第1章 检测技术概述2.ppt
六、信号及其分类六、信号及其分类l 信号：信号：信号是信息的载体。信号是信息的载体。通过信号传递信息。通过信号传递信息。信号我们并不陌生。如刚才铃声信号我们并不陌生。如刚才铃声声信号声信号，表示该上课了；表示该上课了；十字路口的红绿灯十字路口的红绿灯光信号光信号，指挥交通；，指挥交通；电视机天线接受的电视信息电视机天线接受的电视信息电信号电信号；广告牌上的广告牌上的文字、图象信号文字、图象信号等等。等等。1常见信号类型常见信号类型信号传递形式信号传递形式 电量电量（电气信号）（电气信号）非电量非电量电压电压电流电流频率频率机械量机械量热学量热学量声学量声学量光学量光学量位移位移速度速度加速度加速度压力信号压力信号模拟信号：模拟信号：时间和幅值均为连续的信号时间和幅值均为连续的信号数字信号：数字信号：时间和幅值均为离散的信号时间和幅值均为离散的信号开关信号：开关信号：只有两种状态的信号只有两种状态的信号 通过传感通过传感器，器，电信号电信号容易产生，容易产生，便于控制，便于控制，易于处理。易于处理。2 模拟信号，数字信号，开关信号模拟信号，数字信号，开关信号 数字信号：数字信号：时间和幅值均为离散时间和幅值均为离散 的信号的信号。模拟信号：模拟信号：时间和幅值均为连续时间和幅值均为连续 的信号的信号。抽样信号：抽样信号：时间离散的，幅值时间离散的，幅值 连续的信号连续的信号。量量化化抽抽样样开关信号：开关信号：只有只有2种状态的信号。种状态的信号。3七、误差理论简述七、误差理论简述 只要测量，就存在误差，没有误差的测量是不存在的。只要测量，就存在误差，没有误差的测量是不存在的。误差的相关概念：误差的相关概念：真值：真值：被测量的真实数值（约定真值只能接近，无法准确知道）。误差：误差：检测结果与真值的差（永远存在）。误差分类：误差分类：相对误差相对误差绝对误差绝对误差按误差的表示方法按误差的表示方法按误差的性质划分按误差的性质划分随机误差随机误差系统误差系统误差粗大误差粗大误差 误差来源：误差来源：工具、环境、方法、人员误差等。工具、环境、方法、人员误差等。4绝对误差绝对误差绝对误差绝对误差 被测量的真值，常被测量的真值，常用用约定真值代替约定真值代替 测得值测得值特点：特点：1)1)绝对误差是一个具有确定的大小、符绝对误差是一个具有确定的大小、符号及单位的量。号及单位的量。2)2)单位给出了被测量的量纲，其单位与单位给出了被测量的量纲，其单位与测得值相同。测得值相同。LLL0绝对误差绝对误差测得值测得值真值真值5定义定义 被测量的真值，常用被测量的真值，常用约定约定真值代替，真值代替，也可以近似用也可以近似用测量值测量值 L L 来代替来代替 L L0 0相对误差相对误差 特点：特点：1 1）相对误差有大小和符号。相对误差有大小和符号。2 2）无量纲，一般用百分数来表示。无量纲，一般用百分数来表示。绝对误差绝对误差 相对误差相对误差6引用误差引用误差 定义定义 该标称范围（或量程）上限该标称范围（或量程）上限 引用误差引用误差 仪器某标称范围（或量程）仪器某标称范围（或量程）内的最大绝对误差内的最大绝对误差 引用误差是一种相对误差，而且该相对误差是引引用误差是一种相对误差，而且该相对误差是引用了特定值，即标称范围上限（或量程）得到的，用了特定值，即标称范围上限（或量程）得到的，故该误差又称为故该误差又称为引用相对误差、满度误差引用相对误差、满度误差。我国电工仪表、压力表的我国电工仪表、压力表的准确度等级准确度等级就是按照就是按照引引用误差用误差进行分级的。共分进行分级的。共分7 7级，级，0.10.1、0.20.2、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5、5.05.0级。级。7当一个仪表的等级当一个仪表的等级s s选定后，用此表测量某一被选定后，用此表测量某一被测量时，所产生的最大绝对误差为测量时，所产生的最大绝对误差为 最大相对误差为最大相对误差为绝对误差的最大值与绝对误差的最大值与该仪表的标称范围该仪表的标称范围（或量程）上限（或量程）上限x xm m成成正比正比选定仪表后，被测量的值越接近于选定仪表后，被测量的值越接近于标称范围（或量程）上限，测量的标称范围（或量程）上限，测量的相对误差越小，测量越准确相对误差越小，测量越准确 8910【例例3 3】检定一只检定一只2.52.5级、量程为级、量程为100V100V的电压表，发现在的电压表，发现在50V50V处误差最大，其值为处误差最大，其值为2V2V，而其他刻度处的误差均而其他刻度处的误差均小于小于2V2V，问这只电压表是否合格？问这只电压表是否合格？该电压表的引用误差为该电压表的引用误差为 由于由于所以该电压表合格。所以该电压表合格。