第三章检测系统及其基本特性 、 产品质量检验技术 ~质量管理科学的一个重要组成部分 1.用户的产品质量观： --一评价产品质量的主要依据 ①要求质量可靠、功能齐全 ②要求产品具备自动化和智能化的功能 ③要求产品性能/价格比高物美价廉 ④轻薄短小、精制大方是产品外观发展的趋势 2.产品质量检验的作用： ①保证产品质量监督检验是维护消费者利益的关键 ②加强产品质量检验是促进企业前进的法宝 ③严格产品质量是打开国际市场的钥匙 检测系统一产品质量检验的重要环节
第三章 检测系统及其基本特性 一、产品质量检验技术 1. 用户的产品质量观： --- 质量管理科学的一个重要组成部分 ① 要求质量可靠、功能齐全 ③ 要求产品性能/价格比高——物美价廉 ② 要求产品具备自动化和智能化的功能 2. 产品质量检验的作用： ① 保证产品质量监督检验是维护消费者利益的关键 ③ 严格产品质量是打开国际市场的钥匙 ② 加强产品质量检验是促进企业前进的法宝 --- 评价产品质量的主要依据 ④ 轻薄短小、精制大方是产品外观发展的趋势 检测系统— 产品质量检验的重要环节
二、检测系统性能 -基本特性、功能、技术指标、性能/价格比 静态特性-常量输入下系统的性能指标 灵敏度、不确定度、输入范围、分辨力等 动态特性~动态或变态信号输入下，与系统频率响应有关的特性 -} 决定系统能不能进行所需的检测和完成所需检测的程度 检测系统常用技术性能指标 ①输入量性能指标：量程、测量范围、过载能力等 ②静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、 分辨率、阈值、稳定性、漂移等 ③动态特性指标：时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、阻 尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度、采 样频率等 ④对环境和配接要求：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵 敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁干扰能力、 抗冲振要求等 ⑤可靠性指标：平均寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳 性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗过载能力等 ⑥经济指标：性能/价格比
二、检测系统性能 --- 基本特性、功能、技术指标、性能/价格比 静态特性--- 常量输入下系统的性能指标 --- 灵敏度、不确定度、输入范围、分辨力等 --- 决定系统能不能进行所需的检测和完成所需检测的程度 动态特性 --- 动态或变态信号输入下，与系统频率响应有关的特性 检测系统常用技术性能指标 ① 输入量性能指标：量程、测量范围、过载能力等 ② 静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、准确度、灵敏度、 分辨率、阈值、稳定性、漂移等 ③ 动态特性指标：时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、阻 尼率、固有频率、频率特性、频响范围、稳态误差、临界速度、采 样频率等 ④ 对环境和配接要求：工作温度范围、温度误差、温度漂移、灵 敏度温度系数、热滞后、抗潮湿、抗介质腐蚀、抗电磁干扰能力、 抗冲振要求等 ⑤ 可靠性指标：平均寿命、平均无故障工作时间、故障率、疲劳 性能、绝缘耐压、耐温、保险期、时间稳定性、抗过载能力等 ⑥ 经济指标：性能/价格比
1、静态特性：-常量/缓慢变化的输入情况下的输出特性 1)基本功能特性决定系统的工作能力 ①测量范围(Range)：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围 上限值、下限值200~800C、5mm ②跨度(Span):-测量范围上限与下限的算术差值 测量范围的导出量（下限为零时） ③灵敏度(Sensitivity)：系统输出信号的变化相对于输入信号变化 的比值k=dx 线性检测装置常数；非线性检测装置-变量 输出量与输入量为同一量纲-放大比/放大倍数 ④分辨力(Resolution) 能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量 绝对值--△；相对值6-满刻度(Full Scale)的百分比 ⑤动态范围(Dynamic Range) 跨度与绝对分辨力之比~系统对输入信号大小的综合检测能力 动态范围 分贝数表示 动态范围=201g △ 2)精度特性-决定系统的在什么程度上完成所需的检测
