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1、第二章 检测系统及其基本特性,北京科技大学,第二章 检测系统及其基本特性,要求质量可靠、功能齐全,要求产品性能/价格比高物美价廉,要求产品具备自动化和智能化的功能,轻薄短小、精制大方是产品外观发展的趋势,对检测系统的基本要求,一、检测系统性能,-基本特性、功能、技术指标、性能/价格比,-常量输入下系统的性能指标,静态特性,-灵敏度、不确定度、输入范围、分辨力等,-决定系统能不能进行所需的检测和完成所需检测的程度,动态特性,-动态或变态信号输入下，与系统频率响应有关的特性,检测系统常用技术性能指标,输入量性能指标：量程、测量范围、过载能力等,静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、分
2、辨率、阈值、稳定性、漂移等,动态特性指标：时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、阻尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度、采样频率等,对环境和配接要求：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁干扰能力、抗冲振要求等,可靠性指标：平均寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗过载能力等,经济指标：性能/价格比,1）基本功能特性-决定系统的工作能力,1、静态特性：,测量范围（Range）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围,上限值、下限值,跨度（Span）：-测量范围上限与下限的算术差值,测量范
3、围的导出量（下限为零时）,线性检测装置-常数；非线性检测装置-变量,与输入量为同一量纲-放大比/放大倍数,-常量/缓慢变化的输入情况下的输出特性,200800C、5mm,1）基本功能特性,分辨力（Resolution）,动态范围（Dynamic Range）,跨度与绝对分辨力之比-系统对输入信号大小的综合检测能力,能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量,绝对值-；相对值-满刻度（Full Scale）的百分比,分贝数表示,-测量值与被测量真值之差-准确度,示值误差（error）,重复性（Repeatability）,外界条件不变的情况下，对同一被测量多次重复测量时测量值之间的分散性-精密
4、度,误差测量值真实值,2）精度特性-决定系统的在什么程度上完成所需的检测,非线性（Non-linearity）,a)最小二乘直线：标定值相对于该直线的误差平方和最小,b)端点连线：连接最大与最小标定值的直线-端基直线,参考直线,非线性误差-实测曲线偏离理想直线的程度,理想检测系统-输出与输入-比例关系：y(t)=kx(t),实际检测装置-输出与输入不是理性的线性关系,表示：实际测得的输入输出特性曲线（标定曲线）与其拟和直线之间的最大偏差与检测装置满量程输出范围之比：e=m/yFS,1-标定曲线,2-拟和直线,回程误差（Hysteresis）,-迟滞/滞后误差,正向（输入量增大）和反向（输入量减
5、小）行程期间-检测装置输入 输出曲线的不重合程度,外界条件不变-同一大小的输入信号-正反行程的输出信号数值不相等,产生原因：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-实验确定,-满量程输出yFS的百分比表示,死区（Dead band）,漂移（Drift）-稳定性,当系统输出信号不发生变化时所对应的输入信号的变化范围,-系统元件的摩擦及空程等现象引起的,输入不变的情况下，检测装置的输出随时间变化的趋势,温度的漂移（温漂）：灵敏度的温漂、零位的温漂-定量表示,2、动态特性,-变化/动态信号,动态测量-被测量本身随时间变化，而测量系统又能准确的跟随被测量的变化而变化,动态信号-
6、幅值、时间、空间/频率,-由系统元件的机械、物理及光、电、磁等特性决定,动态特性-输入与输出在幅值与频率上的相互关系,例：弹簧秤的力学模型,-静止物理模型,m-被测物体质量,k-弹簧弹性系数,m=ky/g,“动态模型”-停止振动之前测量重量,x-托盘和被测物体的位移,M-托盘的质量,微分方程（运动方程）,y-弹簧变形量,y-指针的位移,m-未知数,检测过程,被检测信号,1）检测系统的频率响应,检测系统的自身特性,检测系统输出信号,三部分:,t 时刻的输出信号-t 时刻之前的输入对系统作用影响的综合,傅立叶变换-频率域,-输出对于输入的频率响应,输出-输入与系统自身特性的卷积：,Y()、X()、
7、H()-输入、输出、系统在频率域中的特性,H()-系统幅频响应特性；()-系统相频响应特性,带宽（Band width）-系统动态特性的技术指标（工作频率范围）,-检测系统的适用频率范围-检测装置能够保证它的有关性能指标,-灵敏度、非线性等,2）典型动态输入信号,阶跃信号,载荷由A0瞬时加载到A并维持在这个水平,-相当于一个匀速加载过程,统计意义-概率分布、均值与方差等表示,正弦信号,A-振幅（常数）,斜坡信号,随机信号,2 f-角频率,3）系统的频率特性分析与比较,零阶系统,数学表达式,零阶系统、一阶系统、二阶系统-各种系统的基本环节,-系统静态灵敏度,频率特性,幅频、相频特性曲线,一阶系统
8、,微分方程,物理意义,-时间常数,-静态灵敏度,-归一化处理,频率响应函数,幅频、相频特性,-决定系统工作频率范围,二阶系统,微分方程,归一化,-系统固有频率,-系统阻尼比,标准传递函数,-决定系统带宽,幅频、相频特性,分辨力,系统的性能指标、价格-性能/价格比,1、检测系统性能的综合评估,重视指标：,能干些什么？能在什么程度上干些什么？,二、检测系统性能的综合评价与标定,工作/检测范围,工作频率,精度/重复性,工作环境与寿命,成本与价格,宽工作范围-大的跨度和高分辨力（动态范围）,一阶系统-时间常数；二阶系统-固有频率,精度高、重复性误差小-结果可靠,系统正常运行的工作条件-温度、相对湿度、
9、振动、噪声环境等,满足检测要求-价格越低越好,其他-软硬件操作方便；软件分析处理功能；接口；安全；容错能力；兼容性；延续性；售后服务,确定检测系统误差/确定检测特性的所有操作,检测系统-定量的数据或描述,标定-定量描述的误差,2、检测系统的标定,标准系统比较式,标准被测量比较式,1）标定方式：,相同条件下-被标定系统与已知的标准系统-同一被测量-比较输出结果-确定被标定系统误差,被标定系统-已知的标准量（长度/重量等）检测结果比较-偏差为系统误差,标准仪器/标准被测量-标准追搠性,用户-厂家-地区标准化/计量机构-国家标准化/计量机构（计量局）,最高标准/计量权威,（第一环）,（第二环）,（第三环）,2）标定内容：,量程与范围,零点设置,分辨力,非线性,灵敏度,频率相应特性,-标定报告,阶跃与其他输入的响应,外部环境（温度、湿度、光照度、振动、磁场等）的影响,今日作业,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
