3、检测系统基本特性

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3.检测系统

3 检测系统3.1 检测系统的功用与特性3.1.1检测系统的基本功能检测系统是机电一体化系统的一个基本要素，其功能是对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其变换成系统可识别的电信号，传递给信息处理单元。

如果把机电一体化系统中的机械系统看作是人的躯干和手足，信息处理系统看作是人的大脑，则检测系统好比是人的“感觉器官”。

根据被检测物理量特性不同，检测系统可以分为运动学参数检测系统，主要完成位移、速度、加速度及振动的检测；力学参数检测系统，主要检测拉压力、弯扭力矩及应力等；其他物理量检测系统，如温度、湿度、酸碱度、光照强度及声音等检测；图像检测系统，主要指利用摄像头及图像采集电路完成图像的输入。

根据检测信号的时间特性不同，检测系统又可分为模拟量检测系统和数字量检测系统。

模拟量检测系统完成时间上连续、具有幅值意义的模拟信号的检测，而数字量检测系统完成时间上不连续、没有幅值意义的脉冲信号的检测。

3.1.2检测系统的基本特性在满足检测系统基本功能要求的前提下，应以技术上合理可行，经济上节约为基本原则，对设计的检测系统应提出基本要求。

（1）灵敏度及分辨率。

灵敏度S是检测系统的一个基本参数。

当检测系统的输入x 有一个微小的增量Δx时，引起输出y发生相应变化Δy，则称=（3-1）∆xS∆y为该系统的绝对灵敏度。

如一位移检测装置在位移变化1mm时，输出的电压变化为30mV，则其灵敏度为30mV/mm。

分辨率是检测系统对被测量敏感程度的另一种表示形式，它是指系统能检测到的被检测量的最小变化，如一个位移检测系统的分辨率为0.2mm，是指当位移变化小于0.2mm时，不能保证系统的输出在允许的误差范围内。

一般情况下系统灵敏度越高，其分辨能力就越强，而分辨率高也意味着系统具有高的灵敏度。

原则上说，检测系统的灵敏度应尽可能高一些，高灵敏度意味着它能“感知”到被检测对象的微小变化。

但是，高灵敏度或高分辨率系统对信号中的噪音成分也同样敏感，噪音也可能被系统的放大环节放大。

检测系统的特征与性能指标

测量装置的测量特性随时间的慢变化，称为漂移。
*
分辨率
灵敏阈
可靠性
与检测系统无故障工作时间长短有关的一种描述。
能引起输出变化的输入量的最小变化量。
又称死区，用来衡量检测起始点不灵敏度的程度。
精确度（精度）
精密度：说明测量传感器输出值的分散程度。精密度是随机误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定正确度高。
02
检测装置
检测装置
为了保证测量结果的准确性，检测系统各环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，这种关系通常是线性关系，而且必须尽可能地减小或消除各种干扰。
在工程测试实践中，大多数检测系统属于线性时不变系统。线性时不变系统的分析方法已形成了完整严密的体系，即使是一些非线性系统或时变系统，在限定条件下，它们也遵循线性时不变的规律。
按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。
结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。例如:电容式和电感式传感器. 物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换。例如:水银温度计,压电测力计.
01
能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。例如:热电偶温度计,压电式加速度计.也称有源传感器。能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如:电阻式、电容式、电感式.也称无源传感器。
传感器
信号调理电路
目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字显示、图像显示及记录仪等。
记录、显示仪器
它是现代检测系统中不断被注入新内容的一部分，逐渐成为检测系统的研究重点。它是用来对测试所得的实验数据进行处理、运算、逻辑判断、线性变换，对动态测试结果作频谱分析（幅值谱分析、功率谱分析）、相关分析等，完成这些工作必须采用计算机技术。

