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1、传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院第一篇第一篇 工程测试技术基础工程测试技术基础第第3章章 测试系统的特性测试系统的特性1.1.建立测试系统的概念建立测试系统的概念 2.2.掌握描述测试系统静态特性的方法掌握描述测试系统静态特性的方法3.3.掌握描述测试系统动态特性的方法掌握描述测试系统动态特性的方法4.4.掌握实现系统不失真测试的条件掌握实现系统不失真测试的条件传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院3.2 测试系统的静态特性测试系统的静态特性 测试系统处于静态工作条件下,输入测试系统处于静态工作条件下,输入x x和输出和输出y y不随不随时间变化,则输出与输入之间的关系可
2、以用代数方程时间变化,则输出与输入之间的关系可以用代数方程 y=y=SxSx 表示。即输出是输入的单调、线性比例函数。表示。即输出是输入的单调、线性比例函数。y=y=SxSx 称为称为静态特性方程静态特性方程 实际的测试系统输出与输入往往不是理想直线,实际的测试系统输出与输入往往不是理想直线,这样静态特性由多项式表示这样静态特性由多项式表示静态特性方程与定度曲线:静态特性方程与定度曲线:传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院定度曲线定度曲线:表示静态表示静态特性方程的图形称为测试系统特性方程的图形称为测试系统的的定度曲线定度曲线。习惯上,定度曲线是以输入习惯上,定度曲线是以输入x x作
3、为自变量,对应输出作为自变量,对应输出y y作为因变量,在直角坐标系中绘出的图形。作为因变量,在直角坐标系中绘出的图形。下面用下面用定量指标定量指标来研究实际测试系统的静态特性。来研究实际测试系统的静态特性。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院1 1、静态特性指标、静态特性指标 a)a)灵敏度灵敏度(Sensitivity)若若系系统统的的输输入入x x有有一一增增量量xx,引引起起输输出出y y发发生生相相应变化应变化yy时,则定义灵敏度时,则定义灵敏度S S为为:S=y/x S=y/xy yx xxxyy传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院灵敏度的量纲取决于输入输出的量
4、纲。当输入与灵敏度的量纲取决于输入输出的量纲。当输入与输出的量纲相同时,则灵敏度是一个无量纲的数,常输出的量纲相同时,则灵敏度是一个无量纲的数,常称为称为“放大倍数放大倍数”或或“增益增益”。线性系统的灵敏度为常数,特性曲线是一条直线。线性系统的灵敏度为常数,特性曲线是一条直线。非线性系统的特性曲线是一条曲线,其灵敏度随输入非线性系统的特性曲线是一条曲线,其灵敏度随输入量的变化而变化。量的变化而变化。通常用一条参考直线代替实际特性通常用一条参考直线代替实际特性曲线(曲线(拟合直线拟合直线),),拟合直线的斜率作为测试系统的拟合直线的斜率作为测试系统的平均灵敏度。平均灵敏度。灵敏度反映了测试系统
5、对输入量变化反应的能力,灵敏度反映了测试系统对输入量变化反应的能力,灵敏度愈高,测量范围往往愈小,稳定性愈差。(灵敏度愈高,测量范围往往愈小,稳定性愈差。(合合理选取理选取)传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院多级测试系统的总灵敏度:多级测试系统的总灵敏度:S1 S2 S3 P v y uS=u/P=v/P.y/v.u/y=S1 S2 S3 当测试系统由多个相互独立的环节构成时,其总当测试系统由多个相互独立的环节构成时,其总灵敏度等于各环节灵敏度的乘积。灵敏度等于各环节灵敏度的乘积。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院b)b)线性度(线性度(linearity非线性度非线性
6、度non-linearity)定度曲线与拟合直线的偏离程度,用定度曲线与拟合直线的偏离程度,用线性误差线性误差表表示,即用系统标称输出范围(全量程)示,即用系统标称输出范围(全量程)A A内,定度曲内,定度曲线与拟合直线的最大偏差表示。通常表示成线与拟合直线的最大偏差表示。通常表示成相对误相对误差差形式。形式。cy LmaxA线性度是对测试系统输入输线性度是对测试系统输入输出线性关系的一种度量。出线性关系的一种度量。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院拟合直线的确定方法:拟合直线的确定方法:端基直线端基直线:通过测量范围上下限点的直线通过测量范围上下限点的直线 独立直线(独立直线(最
