熱能與動(dòng)力測(cè)試技術(shù)1-2測(cè)試技術(shù)概述

1、第一章 測(cè)試技術(shù)的概述1第一節(jié) 測(cè)量的基本概念一、測(cè)量方法根據(jù)測(cè)量結(jié)果獲取方式：直接、間接和組合根據(jù)儀表特性：接觸法和非接觸法根據(jù)測(cè)量對(duì)象特征：靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量； 點(diǎn)參數(shù)測(cè)量和場參數(shù)測(cè)量2按照得到最后結(jié)果的過程不同1直接測(cè)量 凡被測(cè)量的數(shù)值可以直接從使用的測(cè)量儀器上讀得的，稱為直接測(cè)量，是測(cè)量的基礎(chǔ)。如用壓力計(jì)測(cè)量壓力、用溫度計(jì)測(cè)量溫度等。對(duì)于穩(wěn)態(tài)物理量，常用的方法有如下幾種：直讀法 用度量標(biāo)準(zhǔn)直接比較，或從儀表上直接讀出被測(cè)量的絕對(duì)值，如用刻度尺測(cè)量長度，用彈簧秤測(cè)定質(zhì)量等。差值法 從儀表上直接讀出兩量之差值作為所求之量，如用u形液柱式差壓計(jì)測(cè)量介質(zhì)的壓差。3代替法 用己知量代替被測(cè)量，即

2、調(diào)整已知量，使兩者對(duì)儀表的影響相等，此時(shí)被測(cè)量即等于已知量，如用光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量溫度。零值法 使被測(cè)量對(duì)儀表的影響被同類的已知量的影響相抵消，則被測(cè)量便等于已知量。如用天平秤測(cè)定物質(zhì)的質(zhì)量、用電位計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)等。 測(cè)量方法的選擇取決于測(cè)試工作的具體條件和要求。在滿足測(cè)量精度的前提下，應(yīng)力求簡便、迅速，不苛求使用高精度的儀表。42間接測(cè)量 被測(cè)量的數(shù)值不能直接從測(cè)量儀器上讀得，而需要通過直接測(cè)量得到與被測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的量，然后經(jīng)過運(yùn)算得到被測(cè)量的數(shù)值。制冷機(jī)組制冷量、內(nèi)燃機(jī)功率等。3組合測(cè)量 測(cè)量中使各個(gè)未知量以不同組合形式出現(xiàn)(或改變測(cè)量條件以獲得不同的組合)，根據(jù)直接測(cè)量或間接測(cè)量所得數(shù)據(jù)

3、，通過求解聯(lián)立方程組求得未知量的數(shù)值。在組合測(cè)量中，未知量與被測(cè)量之間存在一定的關(guān)系。5例如，用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量介質(zhì)溫度時(shí)，電阻值和溫度的關(guān)系為 Rt=R0(1十a(chǎn)t十bt2)，為確定鉑電阻的溫度系數(shù)，首先需測(cè)得在不同溫度下的電阻值，然后再經(jīng)組合解聯(lián)立方程組、以獲得a、b的數(shù)值。 經(jīng)驗(yàn)公式（傳熱學(xué)、功率損失計(jì)算）6根據(jù)儀表特性： 接觸式：檢測(cè)儀表的傳感器與被測(cè)對(duì)象直接接觸，承受被測(cè)量作用，感受其變化，獲得信號(hào)，并檢測(cè)信號(hào)大小，如彈簧管壓力表。非接觸式：傳感器不必直接與被測(cè)對(duì)象接觸，而是間接承受其作用，感受其變化，如輻射溫度計(jì)特點(diǎn)： a.不與被測(cè)對(duì)象接觸，即可對(duì)“局部點(diǎn)”檢測(cè)，又可對(duì)被測(cè)對(duì)象掃描

4、，獲得二維、三維信息，如熱像儀。b.可以檢測(cè)接觸法無法勝任場合，如運(yùn)動(dòng)對(duì)象參數(shù)測(cè)量，腐蝕性介質(zhì)或危險(xiǎn)場合下的參數(shù)測(cè)量，使用非接觸法更方便、安全和準(zhǔn)確。7根據(jù)測(cè)量對(duì)象特征點(diǎn)參數(shù)測(cè)量：測(cè)量對(duì)象是某局部點(diǎn)的參數(shù)測(cè)量場參數(shù)測(cè)量：測(cè)量被測(cè)對(duì)象的某個(gè)參數(shù)的平面或空間分布。靜態(tài)檢測(cè)方法：被測(cè)對(duì)象處于穩(wěn)定情況下的測(cè)量，此時(shí)被測(cè)參數(shù)不隨時(shí)間變化，又稱穩(wěn)態(tài)測(cè)量。動(dòng)態(tài)測(cè)試方法：被測(cè)對(duì)象處于不穩(wěn)定情況下的測(cè)量，此時(shí)被測(cè)參數(shù)隨時(shí)間變化，這種測(cè)量應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成，只有這樣才能得到動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果。非穩(wěn)態(tài)和瞬變參數(shù)（動(dòng)態(tài)參數(shù)）測(cè)量8 非穩(wěn)定或過渡工況時(shí)制冷系統(tǒng)壓力、功率、制冷量，被冷對(duì)象溫度，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率；這些參數(shù)隨時(shí)間

