《检测系统特性》PPT课件.ppt

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1、第第 二二 章章 测测 试试 系系 统统测试系统与输入测试系统与输入/输出量之间的关系输出量之间的关系完成某种物理量的测量而由具有某一种或多种变完成某种物理量的测量而由具有某一种或多种变换特性的物理装置构成的总体。换特性的物理装置构成的总体。测试系统定义：测试系统定义：测试系统的特性测试系统的特性静态测量：静态测量：测量过程中被测量保持恒定不变的测量。动动态态测测量量：被测量本身随时间变化，而测量系统又能准确地跟随被测量变化而变化，称为动态测量。静态测量时，测试系统表现出的响应特性称为静态特性。动态测量时，测试系统的输出随输入而变化的关系，称为动态特性。2.1静态特性（一）测量仪器的准确度及其

2、定量指标准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。测量仪器最主要的计量性能指标；仅仅由仪器自身的原因造成；定性概念；定量指标用准确度等级、示值误差或引用误差表示：示值误差测量值真实值（真实值用约定真值代替）引用误差=示值误差/量程 准确度等级就是根据示值误差或引用误差而划分的准确度级别。当某个测量仪器的引用误差不大于当某个测量仪器的引用误差不大于0.01时（时（1），该仪器的准确度为），该仪器的准确度为1级。但级。但只是准确度等级为只是准确度等级为1级而决非准确度为级而决非准确度为1。如：电工仪表的准确度等级可分为：如：电工仪表的准确度等级可分为：

3、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0七级。七级。2.1静态特性（二）测量仪器的重复性（精密度）（精密度）在相同测量条件下，重复测量同一个被测量时测量仪器示值的一致程度。重复性可以用示值的分散性来定量表示。要求仪器示值分散在允许的范围内。重复性是测量仪器的重要指标，反映了仪器工作的可信度和有效性。静态特性（四）分辨力分分辨辨力力是指测试系统可能检测出被测信号的最小变化的能力，通常是以最小单位输出量变化所对应的输入量变化输入量变化来表示。分辨力与灵敏度有密切的关系，即为灵敏度的倒数。分辨力可以用绝对值，也可以用满量程的百分比来表示。对于数字测试系统，其输出显示系统的最后一位所代表

4、的输入量即为该系统的分辨力；静态特性（五）信噪比混杂在输出信号中的无用成分称为噪声。信噪比的表达式：定义1：20lgAS/AN(输出信号峰值/噪声信号峰值)；定义2：10lgPS/PN(输出信号功率/噪声信号功率)；一般仪器的信噪比要在40分贝以上。静态特性（六）示值范围、标称范围、量程、测量范围和动态范围示值范围是显示装置上最大与最小示值的范围。当仪器有多档量程时，用标称范围取代示值范围。量程指标称范围两极限值之差的模。如：温度计下限-30，上限80，则量程为110。测量范围又称工作范围，指测量仪器的误差处在规定极限内的一组被测量的值。一般小于或等于标称范围。动态范围是仪器所能测量的最强信号

5、和最弱信号之比。动态范围=20lg（最大信号幅值或有效值/最小信号的幅值或有效值）测量范围可以随着输入信号的衰减或增益而改变，但动态范围不变。静态特性（七）漂移、回程误差、线性度 在输入不变的情况下，测量仪器的特性随时间缓慢变化的现象称为漂移。温度的漂移（温漂）：灵敏度的温漂、零位的温漂-定量表示 产生：产生：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞擦、磁性材料的磁滞-实验确定实验确定回程误差（Hysteresis）-迟滞/滞后误差在相同条件下，测量仪器的行程方向（指输入量增大或减小两个方向）不同而同一输入量值最大示值之差的绝对

6、值，或者此绝对值与满量程输出之比的百分数。线性度（线性度（非线性度）非线性度）是指测试系统的输入、输出关系保持常值线性比例关系的程度。常用量程内特性曲线与拟合直线的最大输出量偏差绝对值与满量程输出之比表示。characteristicsAccuracySensitivityLinearityResolutionRepeatabilityDriftHysteresis(回程误差）RangeStatic2.2 动态特性动态特性（Dynamicperformance）动态特性是指输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关系。反映系统动态特性的指标有：工作频率范围、响应特性和响应时间。工作频率范围：能