7、小二乘直线最小二乘直线):拟合直线与定度曲拟合直线与定度曲线间偏差线间偏差B Bi i 的平方和最小。的平方和最小。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院c)c)回程误差(回程误差(Hysteresis error)测测试试系系统统在在输输入入量量由由小小增增大大和和由由大大减减小小的的测测试试过过程程中中,对对于于同同一一个个输输入入量量所所得得到到的的两两个个数数值值不不同同的的输输出出量量之间差值最大者为之间差值最大者为h hmaxmax,则定义回程误差为,则定义回程误差为:cyhmaxA描述系统的输出与输入变化描述系统的输出与输入变化方向有关的特性。方向有关的特性。回差的原因:
8、磁滞、弹性滞后、间隙、材料变形等回差的原因:磁滞、弹性滞后、间隙、材料变形等。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院d)d)重复性(重复性(Repeatability)测试系统按同一方向作全量程的多次重复测量时,测试系统按同一方向作全量程的多次重复测量时,静态特性曲线不一致,用重复性表示为静态特性曲线不一致,用重复性表示为 衡量测量结果分散性的指标,即随机误差大小的衡量测量结果分散性的指标,即随机误差大小的指标。也可表示为:指标。也可表示为:传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院e)e)精度(精度(Accuracy)评定测试系统产生的测量误差大小的指标,其定量评定测试系统产生的
9、测量误差大小的指标,其定量描述方式包括:描述方式包括:(1 1)用测量误差来表征)用测量误差来表征u相对误差越小,测量精度越高。相对误差越小,测量精度越高。u工程上常采用工程上常采用引用误差引用误差作为判断精度等级的尺度。作为判断精度等级的尺度。以允许引用误差以允许引用误差(最大引用误差:最大绝对误差与满最大引用误差:最大绝对误差与满量程的比值量程的比值)作为精度级别的代号。作为精度级别的代号。例如,例如,0.2 0.2 级电压表表示该电压表允许的示值误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差不超过电压表量程的 0.2%0.2%。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院u引
10、用误差引用误差:绝对误差与满量程之比的百分数:绝对误差与满量程之比的百分数最大引用误差:最大引用误差:精度等级精度等级:表征测试系统或装置在符合一定的计量要表征测试系统或装置在符合一定的计量要求情况下,能保持其误差在规定的极限范围内。求情况下,能保持其误差在规定的极限范围内。精度等级代表允许误差的大小,并不是实际测量中出精度等级代表允许误差的大小,并不是实际测量中出现的误差。现的误差。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院【例例1】某压力表精度为某压力表精度为1.5级,量程为级,量程为02.0MPa,测量结测量结果显示为果显示为1.2MPa,求求1)最大引用误差)最大引用误差nm;2)
11、可能出现的)可能出现的最大绝对误差最大绝对误差 m ;3)示值相对误差)示值相对误差x?【解】【解】1)由精度等级可直接得到最大引用误差,即)由精度等级可直接得到最大引用误差,即 nm 1.5%2)m 21.5%0.03MPa传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院【例例2】现有现有0.5级级0300和和1.0级级0100的两个温度计,的两个温度计,要测量要测量80的温度,试问采用哪一个温度计好?的温度,试问采用哪一个温度计好?【解】【解】若采用若采用0.5级温度计级温度计 m 3000.5%1.5 采用采用1.0级温度计级温度计 m 1001.0%1 结果表明,使用工作在量程下限时相对
12、误差较大。结果表明,使用工作在量程下限时相对误差较大。用用1.01.0级仪表级仪表比用比用0.50.5级仪表的示值相对误差反而小,所以更合适。级仪表的示值相对误差反而小,所以更合适。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院f)f)稳定性和漂移(稳定性和漂移(drift)稳定性是指系统稳定性是指系统在一定工作条件下,当输入量不在一定工作条件下,当输入量不变时,输出量随时间变化的程度。稳定性也叫漂移。变时,输出量随时间变化的程度。稳定性也叫漂移。产产产产生生生生漂漂漂漂移移移移的的的的原原原原因因因因:一一一一是是是是系系系系统统统统自自自自身身身身结结结结构构构构参参参参数数数数的的的的变
13、变变变化化化化,另另另另一一一一个个个个是是是是周周周周围围围围环环环环境境境境的的的的变变变变化化化化(如如如如温温温温度度度度、湿湿湿湿度度度度等等等等)对对对对输输输输出出出出的的的的影影影影响响响响。最最最最常常常常见见见见的的的的漂漂漂漂移移移移是是是是温温温温漂漂漂漂,即即即即由由由由于于于于周周周周围围围围的的的的温温温温度度度度变变变变化化化化而而而而引引引引起起起起输输输输出出出出的的的的变变变变化化化化,进进进进一一一一步步步步引引引引起起起起系系系系统统统统的的的的灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度发发发发生生生生漂漂漂漂移,即移,即移,即移,即灵敏度漂移灵敏度漂移灵敏度漂移灵敏度