第三章测试系统的基本特性答案

傅里叶变换、
的总灵敏度 123 。 3、为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有和滤波器法。
4、当测试系统的输出 y (t ) 与输入 x (t ) 之间的关系为 y(t ) A0 x(t t 0 ) 时，该系统能实现测试。此时，系统的频率特性为 H ( j ) A0 e
5、将信号 cos t 输入一个传递函数为 H ( s ) 内的输出 y (t ) 的表达式。
1 的一阶装置，试求其包括瞬态过程在 1 s
s Lcos wt 2 s w2
s 1 s Y s 2 2 s w 1 s s j s j 1 s a b c s jw s jw 1 s
（四）简答和计算题 1、什么叫系统的频率响应函数？它和系统的传递函数有何关系？ 2、测试装置的静态特性和动态特性各包括那些？ 3、测试装置实现不失真测试的条件是什么？ 4、某测试装置为一线性时不变系统，其传递函数为 H ( s )
1 。求其对周期信号 0.005s 1
x(t ) 0.5 cos 10t 0.2 cos(100t 45) 的稳态响应 y (t ) 。
压电式传感器 kq 电荷放大器 ku 题2图对象圣对象函数记录仪 ky 对象圣对象
y
3、当输入信号 x (t ) 一定时，系统的输出 y (t ) 将完全取决于传递函数 H ( s ) ，而与该系统的物理模型无关。（ √ ） 4、传递函数相同的各种装置，其动态特性均相同。（ √ 5、测量装置的灵敏度越高，其测量范围就越大。（ × ））
6、幅频特性是指响应与激励信号的振幅比与频率的关系。（×）

检测系统的基本特性

第2章检测系统的基本特性
2.1 静态特性及性能指标
2.1.1 检测系统的静态特性静态测量和静态特性：

静态测量：测量过程中被测量保持恒定不变（即 dx/dt=0系统处于稳定状态）时的测量。

静态特性：在静态测量中，检测系统的输出－输入特性。
y a0 a1 x a2 x a3 x an x
特性：
H ( s) H ( j ) K ( ) e j ( )
s j
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2.2.1 检测系统的传递函数 1.零阶系统系统方程：
a0 y b0 x
H ( s) K 0 H ( j ) K 0
0
或 y K0 x
传递函数：
频率特性：
幅频特性：K () K 相频特性： ( ) 0
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理论方法是根据检测系统的数学模型，通过求解微分方程来分析其输出量与输入量之间的关系。常用实验的方法：频率响应分析法――以正弦信号作为系统的输入；瞬态响应分析法――以阶跃信号作为系统的输入。
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2.2.1 检测系统的传递函数
检测系统的理想动态特性要求：当输入量随时间变化时，输出量能立即随之无失真的变化。但实际的传感器总
或
1
0 2
式中：
d 2 y 2 dy 2 y K0 x 0 dt dt
b0 ; a0
a0 ; a2
K0------系统的静态灵敏度，K 0 ω0------系统的固有角频率，0 ξ ------系统的阻尼比系数，
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a1 2 a0 a2
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1

测试系统的基本特性

测试系统
输出Y（t）
输入：x(t) x0e jt
an
d n y(t) dtn

a n1
d n1 y ( t ) d t n1

a1
dy(t) dt

a0 y(t)
输出：y(t) y0e j(t)

bm
d m x(t) dtm
bm 1
d m 1 x ( t ) d t m 1
含零点温漂和灵敏度温漂是测量系统在温度变化时其特性的变化灵敏度漂移力传感器温度传感器测试单元输入x输出y测试单元输出阻抗输入阻抗负载测试环节相互之间的影响输入阻抗与输出阻抗对于组成测量系统的各环节尤为重要希望前级输出信号无损失地向后级传送必须满足
第三章
测量系统的基本特性
本章内容
1. 测量系统的数学描述 2. 线性定常系统基本特性 3. 测量系统的静态特性 4. 测量系统的动态特性 5. 动态测量误差及补偿
d y(t) dt
t0 x ( t ) d t t0 y ( t ) d t
0
0
初始条件为零
2、线性定常系统的基本特性
2.3同频性：频率不变（频率保持性）
频率相同！
o 若输入为某一频率的简谐（正弦或余弦）信号
x(t) Ax cos( t x)
x(t) x0e jt
o 则系统的输出必是、也只是同频率的简谐信号
多次变动时，其输出值不一致的程度。 y
o 重复性误差定义为(引用误差):
Y
R
rR
.100% A
o ΔR是一种随机误差，根据标准差计算 0
R kˆ / n
△R-最大偏差
o K为置信因子，K=3时置信度为99.73%。 o 重复性误差决定测量结果的可信度。