5、變化的函數(shù)可以是周期函數(shù)、隨機(jī)函數(shù)等。 此類參數(shù)需要用顯示式記錄方式觀察和記錄被測(cè)量的變化過程和大小。對(duì)緩慢變化現(xiàn)象的參數(shù)，可以用慢掃描示波器、XY函數(shù)記錄儀或其他機(jī)械式記錄儀來測(cè)量變化圖形。對(duì)一些快速瞬變參數(shù)，則需采用靈敏度更高的記錄或顯示儀器，如用電測(cè)、光測(cè)的方法記錄和顯示。9有時(shí)被測(cè)參數(shù)的量或它的變化，不表現(xiàn)為“可數(shù)”的形式，而是在測(cè)量過程中首先將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并最終以儀表指針的位置或記錄儀描繪的圖形顯示測(cè)量的結(jié)果。凡屬此類測(cè)量，均稱為模擬測(cè)量，其相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)稱為模擬測(cè)量系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：直觀性強(qiáng)、靈活、簡便、價(jià)格低缺點(diǎn)：測(cè)量精度低，指示器讀數(shù)誤差難以達(dá)到小于的要求。二、模擬測(cè)量

6、與數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)10隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)在熱能與動(dòng)力機(jī)械測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用日趨廣泛。這類測(cè)量可直接用數(shù)字形式表示。由于模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換技術(shù)已能足夠精確地將模擬形式的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，所以模擬與數(shù)字測(cè)量兩者的轉(zhuǎn)換已不存在技術(shù)上的困難、且數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是能排除人為的讀數(shù)誤差，并可直接由數(shù)字記錄或打印機(jī)記錄數(shù)據(jù)，或與計(jì)算機(jī)相聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。11但由模擬信號(hào)表示的模擬量和由數(shù)字信號(hào)表示的數(shù)字量仍有本質(zhì)上的區(qū)別。數(shù)字信號(hào)只能取有限個(gè)數(shù)值，只能按照斷續(xù)階躍量的形式來表達(dá)連續(xù)的時(shí)變信號(hào)，它的分辨能力決定于所取增量的大小。因此，模擬測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量過程是連續(xù)的，它能給出被測(cè)變量的瞬

7、時(shí)值。數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量過程則是斷續(xù)的，它給出的數(shù)值是被測(cè)量在一段時(shí)間內(nèi)的平均值。12第二節(jié) 測(cè)量儀器/系統(tǒng)的組成和分類測(cè)量過程中所使用的一切量具、儀器儀表及輔助設(shè)備統(tǒng)稱為測(cè)量系統(tǒng)。一般來說，為了測(cè)量某一被測(cè)量的值，根據(jù)測(cè)量的精度要求，將若干測(cè)量設(shè)備(包括測(cè)量儀表、裝置、元件及輔助設(shè)備等)按照一定的方式連接起來，這種連接組合即構(gòu)成了一種測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)都是為一定的測(cè)量目的與要求而設(shè)計(jì)的。因此測(cè)量的目的和要求不同，所使用的儀表也會(huì)有懸殊的差別，它可以是一臺(tái)簡單的儀器，也可以是由許多設(shè)備組成復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)。如水銀溫度計(jì)和電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度；聲級(jí)計(jì)測(cè)量噪聲。 13測(cè)試系統(tǒng)的輸出信號(hào)能夠真實(shí)地反映被

8、測(cè)物理量(輸入信號(hào))的變化過程，不使信號(hào)發(fā)生畸變，即實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)試。一、測(cè)試系統(tǒng)基本要求14系統(tǒng)的傳遞（傳輸）特性：系統(tǒng)的輸出與輸入量之間的變換或運(yùn)算關(guān)系。理想的測(cè)試系統(tǒng)傳輸特性：1）具有單值的、確定的輸入輸出關(guān)系。對(duì)于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對(duì)應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。其中以輸出和輸入成線性關(guān)系最佳。15線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)：a)疊加特性系統(tǒng)對(duì)各輸入之和的輸出等于各單個(gè)輸入的輸出之和，即若x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t)則x1(t)x2(t) y1(t)y2(t) 線性時(shí)不變系統(tǒng)的各輸入分量所引起的輸出互不影響，即一個(gè)輸入的存在并不影響另一個(gè)輸入的響應(yīng)。b

