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1.4测量系统动态参数测定常采用的方法有哪些?
动态特性参数测定方法常因测量系统的形式不同而不完全相同,从原理上一般可分为正弦信号响应法、阶跃信号响应法、脉冲信号响应法和随机信号响应法等。
1.5某位移传感器,在输入位移变化1mm时,输出电压变化300mv,求其灵敏度?
灵敏度可采用输出信号与输入信号增量比表示,即
mv/mm
现在一般用准确度,不用精度
1.6用标准压力表来校准工业压力表时,应如何选用标准压力表精度等级?
可否用一台0.2级,量程0~25MPa的标准表来检验一台1.5级,量程0~2.5MPa的压力表?
为什么?
解:
选择标准压力表来校准工业用压力表时,首先两者的量程要相近,并且标准表的精度等级要高于被校表精度等级,至少要高一个等级。
题中若标准表是0.2级,量程0~25MPa,则该标准表可能产生的最大绝对误差为
%=0.05MPa
被校表是1.5等级,量程0~2.5MPa,其可能产生的最大绝对误差为
%=0.0375MPa
显然>
,这种选择是错误的,因为虽然标准表精度等级较高,但是它的量程太大,故不符合选择的原则。
1.7某一阶系统,在t=0时,输出10mv;
t时,输出为100mv;
在t=5s时,输出为50mv,试求该系统的时间常数=?
对一阶系统在阶跃响应曲线后,输出值达到阶跃值为63.2%所用时间为一阶测量系统的时间常数。
但这样确定值没有涉及响应全过程,为此采用如下方法,可以获得较为可靠的值。
由一阶系统的阶跃响应曲线表达式
可得出
令
则
由以上分析可以看出z与t成线性关系,此处设静态灵敏度系数k=1,输入阶跃信号为
x=0(t<
0)
100mv(t)
由题意给出的y(t)值,可以计算作出
z-t直线如题图1.5(1.7)所示
t=0s,z=-0.1053
t=5s,z=-0.6931
则值为z-t直线的斜率,即
图1.5题1.7
1.8某二阶系统力传感器,已知系统固有频率kHz,阻尼比,如果要求其幅值误差小于10%,求其可测信号频率范围?
讨论系统动态特性时,常用无量纲幅值比A()。
令:
静态灵敏度系统k=1,由题意要求幅值误差小于10%,则要满足
%=90%
故得=0.9
将k=1和代入上式解出方程式的解
我的计算结果为0.84
或我的计算结果为0.9165
Hz
所以可测频率最高达9.6kHz
1.9已知某测量系统静态特性方程为,试分别用端基法、最小二乘法,在0<
x<
1范围内拟合刻度直线方程,并求出相应线性度?
(1)端基法:
在测量两端点间连直线为拟合直线①。
则。
得端基法刻度直线方程为。
由解得X=0.5413处存在最大偏差
得端基法线性度
%=%=12.3%
(2)最小二乘法:
求拟合刻度直线②。
根据计算公式测量范围分成6等取n=6,列表如下:
X
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Y
1
1.221
1.492
1.822
2.226
2.718
0.04
0.16
0.36
0.64
XY
0.2442
0.597
1.093
1.781
分别计算。
由公式得
K=
得最小二乘法拟合直线方程为。
由解出X=0.5335。
故
得最小二乘法线性度
%=5.75%
此题计算结果表明用最小二乘法拟合的刻度直线值最小,因而此法拟合精度最高,在计算过程中若n取值愈大,则其拟合刻度直线值愈小。
用两种方法拟合刻度直线如题图1.6(1.9)所示。
图1-9
1.10某玻璃水银温度计微分方程式为,式中,为水银柱高度(m);
为被测温度(℃)。
试确定该温度计的时间常数和静态灵敏度系数。
该温度计为一阶传感器,其微分方程基本型式为,此式与已知微分方程比较可得时间常数与静态灵敏度系数,即
m/℃
1.11某压电式加速度计动态特性可用下述微分方程描述
式中,q为输出电荷(pC);
a为输入加速度(m/s2)。
试确定该测量装置的固有振荡频率,阻尼系数、静态灵敏度系数K的值。
该加速度计为二阶传感器,其微分方程基本型式为
此式与已知微分方程式比较可得:
静态灵敏度系数K=pC/(m/s2)
固有振荡频率rad/s
阻尼比
(以下习题来自“自动检测技术”第三章)
3.1什么是测量系统的可靠性与不可靠性?
二者有什么关系?
可靠性是指在确定时期内和确定的外界条件下,元件或系统工作在允许的性能水平的概率。
用R(t)表示。
不可靠性是指在确定时间内和确定条件下,元件(或系统)不能工作在允许的性能水平的概率。
用F(t)表示。
二者关系为可靠性和不可靠性之和必须是1,即
R(t)+F(t)=1
3.2什么是设备的故障率?
它与R(t)和F(t)有何关系?
故障率是每个设备在单位时间内平均故障次数。
若有N个一样的元件或系统,在T时间内失效总次数为,则故障率可表示为:
故障率与可靠性R(t)和不可靠性F(t)的关系如下,即
和
3.3简述改进系统可靠性的方法有哪些?
