檢測裝置基本特性

檢測裝置基本特性第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測系統(tǒng)的一般特性側重應用的場合稱檢測裝置理論分析時稱為檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)和檢測裝置第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器的基本特性：傳感器的輸入－輸出關系特性。是傳感器內部結構參數作用關系的外部表現輸入信號分為：穩(wěn)態(tài)、動態(tài)對應傳感器特性：靜態(tài)特性、動態(tài)特性對傳感器的要求：高精度－＞信號（或能量）無失真轉換－＞反映被測量的原始特征第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測系統(tǒng)的特性分析通常應用在三個方面：1.已知裝置的特性和輸出信號，推斷輸入信號。測量未知量2.已知檢測裝置的特性和輸入信號，推斷輸出信號。3.已知裝置的輸入輸出信號，推斷裝置的特性。用于裝置的分析、設計和研究。(反卷積)(正問題)（系統(tǒng)辨識)第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月如何描述檢測裝置的特性呢？一般用數學表達式（數學模型）表示模擬檢測系統(tǒng)——微分方程離散時間域——差分方程本章討論連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。微分方程描述了裝置的輸入輸出關系第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性線性檢測裝置概述檢測裝置的基本特性：線性性質非線性影響其準確性第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一般數學模型

對于線性系統(tǒng)的動態(tài)響應使用最廣泛的數學模型是高階常系數微分方程。線性系統(tǒng)表示第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一般數學模型既是線性的又是時不變的系統(tǒng)叫做線性時不變系統(tǒng)。具有如下性質：1.疊加性2.齊次性綜合性質1和2得線性時不變系統(tǒng)的性質第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測系統(tǒng)的一般特性

為使檢測系統(tǒng)能正確反映其被測量與輸出信號的數值或變化情況，我們來研究它的一些靜態(tài)和動態(tài)性能指標。檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性檢測系統(tǒng)的一般特性第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性靜態(tài)特性輸入和輸出信號不隨時間變化，則微分為零，輸出是輸入的線性表達。靜態(tài)模型:在靜態(tài)信號(輸入信號不隨時間變化)的作用下，輸出量Y與輸入量X間的關系。第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測系統(tǒng)的四種典型靜態(tài)特性靜態(tài)特性方程檢測系統(tǒng)四種典型靜態(tài)特性輸出量(測量值)....221實際輸出量理論值；輸入量(被測量)；---++++=yYY/y－xxaxaxaaYnn第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性線性度.見（圖1-2）、（圖1-3）、（圖1-4）靈敏度.遲滯性（又叫回差）.重復性.分辨率.漂移.靜態(tài)特性參數第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性－－線性度靜態(tài)特性－線性度線性化補償電路機械式非線性補償機構軟件處理

線性化處理第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月基準曲線的不同擬合方法實線表示實際特性曲線；虛線表示擬合曲線目的是減小其最大偏差至最小方法可改變斜率或使其最大正負偏差絕對值相等基準曲線的不同擬合方法第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月端基線性度

端基直線定義：由輸出量程所決定的實際平均輸出特性曲線首末兩端點的連線。端基線性度擬合直線端基直線第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性-靈敏度

系統(tǒng)在靜態(tài)工作的條件下，其單位輸入所產生的輸出，稱靈敏度.靜態(tài)特性－靈敏度第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性-遲滯性靜態(tài)特性－遲滯性遲滯性用回差度量。反映傳感器的輸入量在正向行程和反向行程全量程多次測試時，所得到的特性曲線的不重合程度。圖1－6遲滯現象原因：傳感器機械部分存在摩擦、間隙、松動、積塵等第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性-重復性靜態(tài)特性－重復性重復性（不重復性）Ex反映了傳感器在輸入量按同一方向（增或減）全量程多次測試時，所得到的特性曲線的不一致程度。Δmax─最大不重復誤差圖1－7重復性第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性-分辨率靜態(tài)特性－分辨率

在規(guī)定的測量范圍內，傳感器所能檢測出輸入量的最小變化值。有時也用相對于輸入的滿量程的相對值表示。即：△xminxFS×100%xFS——輸入量的滿量程值第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性-漂移靜態(tài)特性－漂移

傳感器在外界的干擾下，輸出量發(fā)生了與輸入量無關的變化.主要有“零點漂移”和“靈敏度漂移”，這兩種漂移又可分為“時間漂移”和“溫度漂移”。時間漂移——零點或靈敏度隨時間而發(fā)生緩慢的變化溫度漂移——零點或靈敏度隨環(huán)境溫度的變化而改變產生原因：零點漂移——傳感器自身結構參數老化溫度漂移——測試過程中環(huán)境發(fā)生變化第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)特性動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器對動態(tài)激勵（輸入）的響應（輸出）特性。反映了系統(tǒng)對隨時間變化的輸入量的響應特性.動態(tài)特性好的傳感器，其輸出隨時間變化的規(guī)律，將能再現輸入隨時間變化的規(guī)律，即具有相同的時間函數

第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)特性動態(tài)特性動態(tài)模型是指在動態(tài)信號(輸入信號隨時間變化)的作用下，輸出量Y與輸入量X間的關系。可以用微分方程