9、)比例特性常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍，即:若x(t) y(t) 則kx(t) ky(t) 疊加特性和比例特性可統(tǒng)一表示為若x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 則x1(t)x2(t) y1(t)y2(t)16c)微分特性系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的微分等于原輸出信號(hào)的微分，即若x(t) y(t)則x(t) y(t) d)積分特性 當(dāng)初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的積分等于原輸出信號(hào)的積分， 即若x(t) y(t)則x(t)dty(t)dte)頻率保持性若系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號(hào)，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號(hào)，即若x(t)=Acos(t+x) 則y(t)=B

10、cos(t+y)線性系統(tǒng)的主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持性，在測(cè)試工作中具有重要作用。17非線性原因：(結(jié)構(gòu)原理性原因除外)誤差因素檢 測(cè) 系 統(tǒng)輸入 x輸出 y = f(x)溫度濕度壓力沖擊振動(dòng)磁場電場摩擦間隙松動(dòng)遲滯蠕變變形老化外界干擾182)系統(tǒng)的特性不隨時(shí)間的推移發(fā)生改變。最佳的測(cè)試系統(tǒng)具有線性時(shí)不變特性。許多實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)無法在較大工作范圍內(nèi)滿足線性時(shí)不變要求，但在有效測(cè)量范圍內(nèi)近似滿足線性時(shí)不變傳輸特性要求也可。本書所討論的測(cè)試系統(tǒng)限于線性時(shí)不變系統(tǒng)。19二、測(cè)量儀器的組成熱電偶測(cè)定溫度的簡圖來說明模擬測(cè)量系統(tǒng)的組成。熱電偶用熱電動(dòng)勢(shì)的形式來感知溫度，構(gòu)成測(cè)量儀器的感受件，通

11、常稱為傳感器。 熱電動(dòng)勢(shì)用補(bǔ)償導(dǎo)線來完成傳遞信號(hào)的作用，構(gòu)成儀器中的中間件。熱電動(dòng)勢(shì)由電壓計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)位置或數(shù)字顯示給出指示，構(gòu)成測(cè)量儀器的指示或記錄件，或稱效用件。 因此，按工作原理，任何測(cè)量儀器都包括感受件、中間件和效用件三個(gè)部分。20力位移 速度 加速度 壓力流量溫度電阻式電容式電感式 壓電式熱電式 光電式磁電式電橋 放大器濾波器調(diào)制器解調(diào)器運(yùn)算器 阻抗變換器 筆式記錄儀光線示波器 磁帶記錄儀 電子示波器 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 顯示器 磁卡 數(shù)據(jù)處理器 頻譜分析儀 FFT 實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀 電子計(jì)算機(jī) 被測(cè)對(duì)象 傳感器 中間變換測(cè)量裝置 顯示及 記錄裝置 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理裝置 激發(fā)裝置 211感受件

12、直接與被測(cè)對(duì)象發(fā)生聯(lián)系但不一定直接接觸，感知被測(cè)參數(shù)的變化，同時(shí)對(duì)外界發(fā)出相應(yīng)信號(hào) 1)它必須隨被測(cè)參數(shù)的變化而發(fā)生相應(yīng)的內(nèi)部變化(這個(gè)內(nèi)部變化就是傳感器的輸出信號(hào))。如熱電偶的一端受熱后，因金屬的熱電效應(yīng)而產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。2)它只能隨被測(cè)參數(shù)的變化而發(fā)出信號(hào)(即不受其他任何參數(shù)的影響)，如熱電偶產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的大小只隨溫度而變化，其他如壓力等參數(shù)的變化則不引起熱電動(dòng)勢(shì)的改變。3)感受件發(fā)出的信號(hào)與被測(cè)參數(shù)之間必須是單值函數(shù)關(guān)系，即一個(gè)確定的信號(hào)只能與參數(shù)一個(gè)值相對(duì)應(yīng)。 實(shí)際上，這三個(gè)條件是難以完全得到滿足的，特別是其中第2）項(xiàng)條件。因此，任何傳感器都不可能是十全十美的，都受一定使用條件的限制。如

13、在使用上不加以注意，就會(huì)得出錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。 22濕度傳感器濕度傳感器各種傳感器23溫濕度、露點(diǎn)探頭、CO2探頭、大氣壓力傳感器24252. 中間件 最簡單的中間件是單純起“傳遞”作用的元件，它將傳感器的輸出原封不動(dòng)地傳給效用件。這種單純的傳遞件一般只有當(dāng)傳感器輸出的信號(hào)較強(qiáng)，感受件與效用件之間的距離不大或效用件的靈敏度很高(或消耗的能量很小)時(shí)才有可能采用。常采用的中間件有導(dǎo)線、導(dǎo)管、光導(dǎo)纖維、無線電通信等。 在近代的熱能與動(dòng)力機(jī)械測(cè)試工作中，都要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中觀測(cè)、遙測(cè)和自動(dòng)記錄。大多數(shù)測(cè)量儀器的中間件還必須完成“放大”、“變換”和“運(yùn)算”任務(wù)。 26儀器的放大件有兩類：一類是感受件發(fā)出的

