1、第二章第二章 检测系统及其基本特性检测系统及其基本特性北京科技大学北京科技大学第二章第二章 检测系统及其基本特性检测系统及其基本特性 要求质量可靠、功能齐全要求质量可靠、功能齐全 要求产品性能要求产品性能/价格比高价格比高物美价廉物美价廉 要求产品具备自动化和智能化的功能要求产品具备自动化和智能化的功能 轻薄短小、精制大方是产品外观发展的趋势轻薄短小、精制大方是产品外观发展的趋势对检测系统的基本要求一、检测系统性能一、检测系统性能-基本特性、功能、技术指标、性能基本特性、功能、技术指标、性能/价格比价格比-常量输入下系统的性能指标常量输入下系统的性能指标静态特性静态特性-灵敏度、不确定度、输入
2、范围、分辨力等灵敏度、不确定度、输入范围、分辨力等-决定系统能不能进行所需的检测和完成所需检测的程度决定系统能不能进行所需的检测和完成所需检测的程度动态特性动态特性-动态或变态信号输入下，与系统频率响应有关的特性动态或变态信号输入下，与系统频率响应有关的特性检测系统常用技术性能指标检测系统常用技术性能指标 输入量性能指标：量程、测量范围、过载能力等输入量性能指标：量程、测量范围、过载能力等 静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、分辨率、阈值、稳定性、漂移等分辨率、阈值、稳定性、漂移等 动态特性指标：时间常数、上升时间、响应时间、
3、过冲量、阻动态特性指标：时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、阻尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度、采尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度、采样频率等样频率等 对环境和配接要求：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵对环境和配接要求：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁干扰能力、敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁干扰能力、抗冲振要求等抗冲振要求等 可靠性指标：平均寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳可靠性指标：平均寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗
4、过载能力等性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗过载能力等 经济指标：性能经济指标：性能/价格比价格比1）基本功能特性）基本功能特性-决定系统的工作能力决定系统的工作能力1、静态特性：、静态特性：测量范围（测量范围（Range）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围上限值、下限值上限值、下限值 跨度（跨度（Span）：-测量范围上限与下限的算术差值测量范围上限与下限的算术差值测量范围的导出量（下限为零时）测量范围的导出量（下限为零时）线性检测装置线性检测装置-常数；常数；非线性检测装置非线性检测装置-变量变量与输入量为同一量纲与输入量为同一量纲-
5、放大比放大比/放大倍数放大倍数 灵敏度（灵敏度（Sensitivity）：系统输出信号的变化相对于输入信号变化：系统输出信号的变化相对于输入信号变化的比值的比值 k=dy/dx-常量常量/缓慢变化的输入情况下的输出特性缓慢变化的输入情况下的输出特性200200800800 C C、5mm5mm1）基本功能特性）基本功能特性 分辨力（分辨力（Resolution）动态范围（动态范围（Dynamic Range）跨度与绝对分辨力之比跨度与绝对分辨力之比-系统对输入信号大小的综合检测能力系统对输入信号大小的综合检测能力能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量能使系统输出发生变化所对应的最小的输入