或系統(tǒng)函數

(傳遞函數

)來描述。

動態(tài)特性的一般數學模型復頻域中研究傳遞函數頻域中研究頻率響應函數時域中研究階躍/脈沖響應函數第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一階和二階裝置的頻率響應第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一般數學模型高階微分方程數學模型例題1－1第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1－1例題1-1：由彈簧阻尼器構成的壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量(壓力)F為F(t)=b0

x

(t)，輸出量為位移y(t)，列出其微分方程。圖1

一階傳感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：根據牛頓第二定律：{f阻力+f彈力=F(t)}阻尼系數彈性系數對于較為復雜的系統(tǒng)，微分方程的求解過程也很復雜，可以利用傳遞函數（系統(tǒng)函數）來處理。在x(t)為已知的情況下，余下的問題歸結到這個一階常系數微分方程的求解問題。第27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月傳遞函數檢測系統(tǒng)由零狀態(tài)起始，對數學模型作拉氏變換后得系統(tǒng)傳遞函數H(s)傳遞函數例題1－2第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1－2例題1-2：求例題1-1的傳遞函數。系統(tǒng)輸入量(壓力)F為

F(t)=b0

x

(t

)，輸出量為位移y

(

t)。圖

1一階傳感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：①列出微分方程②作拉普拉斯變換③令H(S

)中的S

=jω,即σ=

0由Ｈ(jω)可以分析該系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率響應函數傳感器的頻率響應是指各種頻率不同而幅值相同的正弦量（信號）輸入時，其輸出的正弦信號的幅值、相位(與輸入量間的相差）與頻率之間的關系。即幅頻特性和相頻特性。

分析切入點：系統(tǒng)的傳遞函數。即?。?S

)、S

=σ+jω中的σ=

0

,Ｈ(S

)→

Ｈ(jω)《信號與系統(tǒng)》H(jω)=Y(jω

)X(jω)=an

(jω)

n+an-1(jω)

n-1+

……+a1(jω)

+a0bm(jω)

m+bm-1(jω)

m-1+

……+b1(jω)

+b0Ｈ(jω)是個復數，可以用e

指數的形式表示：Ｈ(jω)的實部Ｈ(jω)的虛部

頻率響應第30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1－3例題1-3：一階傳感器（例題1-2）的頻率響應圖

1一階傳感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：系統(tǒng)的微分方程和傳遞函數圖

2一階傳感器的頻率特性00-10-20-90-45-20dB/10倍頻低頻低阻尼第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1－4－1例題1-4：二階傳感器的頻率響應所謂二階傳感器是指由二階微分方程所描述的傳感器，分析如下固有頻率靜態(tài)靈敏度阻尼比第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1－4－200-10-20-90-1801020ξ=0.10.20.30.50.71.0ξ=1.00.70.50.30.20.10.10.20.40.6124610圖

3二階傳感器的頻率特性曲線無上沖。(a)(b)(c)第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1－5例題1-5：零階傳感器的頻率響應零階傳感器的輸出值與輸入值成恒定的比例關系，與輸入量的頻率無關。實際應用中當輸入量的頻率不太高時，都可以看成是零階傳感器。條件第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖響應函數階躍響應（脈沖響應）給原來處于靜態(tài)傳感器輸入階躍信號，在不太長的一段時間內，傳感器的輸出特性即為其階躍響應特性。輸入量x(t)一般可表示為：圖4

階躍響應特性1.000.900.500.10Ｏ典型的階躍響應特性最大超調量σp延滯時間td上升時間tr峰值時間tp響應時間ts應該指出，并不是所有的傳感器都具有相同形狀的階躍響應特性，需要具體分析。第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一階傳感器階躍①一階傳感器的階躍響應特性方程的解：滿足初始條件ts0τ小τ大y一階傳感器的階躍響應特性響應時間t

=

TS

時的動態(tài)誤差ed：穩(wěn)態(tài)輸出響應時間一階傳感器的微分方程：第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二階傳感器階躍②二階傳感器的階躍響應特性隨阻尼比ξ的不同，有三種不同的解。ys021ωntξ=01.510.60.2二階傳感器的微分方程：第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴靜態(tài)特性掌握傳感器的基本測量精度。⑵動態(tài)特性①頻率響應特性(了解傳感器的幅頻特性和相頻特性)在動態(tài)量測量時使其頻率處于傳感器的通帶之內，且輸出信號的相移盡可能的小；設計傳感器時，即要保證傳感器的通帶（與ωn有關），又要控制阻尼盡可能達到臨界阻尼。

②階躍響應特性傳感器的階躍響應時間，對數據的采集十分重要(防止采錯),設計傳感器時，即要減小輸出的過沖，又要盡量減小階躍響應時間。研究動態(tài)和靜態(tài)特性的意義第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月1.非線性失真2.幅頻失真3.相頻失真

研究動態(tài)特性和靜態(tài)特性的意義測量信號的失真第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月充分必要條件：不失真測量條件第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月檢測裝置的組建將傳感器、信號調理電路、標準接口板卡與PC計算機結合。組建的基本原則：使得其基本特性達到期望的指標要求。低成本和高性能之間的折中。

第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)特性常見裝置的數學模型

1.一階裝置2.二階裝置第42頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一階裝置—彈簧阻尼器第43頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一階裝置微分方程第44頁，課件共52頁，創(chuàng)作于20