14、信號(hào)較強(qiáng)、放大時(shí)不需外加能量，它只利用機(jī)械構(gòu)件擴(kuò)大指針和標(biāo)尺之間的相對(duì)位移，使之易于觀測(cè)；另一類是需要外加能量的，這在電側(cè)儀器中用得很多。例如，用電子電位計(jì)測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)時(shí)，就要將電動(dòng)勢(shì)放大10萬倍才足以驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)指針作出指示。這類放大在電測(cè)儀器中利用電子器件來完成。 有時(shí)，為了信號(hào)放大或改變傳感器輸出信號(hào)性質(zhì)的需要，在電測(cè)儀器的測(cè)量電路中設(shè)有信號(hào)“變換器”和“運(yùn)算器”。 273效用件 它直接均觀測(cè)者發(fā)生聯(lián)系，其作用是根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的大小向觀測(cè)者指出被測(cè)參數(shù)在數(shù)量上的大小。最簡單而常見的儀器效用件是指示件。它通過標(biāo)尺和指針(或液面、光線等)的相對(duì)位置來反映被側(cè)參數(shù)的瞬時(shí)值，有這種效用

15、件的儀器被稱作指示式儀器，效用件能將被測(cè)參數(shù)變化歷程記錄下來的儀器稱為記錄式儀器，如筆式記錄儀、磁帶記錄儀等。28記錄式儀器所能反映的是被測(cè)參數(shù)在各個(gè)瞬時(shí)的變化情況，但有時(shí)需要知道被測(cè)參數(shù)對(duì)時(shí)間的積分。例如，在測(cè)定流量時(shí)，不僅要知道流量的瞬時(shí)值，而且還要知道在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)流過的總流量。若這一積分過程可由測(cè)量儀器本身來完成，則這樣的測(cè)量儀器稱積分式儀器或累計(jì)儀器，如流量計(jì)、電度表等。 按照效用件的功能來分類可分為：數(shù)字式儀器、信號(hào)式儀器、電接觸式儀器、調(diào)節(jié)式儀器等等。29模擬顯示：30 光柱也屬于模擬顯示 模擬顯示的特點(diǎn)：直觀31數(shù)字式顯示：熱敏電阻32數(shù)字式儀表的特點(diǎn)：準(zhǔn)確，但最后一位經(jīng)常跳

16、動(dòng)不止。33圖像顯示： 特點(diǎn)：能顯示復(fù)雜的圖形和曲線，但價(jià)格昂貴。34記錄儀： 有紙記錄儀： 主要用來記錄被檢測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化過程。35無紙記錄儀 主要用來記錄和存儲(chǔ)被檢測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化過程。36三、測(cè)量儀器的分類按其用途可分為范型儀器和實(shí)用儀器兩類。 范型儀器是準(zhǔn)備用以復(fù)制和保持測(cè)量單位，或是用來對(duì)其他測(cè)量儀器進(jìn)行標(biāo)定和刻度工作的儀器。這類儀器的準(zhǔn)確度很高，對(duì)它的保存和使用有較高的要求。 實(shí)用儀器是供實(shí)際測(cè)量使用的儀器，它又可分為試驗(yàn)室用儀器和工程用儀器。前者必須要提供關(guān)于它們讀數(shù)的標(biāo)定曲線或數(shù)值表，使用時(shí)應(yīng)考慮周圍環(huán)境對(duì)示值的影響(如溫度、壓力、磁場、振動(dòng)等)，其測(cè)量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度；

17、后者并不需要標(biāo)定資料，它們的準(zhǔn)確度是預(yù)先根據(jù)其結(jié)構(gòu)、制造和運(yùn)用條件定出的。對(duì)它的要求是動(dòng)作迅速，使用簡單、可靠，其測(cè)量結(jié)果應(yīng)能滿足工程測(cè)量誤差所允許的范圍。37第三節(jié) 測(cè)量儀器的主要性能指標(biāo) 測(cè)量儀器的性能指標(biāo)決定了所得測(cè)量結(jié)果的可靠程度。檢測(cè)系統(tǒng)常用技術(shù)性能指標(biāo) 輸入量性能指標(biāo)：量程、測(cè)量范圍、過載能力 靜態(tài)特性指標(biāo)：線性度、遲滯、重復(fù)性、準(zhǔn)確度、靈敏度、分辨率、閾值、穩(wěn)定性、漂移等 動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)：時(shí)間常數(shù)、上升時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、過沖量、阻尼率、固有頻率、頻率特性、頻響范圍、穩(wěn)態(tài)誤差、臨界速度、采樣頻率等38 對(duì)環(huán)境和配接要求：工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、靈敏度溫度系數(shù)、熱滯后、抗潮濕、

