第1章过程检测技术基础-基本概念和检测系统特性

.,检测系统特性与结构分析,静态特性动态特性检测系统模型与结构分析,.,几个基本性能指标,测量范围、上下限及量程：,测量范围：00.5kg,测量上限：0.5kg,测量下限：0kg,量程：0.5kg（量程=测量上限值-测量下限值）,.,几个基本性能指标,绝对误差：绝对误差=示值-约定真值,误差：,某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？,.,几个基本性能指标,相对误差：相对误差（%）=绝对误差/约定真值,误差：,引用误差：引用误差（%）=绝对误差/量程,最大引用误差：最大引用误差（%）=abs（最大绝对误差）/量程,仪表的最大引用误差仪表的允许误差,.,几个基本性能指标,精度：,电测量仪表的精度等级指数分为7级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。仪表的最大引用误差不能超过仪表等级指数的百分数，即：,检测仪表的精度等级是用最大引用误差去掉百分号后的数字来确定的。,精度等级的数字越小，精度越高,.,例1：某指针式万用表的面板如图所示，问：用它来测量直流(-)、交流（）电压时，可能产生的满度相对误差分别为多少？,.,例2：有一台测压仪表，其标尺范围为0500kPa，已知其绝对误差最大值为pmax=4kPa，求该仪表的精度等级。,所以该仪表的精度等级为1级（而不是0.5级）注意：精度的大小和最大绝对误差及测量范围都有关系。,解：,0.5%0.8%1%,.,例3:某待测的电压约为100V,现有0.5级0300和1.0级0100V两个电压表,问用哪一个电压表测量比较好？,用1.0级0100V测量100V时的最大相对误差为,因此,选择1.0级0100V电压表比较好.,解:用0.5级0300V测量100V时的最大相对误差为,在选择仪表时,不能单纯地认为精确度等级越高越好,而应根据被测量的大小,兼顾仪表的级别和测量上限合理地选择仪表,.,作业1：一台精度等级为0.5级，量程范围为6001200的电子电位差计，它的最大允许绝对误差是多少？校验时，如其中的某一点最大绝对误差是4，问此表是否合格?,.,一、检测系统静态特性,检测系统（传感器）的静态特性是指检测系统（传感器）的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时，所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。,.,非线性度,非线性度：指检测系统（传感器）实际输入输出关系对于理想的线性关系的偏离程度。,.,非线性度,.,端点连线拟合,.,最小二乘拟合,.,灵敏度,.,灵敏度,.,（1）如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度是一个常数。否则，它将随输入量的大小而变化。（2）一般希望灵敏度s在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均匀刻度的标尺，使读数方便，便于分析和处理测量结果。（3）输入和输出的变化量一般都有不同的量纲，灵敏度s也有量纲。如输入量为温度()，输出量为标尺上的位移(格)，则s的量纲为格/C。如果输入量和输出量是同类量，则此时s可理解为放大倍数。（4）多个仪表组成的测量或控制系统中，灵敏度具有可传递性。如串联的仪表系统，其总灵敏度是各仪表灵敏度的乘积。（5）提高灵敏度，可得到较高测量精度，但应当注意，灵敏度越高，测量范围往往越窄，稳定性往往越差。,注意：,.,灵敏限分辨力：检测系统输出能响应和分辨的最小输入量。即能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量。注意：（1）一般来说，仪表灵敏限数值应不大于仪表允许误差绝对值的一半；（2）灵敏限是灵敏度的一种反映，一般来说仪表的灵敏度高，则其灵敏限也高，因此实际上主要希望提高仪表的灵敏度，从而保证其灵敏限较好。,.,例4：某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。,解：该仪器的灵敏度为,mV/mm,.,例5：某测温系统由以下四个环节组成，各自的灵敏度如下：铂电阻温度传感器：0.45/电桥：0.02V/放大器：100(放大倍数)笔式记录仪：0.2cm/V求：(1)测温系统的总灵敏度；(2)记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值。,解（1）测温系统的总灵敏度为,cm/,（2）记录仪笔尖位移4cm时，所对应的温度变化值为,.,例6：用一台三位数字电子温度计测量温度，数字面板上显示如下图所示的数值，求该仪表的分辨力、被测温度值。,解：分辨率为0.1,被测温度值为180.6,.,例7：力检测系统输入输出数据如下表所示，求该检测系统的分辨率、灵敏度和线性度,解：分辨率为1mN,端基直线法求线性度：Y=9.8x;=00000001220(max（）/YF.S)100%=(-2/4900)100%=0.04%最小二乘法求线性度？,.,迟滞（滞后、回程误差）,检测系统（传感器）在输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。,产生迟滞现象的主要原因是由于检测系统中的敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。,.,迟滞（滞后、回程误差）,滞环,.,迟滞（滞后、回程误差）,仪表输入在小到一定范围后不足以引起输出的任何变化，这一范围称为死区。,Y,x,不灵敏区域的宽度是灵敏限的两倍,.,重复性,传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。,.,重复性,传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。,.,重复性,.,零点漂移（稳定性）,.,温度漂移（温度稳定性）,.,二、检测系统动态特性,检测系统的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化，是时间的函数时，则测试系统的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动特性来表示。一个动态特性好的测试系统，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。,.,三、检测系统模型与结构分析,检测系统基本功能信号转换与选择；基准保持与比较；显示与操作。,检测系统信号转换的数学模型,检测系统状态方程：,.,检测系统信号转换的数学模型,标定改变输入量u，记录输出量y的过程检测在标定的基础上由y求u的解逆问题的过程。信号转换基本条件：输入与输出间关系确定：设,分别是被检测量（输入信号）和测量值（输出信号）,.,信号选择性,如：利用金属丝电阻值变化（与种类、形状、温度有关）的检测：,选择必要的信号，消除（有时可主动消除）其他变量的影响，以提高检测精度。,.,检测系统的结构分析,补偿结构差分结构,.,补偿结构,结论：补偿结构必须有检测干扰的传感器，且其特性与检测用传感器特性在干扰量变化范围内应相一致这决定补偿精度。,补偿后结果输出y为：,.,差分结构,由于