第11-13章 檢測系統(tǒng)

1、欲使測量結(jié)果具有普遍的科學(xué)意義，測量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是經(jīng)過檢驗的。 標(biāo)定：用已知的標(biāo)準(zhǔn)校正儀器或測量系統(tǒng)的過程稱為標(biāo)定。 輸入到測量系統(tǒng)中的已知量是靜態(tài)量還是動態(tài)量，標(biāo)定分靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定。,11 傳感器與檢測儀器的標(biāo)定,2,11 傳感器與檢測儀器的標(biāo)定,靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器或檢測儀器的靜態(tài)特性指標(biāo)如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。 動態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器或檢測儀器的動態(tài)特性參數(shù)如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。,3,11.1 傳感器或檢測儀器的靜態(tài)標(biāo)定,靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指沒有加速度、振動、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測物理量)及環(huán)境溫度一般為室溫(205)相對濕度不大

2、于85。大氣壓力為(1017)kPa的情況。,標(biāo)定儀器設(shè)備(標(biāo)準(zhǔn)量具)精度等級的確定 標(biāo)準(zhǔn)量具的精度等級比被標(biāo)定傳感器至少高一個等級；,4,11.1 傳感器或檢測儀器的靜態(tài)標(biāo)定,靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件 確定傳感器靜態(tài)指標(biāo)，主要是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行標(biāo)定的，主要用于檢驗、測試其靜態(tài)特性指標(biāo)。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件主要包括沒有加速度、振動、沖擊（除參數(shù)本身是被測量）及環(huán)境溫度（一般為室溫205）、相對濕度不大于85、氣壓為（1017）kPa等條件。 一般的靜態(tài)標(biāo)定包括如下步驟： （1）將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點。,5,11.1 傳感器或檢測儀器的靜態(tài)標(biāo)定

3、,（2）根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大、逐點遞增輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄與各點輸入值相對應(yīng)的輸出值。 （3）將輸入量值由大到小、逐點遞減，同時記錄下與各點輸入值相對應(yīng)的輸出值。 （4）按上述步驟（2）、（3）所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次（一般為310次）測試，將得到的輸出-輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線。 （5）對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理。輸入已知標(biāo)準(zhǔn)非電量，測出傳感器的輸出，給出標(biāo)定曲線、標(biāo)定方程和標(biāo)定常數(shù)，計算靈敏度、線性度、滯差、重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。,6,11.2 傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定,傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器或檢測儀器的動態(tài)響應(yīng)。 與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的

4、參數(shù)：一階系統(tǒng)只有一個時間常數(shù)，二階系統(tǒng)則有固有頻率n和阻尼比兩個參數(shù)。,7,一階傳感器或檢測儀器的單位階躍響應(yīng)（如圖1-15）,11.2 傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定,圖1-15 一階傳感器的階躍響應(yīng) (a)單位階躍信號；(b)一階傳感器階躍響應(yīng)曲線,一、一階傳感器的動態(tài)標(biāo)定,確定時間常數(shù),對于一階測量系統(tǒng)，測得階躍響應(yīng)后，取輸出值達(dá)到最終值63.2%所經(jīng)過的時間作為時間常數(shù) 。只用到一個實驗數(shù)據(jù)。,8,11.2 傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定,存在的問題： 沒有涉及響應(yīng)的全過程，測量結(jié)果的可靠性僅僅取決某些個別的瞬時值，尤其是零點不好確定，其次是動態(tài)測量中存在隨機噪聲的影響，必然影響到讀數(shù)誤差。

5、 改進(jìn)方法： 一階測量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)函數(shù)為,9,11.2 傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定,圖11-1,若改寫上式為： 1y(t)= et/,作zt曲線，根據(jù)t/z值由此確定時間 常數(shù)，這種方法考慮了傳感器 瞬態(tài)響應(yīng)的全過程。如圖11-1所示。,式中， z=ln1y(t),上式表明z和時間t成線性關(guān)系,并且有=t / z （如圖11-1 ）,令,二、二階傳感器的動態(tài)標(biāo)定 確定傳感器的阻尼比和固有頻率n 。 欠阻尼二階傳感器的階躍響應(yīng)（如圖11-2）,圖11-2 二階傳感器(1)的階躍響應(yīng),11.2 傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定,y(t)以d= n12作衰減振蕩，按照求極值的方法可得 各振蕩峰值對應(yīng)的時