7、确保测量仪器规定准确度的被测量频率范围。响应特性：在确定条件下，激励和对应响应之间的关系。响应时间：输入量和对应输出量两个特定时刻的时间间隔。系统的动态特性一般通过描述系统的数学模型如微分方程、或找出系统的动态特性函数如传递函数、频率响应函数等来进行研究。2.2.1 2.2.1 测试系统的数学模型及频率特性测试系统的数学模型及频率特性一、系一、系统模型的划分统模型的划分F 线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统线性系统线性系统:具有具有叠加性、比例性叠加性、比例性的系统的系统F 时变系统与时不变系统时变系统与时不变系统:由系统参数是否随时间而变化决由系统参数是否随时间而变化决 定。定。一般的

8、测试系统都可视为线性时不变系统。一般的测试系统都可视为线性时不变系统。线性系统的性质：线性系统的性质：叠加性：引起的输出分别为如输入为则输出为比例特性（齐次性）:如引起的输出为，则引起的输出为。微分特性：引起的输出为积分特性：引起的输出为频率保持性：如则重要结论：线性系统具有频率保持特性的含义是输入信号的频率成分通过线性系统后仍保持原有的频率成分。u根据输入信号的频率成分确定输出信号的频率成分，识别输出信号的真伪及噪声、干扰；u比较输入输出信号的频率成分，判断系统是否为线性系统。如余弦信号通过非线性如余弦信号通过非线性系统（二极管），则输系统（二极管），则输出被整流，其频率成分出被整流，其频率

9、成分被改变。被改变。输入信号输入信号输出信号输出信号非线性系非线性系统特性统特性频率特性2.2.1测试系统的广义数学模型测试系统的数学模型是根据相应的物理定律（如牛顿定律、测试系统的数学模型是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）而得出的一组将输入能量守恒定律、基尔霍夫电路定律等）而得出的一组将输入和输出联系起来的数学方程式。和输出联系起来的数学方程式。常系数线性微分方程常系数线性微分方程(General Differential equation)(General Differential equation)线性时不变系统可用常系数线性微分方程来描述其输入x(t)

10、和输出y(t)之间的关系。an,an-1,a0,bm,bm-1,b0是由系统本身物理参数所决定的常数系统的阶次由输出量最高微商阶次n决定。举例举例RLCRLC电路，如果输入电压是随时间变化的电路，如果输入电压是随时间变化的，其输出是随，其输出是随时间变化的电压时间变化的电压则输入和输出之间的微分方程：则输入和输出之间的微分方程：描述系统动态特性更为广泛的函数是传递函数。传递函数的定义：x(t)、y(t)及其各阶导数的初始值为零，系统输出信号的拉普拉斯变换(拉氏变换)与输入信号的拉氏变换之比，记为式中为输出信号的拉氏变换为输入信号的拉氏变换s为拉氏变换算子:和皆为实变量2.2.2传递函数(Tra

11、nsferfunction)复频率H(s)=一般测试系统都是稳定系统，其分母中s的幂次总是高于分子中s的幂次（nm）。由：对微分方程两边作拉氏变换：环节的串联和并联环节的串联和并联 一个测试系统，通常是由若干个环节所组成，系统的传递函数与一个测试系统，通常是由若干个环节所组成，系统的传递函数与各环节的传递函数之间的关系取决于各环节之间结构形式。各环节的传递函数之间的关系取决于各环节之间结构形式。任何一个高于二阶的系统都可以看成是由若干个一阶和二阶系统任何一个高于二阶的系统都可以看成是由若干个一阶和二阶系统的并联或串联。因此，一阶和二阶系统是分析和研究高阶、复杂的并联或串联。因此，一阶和二阶系统