【解解】11系统误差系统误差在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。定义定义特征特征 在相同条件下，多次测量同一量值时，该误差的绝对值和符号保持不变，或者在条件改变时，按某一确定规律变化的误差。12随机误差随机误差测得值与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量结果的平均值之差。又称为偶然误差。定义定义特征特征 在相同测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预定方式变化的误差。13粗大误差粗大误差指明显超出统计规律预期值的误差。又称为疏忽误差、过失误差或简称粗差。定义定义由于该误差很大，明显歪曲了测量结果。故应按照一定的准则进行判别，将含有粗大误差的测量数据（称为坏值或异常值）予以剔除。14精度精度：反映测量结果与真值接近程度的量：反映测量结果与真值接近程度的量只考虑系统误差的大小时，精确度称为准确度。只考虑系统误差的大小时，精确度称为准确度。准确度准确度只考虑随机误差的大小时，精确度称为精密度只考虑随机误差的大小时，精确度称为精密度。精密度精密度精确度精确度 表示测量结果与被测量真值之间的一致程度。就误差分表示测量结果与被测量真值之间的一致程度。就误差分析而言，精确度是测量结果中系统误差和随机误差的综合，析而言，精确度是测量结果中系统误差和随机误差的综合，误差大，则精确度低，误差小，则精确度高。误差大，则精确度低，误差小，则精确度高。15准确度、精准确度、精密密度和精度和精确确度三者之间的关系度三者之间的关系弹着点全部在靶上，弹着点全部在靶上，但分散。相当于系但分散。相当于系统误差小而随机误统误差小而随机误差大，即差大，即精密度低，精密度低，准确度高准确度高。弹着点集中，但偏向弹着点集中，但偏向一方，命中率不高。一方，命中率不高。相当于系统误差大而相当于系统误差大而随机误差小，即随机误差小，即精密精密度高，准确度低度高，准确度低。弹着点集中靶心。相弹着点集中靶心。相当于系统误差与随机当于系统误差与随机误差均小，即误差均小，即准确度、准确度、精密度都高，从而精精密度都高，从而精确度亦高确度亦高。16八、检测系统的静态特性八、检测系统的静态特性n1、静态模型静态模型静态特性：检测系统在被测量处于静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态稳定状态时的时的输入输出关系输入输出关系检测系统检测系统输入量输入量x输出量输出量y理想状态：理想状态：实际状态：实际状态：a-零点输出零点输出b-理论灵敏度理论灵敏度线性关系线性关系非线性关系非线性关系xyaO17八、检测系统的静态特性八、检测系统的静态特性非线性原因：非线性原因：(结构原理性原因除外结构原理性原因除外)误差因素误差因素检检 测测 系系 统统输入输入 x输入输入 y=f(x)温温度度湿湿度度压压力力冲冲击击振振动动磁磁场场电电场场摩摩擦擦间间隙隙松松动动迟迟滞滞蠕蠕变变变变形形老老化化外界干扰外界干扰18八、检测系统的静态特性八、检测系统的静态特性n2、静态特性指标静态特性指标 线性度线性度 回程误差回程误差 分辨力分辨力 重复性重复性 灵敏度灵敏度 其他其他19八、检测系统的静态特性八、检测系统的静态特性(1)线性度线性度:检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程度相对误差相对误差输出值与理想直线的最大偏差值输出值与理想直线的最大偏差值理论满量程输出值理论满量程输出值理想直线：理想直线：亦称非线性误差亦称非线性误差定义定义:表达表达:xy拟合直线拟合直线一般不存在或很难获得准确结果一般不存在或很难获得准确结果利用测量数据，通过计算获得利用测量数据，通过计算获得20八、检测系统的静态特性八、检测系统的静态特性获取拟合直线方法：获取拟合直线方法：理理论拟合；论拟合；过零旋转拟合；过零旋转拟合；端点连线拟合；端点连线拟合；端点连端点连线平移拟合；线平移拟合；最小二乘拟最小二乘拟合。前四种方法如图所示：合。