6、間tp=0，/d，2/d，將 t=/d代入y(t)的表達(dá)式，可得最大過沖量M 或 測得M，由上式或圖11-3，可求阻尼比；由標(biāo)定測得的tp ，得d ，n。,11.2 傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定,11.2 傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定,圖11-3 -M曲線,如果測得階躍響應(yīng)有較長瞬變過程，還可利用任意兩個過調(diào)量 和 來求得阻尼比 ， 其中n為兩峰值相隔的周期（整數(shù)）。設(shè) 峰值對應(yīng)的時間為ti，則峰值 對應(yīng)的時間為,將它們代入欠阻尼二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)計算式，可得,整理后可得,式中,(11-5),11.2 傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定,14,當(dāng) 0.1時,若考慮以l代替 ，則,也可以利用正弦信號輸入，

7、測定傳感器輸出與輸入的幅 值比和相位差來確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根 據(jù)幅頻特性分別按圖11-4和11-5來求一階傳感器的時間常數(shù) 和欠阻尼二階傳感器的阻尼比和固有頻率n。,圖11-4 由幅頻特性求一階 11-5 由幅頻特性求欠阻尼 傳感器時間常數(shù) 二階裝置的和n,11.2 傳感器或檢測儀器的動態(tài)標(biāo)定,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ), 測量的目的是希望通過測量獲取被測量的真實值。但由于種種原因, 例如, 傳感器本身性能不十分優(yōu)良, 測量方法不十分完善, 外界干擾的影響等, 都會造成被測參數(shù)的測量值與真實值不一致, 兩者不一致程度用測量誤差表示。 ,測量誤差,（1）絕對誤差 絕對誤差在理論上是指測

8、量值X與被測量的真實值L之 間的差值，即 =XL 絕對誤差是可正可負(fù)的，而不是誤差的絕對值；絕對誤 差還有量綱，它的單位與被測量的單位相同。,測量誤差的表示方法有多種, 含義各異。 ,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),測量誤差就是測量值與真實值之間的差值。 它反映了測量質(zhì)量的好壞。,采用絕對誤差表示測量誤差, 不能很好說明測量質(zhì)量的好壞。 例如, 在溫度測量時, 絕對誤差=1 , 對體溫測量來說是不允許的, 而對測量鋼水溫度來說卻是一個極好的測量結(jié)果。 某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？ ,13 檢測技

9、術(shù)基礎(chǔ),測量誤差的分類： 根據(jù)引起誤差的原因和誤差的性質(zhì)，測量誤差可分為 三類： 系統(tǒng)誤差，具有確定性，決定測量的準(zhǔn)確度，可以進(jìn) 行修正； 隨機誤差（偶然誤差），具有偶然性，決定測量的精密度，利用誤差理論進(jìn)行處理； 疏忽誤差，是錯誤，應(yīng)剔除。,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),（2）相對誤差 實際相對誤差： （13-4）,由于被測量的真實值L無法知道, 實際測量時用測量值X代替真實值L進(jìn)行計算, 這個相對誤差稱為標(biāo)稱相對誤差, 即：,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),14.0.2 儀表誤差 1 .儀表誤差術(shù)語 測量儀表的示值誤差 =儀表示值x-真實值xi =xx0(xi用約定真值x0來代替 ) 相對示值誤差 測量儀表的最

10、大允許誤差 定義是“對給定的測量儀 表，規(guī)范、規(guī)程等所允許的誤差極限值”。有時也稱為測 量儀表的允許誤差限，或簡稱允許誤差（允）。,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),（3)引用誤差 測量范圍和量程 測量范圍: 指“測量儀器的誤差處在規(guī)定極限內(nèi)的一組 被測量的值”。 量程: 指測量范圍的上限值和下限值的代數(shù)差。 例如：測量范圍為0100時，量程為100； 測量范圍為20100時，量程為80； 測量范圍為20100時，量程為120。,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),儀表誤差： （儀表）引用誤差： 儀表的準(zhǔn)確度用儀表的最大引用誤差max（即儀表的最大 允許誤差允）來表示，即 式中，max儀表在測量范圍內(nèi)的最大絕對誤差； 儀表