1）基本功能特性--- 决定系统的工作能力 1、静态特性： 2）精度特性--- 决定系统的在什么程度上完成所需的检测 ① 测量范围（Range）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围 上限值、下限值 ④ 分辨力（Resolution） ⑤ 动态范围（Dynamic Range） 跨度与绝对分辨力之比--- 系统对输入信号大小的综合检测能力 ② 跨度（Span）：---测量范围上限与下限的算术差值 测量范围的导出量（下限为零时） 线性检测装置--- 常数；非线性检测装置--- 变量 输出量与输入量为同一量纲--- 放大比/放大倍数 ③ 灵敏度（Sensitivity）：系统输出信号的变化相对于输入信号变化 的比值 k =dy/dx 能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量 绝对值--- ；相对值 --- 满刻度（Full Scale）的百分比 max − min x x 动态范围＝ max − min 20lg x x 分贝数表示 动态范围＝ --- 常量/缓慢变化的输入情况下的输出特性 200～800C、5mm
①示值误差(error)--测量值与被测量真值之差-准确度 误差=测量值一真实值 ②重复性(Repeatability) 外界条件不变的情况下，对同一被测量多次重复测量时测量值之间的 分散性-精密度 ③非线性(Non--linearity) 理想检测系统--输出与输入--比例关系：y()=x() 实际检测装置输出与输入不是理性的线性关系 非线性误差一实测曲线偏离理想直线的程度 表示：实际测得的输入一输出特性曲线（标定曲线）与其拟和直线 之间的最大偏差与检测装置满量程输出范围之比：e=4少不 参考直线 a)最小二乘直线：标定 值相对于该直线的误差 平方和最小 m 2 b)端点连线：连接最大 与最小标定值的直线 -端基直线 1-标定曲线 2-拟和直线 示值范围 示值范围
--- 测量值与被测量真值之差--- 准确度 ③ 非线性（Non-linearity） a) 最小二乘直线：标定 值相对于该直线的误差 平方和最小 b) 端点连线：连接最大 与最小标定值的直线-- - 端基直线 参考直线 非线性误差--- 实测曲线偏离理想直线的程度 ① 示值误差（error） ② 重复性（Repeatability） 外界条件不变的情况下，对同一被测量多次重复测量时测量值之间的 分散性--- 精密度 理想检测系统--- 输出与输入--- 比例关系：y(t)=kx(t) 实际检测装置--- 输出与输入不是理性的线性关系 误差＝测量值－真实值 表示：实际测得的输入—输出特性曲线（标定曲线）与其拟和直线 之间的最大偏差与检测装置满量程输出范围之比：e = m/yFS 1 --- 标定曲线 2 --- 拟和直线
④回程误差(Hysteresis)--迟滞/滞后误差 正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间--检测装置 输入一输出曲线的不重合程度 外界条件不变同一大小的输入信号 ~正反行程的输出信号数值不相等 yFs △HmaX 产生：检测装置中的弹性元件、机械 传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的 磁滞--实验确定 -满量程输出y的百分比表示 △Hm×100% yFS ⑤死区(Dead band) 当系统输出信号不发生变化时所对应 的输入信号的变化范围 ~系统元件的摩擦及空程等现象引起的 ⑥漂移(Drift)-稳定性 死区 输入不变的情况下，检测装置的输出随时间变化的趋势 温度的漂移（温漂）：灵敏度的温漂、零位的温漂--定量表示
⑤ 死区（Dead band） ⑥ 漂移（Drift）---稳定性 ④ 回程误差（Hysteresis） 当系统输出信号不发生变化时所对应 的输入信号的变化范围 --- 系统元件的摩擦及空程等现象引起的 --- 迟滞/滞后误差 正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间 --- 检测装置 输入— 输出曲线的不重合程度 外界条件不变--- 同一大小的输入信号 --- 正反行程的输出信号数值不相等 产生：检测装置中的弹性元件、机械 传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的 磁滞 --- 实验确定 --- 满量程输出yFS的百分比表示 max 100% FS H h y ＝ 输入不变的情况下，检测装置的输出随时间变化的趋势 温度的漂移（温漂）：灵敏度的温漂、零位的温漂--- 定量表示
2、动态特性…变化/动态信号 动态信号一幅值、时间、空间/频率 动态特性输入与输出在幅值与频率上的相互关系 由系统元件的机械、物理及光、电、磁等特性决定 动态测量~被测量本身随时间变化，而测量系统又能准确的跟随被测量 的变化而变化 例：弹簧秤的力学模型 m-被测物体质量 阻 k-弹簧弹性系数 y- 弹簧变形量 →yg-静止物理模型 “动态模型”-停止振动之前测量重量 刻度板 y指针的位移 X-= 托盘和被测物体的位移 被测物 M-托盘的质量 托盘 微分方程（运动方程） y=x m-- 未知数 My+cy+ky 1m= (M+m)x+cx+kx=mg 8-y
