檢測(cè)系統(tǒng)的特征與性能指標(biāo).ppt

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第1章檢測(cè)系統(tǒng)的特征與性能指標(biāo) 1 1檢測(cè)系統(tǒng)的組成1 2檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標(biāo)1 3檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo) 下頁 返回 1 1檢測(cè)系統(tǒng)的組成檢測(cè)技術(shù)涉及到半導(dǎo)體技術(shù) 激光技術(shù) 光纖技術(shù) 聲控技術(shù) 遙感技術(shù) 自動(dòng)化技術(shù) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 以及數(shù)理統(tǒng)計(jì) 控制論 信息論等近代新技術(shù)和新理論 其最終目的就是從測(cè)量對(duì)象中獲取反映其變化規(guī)律的有用信息 一個(gè)廣義的檢測(cè)系統(tǒng)一般由激勵(lì)裝置 測(cè)試裝置 數(shù)據(jù)處理與記錄裝置所組成 如圖1 1 下頁 上頁 返回 1 1 1各組成部分的特點(diǎn) 1 激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)信號(hào)由激勵(lì)裝置產(chǎn)生 采用激勵(lì)裝置是為了使被測(cè)對(duì)象處于預(yù)定狀態(tài)下 并將其有關(guān)方面的內(nèi)在聯(lián)系充分顯示出來 以便于有效的測(cè)量 當(dāng)測(cè)試工作所希望獲取的信息并沒有直接載于可檢測(cè)的信號(hào)中 就需要激勵(lì)被測(cè)對(duì)象 使其既能表示相關(guān)信息又便于檢測(cè) 2 測(cè)試對(duì)象測(cè)試對(duì)象的特性均以信號(hào)的形式給出 被測(cè)信號(hào)一般都是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)量 即使在檢測(cè)不隨時(shí)間變化的靜態(tài)量時(shí) 由于混有動(dòng)態(tài)的干擾噪聲 通常也也按動(dòng)態(tài)量進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量 下頁 上頁 返回 3 傳感器傳感器將感知的被測(cè)非電量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為某一種量值輸出 通常是電信號(hào) 傳感器輸出的電信號(hào)一般不能直接傳輸?shù)胶罄m(xù)的信號(hào)處理電路或輸出元件中去 必須經(jīng)過信號(hào)的調(diào)理 4 信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路的主要作用有兩方面 一是把來自于傳感器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大 使其更適合于進(jìn)一步處理和傳輸 第二方面是進(jìn)行信號(hào)處理 即對(duì)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的信號(hào) 進(jìn)行濾波 調(diào)制和解調(diào) 衰減 運(yùn)算 數(shù)字化處理等 下頁 上頁 返回 5 信號(hào)的分析與記錄信號(hào)調(diào)理電路輸出的測(cè)量結(jié)果是對(duì)被測(cè)信號(hào)的真實(shí)記錄 為了顯示其變化過程 可以采用光線示波器 屏幕顯示器 打印機(jī)等輸出裝置 此外還可以用磁記錄器來存儲(chǔ)被測(cè)信號(hào) 以便于檢測(cè)工作完成后反復(fù)使用信號(hào) 要從客觀記錄的信號(hào)中找出反映被測(cè)對(duì)象的本質(zhì)規(guī)律 還必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析從而提取有用信息 現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 將調(diào)理電路輸出的信號(hào)直接送到信號(hào)分析設(shè)備中處理 進(jìn)行在線處理 已在工程檢測(cè)和工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用 下頁 上頁 返回 1 1 2線性時(shí)不變系統(tǒng)及其主要性質(zhì) 下頁 上頁 返回 當(dāng)系統(tǒng)的輸入和輸出之間關(guān)系可用常系數(shù)線性微分方程來描述時(shí) 則稱該系統(tǒng)為線性時(shí)不變系統(tǒng) 也稱為定常線性系統(tǒng) 即 1 1 式中為時(shí)間變量 和均為常數(shù) 1 疊加性設(shè)為輸入 為輸出 若 下頁 上頁 返回 則 1 2 滿足疊加原理 意味著作用于線性系統(tǒng)的各個(gè)輸入所產(chǎn)生的輸出是互不影響的 2 比例性 齊次性 設(shè)為輸入 為輸出 若 則對(duì)于任何一個(gè)常數(shù) 有 1 3 3 微分性零初始條件下 系統(tǒng)對(duì)原輸入微分的響應(yīng)等于原輸出的微分 即 對(duì)于為輸入 為輸出 若 則有 1 4 下頁 上頁 返回 4 積分性零初始條件下 系統(tǒng)對(duì)原輸入積分的響應(yīng)等于原輸出的積分 即 為輸入 為輸出 若 則有 1 5 5 頻率保持特性對(duì)于線性定常系統(tǒng) 若輸入為某一頻率的簡(jiǎn)諧 正弦或余弦 信號(hào) 