11、誤差整體上評價儀表在其測量范圍內(nèi)測量的好壞。,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),儀表精度等級a（去掉儀表誤差的“”號和“%”） a=0.005，0.01，0.02，0.05；0.1， 0.2， ( 0.4)，0.5； 級標(biāo)準(zhǔn)表 級標(biāo)準(zhǔn)表 1.0，1.5， 2.5，(4.0)；等 工業(yè)用表 儀表的基本誤差： max=儀表量程a% 儀表精度等級是根據(jù)引用誤差來確定的。 例如, 0.5級表的引用 誤差的最大值不超過0.5%，1.0級表的引用誤差的最大值不 超過1%。 ,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),例13-1 某壓力傳感器的測量范圍為010MPa，校驗該傳感 器時得到的最大絕對誤差為0.08MPa，試確定該傳感器的精 度等

12、級。 解：該傳感器的精度為： 由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表，而該傳感器的 精度又超過了0.5級儀表的允許誤差，所以，這只傳感器的精 度等級應(yīng)定為1.0級。 根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級時，儀表的精度等級 值應(yīng)選不小于由校驗結(jié)果所計算的精度值,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),例13-2 某測溫傳感器的測量范圍為01000，根據(jù)工藝要 求，溫度指示值的誤差不允許超過7，試問應(yīng)如何選擇傳感 器的精度等級才能滿足以上要求? 解：根據(jù)工藝要求，傳感器的精度應(yīng)滿足： 此精度介于0.5級和1.0級之間，若選擇精度等級為1.0級的傳 感器，其允許最大絕對誤差為10，這就超過了工藝要求的 允許誤差，故應(yīng)選

13、擇0.5級的精度才能滿足工藝要求。 根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級時，儀表的精度等級值應(yīng) 不大于工藝要求所計算的精度值 。 在使用儀表和傳感器時, 經(jīng)常也會遇到基本誤差和附加誤差 兩個概念。,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),基本誤差和附加誤差： 基本誤差是指儀表在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差。 例如, 儀表是在電源電壓(2205)V、電網(wǎng)頻率(502)Hz、環(huán)境溫度(205)、 濕度65%5%的條件下標(biāo)定的。如果這臺儀表在這個條件下工作, 則儀表所具有的誤差為基本誤差。測量儀表的精度等級就是由基本誤差決定的。 附加誤差是指當(dāng)儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。例如, 溫度附加誤差、頻率附加誤差、電源電

14、壓波動附加誤差等。 ,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),誤差的性質(zhì) 根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律, 將誤差分為三種, 即系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。這種分類方法便于測量數(shù)據(jù)處理。 （1） 系統(tǒng)誤差對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時, 如果誤差按照一定的規(guī)律出現(xiàn), 則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。例如, 標(biāo)準(zhǔn)量值的不準(zhǔn)確及儀表刻度的不準(zhǔn)確而引起的誤差。 （2） 隨機誤差對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時, 絕對值和符號不可預(yù)知地隨機變化, 但就誤差的總體而言, 具有一定的統(tǒng)計規(guī)律性的誤差稱為隨機誤差。 ,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ),引起隨機誤差的原因是很多難以掌握或暫時未能掌握的微小因素, 一般無法控制。對于隨機誤差不能用簡單的修正值來修正,只能用概率和數(shù)理統(tǒng)計的方法去計算它出現(xiàn)的可能性的大小。 （3） 粗大誤差-明顯偏離測量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差, 又稱疏忽誤差。這類誤差是由于測量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的。對于粗大誤差, 首先應(yīng)設(shè)法判斷是否存在, 然后將其剔除。,13 檢測技術(shù)基礎(chǔ), 從工程測量實踐可知, 測量數(shù)據(jù)中含有系統(tǒng)誤差和隨機誤差, 有時還會含有粗大誤差。它們的性質(zhì)不同, 對測量結(jié)果的影響及處理方法也不同。 在測量中, 對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時, 首先判斷測量數(shù)據(jù)中是否含有粗大誤差, 如有, 則必須