵敏度随时间而发生缓慢的变化零点或灵敏度随时间而发生缓慢的变化温度漂移温度漂移 零点或灵敏度随环境温度的变化而改变零点或灵敏度随环境温度的变化而改变产生原因：产生原因：零点漂移零点漂移 传感器自身结构参数老化传感器自身结构参数老化 温度漂移温度漂移 测试过程中环境发生变化测试过程中环境发生变化本讲稿第二十二页，共五十二页动态特性动动 态态 特特 性性 动态特性动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）

11、特性。反映了系统对随时间变化的输入量的响应特性.动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能再 现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数 本讲稿第二十三页，共五十二页动态特性动动 态态 特特 性性动态模型动态模型是指在动态信号是指在动态信号(输入信号随时间变化输入信号随时间变化)的作用下，输的作用下，输出量出量Y Y与输入量与输入量X X间的关系。可以用间的关系。可以用 微分方程微分方程 或或 系统函数系统函数 (传递传递函数函数 )来描述。来描述。动态特性的一般数学模型动态特性的一般数学模型 复频域中研究传递函数复频域中研究传递函数 频域中研究频率响应函数频域中研究频率响应函数 时域

12、中研究阶跃时域中研究阶跃/脉冲响应函数脉冲响应函数本讲稿第二十四页，共五十二页一阶和二阶装置的一阶和二阶装置的频率响应频率响应本讲稿第二十五页，共五十二页一般数学模型 高阶微分方程高阶微分方程数学模型数学模型例题例题1111本讲稿第二十六页，共五十二页例题11例题例题 1 1-1 1：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统输入量：由弹簧阻尼器构成的压力传感器，系统输入量(压力压力)F F 为为F F(t t)=b)=b0 0 x x (t t)，输出量为位移输出量为位移y y(t t)，列出其微分方程。列出其微分方程。图图1 1 一阶传感器一阶传感器a a1a a0b b0 0 x x(t t)=

13、F=F(t t)y y(t t)解：根据牛顿第二定律：解：根据牛顿第二定律：f f阻力阻力+f f弹力弹力=F F(t t)阻尼系数阻尼系数弹性系数弹性系数 对于较为复杂的系统，微分方程的求解过程也很复杂，可以对于较为复杂的系统，微分方程的求解过程也很复杂，可以利用传递函数（系统函数）来处理。利用传递函数（系统函数）来处理。在在x x(t t)为为已已知知的的情情况况下下，余余下下的的问问题题归归结结到到这这个个一一阶阶常常系系数数微微分分方方程的求解问题。程的求解问题。本讲稿第二十七页，共五十二页传递函数 检测系统由零状态起始，对数学模型作拉氏变换检测系统由零状态起始，对数学模型作拉氏变换后

14、得系统传递函数后得系统传递函数H(s)H(s)传递函数传递函数例题例题112 2本讲稿第二十八页，共五十二页例题12例题例题 1 1-2 2：求例题：求例题1 1-1 1的传递函数的传递函数 。系统输入量。系统输入量(压力压力)F F 为为 F F(t t)=b)=b0 0 x x (t t )，输出量为位移输出量为位移 y y (t t)。图图 1 一阶传感器一阶传感器a a1a a0b b0 0 x x(t t)=F=F(t t)y y(t t)解：解：列出微分方程列出微分方程作拉普作拉普 拉斯变换拉斯变换令令H(S)中的中的S=j,即即=0由由(j)可以分析该系统的幅频特性和相频特性。可

15、以分析该系统的幅频特性和相频特性。本讲稿第二十九页，共五十二页频率响应函数传感器的频率响应是指各种频率不同而幅值相同的正弦量（信号）传感器的频率响应是指各种频率不同而幅值相同的正弦量（信号）输入时，其输出的正弦信号的幅值、相位输入时，其输出的正弦信号的幅值、相位(与输入量间的相差）与与输入量间的相差）与频率之间的关系。即幅频特性和相频特性。频率之间的关系。即幅频特性和相频特性。分析切入点：系统的传递函数。分析切入点：系统的传递函数。即取即取(S)、S=+j中的中的=0,(S)(j)信号与系统信号与系统H(j)=Y Y(j )X X(j)=a an n (j)n n+a an-1 n-1(j)n