18、抗介質(zhì)腐蝕、抗電磁干擾能力、抗沖振要求等 可靠性指標(biāo)：平均壽命、平均無故障工作時(shí)間、故障率、疲勞性能、絕緣耐壓、耐溫、保險(xiǎn)期、時(shí)間穩(wěn)定性、抗過載能力等 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：性能/價(jià)格比391量程與測(cè)量范圍 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量上限和測(cè)量下限的代數(shù)差，稱為量程。 測(cè)量系統(tǒng)所能測(cè)量最小輸入量(下限)至最大輸入量（上限）之間的范圍。 測(cè)量范圍可能是單向的，如01.00M;雙向的，例如10；雙向不對(duì)稱的，例如-50100。選用儀表時(shí)，測(cè)量值必須落在測(cè)量范圍內(nèi)（超過量程使用，會(huì)使儀表損壞或精度降低）402精確度 儀器的指示值接近被測(cè)量的實(shí)際值的準(zhǔn)確程度，稱為精確度。它通常以“允許誤差”的大小來表示。允計(jì)誤差的物理意義是：

19、儀器讀數(shù)允許的最大絕對(duì)誤差折合為該儀器量程的百分?jǐn)?shù)。在選用儀器時(shí)，應(yīng)在滿足被測(cè)量要求的條件下，盡量選擇量程較小的儀器，一般應(yīng)使測(cè)量值在滿刻度的23以上為宜，并根據(jù)對(duì)被測(cè)量絕對(duì)誤差的要求選擇測(cè)量儀器的精度等級(jí)。 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 5.0 七級(jí)414243精度等級(jí)：表征測(cè)試系統(tǒng)或裝置在符合一定的計(jì)量要求情況下，能保持其誤差在規(guī)定的極限范圍內(nèi)。精度等級(jí)代表允許誤差的大小，并不是實(shí)際測(cè)量中出現(xiàn)的誤差，精度反映了測(cè)試系統(tǒng)中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合影響。通常工程用儀器為0.54級(jí)；試驗(yàn)室用儀器為級(jí)；范型儀器在級(jí)以上。儀器的準(zhǔn)確度級(jí)別一般標(biāo)志在其標(biāo)尺板上。Analo

20、g Meter：全量程的百分?jǐn)?shù)100 V: 1%: 1 V ；50 V: 2%: 1 V Digital Meter一般來說是讀數(shù)的百分?jǐn)?shù) 末位有效數(shù)字 (0.05% reading+1 count),10.000v: (5 mV + 1 mV)443恒定度儀器多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，其指示值的穩(wěn)定程度，稱為恒定度。通常以讀數(shù)的變差來表示。當(dāng)外部條件不變時(shí)，用同一儀器對(duì)某物理量的同一參數(shù)值重復(fù)進(jìn)行測(cè)量或是相隔一段時(shí)間再測(cè)量時(shí)，指示值之間的最大差數(shù)與儀器量程之比的百分?jǐn)?shù)為讀數(shù)的變差。變差越穩(wěn)定，儀器的性能越好特例是當(dāng)儀器指針上升(正行程)與下降(反行程)時(shí)，對(duì)同一被測(cè)量所得讀數(shù)之差。45由于儀器內(nèi)部有阻

21、尼，傳動(dòng)系統(tǒng)中有摩擦和間隙，鐵磁材料的磁滯、結(jié)構(gòu)材料的受力變形的滯后現(xiàn)象，這種變差是存在的。顯然，儀器讀數(shù)的變差不應(yīng)超過儀器的允許誤差。464 靈敏度：Sensitivity 若系統(tǒng)的輸入x有一增量x，引起輸出y發(fā)生相應(yīng)變化y時(shí)，則定義靈敏度S為: S=y/x47靈敏度的量綱取決于輸入輸出的量綱。當(dāng)輸入與輸出的量綱相同時(shí)，則靈敏度是一個(gè)無量綱的數(shù)，常稱為“放大倍數(shù)”或“增益”。線性系統(tǒng)的靈敏度為常數(shù)，特性曲線是一條直線。非線性系統(tǒng)的特性曲線是一條曲線，其靈敏度隨輸入量的變化而變化。通常用一條參考直線代替實(shí)際特性曲線（擬合直線），擬合直線的斜率作為測(cè)試系統(tǒng)的平均靈敏度。靈敏度反映了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)輸入

