1、第2章主要内容,2.1,2.2,2.3,2.4,线性检测装置概述,检测装置的动态特性,不失真测量条件和装置组建,检测装置的静态特性,2.5,检测装置的基本特性测试,本章做为以下三个方面应用的基础,参数检测：已知装置的特性和输出信号，求出 输入信号。 多环节检测装置组建：已知装置的特性和输 入信号，求出输出信号。 装置的特性分析：由装置的输入输出信号， 推断装置的特性。（系统辩识）,2.1 线性检测装置概述,线性时不变检测装置服从叠加性、齐次性、微分、积分和频率保持特性。,(2-1),(2-2),(2-3),(2-4),2.2 检测装置的静态特性,1、静态特性的定义,被测量的值处于稳定状态时，传
2、感器的输出与输入的关系。,2、静态特性描述：数学公式或数学模型。,水银温度计：,滑动电位器：,(2-5),(2-6),检测装置的输出与输入关系通用表达式：,3、检测装置的静态特性参数 （1）零点,（2）灵敏度,(2-7),(2-8),线性传感器, k=y/x为常数, 非线性传感器的灵敏度, k=dy/dx。k随X变化而变化。 一般测量范围越大，非线性越严重，灵敏度变化越大。,（3）分辨力 反映检测装置能够有效辨别最小输入变化量的能力。,例如：温度检测装置显示器显示温度变化最小值为0.01 水表最小显示水量为0.001m3。,（4）量程 反映检测装置能够有效测量最大输入变化量的能力。,滞差、重复
3、性、线性度、 灵敏度、准确度、稳定性和可靠性 。,4、静态特性的质量指标,（1）滞差 检测装置在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。,滞差 计算式,(2-9),迟滞现象反应了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，（如轴承摩擦，间隙，螺钉松动等）一般结构型传感器在装载和卸载过程中存在迟滞。,图2-1 迟滞特性曲线,（2） 重复性,重复性误差的计算,重复性是指传感器在输入量按同一方向（增大或减小）作全量程连续多次变化时, 所得特性曲线不一致的程度。,(2-10),图2-2 重复性特性曲线,（3）线性度 检测装置的输出与输入之间数量关系的线性程度。, 检测装置
4、非线性大小评定方法,校准曲线即实测曲线： 通过实际测试获得。 首先在标准工作状态下，用标准仪器设备对传感器进行标定（测试），得到其输入输出曲线即为校准曲线。,拟合直线即理想直线：人为作出。 校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比，称为传感器的非线性误差（或线性度）,线性度的计算公式,(2-11),y,2-3(c)端点连线拟合,2-3(b)过零旋转拟合,2-3(a)理论拟合,2-3(d)最小二乘拟合,目的:1、用拟合直线代替校准曲线，方便计算。2、检验传感器或仪表是否合格。,用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。 ,拟合直线方程 Y=b+k X,n对测量数据（x i, y i
5、）, 用直线方程Y=b +kX拟合, 根据测量数据值, 求方程中系数b 、k的最佳估计值。,(2-12),应用最小二乘法原理: 使各测量数据点y i与直线输出Y偏差的平方和为最小。,(2-13),(2-14),(2-15),(2-16),(2-17),（4）准确度 准确度等级a表示产品精度的一项指标。仪表产品的精度等级由国家计量部门给定，仪表的实际相对误差应小于精度等级。,（5）稳定性和可靠性 稳定性：在规定的工作条件下，在规定的时间内，装置性能保持不变的能力。 装置的稳定性取决于其内部元器件的稳定性。,可靠性：在保持使用环境和运行指标不超过极限的情况下，装置性能保持不变的能力。,衡量装置可靠
6、性的指标： 平均无故障时间（MTBF）和故障率。,例：某台仪表MTBF为500Kh，故障率为0.2%/kh。 1000台仪表工作1000小时，有多少台仪表可能出现故障。,5、检测装置的标定,标准装置,待测装置,X,Y2,Y1,在标准条件下，由标准器具给出一系列已知输入量，对待测装置输入输出关系进行测量处理过程。,标准器具,校准,将检测装置在使用一定时间后进行性能复测。,标定,标定仪器的精度等级 所用的测量仪器的精度至少要比被标定的装置的精度高一个等级。,静态标定的目的 确定检测装置的输入和输出关系。确定静态性能指标（线性度、迟滞、重复性、灵敏度等）,3. 静态特性标定的方法 对检测装置进行正、
7、反行程全量程多点测试，将得到的输出输入关系测试数据用表格列出或画成曲线。 对测试数据进行处理，根据处理结果确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。,例：温度传感器或测温仪表的标定。,被标定温度仪,恒温油槽,标准水银温度计,传感器探头,可控硅温度控制仪,T,2-4 温度标定系统,2-5 铂电阻标定系统,2.3 检测装置的动态特性,1、定义 传感器输出对于随时间变化输入量的响应特性。,2、研究方法 时域瞬态响应法，标准的输入信号阶跃输入。,频域频率响应法，标准的输入信号正弦输入。,动态特性的三种表示方法 微分方程、传递函数、频率响应特性,微分方程（时域）,传递函数（复域）,(2-1
8、8),(2-19),频率响应特性（频率域）,3、输出信号不失真条件,(2-20),(2-21),4、常见装置的数学模型,（1）一阶装置的传递函数,（a）弹簧-阻尼器一阶环节,（b）电容-电阻RC电路,图2-6 一阶环节,弹簧-阻尼器一阶环节,电容-电阻RC电路,(2-22),(2-23),温度传热装置,对于一阶环节，无论哪个领域，什么装置，其数学模型是一致的。一阶环节的时间常数和放大倍数取决于装置的结构参数。,(2-24),（2）二阶装置的传递函数,y（t）,图2-7 二阶环节,（a）质量-弹簧-阻尼器二阶环节,（b）电感-电容-电阻RLC电路,质量-弹簧-阻尼器二阶环节运动方程,电感-电容-
9、电阻RLC电路回路方程,动圈运动方程,(2-25),(2-26),(2-27),等效为二阶系统微分方程,(2-28),5、瞬态响应特性,（1）一阶环节的阶跃响应,图2-8 一阶环节的阶跃响应,(2-29),动态误差的计算？减小动态误差的方法？,（2）二阶环节的阶跃响应,(2-30),(2-31),(2-32),图2-9 二阶环节的阶跃响应,(2-33),(2-34),图2-10 二阶环节的阶跃响应,(1) 一阶装置的频率特性,幅频特性,相频特性,6、 频率特性,时间常数越小，频率响应特性越好。,(2-35),(2-36),(2-37),(a) 幅频特性 (b) 相频特性1.11 一阶传感器的频率特性,（2） 二阶传感器的频率特性,相频特性,频率特性表达式,幅频特性,(2-38),(2-39),(2-40),1.12 二阶传感器的频率特性,
