第11-13章 检测系统

1、欲使测量结果具有普遍的科学意义，测量系统应当是经过检验的。 标定：用已知的标准校正仪器或测量系统的过程称为标定。 输入到测量系统中的已知量是静态量还是动态量，标定分静态标定和动态标定。,11 传感器与检测仪器的标定,2,11 传感器与检测仪器的标定,静态标定的目的是确定传感器或检测仪器的静态特性指标如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。 动态标定的目的是确定传感器或检测仪器的动态特性参数如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。,3,11.1 传感器或检测仪器的静态标定,静态标准条件 静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测物理量)及环境温度一般为室温(205)相对湿度不大

2、于85。大气压力为(1017)kPa的情况。,标定仪器设备(标准量具)精度等级的确定 标准量具的精度等级比被标定传感器至少高一个等级；,4,11.1 传感器或检测仪器的静态标定,静态标准条件 确定传感器静态指标，主要是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的，主要用于检验、测试其静态特性指标。静态标准条件主要包括没有加速度、振动、冲击（除参数本身是被测量）及环境温度（一般为室温205）、相对湿度不大于85、气压为（1017）kPa等条件。 一般的静态标定包括如下步骤： （1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点。,5,11.1 传感器或检测仪器的静态标定

3、,（2）根据传感器量程分点情况，由小到大、逐点递增输入标准量值，并记录与各点输入值相对应的输出值。 （3）将输入量值由大到小、逐点递减，同时记录下与各点输入值相对应的输出值。 （4）按上述步骤（2）、（3）所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次（一般为310次）测试，将得到的输出-输入测试数据用表格列出或画成曲线。 （5）对测试数据进行必要处理。输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等静态特性指标。,6,11.2 传感器或检测仪器的动态标定,传感器或检测仪器的动态标定主要是研究传感器或检测仪器的动态响应。 与动态响应有关的

4、参数：一阶系统只有一个时间常数，二阶系统则有固有频率n和阻尼比两个参数。,7,一阶传感器或检测仪器的单位阶跃响应（如图1-15）,11.2 传感器或检测仪器的动态标定,图1-15 一阶传感器的阶跃响应 (a)单位阶跃信号；(b)一阶传感器阶跃响应曲线,一、一阶传感器的动态标定,确定时间常数,对于一阶测量系统，测得阶跃响应后，取输出值达到最终值63.2%所经过的时间作为时间常数 。只用到一个实验数据。,8,11.2 传感器或检测仪器的动态标定,存在的问题： 没有涉及响应的全过程，测量结果的可靠性仅仅取决某些个别的瞬时值，尤其是零点不好确定，其次是动态测量中存在随机噪声的影响，必然影响到读数误差。

5、 改进方法： 一阶测量系统的阶跃响应函数为,9,11.2 传感器或检测仪器的动态标定,图11-1,若改写上式为： 1y(t)= et/,作zt曲线，根据t/z值由此确定时间 常数，这种方法考虑了传感器 瞬态响应的全过程。如图11-1所示。,式中， z=ln1y(t),上式表明z和时间t成线性关系,并且有=t / z （如图11-1 ）,令,二、二阶传感器的动态标定 确定传感器的阻尼比和固有频率n 。 欠阻尼二阶传感器的阶跃响应（如图11-2）,图11-2 二阶传感器(1)的阶跃响应,11.2 传感器或检测仪器的动态标定,y(t)以d= n12作衰减振荡，按照求极值的方法可得 各振荡峰值对应的时

6、间tp=0，/d，2/d，将 t=/d代入y(t)的表达式，可得最大过冲量M 或 测得M，由上式或图11-3，可求阻尼比；由标定测得的tp ，得d ，n。,11.2 传感器或检测仪器的动态标定,11.2 传感器或检测仪器的动态标定,图11-3 -M曲线,如果测得阶跃响应有较长瞬变过程，还可利用任意两个过调量 和 来求得阻尼比 ， 其中n为两峰值相隔的周期（整数）。设 峰值对应的时间为ti，则峰值 对应的时间为,将它们代入欠阻尼二阶系统单位阶跃响应计算式，可得,整理后可得,式中,(11-5),11.2 传感器或检测仪器的动态标定,14,当 0.1时,若考虑以l代替 ，则,也可以利用正弦信号输入，

7、测定传感器输出与输入的幅 值比和相位差来确定传感器的幅频特性和相频特性，然后根 据幅频特性分别按图11-4和11-5来求一阶传感器的时间常数 和欠阻尼二阶传感器的阻尼比和固有频率n。,图11-4 由幅频特性求一阶 11-5 由幅频特性求欠阻尼 传感器时间常数 二阶装置的和n,11.2 传感器或检测仪器的动态标定,13 检测技术基础, 测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值。但由于种种原因, 例如, 传感器本身性能不十分优良, 测量方法不十分完善, 外界干扰的影响等, 都会造成被测参数的测量值与真实值不一致, 两者不一致程度用测量误差表示。 ,测量误差,（1）绝对误差 绝对误差在理论上是指测

