檢測(cè)系統(tǒng)的特征與性能指標(biāo).ppt

1、1.傳感器與檢測(cè)技術(shù)，興航電話2。第一章檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)。1.1檢測(cè)系統(tǒng)概述1)檢測(cè)是利用各種物理和化學(xué)效應(yīng)，選擇合適的方法和裝置，對(duì)生產(chǎn)、科研、生活等方面的相關(guān)信息給出定性或定量結(jié)果的過程。2)工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的種類和內(nèi)容工業(yè)檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容非常廣泛，常見的工業(yè)檢測(cè)包括以下內(nèi)容：3)檢測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由傳感器、模擬信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)分析處理部分、顯示部分和將處理后的信號(hào)傳輸給控制器、其他檢測(cè)系統(tǒng)或主機(jī)系統(tǒng)等的通信接口部分組成。(1)傳感器傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它的主要功能是將檢測(cè)到的非電量轉(zhuǎn)換成一定的輸出值，通常是電信號(hào)。由于傳感器種類繁多，幾乎所有的

2、非電參數(shù)都可以檢測(cè)到。然而，由于傳感器輸出的電信號(hào)種類繁多且功率較低，電信號(hào)不能直接傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號(hào)處理電路或輸出元件，必須通過信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。(2)信號(hào)調(diào)節(jié)電路信號(hào)調(diào)節(jié)電路有兩個(gè)主要功能。一種是轉(zhuǎn)換和放大來自傳感器的信號(hào)，使其更適合進(jìn)一步處理和傳輸。在大多數(shù)情況下，它將各種電信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的少數(shù)電信號(hào)，如電壓、電流和頻率；第二個(gè)方面是信號(hào)處理，即濾波、調(diào)制和解調(diào)、運(yùn)算、數(shù)字處理等等。記錄和顯示儀器目前常用的顯示器有四種：模擬顯示器、數(shù)字顯示器、圖像顯示器和記錄器。(4)信號(hào)分析與處理作為現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)的一部分，不斷注入新的內(nèi)容，逐漸成為檢測(cè)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。它用于對(duì)試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、

3、計(jì)算、邏輯判斷和線性變換，并對(duì)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行頻譜分析(振幅頻譜分析、功率譜分析)和相關(guān)分析。必須采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來完成這些任務(wù)。(5)通信接口和總線，用于在由多個(gè)測(cè)量子系統(tǒng)或測(cè)量節(jié)點(diǎn)組成的大型檢測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)和上位機(jī)之間以及子系統(tǒng)之間的信息交換?？偩€更多的是指一種標(biāo)準(zhǔn)和一種結(jié)構(gòu)形式；接口是指完成通信的硬件系統(tǒng)。1)傳感器的定義傳感器/傳感器的定義定義為：“能夠感知(或響應(yīng))特定測(cè)量并根據(jù)特定規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)的設(shè)備或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成?！?)傳感器的組成，傳感元件指的是傳感器中能夠直接感受測(cè)量的部分，過渡元件指的是傳感器中能夠?qū)鞲性妮敵鲛D(zhuǎn)換成適于傳輸和測(cè)量的

4、電信號(hào)的部分。信號(hào)調(diào)節(jié)電路：將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成有用信號(hào)的電路，便于顯示、記錄和控制。常用的電橋、放大器、阻抗轉(zhuǎn)換器等。8、傳感元件指的是傳感器中能夠直接感受被測(cè)信號(hào)的部分，過渡元件指的是傳感器中能夠?qū)鞲性妮敵鲛D(zhuǎn)換成適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)的部分。信號(hào)調(diào)節(jié)電路：將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成有用信號(hào)的電路，便于顯示、記錄和控制。常用的電橋、放大器、阻抗轉(zhuǎn)換器等。9，3)傳感器分類傳感器有很多種。傳感器有許多分類方法。常用的分類方法如下：(1)根據(jù)測(cè)量值對(duì)機(jī)械量進(jìn)行分類：位移、力、扭矩、扭矩、速度、加速度、振動(dòng)和噪聲；熱量：溫度、熱量、流量(速度)、風(fēng)速、壓力(差值)、液位物理參數(shù)：濃度、粘度、比

5、重、酸堿度狀態(tài)參數(shù)：裂紋、缺陷、泄漏等。10、(3)根據(jù)信號(hào)變換特征對(duì)結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行分類：信號(hào)變換主要通過傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)。例如，電容和電感傳感器。物理性質(zhì)類型：利用敏感元件材料物理性質(zhì)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。例如，水銀溫度計(jì)和壓電測(cè)力計(jì)。(4)能量轉(zhuǎn)換類型按能量關(guān)系分類：傳感器直接從被測(cè)物體輸入能量使其工作。例如，熱電偶溫度計(jì)和壓電加速度計(jì)也稱為主動(dòng)傳感器。能量控制型：傳感器從外部獲取能量使其工作，測(cè)量的變化控制外部供應(yīng)能量的變化。例如，是電阻、電容和電感的。它也被稱為被動(dòng)傳感器。11，12，1.3檢測(cè)系統(tǒng)的特性為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢測(cè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸出和輸入之間的關(guān)系應(yīng)該是一一對(duì)應(yīng)