前四种方法如图所示：a)理论拟合理论拟合 b)过零旋转拟合过零旋转拟合c)端点连线拟合端点连线拟合 d)端点连线平移拟合端点连线平移拟合21(e)最小二乘法最小二乘法：计算：有计算：有n个测量数据个测量数据:(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)，(n2)残差：残差：i=yi (a+b xi)残差平方和最小：残差平方和最小：2i=min算法算法：22八、检测系统的静态特性八、检测系统的静态特性(2)回程误差回程误差检测系统在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度检测系统在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度相对误差相对误差 Hmax：正反行程输出值的最大偏差正反行程输出值的最大偏差定义定义：亦称空程误差、滞后亦称空程误差、滞后算法算法：23八、检测系统的静态特性八、检测系统的静态特性(3)分辨力分辨力:能够检测出的被测量的最小变化量能够检测出的被测量的最小变化量2、分辨率、分辨率-是相对数值：是相对数值：定义定义：1、分辨力、分辨力-是绝对数值，如是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，10ms，说明说明：表征测量系统的分辨能力表征测量系统的分辨能力能检测的最小被测量的变能检测的最小被测量的变换量相对于换量相对于 满量程的百分满量程的百分数，如：数，如：0.1%,0.02%3、阀值、阀值-在系统输入零点附近的分辨力在系统输入零点附近的分辨力24八、检测系统的静态特性八、检测系统的静态特性(4)重复性重复性同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度对同一被测量值：各次测量数值的偏差程度对同一被测量值：各次测量数值的偏差程度重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证测量数据的分散性测量数据的分散性重复性误差重复性误差：随机误差：随机误差 标准差标准差：大，则分散性大；反之亦然大，则分散性大；反之亦然计算计算：贝塞尔公式：贝塞尔公式yi-测量输出值，测量输出值，i=1,2,ny-输出值的平均值输出值的平均值对不同被测数值：各次测量曲线的偏差程度对不同被测数值：各次测量曲线的偏差程度25yx0Rmax2Rmax1重复性误差可用正反行程的最大偏差重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即：表示，即：检测仪表在被测参数按同一方向检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动时所得标作全量程连续多次变动时所得标定特性曲线不一致的程度。若标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致定的特性曲线一致,重复性就好重复性就好,重复性误差就小。重复性误差就小。Rmax1正行程的最大重复性偏差，正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最大重复性偏差。反行程的最大重复性偏差。26八、检测系统的静态特性八、检测系统的静态特性(5)灵敏度灵敏度测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比测量系统在稳态下输出量的增量与输入量的增量之比斜率：斜率：a.线性检测系统：灵敏度为常数；线性检测系统：灵敏度为常数；例：间隙式平板电容传感器例：间隙式平板电容传感器定义定义：b.非线性检测系统非线性检测系统：灵敏度为变数灵敏度为变数说明说明：(灵敏度系数灵敏度系数)灵敏度灵敏度双曲线、非线性双曲线、非线性灵敏度越高，系统的稳定性越差，测量范围越窄。灵敏度越高，系统的稳定性越差，测量范围越窄。27(6)其他静态特性指标其他静态特性指标.测量范围测量范围 正常工作条件下，检测系统能够测量的下限值与上限值。正常工作条件下，检测系统能够测量的下限值与上限值。量程量程 =上限值上限值 -下限值下限值。.稳定性稳定性 稳定性稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。、温度稳定性、温度稳定性 温度稳定性温度稳定性又称为温度漂移，它是指传感器在外界温度变又称为温度漂移，它是指传感器在外界温度变化时输出量发生的变化。化时输出量发生的变化。、抗干扰稳定性、抗干扰稳定性 这是指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动这是指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。28可靠性可靠性 ：可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。29九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性动态特性：检测系统在动态特性：检测系统在被测量随时间变化被测量随时间变化的条件下的条件下输入输出关系输入输出关系 系统：系统：具有特定功能的总体，可以看作信号的变换器、处具有特定功能的总体，可以看作信号的变换器、处理器。