檢測(cè)系統(tǒng)的特征與性能指標(biāo).ppt

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(yè),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(yè),上頁(yè),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(lái)，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(méi)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(yè),上頁(yè),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(guò)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(lái)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(guò)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(yè),上頁(yè),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(guò)程，可以采用光線(xiàn)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(lái)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(guān)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(xiàn)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(yè),上頁(yè),返回,1.1.2線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)及其主要性質(zhì),下頁(yè),上頁(yè),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(xiàn)性微分方程來(lái)描述時(shí)，則稱(chēng)該系統(tǒng)為線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)，也稱(chēng)為定常線(xiàn)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(yè),上頁(yè),返回,則（1.2）滿(mǎn)足疊加原理，意味著作用于線(xiàn)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(yè),上頁(yè),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(xiàn)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(chēng)為頻率保持特性。但其幅值和初相位將發(fā)生變化。,下頁(yè),上頁(yè),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(chēng)為靜態(tài)響應(yīng)特性。通常用來(lái)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(xiàn)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(yè),上頁(yè),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(yè),上頁(yè),返回,1.2.3非線(xiàn)性度如圖1.3所示，標(biāo)定曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)的偏離程度就是非線(xiàn)性度。如果在全量程A輸出范圍內(nèi)，標(biāo)定曲線(xiàn)偏離擬合直線(xiàn)的最大偏差為B，則定義非線(xiàn)性度為：（1.7）1.2.4回程誤差如圖1.4所示，回程誤差也稱(chēng)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(yè),上頁(yè),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(chēng)范圍最低值處的變化，稱(chēng)為零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)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(yǔ)（1）精度精確度的簡(jiǎn)稱(chēng)。表示隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的綜合評(píng)定指標(biāo)。,下頁(yè),上頁(yè),返回,（2）可靠性與檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)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(chēng)死區(qū)，是用來(lái)衡量檢測(cè)起始點(diǎn)不靈敏的程度。,下頁(yè),上頁(yè),返回,式中t為時(shí)間變量，和均為常數(shù)，此系統(tǒng)為線(xiàn)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(yè),上頁(yè),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(xiàn)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(chēng)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(yè),上頁(yè),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(wú)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(lái)描述，稱(chēng)為相似系統(tǒng)。3）傳遞函數(shù)可以有量綱，也可以無(wú)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mn，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(yè),上頁(yè),返回,（3）常見(jiàn)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(yè),上頁(yè),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(wú)阻尼固有頻率。,令，兩邊同時(shí)作拉氏變換，整理得：,下頁(yè),上頁(yè),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(yè),上頁(yè),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(xiàn)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(chēng)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(chēng)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(yè),上頁(yè),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(chēng)為相頻特性。常見(jiàn)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(yè),上頁(yè),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(yè),上頁(yè),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(yè),上頁(yè),返回,由圖1.9可見(jiàn)，一階系統(tǒng)的幅頻特性曲線(xiàn)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(yè),上頁(yè),返回,相應(yīng)的幅頻、相頻特性曲線(xiàn)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(yè),上頁(yè),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(lái)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(yè),上頁(yè),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(mǎn)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