12、是分析和研究高阶、复杂系统的基础。系统的基础。系统的传递函数系统的传递函数频率响应函数(Frequencyresponse)当测试系统的输入为正弦信号：根据频率保持特性，系统稳态输出为同频率的正弦信号：将输入、输出代入微分方程得：定义频率响应函数为该频率信号的输出与输入之比，定义频率响应函数为该频率信号的输出与输入之比，记作A()-曲线称为幅频特性曲线，()-曲线称为相频特性曲线。H(jH(j)一般为复数，写成实部和虚部的形式：一般为复数，写成实部和虚部的形式：则：将微分方程两边作傅里叶变换，在变换过程中利用傅氏变换将微分方程两边作傅里叶变换，在变换过程中利用傅氏变换的微分性质得：的微分性质得

13、：可见频率响应函数也可定义为系统稳态输出量的傅立叶变换可见频率响应函数也可定义为系统稳态输出量的傅立叶变换与输入量的傅立叶变换之比。与输入量的傅立叶变换之比。重要结论通过傅里叶变换可把满足一定条件的任意信号分解成不通过傅里叶变换可把满足一定条件的任意信号分解成不同频率的正弦信号之和，因此从物理意义上说，频率响同频率的正弦信号之和，因此从物理意义上说，频率响应函数在频率域中反映一个系统对各种频率正弦输入信应函数在频率域中反映一个系统对各种频率正弦输入信号的稳态响应，故又称其为号的稳态响应，故又称其为正弦传递函数正弦传递函数。如只研究稳态过程的信号，则用频响函数来分析系统。如只研究稳态过程的信号，

14、则用频响函数来分析系统。如研究稳态和瞬态全过程信号，如研究稳态和瞬态全过程信号，则用传递函数来分析系则用传递函数来分析系统。统。频率响应函数可以较容易地通过实验的方法获得，因而频率响应函数可以较容易地通过实验的方法获得，因而成为成为应用最广泛应用最广泛的动态特性分析工具。的动态特性分析工具。2.2.4常见测试系统系统阶次由系统阶次由输出量最高微分阶次输出量最高微分阶次确定。最常见的测确定。最常见的测试系统可概括为零阶系统、一阶系统、二阶系统试系统可概括为零阶系统、一阶系统、二阶系统。零阶系统零阶系统（Zero-order system)数学表述数学表述传递函数传递函数K：静态灵敏度静态灵敏度零

15、阶系统的输出和输入同步变化，不产生任何的失真和延迟，零阶系统的输出和输入同步变化，不产生任何的失真和延迟，因此是一种理想的测试系统，如位移电位器、电子示波器等。因此是一种理想的测试系统，如位移电位器、电子示波器等。一阶仪表数学表述传递函数静态灵敏度时间常数（响应时间）一阶系统(First-orderSystem)在工程实际中，一个忽略了质量的在工程实际中，一个忽略了质量的单自由度振动系统，在施于单自由度振动系统，在施于A点的点的外力外力f(t)作用下，其运动方程为作用下，其运动方程为一阶系统的频率特性：1.一阶系统是一个一阶系统是一个低通低通环节。只有当环节。只有当 远小于远小于1/时，幅频响

16、时，幅频响应才接近于应才接近于1，因此一阶系统只适用于被测量缓慢或低频，因此一阶系统只适用于被测量缓慢或低频的参数。的参数。2.幅频特性降为原来的幅频特性降为原来的0.707（即（即-3dB)，相位角滞后相位角滞后45o,时间常数时间常数 决定了测试系统适应的工作频率范围决定了测试系统适应的工作频率范围。越越小，响小，响应应越快，可越快，可测频测频率范率范围围越越宽宽。一阶系统的频率响应函数为：负值表示相角的滞后二阶系统（Second-ordersystem)数学表述传递函数频率响应函数：静态灵敏度(Transductionconstant)系统固有频率(Theangularnaturalfr

17、equency)阻尼比(Dampingratio)如图所示的弹簧质量阻尼系统，其运动方程为：F将此公式左右作付里叶变换得：F该系统的频响函数为二阶系统的频率特性二阶系统的频率特性（1）二阶系统是个低通环节，当二阶系统是个低通环节，当/n n很小时，很小时，A(A()k)k，当（，当（/n n）1 1，A(A()0)0。（2 2）系统发生共振，系统发生共振，/n n=1=1时，时，A(A()=k/(2),)=k/(2),()=-90)=-90。（3 3）二阶系统动态参数有两个：）二阶系统动态参数有两个：固有频率固有频率nn和阻尼和阻尼比比。应选择合适的固有频率和阻尼比以扩大工作。应选择合适的固有