16、-1n-1+a a1 1(j)+a a0 0b bm m(j)m m+b bm-1 m-1(j)m-1m-1+b b1 1(j)+b b0 0(j)是个复数，可以用是个复数，可以用e 指数的形式表示：指数的形式表示：(j)的实部的实部 (j)的虚部的虚部 频率响应频率响应本讲稿第三十页，共五十二页例题13例题例题 1 1-3 3：一阶传感器（例题：一阶传感器（例题 1 1-2 2）的频率响应）的频率响应图图 1 一阶传感器一阶传感器a a1a a0b b0 0 x x(t t)=F=F(t t)y y(t t)解：系统的微分方程和传递函数解：系统的微分方程和传递函数图图 2 一阶传感器的频率特

17、性一阶传感器的频率特性00-10-20-90-45-20dB/10-20dB/10倍频倍频低频低阻尼低频低阻尼本讲稿第三十一页，共五十二页例题141例题例题 1 1-4 4：二阶传感器的频率响应：二阶传感器的频率响应所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器，分析如下所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器，分析如下固有频率固有频率静态灵敏度静态灵敏度阻尼比阻尼比本讲稿第三十二页，共五十二页例题14200-10-20-90-1801020=0.10.20.30.50.71.0=1.00.70.50.30.20.10.10.20.4 0.6124610图图 3 二阶传感器的频率特性二阶

18、传感器的频率特性曲线无上冲。曲线无上冲。(a)a)(b)b)(c)c)本讲稿第三十三页，共五十二页例题15例题例题 1 1-5 5：零阶传感器的频率响应：零阶传感器的频率响应 零阶传感器的输出值与输入值成恒定的比例关系，与输入量的频率零阶传感器的输出值与输入值成恒定的比例关系，与输入量的频率无关。实际应用中当输入量的频率不太高时，都可以看成是零阶传感器。无关。实际应用中当输入量的频率不太高时，都可以看成是零阶传感器。条件条件本讲稿第三十四页，共五十二页脉冲响应函数阶跃响应（脉冲响应）阶跃响应（脉冲响应）给原来处于静态传感器输入阶跃信号，在不太长的一段时间给原来处于静态传感器输入阶跃信号，在不太

19、长的一段时间内，传感器的输出特性即为其阶跃响应特性。内，传感器的输出特性即为其阶跃响应特性。输入量输入量 x x(t t)一般可表示为一般可表示为：图图4 阶跃响应特性阶跃响应特性1.00 0.900.500.10典型的阶跃响应特性典型的阶跃响应特性l最大超调量最大超调量p pl延滞时间延滞时间 t td dl上升时间上升时间 t tr rl峰值时间峰值时间 t tp pl响应时间响应时间 t ts s 应该指出，并不应该指出，并不是所有的传感器都具有相是所有的传感器都具有相同形状的同形状的阶跃响应特性，阶跃响应特性，需要具体分析。需要具体分析。本讲稿第三十五页，共五十二页一阶传感器阶跃 一阶

20、传感器的阶跃响应特性一阶传感器的阶跃响应特性 方程的解：方程的解：满足初始条件满足初始条件ts0小小大大y一阶传感器的阶跃响应特性一阶传感器的阶跃响应特性响应时间响应时间t=TS 时的动态误差时的动态误差ed：稳态输出响应时间稳态输出响应时间一阶传感器的微分方程：一阶传感器的微分方程：本讲稿第三十六页，共五十二页二阶传感器阶跃 二阶传感器的阶跃响应特性二阶传感器的阶跃响应特性 随阻尼比随阻尼比的不同，有的不同，有三种不同的解。三种不同的解。ys021nt=01.510.60.2二阶传感器的微分方程：二阶传感器的微分方程：本讲稿第三十七页，共五十二页 静态特性静态特性 掌握传感器的基本测量精度。

