檢測系統(tǒng)的特征與性能指標.ppt

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第1章檢測系統(tǒng)的特征與性能指標 1 1檢測系統(tǒng)的組成1 2檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標1 3檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性與性能指標 下頁 返回 1 1檢測系統(tǒng)的組成檢測技術涉及到半導體技術 激光技術 光纖技術 聲控技術 遙感技術 自動化技術 計算機應用技術 以及數(shù)理統(tǒng)計 控制論 信息論等近代新技術和新理論 其最終目的就是從測量對象中獲取反映其變化規(guī)律的有用信息 一個廣義的檢測系統(tǒng)一般由激勵裝置 測試裝置 數(shù)據處理與記錄裝置所組成 如圖1 1 下頁 上頁 返回 1 1 1各組成部分的特點 1 激勵信號激勵信號由激勵裝置產生 采用激勵裝置是為了使被測對象處于預定狀態(tài)下 并將其有關方面的內在聯(lián)系充分顯示出來 以便于有效的測量 當測試工作所希望獲取的信息并沒有直接載于可檢測的信號中 就需要激勵被測對象 使其既能表示相關信息又便于檢測 2 測試對象測試對象的特性均以信號的形式給出 被測信號一般都是隨時間變化的動態(tài)量 即使在檢測不隨時間變化的靜態(tài)量時 由于混有動態(tài)的干擾噪聲 通常也也按動態(tài)量進行檢測測量 下頁 上頁 返回 3 傳感器傳感器將感知的被測非電量按一定的規(guī)律轉化為某一種量值輸出 通常是電信號 傳感器輸出的電信號一般不能直接傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號處理電路或輸出元件中去 必須經過信號的調理 4 信號調理電路信號調理電路的主要作用有兩方面 一是把來自于傳感器的信號進行轉換和放大 使其更適合于進一步處理和傳輸 第二方面是進行信號處理 即對經過信號調理的信號 進行濾波 調制和解調 衰減 運算 數(shù)字化處理等 下頁 上頁 返回 5 信號的分析與記錄信號調理電路輸出的測量結果是對被測信號的真實記錄 為了顯示其變化過程 可以采用光線示波器 屏幕顯示器 打印機等輸出裝置 此外還可以用磁記錄器來存儲被測信號 以便于檢測工作完成后反復使用信號 要從客觀記錄的信號中找出反映被測對象的本質規(guī)律 還必須對信號進行分析從而提取有用信息 現(xiàn)代檢測系統(tǒng)采用了計算機和網絡技術 將調理電路輸出的信號直接送到信號分析設備中處理 進行在線處理 已在工程檢測和工業(yè)控制中得到廣泛的應用 下頁 上頁 返回 1 1 2線性時不變系統(tǒng)及其主要性質 下頁 上頁 返回 當系統(tǒng)的輸入和輸出之間關系可用常系數(shù)線性微分方程來描述時 則稱該系統(tǒng)為線性時不變系統(tǒng) 也稱為定常線性系統(tǒng) 即 1 1 式中為時間變量 和均為常數(shù) 1 疊加性設為輸入 為輸出 若 下頁 上頁 返回 則 1 2 滿足疊加原理 意味著作用于線性系統(tǒng)的各個輸入所產生的輸出是互不影響的 2 比例性 齊次性 設為輸入 為輸出 若 則對于任何一個常數(shù) 有 1 3 3 微分性零初始條件下 系統(tǒng)對原輸入微分的響應等于原輸出的微分 即 對于為輸入 為輸出 若 則有 1 4 下頁 上頁 返回 4 積分性零初始條件下 系統(tǒng)對原輸入積分的響應等于原輸出的積分 即 為輸入 為輸出 若 則有 1 5 5 頻率保持特性對于線性定常系統(tǒng) 若輸入為某一頻率的簡諧 正弦或余弦 信號 則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出必定是與輸入同頻率的簡諧信號 即 此規(guī)律稱為頻率保持特性 但其幅值和初相位將發(fā)生變化 下頁 上頁 返回 1 2檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標靜態(tài)檢測是指測量時 檢測系統(tǒng)的輸入 輸出信號不隨時間變化或變化很緩慢 