01测试系统特性-2015

第一章测试系统特性22020/1/15传感器来自外界的信号电信号输入输出传递函数32020/1/15传递函数线性函数:0246810051015202530传递函数对数函数:42020/1/15024681002468101214传递函数52020/1/15指数函数:0246810468101214传递函数多阶微分:62020/1/15024681002040608010012014072020/1/15传感器特性0246810051015202530死区输入量程输出量程82020/1/15一、线性度非线性误差或线性度γL=±(ΔLmax/yFS)×100%ΔLmax一最大非线性误差；yFS—量程输出yxΔLmax92020/1/15直线拟合方法a)理论拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点连线平移拟合102020/1/15最小二乘法拟合0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法min2112niiiniibkxyy=kx+b原理就是使为最小值，即对k和b一阶偏导数等于零，求出表达式设拟合曲线为：2i2i112020/1/15二、灵敏度传感器输出的变化量y与引起该变化量的输入变化量x之比即为其静态灵敏度：yx△x△yK=Δy/Δx122020/1/15三、迟滞传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞迟滞误差（回程误差）一般以满量程输出的百分数表示,即：max/100%HHFSy△Hmax—正反行程间输出的最大差值。yxhmaxA132020/1/15四、重复性重复性是指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。yx0⊿Rmax2⊿Rmax1△Rmax1正行程的最大重复性偏差，△Rmax2反行程的最大重复性偏差。%100/maxFSRRy重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性误差142020/1/15%100/maxFSRRy随机误差!×2~3/100%RFSy152020/1/15（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。测量误差的分析162020/1/15测量误差的分析系统误差：对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不被或按一定规律变化，这种误差成为系统误差。一般可通过实验或分析，查明原因进行预测和消除。说明传感器输出值与真值的偏离程度。系统误差大小代表着准确度的高低，准确度高意味着系统误差小。2020/1/1517系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。182020/1/15测量误差的分析随机误差：对同一被测量进行多次重复测量时，若误差大小随机变化，不可预知，这种误差成为随机误差。随机误差大多数服从正态分布。说明测量传感器输出值的分散性。随机误差大小反映了精密度的高低，精密度高，意味着随机误差小。2020/1/1519随机误差长度相对测量值次数统计202020/1/15随机误差均方根偏差σ-标准误差反映了随机误差的分布范围2111niiyynyi—各测试点的残差；n一测试点数。standarddeviationofmeasurements212020/1/15测量误差的分析粗大误差：指误差数值特别大，远超过我们一定条件下的预计值，测量结果中有明显错误的这样的误差成为粗大误差。2020/1/1522产生粗大误差的一个例子精度232020/1/15max/100%FSLHRy%100mmAx引用（满度）相对误差：绝对误差与仪表满度值的百分比当Δx取最大值时，满度相对误差确定仪表精度等级，目前我国电工仪表精度分为7级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级，5.0级代办满度相对误差最大值不超过仪表量程上限的5%。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？242020/1/15精度例1-1某压力传感器的测量范围为0~10MPa，校验该传感器时得到的最大绝对误差为0.08MPa，试确定该传感器的精度等级。解：该传感器的精度为：由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，而该传感器的精度又超过了0.5级仪表的允许误差，所以，这只传感器的精度等级应定为1.0级。%8.0%10001008.0100maxmax％量程精度例1-2某测温传感器的测量范围为0~1000℃，根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过7℃，试问应如何选择传感器的精度等级才能满足以上要求?解：根据工艺要求，传感器的精度应满足：此精度介于0.5级和1.0级之间，若选择精度等级为1.0级的传感器，其允许最大绝对误差为10℃，这就超过了工艺要求的允许误差，故应选择0.5级的精度才能满足工艺要求。%7.0%100010007%100maxmax量程精度272020/1/15传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立器输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。根据系统的用途输入可以是静态的也可以是动态的。因此传感器的标定有静态和动态标定二种。传感器的标定与校准待标定传感器已知非电量输入量标定的基本方法标准物输出量输入量发生器标准传感器输出2待标定传感器输出1输入标准量：由标准传感器检测得到实质：待标定传感器与标准传感器之间的比较。电量例1-30~2MPa压力传感器的标定（输出电压1~5V；1.5级)，K=2V/MPa标定数据表输入压力(MPa)0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.802.00输出电压(V)升1.021.401.792.192.562.983.413.784.174.574.98输出电压(V)降1.011.421.812.232.583.053.433.824.204.595.01绝对误差(V)升0.020.00-0.01-0.01-0.04-0.020.01-0.02-0.03-0.03-0.02绝对误差(V)降0.010.020.010.03-0.020.050.030.020.00-0.010.01升降变差（V）0.010.020.020.040.020.070.020.040.030.020.03m=0.03V,最大升降变差0.07V，所以max=nm=0.07/(5-1)100%=0.07/4100%=1.75%根据标定数据，该表只能定为2.5级。仪器的变差不能超出仪器的允许误差！302020/1/15分辨力和阀值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。312020/1/15零点漂移稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。322020/1/15温度稳定性温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。测试时先将传感器置于一定温度(如20℃),将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数(如5℃或10℃),再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。温度稳定性误差用温度每变化若干℃的绝对误差或相对误差表示,每℃引起的传感器误差又称为温度误差系数。332020/1/15抗干扰稳定性指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析2020/1/1534传感器的动态特性动态特性：传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。2020/1/1535（1）零阶传感器的响应零阶传感器的单位阶跃响应36零阶系统具有理想的动态特性，无论被测量x(t)如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其输出在时间上也无任何滞后，所以零阶系统又称为比例系统。在工程应用中，电位器式的电阻传感器、变面积式的电容传感器等均可看作零阶系统。372）一阶系统)()()(001txbtyadttdya上式通常改写成为)()()(tkxtydttdy式中：τ——传感器的时间常数，τ=a1/a0；k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a02020/1/1538（2）一阶传感器的响应一阶传感器的的单位阶跃响应/1)(tetY39一阶系统又称为惯性系统。时间常数τ具有时间的量纲，它反映传感器的惯性的大小，静态灵敏度则说明其静态特性。如不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容滤波器等均可看作为一阶系统。403）二阶系统)()()()(001222txbtyadttdyadttyda二阶系统的微分方程通常改写为)()()(2)(2222tkxtydttdydttydnnn式中：k——传感器的静态灵敏度或放大系数，k=b0/a0；ξ——传感器的阻尼系数，ωn——传感器的固有频率，)2/(201aaa20/aan2020/1/1541（3）二阶传感器的响应