14、漂移。漂移通常表示为在相应条件下的示值变化。漂移通常表示为在相应条件下的示值变化。例如:例如:=1.3mV/8h表示每表示每8小时电压波动小时电压波动1.3mV。=0.02mA/C表示温度变化表示温度变化1 C电流变化电流变化0.02mA。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院g)g)分辨力分辨力(率率)(Resolution)指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量,指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量,表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。对于对于数字式仪表数字式仪表而言,输入量连续变化时,输出量而言,输入量连续变化时,输出量作阶梯变化
15、,一般可以认为该输出显示标尺的最后作阶梯变化,一般可以认为该输出显示标尺的最后一位所表示的数值就是它的分辨力,例如数字式温一位所表示的数值就是它的分辨力,例如数字式温度计的温度显示为度计的温度显示为180.6180.6,则分辨力为,则分辨力为0.10.1;对于对于模拟式仪表模拟式仪表,即输出量为连续变化的装置,分,即输出量为连续变化的装置,分辨力是指测试装置能显示或记录的最小输入增量,辨力是指测试装置能显示或记录的最小输入增量,一般为最小分度值的一半。一般为最小分度值的一半。阈值:输入零点附近的分辨力。阈值:输入零点附近的分辨力。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院h)h)可靠性(可
16、靠性(reliability)是评定测试装置无故障工作时间长短的指标。是评定测试装置无故障工作时间长短的指标。1 1)平均无故障时间()平均无故障时间(MTBFMTBF)常用指标:常用指标:2 2)可信任概率)可信任概率p p 3 3)故障率或失效率()故障率或失效率()4 4)有效度或可用度()有效度或可用度(A A)传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院2 2、静态特性的标定、静态特性的标定 测试装置本身存在某些随机因素时,可在相同条件测试装置本身存在某些随机因素时,可在相同条件下进行下进行多次重复测量多次重复测量,求同一输入条件下的平均值,求同一输入条件下的平均值,作静态特性曲线
17、。作静态特性曲线。有回差的测试装置,有回差的测试装置,正行程和反行程组成一个循环正行程和反行程组成一个循环。相同条件下多次循环测量,求出平均值,得到正反相同条件下多次循环测量,求出平均值,得到正反行程的静态特性曲线。行程的静态特性曲线。静态标定静态标定:在规定的标准工作条件下,用实验方法在规定的标准工作条件下,用实验方法求测试系统的静态特性曲线的过程。求测试系统的静态特性曲线的过程。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院静态标定静态标定步骤:步骤:作输入作输入-输出特性曲线输出特性曲线求重复性误差求重复性误差求作正反行程的平均输求作正反行程的平均输入入-输出曲线输出曲线 求回程误差求回
18、程误差 求作定度曲线求作定度曲线求作拟合直线,计算线求作拟合直线,计算线性度和灵敏度性度和灵敏度 (重复、正反行程)(重复、正反行程)定度曲线定度曲线拟合直线拟合直线传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院例例题题:某某称称重重传传感感器器测测量量范范围围为为0 08080KgKg,线线性性度度为为2%2%,两两线线输输出出方方式式,传传感感器器工工作作电电压压为为24 24 v v,输输出出信信号号为为1 15 5v v。(1 1)下下表表为为该该传传感感器器标标定定数数据据,试试判判断断该该传传感感器器精精度是否达到设计指标?度是否达到设计指标?(2 2)如果采集系统采集的电压为)如
19、果采集系统采集的电压为3.4 3.4 v v,请问物体请问物体的重量是多少?的重量是多少?重量(重量(KG)020406080电压电压(V)1.0322.1022.9074.0024.97传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院答:()采用两点法(起点和终点)可以得到答:()采用两点法(起点和终点)可以得到拟合直线方程为:拟合直线方程为:重量为公斤时偏差最大为重量为公斤时偏差最大为0.00.04545,对应的精度为,对应的精度为0.00.045455 50.90.9,所以传感器满足要求。,所以传感器满足要求。压力值压力值kgkg实测电压实测电压拟合电压拟合电压电压差电压差0 01.0321.0321.0321.0320 020202.0382.0382.0122.012-0.026-0.02640402.9472.9472.9922.9920.0450.04560604.0024.0023.9723.972-0.03-0.0380804.974.974.9524.952-0.018-0.018
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