22、量變化反應(yīng)的能力，靈敏度愈高，測(cè)量范圍往往愈小，穩(wěn)定性愈差。（合理選?。?85 靈敏度阻滯 靈敏度阻滯又稱為感量、靈敏閾、失靈區(qū)、死區(qū)，是測(cè)量系統(tǒng)在量程零點(diǎn)(輸入起始點(diǎn))，能引起輸出量發(fā)生變化的最小輸入量，是衡量起始點(diǎn)不靈敏的程度。此量是足以引起儀器指針從靜止到作極微小移動(dòng)的被測(cè)量的變化值。這一特性參數(shù)對(duì)于用在零值法中的指零儀器有著重要的意義。一般儀器的靈敏度阻滯應(yīng)不大于儀器允許誤差的一半。496 漂移：由于儀表特性發(fā)生改變而引起的誤差。 當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)輸入量不變和環(huán)境溫度不變時(shí)，輸出量隨時(shí)間變化，稱為漂移，或時(shí)漂。它主要是測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量環(huán)節(jié)的不穩(wěn)定或內(nèi)部溫度變化所引起。溫漂：當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)輸入量不變

23、，外界環(huán)境溫度變化引起輸出量發(fā)生變化，稱為溫漂。溫漂分零點(diǎn)溫漂與靈敏度溫漂。引起靜態(tài)特性平移而斜率不變的漂移，稱為零點(diǎn)溫漂（零漂：傳感器在零輸入的狀態(tài)下，輸出值的漂移）；而引起靜態(tài)特性斜率發(fā)生變化的漂移為靈敏度溫漂。 507 分辨率Resolution：指能引起輸出量發(fā)生變化時(shí)輸入量的最小變化量，表明測(cè)試裝置分辨輸入量微小變化的能力。靈敏度越高，分辨率越高對(duì)于數(shù)字式儀表而言，輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量作階梯變化，一般可以認(rèn)為該輸出顯示標(biāo)尺的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨率，例如數(shù)字式溫度計(jì)的溫度顯示為180.6，則分辨率為0.1；對(duì)于模擬式儀表，即輸出量為連續(xù)變化的裝置，分辨率是指測(cè)試裝置能顯

24、示或記錄的最小輸入增量，一般為最小分度值的一半。（精度較高的指示儀表，刻度盤又密又細(xì)）518 線性度（linearity，非線性度non-linearity）理想的測(cè)試裝置靜態(tài)特性曲線是條直線，但實(shí)際上大多數(shù)測(cè)試裝置的靜態(tài)特性曲線是非線性的。實(shí)際特性曲線與參考直線偏離的程度稱為線性度，用線性誤差表示為 LLmax/A100 應(yīng)當(dāng)注意，量程越小，線性化帶來的誤差越小，因此要求線性化誤差小的場 合可以采取分段線性化。52獲取擬合直線方法：(c) 最小二乘法：精度高端點(diǎn)連線法：檢測(cè)系統(tǒng)輸入輸出曲線的兩端點(diǎn)連線簡單、方便，偏差大，與測(cè)量值有關(guān)(b) 最佳直線法： 使得正負(fù)行程的非線性偏差相等且最小精度

25、最高，計(jì)算法（迭代、逐次逼近）xy539指示滯后時(shí)間 從被測(cè)參數(shù)發(fā)生變化到儀器指示出該變化值所需的時(shí)間，稱為指示滯后時(shí)間，或稱時(shí)滯。時(shí)滯主要出儀器的慣性引起。因儀器均存在引起慣性的因素，如機(jī)械式儀器中運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量、電測(cè)儀器中的電感或電容、傳熱式儀器中的熱容量等，故時(shí)滯是無法避免的。 54理想測(cè)量儀表性能指標(biāo)1)高靈敏度、線性、抗干擾的穩(wěn)定性(對(duì)噪聲不敏感)、容易調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡易) 2)高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長(耐用性) 3)高響應(yīng)速率、可重復(fù)性、抗老化、抗環(huán)境影響(熱、振動(dòng)、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力4)選擇性、安全性(傳感器應(yīng)是無污染的) 、互換性、低成本5)寬測(cè)量范圍、小尺

26、寸、重量輕和高強(qiáng)度、寬工作溫度范圍55儀器的上述指標(biāo)在儀器的使用和保管過程中并非固定不變，而往往逐漸變壞，因此必須及時(shí)加以檢驗(yàn)和校正。如果儀器檢定的結(jié)果表明，其誤差超起出允許范圍而又無法校正時(shí)，即應(yīng)報(bào)廢。對(duì)于試驗(yàn)室用儀器，為求得更為可靠的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)進(jìn)行校正，即將被校儀器與準(zhǔn)確度更高的標(biāo)準(zhǔn)儀器比較其讀數(shù)，將標(biāo)尺上各點(diǎn)實(shí)際誤差測(cè)出，作校正曲線或數(shù)值表。使用時(shí)對(duì)該儀器的讀數(shù)引入一個(gè)校正數(shù)。如儀器標(biāo)尺上某一點(diǎn)的讀數(shù)校正數(shù)為校正數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值-讀數(shù) ；而 測(cè)量值=讀數(shù)+校正數(shù) 56 第二章 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是研究當(dāng)測(cè)試與檢測(cè)系統(tǒng)的輸入和輸出均為隨時(shí)間而變化的信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)輸出信號(hào)的影響。57第一節(jié)