8、量值X与被测量的真实值L之 间的差值，即 =XL 绝对误差是可正可负的，而不是误差的绝对值；绝对误 差还有量纲，它的单位与被测量的单位相同。,测量误差的表示方法有多种, 含义各异。 ,13 检测技术基础,测量误差就是测量值与真实值之间的差值。 它反映了测量质量的好坏。,采用绝对误差表示测量误差, 不能很好说明测量质量的好坏。 例如, 在温度测量时, 绝对误差=1 , 对体温测量来说是不允许的, 而对测量钢水温度来说却是一个极好的测量结果。 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？ ,13 检测技

9、术基础,测量误差的分类： 根据引起误差的原因和误差的性质，测量误差可分为 三类： 系统误差，具有确定性，决定测量的准确度，可以进 行修正； 随机误差（偶然误差），具有偶然性，决定测量的精密度，利用误差理论进行处理； 疏忽误差，是错误，应剔除。,13 检测技术基础,（2）相对误差 实际相对误差： （13-4）,由于被测量的真实值L无法知道, 实际测量时用测量值X代替真实值L进行计算, 这个相对误差称为标称相对误差, 即：,13 检测技术基础,14.0.2 仪表误差 1 .仪表误差术语 测量仪表的示值误差 =仪表示值x-真实值xi =xx0(xi用约定真值x0来代替 ) 相对示值误差 测量仪表的最

10、大允许误差 定义是“对给定的测量仪 表，规范、规程等所允许的误差极限值”。有时也称为测 量仪表的允许误差限，或简称允许误差（允）。,13 检测技术基础,（3)引用误差 测量范围和量程 测量范围: 指“测量仪器的误差处在规定极限内的一组 被测量的值”。 量程: 指测量范围的上限值和下限值的代数差。 例如：测量范围为0100时，量程为100； 测量范围为20100时，量程为80； 测量范围为20100时，量程为120。,13 检测技术基础,仪表误差： （仪表）引用误差： 仪表的准确度用仪表的最大引用误差max（即仪表的最大 允许误差允）来表示，即 式中，max仪表在测量范围内的最大绝对误差； 仪表

11、误差整体上评价仪表在其测量范围内测量的好坏。,13 检测技术基础,仪表精度等级a（去掉仪表误差的“”号和“%”） a=0.005，0.01，0.02，0.05；0.1， 0.2， ( 0.4)，0.5； 级标准表 级标准表 1.0，1.5， 2.5，(4.0)；等 工业用表 仪表的基本误差： max=仪表量程a% 仪表精度等级是根据引用误差来确定的。 例如, 0.5级表的引用 误差的最大值不超过0.5%，1.0级表的引用误差的最大值不 超过1%。 ,13 检测技术基础,例13-1 某压力传感器的测量范围为010MPa，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

12、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。 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的精度等级 值应选不小于由校验结果所计算的精度值,13 检测技术基础,例13-2 某测温传感器的测量范围为01000，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

13、择0.5级的精度才能满足工艺要求。 根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的精度等级值应 不大于工艺要求所计算的精度值 。 在使用仪表和传感器时, 经常也会遇到基本误差和附加误差 两个概念。,13 检测技术基础,基本误差和附加误差： 基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。 例如, 仪表是在电源电压(2205)V、电网频率(502)Hz、环境温度(205)、 湿度65%5%的条件下标定的。如果这台仪表在这个条件下工作, 则仪表所具有的误差为基本误差。测量仪表的精度等级就是由基本误差决定的。 附加误差是指当仪表的使用条件偏离额定条件下出现的误差。例如, 温度附加误差、频率附加误差、电源电

14、压波动附加误差等。 ,13 检测技术基础,误差的性质 根据测量数据中的误差所呈现的规律, 将误差分为三种, 即系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据处理。 （1） 系统误差对同一被测量进行多次重复测量时, 如果误差按照一定的规律出现, 则把这种误差称为系统误差。例如, 标准量值的不准确及仪表刻度的不准确而引起的误差。 （2） 随机误差对同一被测量进行多次重复测量时, 绝对值和符号不可预知地随机变化, 但就误差的总体而言, 具有一定的统计规律性的误差称为随机误差。 ,13 检测技术基础,引起随机误差的原因是很多难以掌握或暂时未能掌握的微小因素, 一般无法控制。对于随机误差不能用简单的修正值来修正,只能用概率和数理统计的方法去计算它出现的可能性的大小。 （3） 粗大误差-明显偏离测量结果的误差称为粗大误差, 又称疏忽误差。这类误差是由于测量者疏忽大意或环境条件的突然变化而引起的。对于粗大误差, 首先应设法判断是否存在, 然后将其剔除。,13 检测技术基础, 从工程测量实践可知, 测量数据中含有系统误差和随机误差, 有时还会含有粗大误差。它们的性质不同, 对测量结果的影响及处理方法也不同。 在测量中, 对测量数据进行处理时, 首先判断测量数据中是否含有粗大误差, 如有, 则必须