靜態(tài)檢測時 系統(tǒng)所表現(xiàn)出的響應特性稱為靜態(tài)響應特性 通常用來描述靜態(tài)響應特性的指標有測量范圍 靈敏度 非線性度 回程誤差等 1 2 1測量范圍檢測系統(tǒng)能正常測量的最小輸入量和最大輸入量之間的范圍 下頁 上頁 返回 1 2 2靈敏度靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比 即 1 6 下頁 上頁 返回 1 2 3非線性度如圖1 3所示 標定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度 如果在全量程A輸出范圍內 標定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B 則定義非線性度為 1 7 1 2 4回程誤差如圖1 4所示 回程誤差也稱為滯后或變差 實際測量系統(tǒng)在相同的測量條件下 當輸入量由小增大 下頁 上頁 返回 或由大減小時 對于同一輸入量所得到的兩個輸出量存在差值 則定義回程誤差為 1 8 1 2 5穩(wěn)定度和漂移穩(wěn)定度通常是相對時間而言 指檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下保持其測量特性恒定不變的能力 漂移指檢測系統(tǒng)隨時間的慢變化 在規(guī)定條件下 對于一個恒定的輸入在規(guī)定時間內的輸出在標稱范圍最低值處的變化 稱為零點漂移 簡稱零漂 溫度變化引起的漂移叫溫漂 1 2 6靜態(tài)響應特性的其他術語 1 精度精確度的簡稱 表示隨機誤差和系統(tǒng)誤差的綜合評定指標 下頁 上頁 返回 2 可靠性與檢測系統(tǒng)無故障工作時間長短有關的一種描述 3 分辨率能引起輸出變化的輸入量的最小變化量 表示檢測系統(tǒng)分辨輸入量微小變化的能力 4 靈敏閥又稱死區(qū) 是用來衡量檢測起始點不靈敏的程度 下頁 上頁 返回 式中t為時間變量 和均為常數(shù) 此系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng) 1 3檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性與性能指標1 3 1微分方程檢測系統(tǒng)用于動態(tài)測量時 輸入與輸出均隨時間變化 其關系用式 1 1 的微分方程描述 即 下頁 上頁 返回 故有 1 9 1 3 2傳遞函數(shù) 1 傳遞函數(shù)的定義零初始條件下 線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換和輸入量的拉氏變換之比稱為系統(tǒng)傳遞函數(shù) 在零初始條件下 對式 1 1 兩邊同時作拉氏變換 則有 下頁 上頁 返回 2 傳遞函數(shù)的特點1 傳遞函數(shù)表示了系統(tǒng)本身的動態(tài)性能與輸入量大小及性質無關 對于具體的系統(tǒng) 其傳遞函數(shù)不因輸入的變化而不同 對任何一個輸入都有確定的輸出 2 相似系統(tǒng) 傳遞函數(shù)不拘泥于被描述系統(tǒng)物理結構而只反映動態(tài)性能 不同的物理系統(tǒng) 可以用相同的傳遞函數(shù)來描述 稱為相似系統(tǒng) 3 傳遞函數(shù)可以有量綱 也可以無量綱 4 傳遞函數(shù)是復變量s的有理分式 對于實際系統(tǒng) 分子階次m n 分母最高階次n為輸出量最高階導數(shù)的階次 也確定系統(tǒng)的階次n階系統(tǒng) 下頁 上頁 返回 3 常見測試裝置的傳遞函數(shù)1 一階系統(tǒng)傳遞函數(shù) 1 10 式中 T 為時間常數(shù) 單位為秒 下頁 上頁 返回 2 二階系統(tǒng)傳遞函數(shù) 1 11 式中 為系統(tǒng)的靈敏度 為系統(tǒng)的阻尼比 為系統(tǒng)的無阻尼固有頻率 令 兩邊同時作拉氏變換 整理得 下頁 上頁 返回 例1 液柱式水銀溫度計設為被測環(huán)境溫度 為水銀柱輸出溫度值 C表示熱容量 R表示熱阻 由熱力學方程有 例2 RLC電路 