27、 測(cè)試儀器/系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 我們僅討論線性定常系統(tǒng)，就是可以用常微分方程描述的系統(tǒng)。 對(duì)線性定常系統(tǒng)進(jìn)行分析的理論和方法最為基礎(chǔ)、最成熟，同時(shí)其它系統(tǒng)通過某種假設(shè)后可近似作為線性定常系統(tǒng)來處理。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一般通過描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如微分方程、或找出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性函數(shù)如傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)等來進(jìn)行研究。58一、微分方程根據(jù)相應(yīng)的物理定律（如牛頓定律、能量守恒定律、基爾霍夫電路定律等），用線性常系數(shù)微分方程表示系統(tǒng)的輸入x與輸出y關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式ai、bi (i=0,1,)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，常數(shù)，系統(tǒng)的階次由輸出量最高微分階次決定。常見為零階、一階、二階優(yōu)點(diǎn)：概念清晰，輸入-輸出關(guān)系明了，

28、可區(qū)分暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)59對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)和復(fù)雜的測(cè)試信號(hào)，求解微分方程比較困難，甚至成為不可能。為此，根據(jù)數(shù)學(xué)理論，不求解微分方程，而應(yīng)用拉普拉斯變換求出傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)等來描述動(dòng)態(tài)特性。60二、 傳遞函數(shù)如果y(t)在t0時(shí)， y(t) =0，則y(t) 的拉氏變換可定義為 式中S=+j，0。 對(duì)微分方程兩邊取拉氏變換，則得61定義輸出y(t)的拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)，則對(duì)y(t)進(jìn)行拉氏變換的初始條件是t0時(shí)， y(t)=0。對(duì)于傳感器被激勵(lì)之前所有的儲(chǔ)能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。6263

29、對(duì)于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感器，若各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)，可忽略相互間的影響，傳感器的等效傳遞函數(shù)可按代數(shù)方式求得。顯然H(S)與輸入量x(t)無關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因而H(S)可以簡單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的關(guān)系。作為一種數(shù)學(xué)模型，和其它數(shù)學(xué)模型一樣，裝置的傳遞函數(shù)與測(cè)量信號(hào)無關(guān)，也不能確定裝置的物理結(jié)構(gòu)，只表示測(cè)量裝置本身在傳輸和轉(zhuǎn)換測(cè)量信號(hào)中的特性或行為方式。傳遞函數(shù)與微分方程完全等價(jià)，可以相互轉(zhuǎn)化。H(s)是在復(fù)頻域中表達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而微分方程則是在時(shí)域表達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而且這兩種動(dòng)態(tài)特性的表達(dá)形式對(duì)于任何輸入信號(hào)形式都適用。6364若傳感器由p個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)而成若傳感器由r

30、個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成 對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。64三、頻率響應(yīng)在定常線性系統(tǒng)中，拉氏變換是廣義的傅氏變換，取S=+j中的=0，則S=j，即拉氏變換局限于S平面的虛軸，則得到傅氏變換： 同樣有：65 H（j）稱為傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)。物理意義是頻率響應(yīng)函數(shù)是在正弦信號(hào)的激勵(lì)下，測(cè)量裝置達(dá)到穩(wěn)態(tài)后輸出和輸入之間的關(guān)系。 H（j）是一個(gè)復(fù)函數(shù)，它可以用指數(shù)形式表示66即A()稱為傳感器的幅頻特性，也稱為傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度（或增益）。A()表示傳感器的輸出與輸入的幅度比值隨頻率而變化的大小。其中67 若以 分別表示H（j）的實(shí)部和虛部，則頻率特性的相位角:（）表示傳感

31、器的輸出信號(hào)相位隨頻率而變化的關(guān)系。對(duì)于傳感器通常是負(fù)的，表示傳感器輸出滯后于輸入的相位角度，而且隨而變，故稱之為傳感器相頻特性。6869重要結(jié)論傳遞函數(shù)表示了系統(tǒng)的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間在復(fù)數(shù)域內(nèi)的關(guān)系。即代表輸入信號(hào)在復(fù)數(shù)域經(jīng)傳遞函數(shù)的加工而形成復(fù)數(shù)的輸出信號(hào)。是系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的一種表示方法。70頻響函數(shù)的含義是一系統(tǒng)對(duì)輸入與輸出皆為 正弦信號(hào)傳遞關(guān)系的描述。它反映了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出與輸入之間的關(guān)系，也稱為正弦傳遞函數(shù)。如只研究穩(wěn)態(tài)過程的信號(hào)，則用頻響函數(shù)來分析系統(tǒng)。如研究穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)全過程信號(hào)，則用傳遞函數(shù)來分析系統(tǒng)。71第二節(jié) 典型測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一、 零階系統(tǒng)：微分方程：a) 屬于靜態(tài)環(huán)節(jié)