則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出必定是與輸入同頻率的簡(jiǎn)諧信號(hào) 即 此規(guī)律稱為頻率保持特性 但其幅值和初相位將發(fā)生變化 下頁 上頁 返回 1 2檢測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性與性能指標(biāo)靜態(tài)檢測(cè)是指測(cè)量時(shí) 檢測(cè)系統(tǒng)的輸入 輸出信號(hào)不隨時(shí)間變化或變化很緩慢 靜態(tài)檢測(cè)時(shí) 系統(tǒng)所表現(xiàn)出的響應(yīng)特性稱為靜態(tài)響應(yīng)特性 通常用來描述靜態(tài)響應(yīng)特性的指標(biāo)有測(cè)量范圍 靈敏度 非線性度 回程誤差等 1 2 1測(cè)量范圍檢測(cè)系統(tǒng)能正常測(cè)量的最小輸入量和最大輸入量之間的范圍 下頁 上頁 返回 1 2 2靈敏度靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比 即 1 6 下頁 上頁 返回 1 2 3非線性度如圖1 3所示 標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度 如果在全量程A輸出范圍內(nèi) 標(biāo)定曲線偏離擬合直線的最大偏差為B 則定義非線性度為 1 7 1 2 4回程誤差如圖1 4所示 回程誤差也稱為滯后或變差 實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)在相同的測(cè)量條件下 當(dāng)輸入量由小增大 下頁 上頁 返回 或由大減小時(shí) 對(duì)于同一輸入量所得到的兩個(gè)輸出量存在差值 則定義回程誤差為 1 8 1 2 5穩(wěn)定度和漂移穩(wěn)定度通常是相對(duì)時(shí)間而言 指檢測(cè)系統(tǒng)在規(guī)定的條件下保持其測(cè)量特性恒定不變的能力 漂移指檢測(cè)系統(tǒng)隨時(shí)間的慢變化 在規(guī)定條件下 對(duì)于一個(gè)恒定的輸入在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的輸出在標(biāo)稱范圍最低值處的變化 稱為零點(diǎn)漂移 簡(jiǎn)稱零漂 溫度變化引起的漂移叫溫漂 1 2 6靜態(tài)響應(yīng)特性的其他術(shù)語 1 精度精確度的簡(jiǎn)稱 表示隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的綜合評(píng)定指標(biāo) 下頁 上頁 返回 2 可靠性與檢測(cè)系統(tǒng)無故障工作時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)的一種描述 3 分辨率能引起輸出變化的輸入量的最小變化量 表示檢測(cè)系統(tǒng)分辨輸入量微小變化的能力 4 靈敏閥又稱死區(qū) 是用來衡量檢測(cè)起始點(diǎn)不靈敏的程度 下頁 上頁 返回 式中t為時(shí)間變量 和均為常數(shù) 此系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng) 1 3檢測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與性能指標(biāo)1 3 1微分方程檢測(cè)系統(tǒng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí) 輸入與輸出均隨時(shí)間變化 其關(guān)系用式 1 1 的微分方程描述 即 下頁 上頁 返回 故有 1 9 1 3 2傳遞函數(shù) 1 傳遞函數(shù)的定義零初始條件下 線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換和輸入量的拉氏變換之比稱為系統(tǒng)傳遞函數(shù) 在零初始條件下 對(duì)式 1 1 兩邊同時(shí)作拉氏變換 則有 下頁 上頁 返回 2 傳遞函數(shù)的特點(diǎn)1 傳遞函數(shù)表示了系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)性能與輸入量大小及性質(zhì)無關(guān) 對(duì)于具體的系統(tǒng) 其傳遞函數(shù)不因輸入的變化而不同 對(duì)任何一個(gè)輸入都有確定的輸出 2 相似系統(tǒng) 傳遞函數(shù)不拘泥于被描述系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)而只反映動(dòng)態(tài)性能 不同的物理系統(tǒng) 可以用相同的傳遞函數(shù)來描述 稱為相似系統(tǒng) 3 傳遞函數(shù)可以有量綱 也可以無量綱 4 傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理分式 對(duì)于實(shí)際系統(tǒng) 分子階次m n 分母最高階次n為輸出量最高階導(dǎo)數(shù)的階次 也確定系統(tǒng)的階次n階系統(tǒng) 下頁 上頁 返回 3 常見測(cè)試裝置的傳遞函數(shù)1 一階系統(tǒng)傳遞函數(shù) 1 10 式中 T 為時(shí)間常數(shù) 單位為秒 下頁 上頁 返回 2 二階系統(tǒng)傳遞函數(shù) 1 11 式中 為系統(tǒng)的靈敏度 為系統(tǒng)的阻尼比 為系統(tǒng)的無阻尼固有頻率 令 兩邊同時(shí)作拉氏變換 整理得 下頁 上頁 返回 例1 液柱式水銀溫度計(jì)設(shè)為被測(cè)環(huán)境溫度 為水銀柱輸出溫度值 C表示熱容量 