理器。连续系统数学解析描述连续系统数学解析描述：微分方程微分方程(静态特性：检测系统在被测量处于静态特性：检测系统在被测量处于稳定状态稳定状态时的时的输入输出关系输入输出关系)30n1、动态模型动态模型(1)微分方程微分方程：根据相应的物理定律（如牛顿定律、能量守恒定律、根据相应的物理定律（如牛顿定律、能量守恒定律、基尔霍夫电路定律等），用基尔霍夫电路定律等），用线性常系数线性常系数微分方程表示微分方程表示系统的输入系统的输入x与输出与输出y关系的数字方程式关系的数字方程式ai、bi(i=0,1,)：系统结构特性参数，常数，系统的阶次系统结构特性参数，常数，系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为由输出量最高微分阶次决定。常见为0阶、一阶、二阶系统阶、一阶、二阶系统优点：优点：概念清晰，输入概念清晰，输入-输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应缺点：缺点：求解方程麻烦，传感器调整时分析困难求解方程麻烦，传感器调整时分析困难31九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性0阶系统：阶系统：例电位计、电子示波器例电位计、电子示波器一阶系统：一阶系统：例例:无质量单自由度振动系统、无源积分电路、无质量单自由度振动系统、无源积分电路、液位温度计液位温度计32九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性二阶系统：二阶系统：33九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性(2)传递函数传递函数：利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的数学模型，输出量利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的数学模型，输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比：的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比：优点：优点：表示了传感器本身特性，与输入输出无关，可通过实验求得表示了传感器本身特性，与输入输出无关，可通过实验求得34九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性n2、动态特性动态特性过程过程：激励：激励：暂态过程（输出量由一个稳态到另一个稳态的过渡过程）暂态过程（输出量由一个稳态到另一个稳态的过渡过程）稳态过程（输出量达到稳定的状态）稳态过程（输出量达到稳定的状态）信号信号-正弦信号、阶跃信号、线性信号、脉冲信号正弦信号、阶跃信号、线性信号、脉冲信号(激励随着时间变化激励随着时间变化)35九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性(1)频率响应特性频率响应特性：输入：输入：输出：输出：频率响应特性频率响应特性输入量：输入量：输出量：输出量：频率响应函数：频率响应函数：系统频率特性：系统频率特性：稳态输出与输入幅值之比和两者相位差是输入频率的稳态输出与输入幅值之比和两者相位差是输入频率的函数：函数：幅幅-频频、相相频频正弦信号正弦信号-一系列，频率不同，幅值相等一系列，频率不同，幅值相等正弦信号正弦信号-观察：幅值、相位、频率观察：幅值、相位、频率(稳态稳态)36九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性典型的对数幅频特性曲线：典型的对数幅频特性曲线：理想幅频特性：理想幅频特性：相频特性：相频特性：相频特性相频特性 幅频特性幅频特性幅频特性：幅频特性：频响范围：频响范围：幅值比与频率关系幅值比与频率关系 0dB水平线水平线 （幅值不变）（幅值不变）误差误差 