21、掌握传感器的基本测量精度。动态特性动态特性 频率响应特性频率响应特性(了解传感器的幅频特性和相频特性了解传感器的幅频特性和相频特性)在动态量测量时使其频率处于传感器的通带之内，且输出在动态量测量时使其频率处于传感器的通带之内，且输出 信号的相移尽可能的小；信号的相移尽可能的小；设计传感器时，即要保证传感器的通带（与设计传感器时，即要保证传感器的通带（与n有关），又，又 要控制阻尼尽可能达到临界阻尼。要控制阻尼尽可能达到临界阻尼。阶跃响应阶跃响应特性特性 传感器的传感器的阶跃响应阶跃响应时间，对数据的采集十分重要时间，对数据的采集十分重要(防止采错防止采错),),设计传感器时，即要减小输出的过冲

22、，又要尽量减小设计传感器时，即要减小输出的过冲，又要尽量减小阶跃阶跃 响应响应时间时间。研究动态和静态特性的意义研究动态和静态特性的意义本讲稿第三十八页，共五十二页 1.1.非线性失真非线性失真 2.2.幅频失真幅频失真 3.3.相频失真相频失真 研究动态特性和静态特性的意义测量信号的失真测量信号的失真本讲稿第三十九页，共五十二页充分必要条件：充分必要条件：不失真测量条件不失真测量条件本讲稿第四十页，共五十二页检测装置的组建检测装置的组建将传感器、信号调理电路、标准接口板卡与将传感器、信号调理电路、标准接口板卡与PCPC计算机结合。计算机结合。组建的基本原则：使得其基本特性达到期望组建的基本原

23、则：使得其基本特性达到期望的指标要求。的指标要求。低成本和高性能之间的折中。低成本和高性能之间的折中。本讲稿第四十一页，共五十二页动态特性常见装置的数学模型常见装置的数学模型 1.1.一阶装置一阶装置 2.2.二阶装置二阶装置本讲稿第四十二页，共五十二页一阶装置一阶装置弹簧阻尼器弹簧阻尼器本讲稿第四十三页，共五十二页一阶装置微分方程一阶装置微分方程本讲稿第四十四页，共五十二页一阶装置一阶装置RCRC电路电路本讲稿第四十五页，共五十二页一阶装置一阶装置温度计温度计本讲稿第四十六页，共五十二页二阶装置二阶装置本讲稿第四十七页，共五十二页二阶装置二阶装置本讲稿第四十八页，共五十二页传感器的标定是利用

24、某种标准仪器对新研制或传感器的标定是利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过生产的传感器进行技术检定和标度；它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度。传感器的校准是指对使用或储存一段时间后的传感器的校准是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正，校准的方法传感器性能进行再次测试和校正，校准的方法和要求与标定相同。和要求与标定相同。传感器的标定与校准传感器的标定与校准本讲稿第四十九页，共五十二页 静态标定是在输入信号不随时间变化

25、的静态标准条静态标定是在输入信号不随时间变化的静态标准条件下确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏件下确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、迟滞、重复性等。静态标准是指没有加速度、度、迟滞、重复性等。静态标准是指没有加速度、没有振动、没有冲击（如果它们本身是被测量除外）没有振动、没有冲击（如果它们本身是被测量除外）及环境温度一般为室温（及环境温度一般为室温（205205），相对湿度不大），相对湿度不大于于85%85%，大气压力为，大气压力为7kPa7kPa的情形。的情形。静态标定静态标定本讲稿第五十页，共五十二页动态标定主要是研究传感器的动态响应特性。常动态标定主要是研究传感器的动态响应特性。常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号。根据传感器的动态特性指标，传感器的动态标根据传感器的动态特性指标，传感器的动态标定主要涉及到一阶传感器的时间常数，二阶传定主要涉及到一阶传感器的时间常数，二阶传感器的固有角频率和阻尼系数等参数的确定。感器的固有角频率和阻尼系数等参数的确定。动态标定动态标定本讲稿第五十一页，共五十二页谢谢 谢谢 大大 家！家！本讲稿第五十二页，共五十二页