(2)1测量基本概念-测量系统的基本特性

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分辨力
定义：又称“灵敏度阈”，表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力。
描述： 1、分辨力 --- 是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，1mv，… 2、分辨率 --- 是相对数值：能检测的最小被测量的变换量相对于满量程的百分数，如： 0.1%, 0.02% 3、阀值 --- 在系统输入零点附近的分辨力。
0

j t
dt
X ( j )

0
x (t )e j t dt
Y ( j ) bm ( j )m bm 1 ( j )m 1 b1 ( j ) b0 H ( j ) X ( j ) an ( j )n an 1 ( j )n 1 a1 ( j ) a0
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测量系统的动态特性
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动态特性

定义：测量系统在被测量随时间变化的条件下输入输出关系。特征：反映测量系统测量动态信号的能力。

29
研究动态特性的目的
理想情况：输出y(t)与x(t)一致。实际情况：输出y(t)与x(t)一致程度与信号频率和动态误差相关。
根据测量信号频率范围及测量动态误差的要求设计测量系统；已知测量系统及其动态特性，估算可测量信号的频率范围与对应的动态误差。
st
Y ( s) y (t )e dt ( s j , 0)
0
X (s)

0
x (t )e st dt
Y (s)(an s n an1s n1 a1s a0 ) X (s)(bm s m bm1s m1 b1s b0 )
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零位(失调)
定义：又称“零点”，当输入量为零 x=0时，测量系统的输出量不为零的数值

第3章_测试系统的基本特性

第三章测试系统的基本特性§1 测试装置与线性系统§2 测试系统的静态特性§3 测试装置的动态特性§4 实现不失真测试的条件一、几个重要概念1、系统系统：：指一系列相关事物按一定联系组成能够完成指定任务的整体够完成指定任务的整体。

2、测试系统是执行测试任务的传感器是执行测试任务的传感器、、仪器和设备的总称的总称。

2、测试系统的特性分析测试系统的特性分析：：研究测试系统本身及其作用于它的输入信号、输出信号三者之间的关系的关系。

§1 1 测试装置与线性系统测试装置与线性系统测试系统的基本构成测试系统是执行测试任务的传感器测试系统是执行测试任务的传感器、、仪器和设备的总称的总称。

这些装置和仪器对被测物理量进行传感行传感、、转换与处理转换与处理、、传送传送、、显示显示、、记录以及存储记录以及存储。

测试系统的复杂程度取决于被测信息检测的难易程度以及所采用的实验方法验方法。

简单测试系统简单测试系统((温度测量温度测量))复杂测试系统复杂测试系统((轴承缺陷检测轴承缺陷检测))加速度计带通滤波器包络检波器二、对测试装置的基本要求1、通常的工程测试问题总是处理输入量通常的工程测试问题总是处理输入量x(t)x(t)x(t)、、装置装置（（系统）的传输特性的传输特性h(t)h(t)h(t)和输出量和输出量和输出量y(t)y(t)y(t)三者之间的关系三者之间的关系三者之间的关系。

如图：（3）如果输入和系统特性已知如果输入和系统特性已知，，则可以推断和估计系统的输出量输出量。

(预测) （1）当输入当输入、、输出是可测量的输出是可测量的((已知已知))，可以通过它们推断系统的传递特性系统的传递特性。

(系统辨识)（2）当系统的传递特性已知当系统的传递特性已知，，输出可测量输出可测量，，可以通过它们推断导致该输出的输入量断导致该输出的输入量。

(反求)在测试工作中，常把研究对象和测试装置作为一个系统进行考察，因为测试装置会对被测对象产生反作如果所研究的对象就是测试装置本身，此时即是它的在测试工作中，常把研究对象和测试装置作为一个系统进行考察，因为测试装置会对被测对象产生反作用，影响输出。