6、的，并盡可能不失真，這通常是一種線性關(guān)系，各種干擾必須盡可能地減少或消除。在工程測(cè)試實(shí)踐中，大多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)屬于線性時(shí)不變系統(tǒng)。線性時(shí)不變系統(tǒng)的分析方法已經(jīng)形成了一個(gè)完整而嚴(yán)密的體系。甚至一些非線性系統(tǒng)或時(shí)變系統(tǒng)在有限條件下也遵循線性時(shí)不變定律。因此，下面的討論集中于線性時(shí)不變系統(tǒng)的主要性質(zhì)。14，線性時(shí)不變系統(tǒng)：其中t是時(shí)間獨(dú)立變量。系統(tǒng)的系數(shù)都是常數(shù)。線性時(shí)不變系統(tǒng)具有以下特性：疊加，這意味著由作用在線性設(shè)備上的每個(gè)輸入產(chǎn)生的輸出是彼此獨(dú)立的。當(dāng)分析同時(shí)向設(shè)備添加多個(gè)輸入所產(chǎn)生的總效果時(shí)，我們可以首先分別分析單個(gè)輸入的效果，然后添加這些效果來表示總效果。幾個(gè)輸入產(chǎn)生的總輸出是每個(gè)輸入產(chǎn)生的輸

7、出疊加的結(jié)果。也就是說，如果：16，比例特性，測(cè)試裝置的輸入信號(hào)放大一倍，輸出信號(hào)也放大一倍。對(duì)于任何常數(shù)a，都有微分特性，系統(tǒng)對(duì)輸入導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)等于原始輸入響應(yīng)的導(dǎo)數(shù)，而積分特性，如系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，系統(tǒng)對(duì)輸入積分的響應(yīng)等于原始輸入響應(yīng)的積分，17，頻率保持，如果某一頻率的正(剩余)弦信號(hào)輸入到測(cè)試裝置，穩(wěn)態(tài)輸出必須是與輸入頻率相同的正(剩余)弦信號(hào)。18，知道系統(tǒng)是線性的并且它的輸入頻率，可以認(rèn)為只有在測(cè)量信號(hào)中具有相同輸入頻率的分量是由輸入引起的真正輸出，而其他頻率分量是噪聲。然后，根據(jù)這一特性，在強(qiáng)噪聲干擾下，利用相應(yīng)的濾波技術(shù)提取有用信息，因?yàn)樾盘?hào)的頻域函數(shù)實(shí)際上是由信號(hào)的頻率分量疊

8、加來描述的。因此，在用疊加原理結(jié)合同頻來研究復(fù)雜輸入信號(hào)引起的輸出時(shí)，可以轉(zhuǎn)換到頻域來研究頻域函數(shù)和由輸入頻域函數(shù)產(chǎn)生的輸出的頻率保持。20、1.4測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性和性能指標(biāo)。測(cè)試裝置的性能可分為兩種類型：靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性：當(dāng)被測(cè)物理量恒定或緩慢變化時(shí)，它涉及系統(tǒng)的靜態(tài)特性。此時(shí)，輸出和輸入之間的關(guān)系稱為測(cè)試設(shè)備的靜態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性：指測(cè)試設(shè)備對(duì)動(dòng)態(tài)輸入變量隨時(shí)間的響應(yīng)特性。21.穩(wěn)態(tài)線性測(cè)試裝置的數(shù)學(xué)描述是：在靜態(tài)測(cè)量中，理想穩(wěn)態(tài)線性系統(tǒng)的輸入輸出微分公式為：其中斜率s是靈敏度，應(yīng)該是常數(shù)。22，實(shí)際測(cè)量裝置不是理想的穩(wěn)態(tài)線性系統(tǒng)：非線性原因：(除結(jié)構(gòu)原理原因外)，23，理想測(cè)

9、試系統(tǒng)的線性關(guān)系通常采用靜態(tài)測(cè)量方法獲得輸入輸出關(guān)系曲線作為校準(zhǔn)曲線。在大多數(shù)情況下，需要根據(jù)最小二乘法的原理找到校準(zhǔn)曲線的擬合線。24，靈敏度，當(dāng)設(shè)備輸入一個(gè)變量x時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)輸出變量y；輸出變化y與輸入變化x之比稱為傳感器靈敏度。定義：并表示：然而，一般的測(cè)試裝置不是一個(gè)理想的穩(wěn)態(tài)線性系統(tǒng)，擬合直線的斜率被用作裝置的靈敏度。注：靈敏度越高，穩(wěn)定性越差，測(cè)量范圍越小。25、非線性、校準(zhǔn)曲線與擬合直線之間的偏差程度。表示：定義：非線性=b/a * 100%，b是校準(zhǔn)曲線和擬合直線之間的最大偏差。a是器件的滿量程輸出范圍。校準(zhǔn)曲線：它表示實(shí)際特性，通常是用高級(jí)儀器重復(fù)測(cè)量后得到的平均值曲線。擬