3dB对应的频率范围对应的频率范围通频带、频带、工作频带通频带、频带、工作频带相位与频率的关系相位与频率的关系A()：输出幅值与静态幅值比输出幅值与静态幅值比-系统的系统的动态灵敏度动态灵敏度（增益）（增益）37九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性(2)检测系统的阶跃响应特性检测系统的阶跃响应特性：输入输入：阶跃信号：阶跃信号输出输出：阶跃响应：阶跃响应时间常数时间常数：上升时间上升时间Tr：响应时间响应时间Ts：超调量超调量a1：衰减率衰减率：稳态误差稳态误差ess：系统输出值上升到稳态值系统输出值上升到稳态值yc的的63.2%所需的时间（越小越响应迅速）所需的时间（越小越响应迅速）传感器输出从稳态值传感器输出从稳态值yc的的10%上升到上升到90%所需时间所需时间输出值达到允许范围输出值达到允许范围%的所需时间的所需时间响应曲线第一次超过稳态值响应曲线第一次超过稳态值yc的峰高：的峰高：ymax-yc相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对误差无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对误差38n3、典型检测系统的动态特性典型检测系统的动态特性a)零阶系统零阶系统：微分方程：微分方程：特点特点：a)属于静态环节：属于静态环节：d)实际零阶环节：缓慢变化，频率较低实际零阶环节：缓慢变化，频率较低-近似零阶环节近似零阶环节c)与时间无关，与频率无关，无滞后，与时间无关，与频率无关，无滞后，无惯性无惯性理想环节理想环节静态灵敏度系数静态灵敏度系数b)输出输出 输入输入又称：比例环节又称：比例环节幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：实例实例：电位计式角位移传感器电位计式角位移传感器微分方程：微分方程：静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：UEU039九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性b)一阶系统一阶系统：微分方程：微分方程：时间常数时间常数静态灵敏度静态灵敏度幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性 对数图（伯德图）：对数图（伯德图）：失真失真 1/时：时：A()=K()=0零阶零阶无滞后无滞后 1/时：时：A()()幅值衰减幅值衰减相位滞后相位滞后40九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性输入阶跃信号：输入阶跃信号：一阶环节微分方程：一阶环节微分方程：t=2：ed=13.5%；动态误差：动态误差：特点特点：实例：实例：动态响应特性主要取决于时间常数动态响应特性主要取决于时间常数；阶跃响应阶跃响应：t=3：ed=5%；t=5：ed=0.7%；小小阶跃响应迅速阶跃响应迅速截止频率高截止频率高惯性小惯性小惯性环节惯性环节运动方程：运动方程：带阻尼弹簧测力传感器带阻尼弹簧测力传感器时间常数：时间常数：静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：k-弹簧刚度弹簧刚度c-阻尼系数阻尼系数41九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性c)二阶环节二阶环节：微分方程：微分方程：固有频率固有频率阻尼比阻尼比幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：幅频特性与相频特性幅频特性与相频特性 伯德图：伯德图：当当/n1时时：较小时较小时：A()K，()0A()随随 出现较大波动出现较大波动0.7时时：A()平坦段最宽，平坦段最宽，()接近斜直线接近斜直线A()0.3时时：与阻尼有关与阻尼有关当当 =0时，时，A(n)=,附近谐振附近谐振 较大时较大时：42九、检测系统的动态特性九、检测系统的动态特性输入输入当当 1时时：应用实例应用实例：当当 1时时：当当=1时时：无过冲，无震荡，无过冲，无震荡，过阻尼过阻尼曲线上升慢，响应速度低曲线上升慢，响应速度低产生衰减震荡产生衰减震荡 欠阻尼欠阻尼曲线上升块，响应速度高曲线上升块，响应速度高临界阻尼临界阻尼弹簧弹簧(k)阻尼阻尼(c)质量质量(m)压电式动态测力传感器压电式动态测力传感器静态灵敏度系数：静态灵敏度系数：运动微分方程：运动微分方程：固有频率固有频率:阻尼比阻尼比:一般取：一般取：=0.60.8阶跃响应阶跃响应：43练习练习n1.检测系统由几部分组成？各部分的功能是检测系统由几部分组成？各部分的功能是什么？什么？n2.什么是系统的静态特性？如何衡量系统的什么是系统的静态特性？如何衡量系统的静态特性？静态标准条件是什么？静态特性？静态标准条件是什么？n3.如何衡量仪器的精度高低？如何衡量仪器的精度高低？n4.能分析简单的一阶系统的动态特性。能分析简单的一阶系统的动态特性。n5.掌握稳态误差、瞬态误差的概念。掌握稳态误差、瞬态误差的概念。44
