检测系统的静态和动态特性.ppt

3.6　检测系统的静态特性 3.6.1 概述 3.6.2 检测系统静态特性方程与特性曲线 3.6.3 检测系统静态特性的主要参数 3.7 检测系统的动态特性 * 　　 人们在设计或选用检测系统时，最主要的因素是检测系统本身的基本特性能否实现及时、真实地（达到所需的精度要求）反映被测参量（在其变化范围内）的变化。 　　 检测系统的基本特性一般分为两类：静态特性和动态特性。 　　 研究和分析检测系统的基本特性，主要有以下三个方面的用途。 第一，也是最主要的用途，是通过检测系统已知基本特性由测量结果推知被测参量准确值； 第二，用于对多环节构成的较复杂检测系统进行测量结果及（综合）不确定度分析，即根据该检测系统各组成环节已知的基本特性，依已知输入信号的流向，逐级推断和分析各环节输出信号及其不确定度。 　 第三，根据测量得到的（输出）结果和已知输入信号，推断和分析出检测系统的基本特性。 　一般检测系统的静态特性均可用一个统一（但具体系数各异）的代数方程，即通常称作静态特性方程来描述检测系统对被测参量的输出与输入间的关系，即 　　　　　　　　　 (1-44) 式中 x ——输入量； 　　y（x） ——输出量； 　　　　 ——常系数项。 静态特性表征检测系统在被测参量处于稳定状态时的输出－输入关系。衡量检测系统静态特性的主要参数是指测量范围、精度等级﹑灵敏度﹑线性度﹑滞环、重复性、分辨力﹑灵敏限、可靠性等。 1.测量范围 每个用于测量的检测仪器都有规定的测量范围，它是该仪表按规定的精度对被测变量进行测量的允许范围。测量范围的最小值和最大值分别称为测量下限和测量上限，简称下限和上限。 2.精度等级 3.灵敏度 灵敏度是指测量系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比。即 对线性测量系统来说，灵敏度为: (1-47) (1-46) 亦即线性测量系统的灵敏度是常数，可由静态特性曲线（直线）的斜率来求得，如图1-8（a）所示。式中 为Y和X轴的比例尺， 为相应点切线与X轴间的夹角。非线性测量系统其灵敏度是变化的。如图1-8（b）所示。 （a）线性系统灵敏度示意图　（b）非线性系统灵敏度示意图 　　　　　　　　图1-8 灵敏度示意图 4.非线性 　非线性通常也称为线性度。线性度就是反映测量系统实际输出、输入关系曲线与据此拟合的理想直线 　　　　　　的偏离程度。通常用最大非线性引用误差来表示。即 （1-48） 式中 ——线性度； 　　　——校准曲线与拟合直线之间的最大偏差； 　　——以拟合直线方程计算得到的满量程输出值。　 （1）理论线性度及其拟合直线 理论线性度也称绝对线性度。它以测量系统静态理想特性 　　　 作为拟合直线，如图1-9中的直线1（曲线2为系统全量程多次重复测量平均后获得的实际输出/输入关系曲线；曲线3为系统全量程多次重复测量平均后获得的实际测量数据，采用根据最小二乘法方法拟合得到的直线）。此方法优点是简单、方便和直观；缺点是多数测量点的非线性误差相对都较大。 图1-9最小二乘和理论线性度及其拟合直线 （2）最小二乘线性度及其拟合直线 　最小二乘法方法拟合直线方程为 　　　　。如何科学、合理地确定系数　和　是解决问题的关键。设测量系统实际输出/输入关系曲线上某点其输入、输出分别　　　，在输入同为　　情况下，最小二乘法方法拟合直线上得到输出值为 　　　　　　 两者偏差为 最小二乘拟合直线的原则是使确定的N个特征测量点的均方差 （1-49） 为最小值，为此必有　　　　关于　和　的偏导数为零，即 把　　　表达式代入上述两方程整理可得到关于最小二乘拟合直线待定系数　和　的两个计算表达式 （1-50） 5.迟滞 迟滞，又称滞环，它说明传感器或检测系统的正向(输入量增大)和反向(输入量减少)时输出特性的不一致程度，亦即对应于同一大小的输入信号，传感器或检测系统在正、反行程时的输出信号的数值不相等，见图1-10所示 。 图1-10 迟滞特性示意图 迟滞误差通常用最大迟滞引用误差来表示，即 (1-51) 式中 　－－最大迟滞引用误差； 　　　　－－（输入量相同时）正反行程输出之间最大绝对偏差； 　　　　——测量系统满量程值。 在多次重复测量时,应以正反程输出量平均值间的最大迟滞差值来计算。迟滞误差通常是由于弹性元件、磁性元件以及摩擦、间隙等原因所产生，一般需通过具体实测才能确定。