2、动态特性 --- 变化/动态信号 动态测量 --- 被测量本身随时间变化，而测量系统又能准确的跟随被测量 的变化而变化 例：弹簧秤的力学模型 动态信号--- 幅值、时间、空间/频率 --- 由系统元件的机械、物理及光、电、磁等特性决定 --- 静止物理模型 m --- 被测物体质量 k --- 弹簧弹性系数 m=ky/g “动态模型”--- 停止振动之前测量重量 x --- 托盘和被测物体的位移 M --- 托盘的质量 微分方程（运动方程） 动态特性--- 输入与输出在幅值与频率上的相互关系 y --- 弹簧变形量 y --- 指针的位移 M + m x+ c x+ k x＝mg .. . ( ) y = x .. .. . g y M y c y k y m − + + = m --- 未知数
1)检测系统的频率响应 检测过程 三部分：被检测信号 x(t),X(w) y),Y) 检测系统的自身特性 h(t),H(w) 检测系统输出信号 检测系统 t时刻的输出信号t时刻之前的输入对系统作用影响的综合 输出-输入与系统自身特性的卷积： )= h(t-)x()dr=x(t-)h()dr=h(t)*x(t) 傅立叶变换一频率域 Y(o)=y(t)e di=x(r)h(t-t)e drdt =[x(t)e-idr[h(t-t)ei-di=X(@)H()e) 输出对于输入的频率响应 Y(⊙小X(o小、H(o输入、输出、系统在频率域中的特性 1H队回|--系统幅频响应特性；(o--系统相频响应特性 带宽(Band width)-系统动态特性的技术指标（工作频率范围） -检测系统的适用频率范围-检测装置能够保证它的有关性能指标 - 灵敏度、非线性等
t 时刻的输出信号--- t 时刻之前的输入对系统作用影响的综合 傅立叶变换--- 频率域 检测过程 --- 输出对于输入的频率响应 被检测信号 1）检测系统的频率响应 输出---输入与系统自身特性的卷积： Y()、X()、H() --- 输入、输出、系统在频率域中的特性 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 y t h t x d x t h d h t x t t t = − = − = − − − − Y = y t e dt = x h t − e d dt j t j t ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) j t j t j t = x e d h t − e dt = X H e − − − − ∣H() ∣--- 系统幅频响应特性；() --- 系统相频响应特性 带宽（Band width）---系统动态特性的技术指标（工作频率范围） --- 检测系统的适用频率范围--- 检测装置能够保证它的有关性能指标 --- 灵敏度、非线性等 h(t), H(w) 检测系统 x(t), X(w) y(t), Y(w) 检测系统的自身特性 检测系统输出信号 三部分:
2)典型动态输入信号 x(t) ①阶跃信号 载荷由4瞬时加载到4 A t≤to 并维持在这个水平 x(t) t>to ②斜坡信号 一相当于一个匀速加载过程 x(t)=kt t≥0 ③ 正弦信号 x(t)=Asin ot x()》 x(t） x(t) A-振幅（常数）0=2f-角频率 ④随机信号 统计意义一概率分布、均值与方差等 表示
--- 相当于一个匀速加载过程 统计意义--- 概率分布、均值与方差等 表示 2）典型动态输入信号 ③ 正弦信号 A --- 振幅（常数） ① 阶跃信号 ② 斜坡信号 0 0 0 ( ) A t t A t t x t ＝ 载荷由A0瞬时加载到A 并维持在这个水平 x(t)＝kt t 0 x(t)＝Asin t ④ 随机信号 ＝2 f --- 角频率
3)系统的频率特性分析与比较 零阶系统、一阶系统、二阶系统各种系统的基本环节 ①零阶系统 数学表达式 y(1)=kx(t) k=bol ao 系统静态灵敏度 频率特性 A(ω)=k p(w)=0 幅频、相频特性曲线 0 H(jo) Ao -p(o) 零阶（理想）系统的幅频和相频特性曲线
3）系统的频率特性分析与比较 ① 零阶系统 数学表达式 零阶系统、一阶系统、二阶系统--- 各种系统的基本环节 y(t)＝kx(t) 0 0 k = b / a --- 系统静态灵敏度 频率特性 幅频、相频特性曲线
②一阶系统 微分方程 幅频、相频特性 dy(t) +aoy(t)=box(t) |H(Gw)|= dt V1+(ta) 物理意义 p(w)=-arctan(xw） dy(t) dt y(t)=kx(t) H(jo) t=a1/ao 时间常数 0.8 0.6 决定系统工作频率范围 0.4 0.2 k=bo/ao 静态灵敏度 1.02.03.04.05.06.0 k=1 一一 归一化处理 -20 -40 H(s)= Y(s) 1 。哈 X(s) -80 TO 频率响应函数 H(w) 1 jwr +1 一阶系统的幅频和相频特性曲线
② 一阶系统 微分方程 物理意义 --- 时间常数 --- 静态灵敏度 --- 归一化处理 频率响应函数 幅频、相频特性 --- 决定系统工作频率范围