6、变化量绝对值绝对值-；相对值；相对值 -满刻度（满刻度（Full Scale）的百分比）的百分比minmaxxx动态范围minmaxlg20 xx动态范围分贝数表示分贝数表示-测量值与被测量真值之差测量值与被测量真值之差-准确度准确度 示值误差（示值误差（error）重复性（重复性（Repeatability）外界条件不变的情况下，对同一被测量多次重复测量时测量值之间的外界条件不变的情况下，对同一被测量多次重复测量时测量值之间的分散性分散性-精密度精密度误差测量值真实值误差测量值真实值2）精度特性）精度特性-决定系统的在什么程度上完成所需的检测决定系统的在什么程度上完成所需的检测 非线性（非线
7、性（Non-linearity）a)最小二乘直线：标定最小二乘直线：标定值相对于该直线的误差值相对于该直线的误差平方和最小平方和最小b)端点连线：连接最大端点连线：连接最大与最小标定值的直线与最小标定值的直线-端基直线端基直线参考直线参考直线非线性误差非线性误差-实测曲线偏离理想直线的程度实测曲线偏离理想直线的程度理想检测系统理想检测系统-输出与输入输出与输入-比例关系：比例关系：y(t)=kx(t)实际检测装置实际检测装置-输出与输入不是理性的线性关系输出与输入不是理性的线性关系表示：实际测得的输入表示：实际测得的输入输出特性曲线（标定曲线）与其拟和直线输出特性曲线（标定曲线）与其拟和直线之
8、间的最大偏差与检测装置满量程输出范围之比：之间的最大偏差与检测装置满量程输出范围之比：e=m/yFS1-标定曲线标定曲线2-拟和直线拟和直线 回程误差（回程误差（Hysteresis）-迟滞迟滞/滞后误差滞后误差正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间 -检测装置检测装置输入输入 输出曲线的不重合程度输出曲线的不重合程度外界条件不变外界条件不变-同一大小的输入信号同一大小的输入信号-正反行程的输出信号数值不相等正反行程的输出信号数值不相等产生原因产生原因：检测装置中的弹性元件、：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材机械传动中
9、的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞料的磁滞-实验确定实验确定-满量程输出满量程输出yFS的百分比表示的百分比表示%100maxFSHhy 死区（死区（Dead band）漂移（漂移（Drift）-稳定性稳定性当系统输出信号不发生变化时所对应当系统输出信号不发生变化时所对应的输入信号的变化范围的输入信号的变化范围-系统元件的摩擦及空程等现象引起的系统元件的摩擦及空程等现象引起的输入不变的情况下，检测装置的输出随时间变化的趋势输入不变的情况下，检测装置的输出随时间变化的趋势温度的漂移（温漂）：灵敏度的温漂、零位的温漂温度的漂移（温漂）：灵敏度的温漂、零位的温漂-定量表示定量表示2、动态特性、动态特性-
10、变化变化/动态信号动态信号动态测量动态测量 -被测量本身随时间变化，而测量系统又能准确的跟随被测量被测量本身随时间变化，而测量系统又能准确的跟随被测量的变化而变化的变化而变化动态信号动态信号-幅值、时间、空间幅值、时间、空间/频率频率-由系统元件的机械、物理及光、电、磁等特性决定由系统元件的机械、物理及光、电、磁等特性决定动态特性动态特性-输入与输出在幅值与频率上的相互关系输入与输出在幅值与频率上的相互关系例：弹簧秤的力学模型例：弹簧秤的力学模型-静止物理模型静止物理模型m-被测物体质量被测物体质量k-弹簧弹性系数弹簧弹性系数m=ky/g“动态模型动态模型”-停止振动之前测量重量停止振动之前测
11、量重量x-托盘和被测物体的位移托盘和被测物体的位移M-托盘的质量托盘的质量微分方程（运动方程）微分方程（运动方程）y-弹簧变形量弹簧变形量y-指针的位移指针的位移mgkxxcxmM.)(xy.ygkyycyMmm-未知数未知数检测过程检测过程被检测信号被检测信号1 1）检测系统的频率响应）检测系统的频率响应h(t),H(w)检测系统检测系统x(t),X(w)y(t),Y(w)检测系统的自身特性检测系统的自身特性 检测系统输出信号检测系统输出信号三部分三部分:t 时刻的输出信号时刻的输出信号-t 时刻之前的输入对系统作用影响的综合时刻之前的输入对系统作用影响的综合傅立叶变换傅立叶变换-频率域频率