R表示熱阻 由熱力學(xué)方程有 例2 RLC電路 輸入為 輸出為 根據(jù)電路基本定律 有 下頁 上頁 返回 上式兩邊同時(shí)作拉氏變換 并消去中間變量 得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 1 3 3頻率響應(yīng)函數(shù)根據(jù)線性定常系統(tǒng)的同頻性 如果輸入信號(hào)為 則輸出信號(hào)為代入式 1 1 可得 1 12 其中 稱為測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) 即 1 13 是頻率響應(yīng)函數(shù)的模 為的函數(shù) 也是動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度 隨著頻率變化而變化 故稱為幅頻特性 與靜態(tài)測(cè)量中靈敏度為常數(shù)有顯著的區(qū)別 下頁 上頁 返回 為頻率響應(yīng)函數(shù)的相角 它表示了檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)初始相位的遷移量 也是的函數(shù) 所以也稱為相頻特性 常見系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) 1 一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為 其幅頻特性與相頻特性分別為 1 14 1 15 其中負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)滯后于輸入信號(hào) 一階系統(tǒng)奈氏圖 伯德圖分別如圖1 7 圖1 8所示 一階系統(tǒng)的幅頻 相頻特性圖如圖1 9所示 下頁 上頁 返回 圖1 7一階系統(tǒng)奈氏圖 圖1 8一階系統(tǒng)伯德圖 下頁 上頁 返回 1 當(dāng)激勵(lì)頻率遠(yuǎn)小于時(shí) 輸出與輸入的幅值幾乎相等 接近1 當(dāng) 系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)積分器 其中幾乎與激勵(lì)頻率成反比 相位滯后近90 故一階系統(tǒng)適合測(cè)試緩變或低頻的被測(cè)量 2 時(shí)間常數(shù)T是反映一階系統(tǒng)特性的重要參數(shù) 其值決定系統(tǒng)適用的頻率范圍 下頁 上頁 返回 由圖1 9可見 一階系統(tǒng)的幅頻特性曲線隨著的增加單調(diào)減小 衰減很快 所以一階系統(tǒng)具有低通濾波的特性 在一階系統(tǒng)特性中 應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn) 2 二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)由二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 可得二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為 相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性分別為 1 16 1 17 下頁 上頁 返回 相應(yīng)的幅頻 相頻特性曲線的伯德圖如圖 1 10 所示 圖1 10二階系統(tǒng)伯德圖 a 幅頻特性 b 相頻特性 下頁 上頁 返回 二階系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn) 1 當(dāng)時(shí) 當(dāng)時(shí) 2 影響二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)是固有頻率和阻尼比 其固有頻率的選擇應(yīng)以工作頻率范圍為依據(jù) 在附近 系統(tǒng)幅頻特性受阻尼比影響極大 時(shí) 系統(tǒng)發(fā)生共振 實(shí)際測(cè)量時(shí) 應(yīng)該避免此情況 此時(shí) 在測(cè)定系統(tǒng)本身參數(shù)時(shí) 有重要的意義 3 段 很小 且和頻率近似成正比增加 段 趨近于180 即輸出信號(hào)幾乎和輸入反相 在區(qū)間 隨頻率的變化而劇烈變化 而且越小 變化越劇烈 4 二階系統(tǒng)是一個(gè)振蕩環(huán)節(jié) 從檢測(cè)工作的角度來看 總希望檢測(cè)系統(tǒng)在較寬的頻帶內(nèi)由于頻率特性不理想所引起的誤差盡可能小 因此 要選擇恰當(dāng)?shù)墓逃蓄l率和阻尼比的組合 以獲得較小的誤差 下頁 上頁 返回 1 3 4實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量的條件如果一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng) 其輸出和輸入滿足下列關(guān)系 1 18 其中都是常數(shù) 表明該系統(tǒng)輸出的波形和輸入的波形精確的一致 只是幅值放大了A倍和時(shí)間上延遲了 這種情況 被認(rèn)為測(cè)試裝置具有不失真測(cè)量的特性 對(duì)式 1 18 兩邊取拉氏變換 得故不失真測(cè)試裝置的傳遞函數(shù)為 1 19 下頁 上頁 返回 頻率響應(yīng)函數(shù)為 1 20 其幅頻與相頻特性分別為 1 21 1 22 由此可見 要實(shí)現(xiàn)不失真檢測(cè) 檢測(cè)系統(tǒng)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù) 相頻特性應(yīng)為線性 引起的失真稱為幅值失真 與之間不滿足線性關(guān)系引起的失真稱為相位失真 上頁 返回