18、频率和阻尼比以扩大工作频率范围。通常使频率范围。通常使/n n0.3,0.3,=0.6=0.60.7，这时这时，幅幅频频特性曲特性曲线线的平直段最的平直段最宽宽。如果输入输出信号满足：A0、t0都是常数，称为不失真测试。2.2.5理想测试系统信号不失真测试是指系统的输出信号与输入信号相比，信号不失真测试是指系统的输出信号与输入信号相比，只有幅度大小和时间先后的不同，而没有波形的变化。只有幅度大小和时间先后的不同，而没有波形的变化。2.3.1 脉冲响应函数脉冲响应函数 如果输入信号是单位脉冲信号，即如果输入信号是单位脉冲信号，即:单位脉冲信号单位脉冲信号的定义：的定义：2.3测量系统对瞬态激励的

19、响应瞬态响应，反映了系统的固有特性。因此评价系统动态特性瞬态响应，反映了系统的固有特性。因此评价系统动态特性的一个重要方法就是分析系统对瞬态输入信号的反应。的一个重要方法就是分析系统对瞬态输入信号的反应。经拉氏变换经拉氏变换,系统对单位脉冲函数系统对单位脉冲函数的响应为的响应为h(t)常称为常称为脉冲响应函数。脉冲响应函数。系统系统单位阶跃输入的定义为其拉氏变换单位阶跃输单位阶跃输入入一阶系统的响应一阶系统的单位阶跃响应一阶系统的单位阶跃响应 二阶系统的响应其中(1）二阶系阶的单位阶跃响应二阶系阶的单位阶跃响应2.3.2 单位阶跃响应函数单位阶跃响应函数相对原点有一时移相对原点有一时移的单位脉

20、冲信号的单位脉冲信号的响应的响应为为。既然面积为。既然面积为1 1的的信号所引起的系统信号所引起的系统响应为响应为，那么位于原点上的面积为，那么位于原点上的面积为的窄的窄条信号输入后所引起的该系统响应应为条信号输入后所引起的该系统响应应为，偏离原点的位置偏离原点的位置的窄条面积信号的窄条面积信号的响应信的响应信号应为号应为。系统系统2.3.3 测试系统对任意输入信号的时频域响应测试系统对任意输入信号的时频域响应因此由很多窄条叠加而成的因此由很多窄条叠加而成的所引起的总的所引起的总的响应响应应为各窄条分别的响应之和。应为各窄条分别的响应之和。当当，则，则系统系统系统对任意输入信号的时频域响应系统

21、对任意输入信号的时频域响应在时域内，任意信号通过系统的响应（输出）是输入在时域内，任意信号通过系统的响应（输出）是输入信号与系统的单位脉冲响应函数的卷积；信号与系统的单位脉冲响应函数的卷积；单位脉冲响单位脉冲响应函数标志着一个测试系统对信号的传输特性。应函数标志着一个测试系统对信号的传输特性。在频域内响应信号的频谱函数是输入信号的频谱函数在频域内响应信号的频谱函数是输入信号的频谱函数与系统的频响函数的乘积。与系统的频响函数的乘积。2.4测试系统频率特性的确定测定频响函数的测定频响函数的目的目的：在作动态检测时，要：在作动态检测时，要确定系统的不失真工作频段是否符合要求。确定系统的不失真工作频段

22、是否符合要求。测定频响函数的测定频响函数的方法方法：用标准信号输入，测：用标准信号输入，测出其输出信号，从而求得需要的特性。出其输出信号，从而求得需要的特性。输入的标准信号有输入的标准信号有正弦信号正弦信号、脉冲信号脉冲信号和和阶阶跃信号跃信号。正弦信号激励理论依据：理论依据：方法：输入各种频率的正弦信号，检测系统方法：输入各种频率的正弦信号，检测系统的输出信号，作出对应频率成分的输出与输的输出信号，作出对应频率成分的输出与输入信号的幅值比（幅频特性）和相位差（相入信号的幅值比（幅频特性）和相位差（相频特性）。是频特性）。是最为精确的方法最为精确的方法。对于一阶测试系统，主要特性参数是对于一阶