12、域-输出对于输入的频率响应输出对于输入的频率响应 输出输出-输入与系统自身特性的卷积：输入与系统自身特性的卷积：Y()、X()、H()-输入、输出、系统在频率域中的特性输入、输出、系统在频率域中的特性)()()()()()()(00txthdhtxdxthtyttdtdethxdtetyYtjtj)()()()()(0)()()()()(jttjtjeHXdtethdexH()-系统幅频响应特性；系统幅频响应特性；()-系统相频响应特性系统相频响应特性带宽（带宽（Band width）-系统动态特性的技术指标（工作频率范围）系统动态特性的技术指标（工作频率范围）-检测系统的适用频率范围检测系统
13、的适用频率范围-检测装置能够保证它的有关性能指标检测装置能够保证它的有关性能指标-灵敏度、非线性等灵敏度、非线性等2 2）典型动态输入信号）典型动态输入信号 阶跃信号阶跃信号000)(ttAttAtx载荷由载荷由A0瞬时加载到瞬时加载到A并维持在这个水平并维持在这个水平-相当于一个匀速加载过程相当于一个匀速加载过程统计意义统计意义-概率分布、均值与方概率分布、均值与方差等表示差等表示 正弦信号正弦信号A-振幅（常数）振幅（常数）斜坡信号斜坡信号0)(tkttxtAtxsin)(随机信号随机信号 2 f-角频率角频率3）系统的频率特性分析与比较）系统的频率特性分析与比较 零阶系统零阶系统数学表达
14、式数学表达式零阶系统、一阶系统、二阶系统零阶系统、一阶系统、二阶系统-各种系统的基本环节各种系统的基本环节)()(tkxty00/abk-系统静态灵敏度系统静态灵敏度频率特性频率特性幅频、相频特性曲线幅频、相频特性曲线 一阶系统一阶系统微分方程微分方程物理意义物理意义-时间常数时间常数-静态灵敏度静态灵敏度-归一化处理归一化处理频率响应函数频率响应函数幅频、相频特性幅频、相频特性-决定系统工作频率范围决定系统工作频率范围 二阶系统二阶系统微分方程微分方程归一化归一化-系统固有频率系统固有频率-系统阻尼比系统阻尼比标准传递函数标准传递函数-决定系统带宽决定系统带宽幅频、相频特性幅频、相频特性 分
15、辨力分辨力 系统的性能指标、价格系统的性能指标、价格-性能性能/价格比价格比1、检测系统性能的综合评估、检测系统性能的综合评估重视指标：重视指标：能干些什么？能在什么程度上干些什么？能干些什么？能在什么程度上干些什么？二、检测系统性能的综合评价与标定二、检测系统性能的综合评价与标定 工作工作/检测范围检测范围 工作频率工作频率 精度精度/重复性重复性 工作环境与寿命工作环境与寿命 成本与价格成本与价格宽工作范围宽工作范围-大的跨度和高分辨力（动态范围）大的跨度和高分辨力（动态范围）一阶系统一阶系统-时间常数；二阶系统时间常数；二阶系统-固有频率固有频率精度高、重复性误差小精度高、重复性误差小-
16、结果可靠结果可靠系统正常运行的工作条件系统正常运行的工作条件 -温度、相对湿度、振动、噪声环境等温度、相对湿度、振动、噪声环境等满足检测要求满足检测要求 -价格越低越好价格越低越好其他其他-软硬件操作方便；软件分析处理功能；接口；安全；容错能力；软硬件操作方便；软件分析处理功能；接口；安全；容错能力；兼容性；延续性；售后服务兼容性；延续性；售后服务 确定检测系统误差确定检测系统误差/确定检测特性的所有操作确定检测特性的所有操作检测系统检测系统-定量的数据或描述定量的数据或描述标定标定-定量描述的误差定量描述的误差2、检测系统的标定、检测系统的标定 标准系统比较式标准系统比较式 标准被测量比较式
17、标准被测量比较式1）标定方式：）标定方式：相同条件下相同条件下-被标定系统与已知的标准系统被标定系统与已知的标准系统-同一被测量同一被测量-比较比较输出结果输出结果-确定被标定系统误差确定被标定系统误差被标定系统被标定系统 -已知的标准量（长度已知的标准量（长度/重量等）检测结果比较重量等）检测结果比较 -偏差偏差为系统误差为系统误差标准仪器标准仪器/标准被测量标准被测量-标准追搠性标准追搠性用户用户-厂家厂家-地区标准化地区标准化/计量机构计量机构-国家标准化国家标准化/计量机构（计量局）计量机构（计量局）最高标准最高标准/计量权威计量权威（第一环）（第一环）（第二环）（第二环）（第三环）（
18、第三环）2）标定内容：）标定内容：量程与范围量程与范围 零点设置零点设置 分辨力分辨力 非线性非线性 灵敏度灵敏度 频率相应特性频率相应特性-标定报告标定报告 阶跃与其他输入的响应阶跃与其他输入的响应 外部环境（温度、湿度、光照度、振动、磁场等）的影响外部环境（温度、湿度、光照度、振动、磁场等）的影响今日作业今日作业人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
