機(jī)械測試第二章

1、第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第三節(jié)第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性測量裝置的動態(tài)特性第四節(jié)第四節(jié) 測試裝置對任意輸入的影響測試裝置對任意輸入的影響第五節(jié)第五節(jié) 實(shí)現(xiàn)不失真測量的條件實(shí)現(xiàn)不失真測量的條件第二節(jié)第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性測量裝置的靜態(tài)特性第六節(jié)第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性的測量測量裝置動態(tài)特性的測量第七節(jié)第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng)負(fù)載效應(yīng)第八節(jié)第八節(jié) 測量裝置的抗干擾測量裝置的抗干擾1.測量裝置的靜態(tài)特性第一節(jié)第一節(jié) 概述概述測量裝置的靜態(tài)特性是通過某種意義的靜態(tài)標(biāo)定過程來確定的。靜態(tài)標(biāo)定過程如圖2-1所示。圖圖2-1測量裝置的靜態(tài)標(biāo)定如圖2-2所示。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述圖圖2-22. 標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)傳遞第一

2、節(jié)第一節(jié) 概述概述用來定量變量的儀器和技術(shù)統(tǒng)稱為標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)傳遞如圖2-3所示。圖圖2-33. 測量裝置的動態(tài)特性第一節(jié)第一節(jié) 概述概述4. 測量裝置的負(fù)載特性當(dāng)被測量即輸入量隨時間快速變化時，測量輸入與相應(yīng)輸出之間動態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。測量裝置或測量系統(tǒng)：是由傳感器、測量電路、前置放大、信號調(diào)理、直到數(shù)據(jù)存儲或顯示等環(huán)節(jié)組成。當(dāng)傳感器安裝到被測物體上或進(jìn)入被測介質(zhì)：要從物體與介質(zhì)中吸收能量或產(chǎn)生干擾，使被測物理量偏離原有的數(shù)值，從而不可能實(shí)現(xiàn)理想的測量，這種現(xiàn)象稱為負(fù)載效應(yīng)。5.測量裝置的抗干擾性測量裝置在測量過程中要受到各種干擾：包括電源干擾、環(huán)境干擾和信道干擾。自動控制原理：輸出c（t）等于

3、系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)g（t）與輸入r（t）的卷積。即c（t）= g（t）* r（t）其傅立葉變換為其傅立葉變換為C(w)=G(w)R(w)其拉氏變換為其拉氏變換為C(s) = R(s)G(s)第四節(jié) 測試裝置對任意輸入的影響一、脈沖響應(yīng)函數(shù)一、脈沖響應(yīng)函數(shù)線性度是指測量裝置輸入、輸出之間的關(guān)系與理想比例關(guān)系的偏離程度。如圖2-4a、b所示。第二節(jié)第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性測量裝置的靜態(tài)特性一、線性度一、線性度圖圖2-4靈敏度定義為單位輸入變化所引起的輸出的變化，通常使用理想直線的斜率作為測量裝置的靈敏度值，如圖2-4b所示。第二節(jié)第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性測量裝置的靜態(tài)特性二、靈敏度二、靈敏度圖

4、圖2-4回程誤差也稱為遲滯，是描述測量裝置同輸入變化方向有關(guān)的輸出特性。如圖2-5中曲線所示。e.G溫度計(jì)放在杯子中測量水溫，杯子一直加熱。第二節(jié)第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性測量裝置的靜態(tài)特性三、回程誤差三、回程誤差圖圖2-5第二節(jié)第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性測量裝置的靜態(tài)特性四、分辨力四、分辨力引起測量裝置的輸出值產(chǎn)生一個可察覺變化的最小輸入量變化值稱為分辨力。零點(diǎn)漂移是測量裝置的輸出偏離原始零點(diǎn)的距離，如圖2-6所示。第二節(jié)第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性測量裝置的靜態(tài)特性五、零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移五、零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移圖圖2-62. 頻率響應(yīng)函數(shù)當(dāng)輸入為脈沖時，其輸出就稱之為脈沖響應(yīng)。第三節(jié) 測量