10、合直線：是以某種方式擬合的直線來代替實(shí)際曲線。目前，擬合參考線常用的方法有兩種：平均法和最小二乘法。平均法主要確定擬合線的系數(shù)，使校準(zhǔn)曲線與擬合線之間的偏差的代數(shù)和為零。也就是說，讓系統(tǒng)擬合線為：這種方法主要確定擬合線的系數(shù)，使校準(zhǔn)曲線與擬合線的偏差平方和為零。即27，返回錯(cuò)誤，也稱為滯后或惡化。它反映了當(dāng)傳感器的輸入量在正向沖程和反向沖程的整個(gè)范圍內(nèi)被多次測(cè)試時(shí)所獲得的特征曲線的未對(duì)準(zhǔn)程度。定義：表示：A是器件的滿量程輸出范圍。28、穩(wěn)定性，穩(wěn)定性是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鎏匦栽陂L(zhǎng)期使用后不會(huì)改變的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素有時(shí)間和環(huán)境。漂移，測(cè)量裝置的測(cè)量特性隨時(shí)間的緩慢變化稱為漂移。29、分辨率

11、、靈敏度閾值、可靠性、與檢測(cè)系統(tǒng)的無故障工作時(shí)間相關(guān)的描述。可導(dǎo)致輸出變化的最小輸入量變化。也被稱為死區(qū)，用于測(cè)量檢測(cè)起點(diǎn)的不敏感程度。30，精度(precision)，反映測(cè)試結(jié)果與真實(shí)值之間的接近程度。對(duì)應(yīng)于錯(cuò)誤大小。與精度相關(guān)的指標(biāo)有三個(gè)：精度、準(zhǔn)確度和精密度(precision)。精度表示測(cè)量傳感器輸出值的離散程度。精度是隨機(jī)誤差的標(biāo)志。高精度意味著小的隨機(jī)誤差。注：高精度密度不一定是高精度。精度：表示傳感器輸出值與真實(shí)值之間的偏差程度。精度是系統(tǒng)誤差的標(biāo)志，高精度意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，高精度不一定是高精度。精確度：它是精確度和準(zhǔn)確度的總和。高精度意味著高精度和準(zhǔn)確度。(a)高精度和

12、低精度(b)低精度和高精度(c)高精度，31。在測(cè)量中，我們希望得到高精度的結(jié)果。在工程應(yīng)用中，精度等級(jí)通常用來表示測(cè)量結(jié)果的可靠性。準(zhǔn)確度等級(jí)由一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比值分級(jí)：0.001、0.005、0.02、0.05、1.5、2.5、4.0、設(shè)計(jì)和交付傳感器時(shí)，傳感器精度等級(jí)代表的誤差是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量的最大允許誤差。測(cè)量精度的性能指標(biāo)通常用相對(duì)誤差和參考誤差來表示。示例：精度等級(jí)為0.5、溫度范圍為6001200的溫度傳感器的最大允許絕對(duì)誤差是多少？檢驗(yàn)過程中某一點(diǎn)的最大絕對(duì)誤差為4。詢問是否，32，1.5檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和性能指標(biāo)對(duì)于測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)，要求當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)的輸入量發(fā)生變化時(shí)，其輸

13、出量能立即變化而不失真。在實(shí)際測(cè)試過程中，由于測(cè)試系統(tǒng)選擇不當(dāng)，輸出不能很好地跟隨輸入的快速變化，這將導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。因此，研究檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性具有重要意義。33，(1)微分方程(2)傳遞函數(shù)(3)頻率響應(yīng)函數(shù)，動(dòng)態(tài)特性的描述方法：34，系統(tǒng)的階數(shù)由輸出的最高微分階決定。o階、一階和二階系統(tǒng)是常見的，它們具有概念清晰、輸入輸出關(guān)系清晰的優(yōu)點(diǎn)，能夠區(qū)分瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，但缺點(diǎn)是：方程求解麻煩，測(cè)試裝置調(diào)整時(shí)難以分析。(1)微分方程，動(dòng)態(tài)特性是指試驗(yàn)裝置對(duì)輸入變量隨時(shí)間的響應(yīng)特性，其中t為時(shí)間變量，兩者均為常數(shù)，該系統(tǒng)為線性時(shí)不變系統(tǒng)。35，(2)傳遞函數(shù)，利用拉普拉斯變換，將微分方程變換成復(fù)域中的傳遞函數(shù)。分母中s的冪n代表系統(tǒng)微分方程的階，也稱為傳遞函