最简单有效的方法是选择好的材料和部件,使他们能耐受恶劣环境。
其次是设计系统时采用多余度的方式,可进一步改善可靠性,但是这会提高价格和增加复杂性。
3.4一个热电偶测量系统如题图1.7(3.4)所示。
其中各部分的失效率/h,/h,/h,试计算该系统的平均无故障工作时间MTBF即工作半年(4320h)时的可靠度?
由图可知该串联系统的失效率为
/h
平均无故障率工作时间MTBF为
MTBF=h
工作半年(t=4320h)后的可靠度为
图1.7题(3.4)
R(t)=R(4320)=
3.5某厂仪表组负责维修40台变送器、30台调节器、25台记录仪,它们的平均无故障时间MTBF分别为5000h、3000h、8000h,试估计一年内维修组的工作任务?
根据MTBF=公式可求出有故障机器数,设一年工作时间T=8640h,则维修组工作任务分别计算如下:
变送器:
台,MTBF1=5000h
得台
调节器:
台,MTBF2=3000h
台
记录仪台,MTBF3=8000h
台我的计算结果为27
3.6已知某产品失效率为常数,且要求在使用1000h后的可靠度仍在80%以上,问此产品失效率必须低于多少才能满足要求?
根据可靠度可求出
R(1000)=%
解出=2.23/h
故失效率<
2.23/h才可以满足要求。
3.7一个由孔板(=0.75/年)、差压变送器(=1.0/年)、开方器(=0.1/年)和记录仪(=0.1/年)组成的流量测量系统。
在以下三种情况下计算经过0.5年后流量测量失效的概率。
设系统所有器件开始均校验且工作完好。
(1)单个流量测量系统。
(2)三个并联的同样流量测量系统。
(3)系统有三个孔板,三个差压变送器和一个选择器(=0.1/年),其输出经过一个开方器和记录仪。
(1)单个系统
图1.8单个系统
0.75+1.0+0.1+0.1=1.95/年
(2)三个系统并联
图1.9三个系统并联
(3)并串联系统
图1.10并串联系统
三路并联部分1.75/年
0.5年其失效概率
可靠性=0.8017
其它元件可靠性
全系统
故系统失效概率
(以下习题来自“自动检测技术”第二章)
2.1什么是标准误差?
它的大小对概率分布函数有何影响?
标准误差不是误差的具体值,而是按一定置信概率(P=68.3%)给出的随机误差变化范围(置信限)的一个评定参数。
标准误差的大小不同,概率密度函数形状不同。
标准误差作为误差的评价,表示随机误差不大于标准误差的置信度,其对应的置信区间为。
在此置信度下,高精度的测量得到较小的置信区间;
低精度的测量具有较大的置信区间。
2.2有限次测量为什么要用测量平均值估计被测量真值?
因为用测定子样平均值对被测量真值进行估计时,总希望这种估计值具有协调性、无偏性和有效性。
数理统计理论表明:
一般情况下,若协调估计值和最有效估计值存在,则最大似然估计将是协调的和最有效的。
由于测定子样平均值的数学期望恰好就是被测量的真值,即
按无偏性定义,用估计u具有无偏性。
因此测定子样的是被测量真值u的最佳估计值。
2.3试述小子样误差分布——t分布与正态分布的差异?
t分布的概率密度函数以t=0为对称,当其自由度()趋于无穷大时,t分布趋于正态分布函数。
因此t分布主要用于小子样推断。
因为由t分布曲线可知,当子样容量n很小时,t分布中心值较小,分散度大。
这从另一方面说明,当用正态分布来对小子样进行估计时,往往得到“太乐观”的结果,夸大了测量结果的精密度。
2.4试述非等精度的测量结果真值的估计方法?
在非等精度测量中,各测量值的精密度不同,可靠程度不同,在求测量值的真值估计值时,显然不应取它们的算术平均值,而应权衡轻重。
精密度高的测定值应受重视的程度。
成为加权。
在非等精度测量中,被测量的真值估计值是测定值的加权平均值。
可表示为:
2.5测量不确定度和误差有何区别?
测量不确定度和误差它们都是评价测量结果质量高低的重要指标,都可以作为测量结果的精度评定参数,但它们又有明显的区别。
其主要区别是①误差是以真值和约定真值为中心,而测量不确定度是以被测量的估计值为中心,因此误差是一个理想的概念,一般不能准确知道,难以定量;
而测量不确定度是反映人们对测量认识不足的程度,可以定量评定的。
②在分类上,误差按自身特性和性质可分为随机误差,系统误差和粗大误差,但各类误差之间并不存在绝对界限,故对分类计算和判别时不易准确掌握;
测量不确定度不按性质分类,而是按评定方法分类,分为A类评定和B类评定,可按情况加以选择使用。
这就无需考虑其影响因素及来源,只考虑影响结果的评定方法,从而简化了分类、便于评定和计算。
2.6在有机分析中,测得某化合物含氢百分比为:
2.75,2.76,2.79,2.78,2.76,2.78,2.74,2.76,2.74,试给出测量结果的最佳表达式?
并用t分布估计精度参数?
含氢量百分比平均值为
测量列精度参数由贝塞尔公式可计算如下
平均值的标准误差
故得氢含量百分比的最佳表达式为
%
若按t分布表示,其自由度
当置信概率P=0.99时查表得则氢含量百分比可表示为
若取P=0.95时查表得,则为%
2.7两实验人员对同一水箱温度进行测量,各自独立地获得一组等精度测量数据如下(单位℃)
实验者A:
91.3
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