5、裝置的動態(tài)特性而傳遞函數(shù)是在復(fù)數(shù)域中來描述系統(tǒng)的特性，比在時域中用微分方程來描述系統(tǒng)特性有許多優(yōu)點(diǎn)。頻率響應(yīng)函數(shù)是在頻率域中描述系統(tǒng)特性。3. 脈沖響應(yīng)函數(shù)一、動態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述一、動態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述一階系統(tǒng)的伯德圖如圖2-10所示。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性二、一階系統(tǒng)二、一階系統(tǒng)圖圖2-10一階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)如圖2-13所示。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性一階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)一階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)圖圖2-13二階系統(tǒng)的幅頻、相頻特性曲線如圖2-15所示。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性二階系統(tǒng)的特性二階系統(tǒng)的特性圖圖2-15右圖為伯德圖。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性二階系統(tǒng)的特性二階系統(tǒng)的特性右

6、圖為奈奎斯特圖所示。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性二、一階、二階系統(tǒng)的特性二、一階、二階系統(tǒng)的特性一、 二階系統(tǒng)在單位階躍輸入（圖2-19）第四節(jié) 測試裝置對任意輸入的影響二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)圖圖2-19一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如下圖所示第四節(jié) 測試裝置對任意輸入的影響二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如下圖所示= 0： 無阻尼； 0 1 過阻尼第四節(jié) 測試裝置對任意輸入的影響二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)設(shè)有一個測量裝置，其輸出y（t）和輸入x（t）滿足下列關(guān)系：y（t）=A0 x（t-t0）

7、其中A0和t0都是常數(shù)第五節(jié) 實(shí)現(xiàn)不失真測量的條件二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)這種情況被認(rèn)為測量裝置具有不失真測量的特性，如下圖所示。第五節(jié) 實(shí)現(xiàn)不失真測量的條件二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)幅值失真相位失真通常測量裝置既會產(chǎn)生幅度失真，也會產(chǎn)生相位失真。第五節(jié) 實(shí)現(xiàn)不失真測量的條件信號中不同頻率成分通過測量裝置后的輸出如下圖所示二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)二、系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)通過穩(wěn)態(tài)正弦激勵試驗(yàn)可以求得裝置的動態(tài)特性。 一階系統(tǒng)：需要確定時間常數(shù)T。根據(jù)幅頻與相頻特性直接確定T值。第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性的測量一、頻率響應(yīng)法一、頻

8、率響應(yīng)法通過穩(wěn)態(tài)正弦激勵試驗(yàn)可以求得裝置的動態(tài)特性。 二階系統(tǒng)：需要確定固有頻率與阻尼比。通過幅頻曲線來估計(jì)固有頻率與阻尼比。第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性的測量一、頻率響應(yīng)法一、頻率響應(yīng)法二階系統(tǒng)：固有頻率的估計(jì)。第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性的測量一、頻率響應(yīng)法一、頻率響應(yīng)法第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性的測量一、頻率響應(yīng)法一、頻率響應(yīng)法二階系統(tǒng)阻尼比的估計(jì)：一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如下圖所示。由圖可知，在輸出值為最終穩(wěn)態(tài)值的63%時，所經(jīng)過的時間為時間常數(shù) T。第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性的測量二、階躍響應(yīng)法（由一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)求時間常數(shù)，方法一）二、階躍響應(yīng)法（由一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)求時間常數(shù)，方法一）1.

9、由一階裝置的階躍響應(yīng)求其時間常數(shù)（方法二） 一階裝置的階躍響應(yīng)表達(dá)式：第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性的測量二、階躍響應(yīng)法，二、階躍響應(yīng)法，由一階裝置的階躍響應(yīng)求其時間常數(shù)（方法二）由一階裝置的階躍響應(yīng)求其時間常數(shù)（方法二） /1t Tc te二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)t)(tc)(ptc1ptst0欠阻尼比二階裝置的M-圖如下圖所示第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性的測量二、階躍響應(yīng)法二、階躍響應(yīng)法 （二階系統(tǒng)阻尼比的求法。方法一）（二階系統(tǒng)阻尼比的求法。方法一）利用任意兩個超調(diào)量來求阻尼比。 阻尼比的計(jì)算式：第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性的測量nMMnii2ln二、階躍響應(yīng)法二、階躍響應(yīng)法（二階系統(tǒng)阻尼