23、测试系统，主要特性参数是时间常时间常数数，可以通过幅频、相频特性数据直接计，可以通过幅频、相频特性数据直接计算算 值。值。对于二阶系统，通常通过幅频特性曲线估计其对于二阶系统，通常通过幅频特性曲线估计其固有固有频率频率 n和和阻尼比阻尼比。据理论分析，欠阻尼系统（据理论分析，欠阻尼系统（1）幅频特性曲线峰）幅频特性曲线峰值值 r不在固有频率不在固有频率 n处，而满足：处，而满足：在在 处输出与输入的相位差为处输出与输入的相位差为90o，相频曲线在，相频曲线在该点的斜率反映了阻尼比的大小。该点的斜率反映了阻尼比的大小。缺点：相位的精确测量很难实现。缺点：相位的精确测量很难实现。阶跃信号激励 阶跃

24、信号激励也可以用来测量系统频响函阶跃信号激励也可以用来测量系统频响函数中的决定性参数，如数中的决定性参数，如固有频率固有频率 和和阻尼比阻尼比1.一阶系统2.二阶系统一阶测试系统的阶跃响应函数为一阶测试系统的阶跃响应函数为 二阶测试系统的阶跃响应二阶测试系统的阶跃响应理论分析表明，二阶系统的阶跃响应函数表明它的瞬态响应是以的圆频率作衰减振荡。阻尼比越大，超调量M就越小，振荡波形衰减越快。M1：最大过冲量度d：有阻尼固有频率例题：某一阶测量装置的传递函数为，若用它测量频率为0.5Hz、1Hz、2Hz的正弦信号，试求其幅度误差。当=0.04，w=2f 时幅度误差=(1-A(w)100%2.5测量不

25、确定度一、测量不确定度的含义定义定义：是测量结果含有的一个参数，用以表征合是测量结果含有的一个参数，用以表征合理的赋予被测量量值的分散性理的赋予被测量量值的分散性。测量结果的表示：测量结果并非一个确定值，而是包含分散的无数个可能值所处的一个区间。测量不确定度正是这个区间的度量。被测量的估计 测量不确定度与检测系统的组成和各组成环节有关与检测系统的组成和各组成环节有关二、测量不确定度产生的原因二、测量不确定度产生的原因 由被测对象本身引起的不确定性由被测对象本身引起的不确定性 性质、状态、条件以及被测量的种类、状态性质、状态、条件以及被测量的种类、状态 因检测理论的假定产生的不确定性因检测理论的

26、假定产生的不确定性 实际情况与假定情况不符实际情况与假定情况不符 检测系统各环节所使用的材料性能和制造技术引起的不确检测系统各环节所使用的材料性能和制造技术引起的不确定性定性 检测系统各环节动力源的变化引起的不确定性检测系统各环节动力源的变化引起的不确定性 电流、电压、气压、液压等电流、电压、气压、液压等 检测系统器件特性变化引起的不确定性检测系统器件特性变化引起的不确定性-偏离设定值偏离设定值 检测环境引起的不确定性检测环境引起的不确定性 环境条件（温度、湿度、气压等）差异环境条件（温度、湿度、气压等）差异 器件的器件的性能性能 检测方法不确定性检测方法不确定性 检测方法、采样方法、测量重复

27、次数、取样时间检测方法、采样方法、测量重复次数、取样时间 检测人员造成的不确定性检测人员造成的不确定性 人员视觉、读数误差、经验、熟练程度、精神方面原因人员视觉、读数误差、经验、熟练程度、精神方面原因（疲劳）（疲劳）三、测量不确定度产生的原因三、测量不确定度产生的原因四、测量不确定度的评定方法（一）标准不确定的评定（一）标准不确定的评定1、标准不确定度的、标准不确定度的A类评定类评定 用统计分析方法获得的不确定度评定，称为用统计分析方法获得的不确定度评定，称为A类评定类评定 在相同测量条件下得到若干独立观测值：在相同测量条件下得到若干独立观测值：其算术平均值为其算术平均值为 如如果果用用任任一