第三章测试系统的基本特性

d 2 x(t) 2 x(t) 0
dt 2
相应的输出也应为
d 2 y(t) 2 y(t) 0
dt 2
于是输出y(t)的唯一的可能解只能是
y(t)
y e j( to ) o
线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。
举例：如果系统输入是简谐信号，而输出却包含其它频率成分，根据频率保持特性，则可以断定这些成分是由外界干扰、系统内部噪声等其他因素所引起。因此采用相应的滤波技术就可以把有用信息提取出来。
绝对误差：测量某量所得值与其真值（约定真值）之差。
相对误差：绝对误差与约定真值之比。用百分数表示。相对误差越小，测量精度越高。
示值误差：测试装置的示值和被测量的真值之间的误差。若不引起混淆，可简称为测试装置的误差。
引用误差：装置示值绝对误差与装置量程之比。例如，测量上限为100克的电子秤，秤重 60克的标准重量时，其示值为60.2克，则该测量点的引用误差为：（60.2-60）÷100=0.2%
..........
a）精密度
........ ......
...............
Hale Waihona Puke b）准确度 c）精确度✓ 精度等级：是用来表达该装置在符合一定的计量要求情况下，其误差允许的极限范围。
工程上常采用引用误差作为判断精度等级的尺度。以允许引用误差值作为精度级别的代号。
例如，0.2 级电压表表示该电压表允许的示值误差不超过电压表量程的0.2%。
✓ 准确度：表示测量结果与被测量真值之间的偏离程度，或表示测量结果中的系统误差大小的程度。系统误差小，准确度高。
✓ 精确度：测量结果的精密度与准确度的综合反映。或者说，测量结果中系统误差与随机误差的综合，表示测量结果与真值的一致程度。

第3章：测试系统的基本特性

3.3 测试系统的动态特性实验：悬臂梁固有频率测量
3.3 测试系统的动态特性案例:桥梁固频测量
原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。
3.3 测试系统的动态特性
2、阶跃响应函数
若系统输入信号为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)，则X(s)=1/s，此时Y(s)=H(s)/s
3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。(预测)
3.1 概述
二、对测试装置的基本要求
理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入－输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。
线性 y
线性 y
非线性y
3.3 测试系统的动态特性
一、描述动态特性的方法
测试系统动态特性描述了输出y和输入x之间的关系 ➢在时域内常用微分方程表示；
a2
d
2 y(t) dt 2

a1
dy(t) dt

a0
y(t)

x(t)
参数a0、 a1和a2由系统结构与参数决定， x(t)是输入，y(t)是输出。
➢在频域内可用传递函数或频率响应函数表示。
➢若输入为正弦信号，则稳态输出亦为同频率正弦信号（频率保持性）； ➢输出信号幅值和相位角通常不等于输入信号的幅值和相位角，其变化均是输入信号频率的函数，并通过
幅频特性A(ω) ：反映输出与输入的幅值之比；相频特性φ(ω)：反映输出与输入的相位差；
绝大多数的信号均可以进行傅里叶分解，因此。。。
特征：测量滞后
阶跃响应
频率特性

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本单元教学情况小结
审阅意见
审阅人：
注：教案首页和末页中间为授课内容
南京工程学院教案【教学单元首页】
第次课授课学时教案完成时间：
章、节ห้องสมุดไป่ตู้
检测系统基本特性
主要内容
1、系统静态特性
2、系统动态特性
目
的
与要求
掌握系统静态特性分析方法
重点与难点
掌握系统静态特性分析方法
教学方法与手段
南京工程学院教案【末页】
本单元知识点归纳
3、系统静态特性
4、系统动态特性
思考题或作业题
检定量
为49检定量程为100 μ A的2级电流表，在50 μ A刻度上标准表读数为49 μ A，问此电流表是否合格？