10、比的求法。方法二）（二階系統(tǒng)阻尼比的求法。方法二）負(fù)載效應(yīng)產(chǎn)生的后果，有的可以忽略，有的卻是很嚴(yán)重的，不能對其掉以輕心。直流電路中的負(fù)載效應(yīng)如圖2-27所示。第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng)一、負(fù)載效應(yīng)一、負(fù)載效應(yīng)圖圖2-27（1） 提高后續(xù)環(huán)節(jié)（負(fù)載）的輸入阻抗。第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng)二、減輕負(fù)載效應(yīng)的措施二、減輕負(fù)載效應(yīng)的措施（2） 在原來兩個相聯(lián)接的環(huán)節(jié)之中，插入高阻抗、低輸出阻抗的放大器。（3） 使用反饋或零點(diǎn)測量原理，使后面環(huán)節(jié)幾乎不從前環(huán)節(jié)吸取能量。干擾竄入測量裝置有三條主要途徑如圖2-28所示第八節(jié) 測量裝置的抗干擾一、測量裝置的干擾源一、測量裝置的干擾源圖圖2-281. 電網(wǎng)電源噪聲第八節(jié) 測量裝置

11、的抗干擾二、供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾二、供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾把供電電壓跳變的持續(xù)時間t 1s者，稱為過壓和欠壓噪聲。供電電壓跳變的持續(xù)時間t 1ms者稱為尖峰噪聲。2. 供電系統(tǒng)的抗干擾第八節(jié) 測量裝置的抗干擾二、供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾二、供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾尖峰噪聲的主要成分是高頻噪聲。供電系統(tǒng)常采用的幾種抗干擾措施：（1） 交流穩(wěn)壓器（消除欠壓、過壓的影響，保證供電穩(wěn)定）（2） 隔離穩(wěn)壓器（去掉高頻噪聲）（3） 低通濾波器（去掉高頻噪聲）（4） 獨(dú)立功能塊單獨(dú)供電。合理的供電系統(tǒng)1. 信道干擾的種類第八節(jié) 測量裝置的抗干擾三、信道通道的干擾及其抗干擾三、信道通道的干擾及其抗干擾（1） 信

12、道通道元器件噪聲干擾（2） 信號通道中信號的竄擾（3） 長線傳輸干擾電阻中的熱噪聲熱噪聲是在電阻一類導(dǎo)體中，自由電子的布朗運(yùn)動引起的噪聲。導(dǎo)體中的每一個自由電子由于其熱能而運(yùn)動。電子運(yùn)動的途徑，由于和其他粒子碰撞，是隨機(jī)的和曲折的，即呈現(xiàn)布朗運(yùn)動。所有電子運(yùn)動的總結(jié)果形成通過導(dǎo)體的電流。電流的方向是隨機(jī)的，因而平均值為零。然而，電子的這種隨機(jī)運(yùn)動還會產(chǎn)生一個交流電流成分。這個交流成分稱為熱噪聲。熱噪聲電壓，其平均值為零。串?dāng)_串?dāng)_在電子學(xué)上是指兩條信號線之間的耦合現(xiàn)象。這是因?yàn)榭臻g距離近的信號線之間會出現(xiàn)不希望的電感性和電容性耦合從而互相干擾。電容性耦合會引發(fā)耦合電流，而電感性耦合則引發(fā)耦合電壓

13、。電感性耦合根據(jù)麥克斯韋定律，只要有電流的存在，就會有磁場存在，磁場之間的干擾就是串?dāng)_的來源。兩條信號線距離越近，串?dāng)_現(xiàn)象越嚴(yán)重。八條平行的信號線進(jìn)行信號傳輸時：可以讓四條相互間隔的信號線先發(fā)送數(shù)據(jù)，而不讓八條信號線同時發(fā)送數(shù)據(jù)，以減少串?dāng)_。（1） 合理選用元器件和設(shè)計(jì)方案（2） 印制電路板設(shè)計(jì)時元器件排放要合理（ 3） 在有一定傳輸長度的信號輸出中，尤其是數(shù)字信號的傳輸可采用光耦合隔離技術(shù)、雙絞線傳輸。2. 信道通道的抗干擾措施雙絞線雙絞線（Twisted Pair）是由兩條相互絕緣的導(dǎo)線按照一定的規(guī)格互相纏繞的導(dǎo)線（一般以逆時針纏繞）。網(wǎng)線就是雙絞線。雙絞線可以極大的減少對外的電磁輻射1. 單點(diǎn)接地第八節(jié) 測量裝置的抗干擾四、接地設(shè)計(jì)四、接地設(shè)計(jì)單點(diǎn)接地如圖2-30所示圖圖2-302. 串聯(lián)接地第八節(jié) 測量裝置的抗干擾每個電路的地