28、一独独立立测测量量值值qi作作为为被被测测量量的的估估计计值值，其其标标准不确定度的准不确定度的A类评定为：类评定为：如果用这些观测值的平均值表示被测量的估计值，如果用这些观测值的平均值表示被测量的估计值，其标准不确定度的其标准不确定度的A类评定为：类评定为：（一）标准不确定的评定2、标准不确定度的、标准不确定度的B类评定类评定通通过过非非统统计计分分析析法法得得到到的的不不确确定定度度，称称为为B类类评评定。定。分分析析影影响响被被测测量量估估计计值值的的全全部部信信息息，如如以以前前的的测测量量数数据据、有有关关仪仪器器和和装装置置的的一一般般知知识识、使使用用说说明明书、检验证书、其他报

29、告或手册提供的数据。书、检验证书、其他报告或手册提供的数据。需需要要深深刻刻了了解解有有关关测测量量知知识识、测测量量过过程程和和经经验验积积累。累。例：若已知观测值分布区间半宽例：若已知观测值分布区间半宽a，对于正态分布：，对于正态分布：对于均匀分布：对于均匀分布：若观测值取自资料，且说明该观测值的测量不确定若观测值取自资料，且说明该观测值的测量不确定度度Ui是标准差的是标准差的k倍，则该观测值的标准不确定度倍，则该观测值的标准不确定度（二）自由度及其确定含义：含义：自由度定量表征了不确定评定的质量。自自由度定量表征了不确定评定的质量。自由度越大表示不确定度的评定结果越可信，评定由度越大表示

30、不确定度的评定结果越可信，评定质量越高。质量越高。确定方法：确定方法：若某量等于若干项变量之和，则该量若某量等于若干项变量之和，则该量的自由度等于和的项数减去对和的限制数。的自由度等于和的项数减去对和的限制数。例：例：n个独立观测值方差的自由度为个独立观测值方差的自由度为n-1。不确定度的自由度等于不确定度计算表达式中总和所不确定度的自由度等于不确定度计算表达式中总和所包含的项数减去各项之间存在的约束条件。包含的项数减去各项之间存在的约束条件。（1）标准不确定度）标准不确定度A类评定的自由度类评定的自由度（2）标准不确定度）标准不确定度B类评定的自由度类评定的自由度 是是u的标准差，的标准差，

31、称为称为u的相对标准不确的相对标准不确定度定度根据确定根据确定u时的信息来源判断时的信息来源判断u的可信程度的可信程度对对u的估计有的估计有80的把握，则的把握，则来源越可靠，自由度越大。来源越可靠，自由度越大。若有一定的主观判断因素，则可取较小数值，如若有一定的主观判断因素，则可取较小数值，如5以下。以下。（三）测量不确定度的合成1、合成标准不确定度、合成标准不确定度（1）对任何一个）对任何一个直接测量量直接测量量，由于有若干个相互独，由于有若干个相互独立的因素影响它的估计值，因此立的因素影响它的估计值，因此xi对应若干标准不对应若干标准不确定度分量确定度分量 ，xi的标准不确定度的标准不确

32、定度ui为：为：（2）对于）对于间接测量量间接测量量 若每个若每个直接测量量直接测量量 的标准不确定度分量为的标准不确定度分量为 ，则，则y的合成标准不确定度为：的合成标准不确定度为：此时测量结果就可以表示为：此时测量结果就可以表示为：（三）测量不确定度的合成2、展伸不确定度、展伸不确定度 在一些高精度比对或与安全、健康相关的在一些高精度比对或与安全、健康相关的测量中，希望给出测量结果的区间，使被测量中，希望给出测量结果的区间，使被测量的各次观测值以大概率被包含在区间测量的各次观测值以大概率被包含在区间内。这个区间宽度的一半称为展伸不确定内。这个区间宽度的一半称为展伸不确定度或扩展不确定度。度或扩展不确定度。