輸入為 輸出為 根據電路基本定律 有 下頁 上頁 返回 上式兩邊同時作拉氏變換 并消去中間變量 得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 1 3 3頻率響應函數(shù)根據線性定常系統(tǒng)的同頻性 如果輸入信號為 則輸出信號為代入式 1 1 可得 1 12 其中 稱為測量系統(tǒng)的頻率響應函數(shù) 即 1 13 是頻率響應函數(shù)的模 為的函數(shù) 也是動態(tài)檢測系統(tǒng)的靈敏度 隨著頻率變化而變化 故稱為幅頻特性 與靜態(tài)測量中靈敏度為常數(shù)有顯著的區(qū)別 下頁 上頁 返回 為頻率響應函數(shù)的相角 它表示了檢測系統(tǒng)輸出信號相對于輸入信號初始相位的遷移量 也是的函數(shù) 所以也稱為相頻特性 常見系統(tǒng)的頻率響應函數(shù) 1 一階系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)為 其幅頻特性與相頻特性分別為 1 14 1 15 其中負號表示輸出信號滯后于輸入信號 一階系統(tǒng)奈氏圖 伯德圖分別如圖1 7 圖1 8所示 一階系統(tǒng)的幅頻 相頻特性圖如圖1 9所示 下頁 上頁 返回 圖1 7一階系統(tǒng)奈氏圖 圖1 8一階系統(tǒng)伯德圖 下頁 上頁 返回 1 當激勵頻率遠小于時 輸出與輸入的幅值幾乎相等 接近1 當 系統(tǒng)相當于一個積分器 其中幾乎與激勵頻率成反比 相位滯后近90 故一階系統(tǒng)適合測試緩變或低頻的被測量 2 時間常數(shù)T是反映一階系統(tǒng)特性的重要參數(shù) 其值決定系統(tǒng)適用的頻率范圍 下頁 上頁 返回 由圖1 9可見 一階系統(tǒng)的幅頻特性曲線隨著的增加單調減小 衰減很快 所以一階系統(tǒng)具有低通濾波的特性 在一階系統(tǒng)特性中 應特別注意以下幾點 2 二階系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)由二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 可得二階系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)為 相應的幅頻特性和相頻特性分別為 1 16 1 17 下頁 上頁 返回 相應的幅頻 相頻特性曲線的伯德圖如圖 1 10 所示 圖1 10二階系統(tǒng)伯德圖 a 幅頻特性 b 相頻特性 下頁 上頁 返回 二階系統(tǒng)具有以下的特點 1 當時 當時 2 影響二階系統(tǒng)動態(tài)特性的參數(shù)是固有頻率和阻尼比 其固有頻率的選擇應以工作頻率范圍為依據 在附近 系統(tǒng)幅頻特性受阻尼比影響極大 時 系統(tǒng)發(fā)生共振 實際測量時 應該避免此情況 此時 在測定系統(tǒng)本身參數(shù)時 有重要的意義 3 段 很小 且和頻率近似成正比增加 段 趨近于180 即輸出信號幾乎和輸入反相 在區(qū)間 隨頻率的變化而劇烈變化 而且越小 變化越劇烈 4 二階系統(tǒng)是一個振蕩環(huán)節(jié) 從檢測工作的角度來看 總希望檢測系統(tǒng)在較寬的頻帶內由于頻率特性不理想所引起的誤差盡可能小 因此 要選擇恰當?shù)墓逃蓄l率和阻尼比的組合 以獲得較小的誤差 下頁 上頁 返回 1 3 4實現(xiàn)不失真測量的條件如果一個檢測系統(tǒng) 其輸出和輸入滿足下列關系 1 18 其中都是常數(shù) 表明該系統(tǒng)輸出的波形和輸入的波形精確的一致 只是幅值放大了A倍和時間上延遲了 這種情況 被認為測試裝置具有不失真測量的特性 對式 1 18 兩邊取拉氏變換 得故不失真測試裝置的傳遞函數(shù)為 1 19 下頁 上頁 返回 頻率響應函數(shù)為 1 20 其幅頻與相頻特性分別為 1 21 1 22 由此可見 要實現(xiàn)不失真檢測 檢測系統(tǒng)的幅頻特性應為常數(shù) 相頻特性應為線性 引起的失真稱為幅值失真 與之間不滿足線性關系引起的失真稱為相位失真 上頁 返回