32、：靜態(tài)靈敏度系數(shù)d) 實(shí)際零階環(huán)節(jié)：緩慢變化，頻率較低 - 近似零階環(huán)節(jié)c) 與時(shí)間無關(guān)，與頻率無關(guān)，無滯后，無慣性b) 輸出 輸入：比例環(huán)節(jié)幅頻特性：相頻特性：72電位計(jì)式角位移傳感器微分方程：靜態(tài)靈敏度系數(shù)：UEU0零階系統(tǒng)的輸出和輸入同步變化，不產(chǎn)生任何的失真和延遲，因此是一種理想的測(cè)試系統(tǒng)，如位移電位器、電子示波器等。73在多數(shù)情況下，由于各種因素的影響，儀器的特性往往是非線性的，包含有高次項(xiàng)的特性曲線，這對(duì)儀表的示值是不利的。但實(shí)際測(cè)量中，若非線性冪次不高，則在輸入量變化不大的范圍內(nèi)，可以把實(shí)際曲線的某一段用切線或割線來代替；非線性程度很強(qiáng)烈，即使限制在很小的測(cè)量范圍內(nèi)，亦不能使非線

33、性誤差減小到允許的程度，這種特性稱為根本非線性特性。這時(shí)，儀器只能采用非均勻分度。 74二、一階系統(tǒng)一階系統(tǒng)微分方程：對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，得則傳遞函數(shù)為時(shí)間常數(shù)，靜態(tài)靈敏度其中75例一階測(cè)溫傳感器系統(tǒng)中，已知敏感部分的質(zhì)量為m，比熱為c，表面積為s，傳熱系數(shù)為h（w/ m2k）。給出輸入量T0與輸出量T之間的微分方程，并推導(dǎo)其幅頻特性、相頻特性及階躍響應(yīng)特性。 一階測(cè)溫傳感器解：76頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性：相頻特性：討論：越小，頻率響應(yīng)特性越好。負(fù)號(hào)表示相位滯后77幅值比A（）隨的增大而減小。A（）和（）的變化表示輸出與輸入之間的差異，稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)誤差。系統(tǒng)的工作頻率范圍取決于時(shí)間常數(shù)。在較

34、小時(shí)，幅值和相位得失真都較小。當(dāng)一定時(shí)，越小，測(cè)試系統(tǒng)的工作頻率范圍越寬。 因此為了減小一階測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)誤差，增大工作頻率，應(yīng)盡可能采用時(shí)間常數(shù)小的測(cè)試系統(tǒng)。78越小，響應(yīng)速度越快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短，階躍響應(yīng)特性越好。若輸入為階躍函數(shù)一階系統(tǒng)微分方程 的解為：討論：輸出的初值為0,隨著時(shí)間推移y接近于1；當(dāng)t=時(shí),在一階系統(tǒng)中,時(shí)間常數(shù)值是決定響應(yīng)速度的重要參數(shù)。79三、二階儀器所謂二階傳感器是指由二階微分方程所描述的傳感器。很多傳感器，如振動(dòng)傳感器、壓力傳感器等屬于二階傳感器，其微分方程為：靜態(tài)靈敏度阻尼比固有頻率,0=1/80如圖所示的彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)方程為：將此公式左

35、右作付里葉變換得：該系統(tǒng)的頻響函數(shù)為81821)幅頻特性曲線的縱坐標(biāo)實(shí)際上表示在不同測(cè)量條件下的振幅動(dòng)態(tài)誤差。由圖可見，在不同阻尼比時(shí)，輸入和輸出信號(hào)振幅比也隨之不同。在之間，|H(iw)|/K近似等于1，所占有的w/wo變化范圍為最大，即表示在此范圍內(nèi)振幅動(dòng)態(tài)誤差最小。2)相頻特性曲線可看出，在之間，在對(duì)應(yīng)于|H(iw)|/K范圍內(nèi)，與w/wo近似線性關(guān)系，相位誤差也較小。 對(duì)二階測(cè)量系統(tǒng)，（）,可獲得較小的動(dòng)態(tài)誤差。如果采用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)固有頻率wo，則既保證較小的振幅動(dòng)態(tài)誤差，又能擴(kuò)大測(cè)頻范圍。83 二階傳感器的階躍響應(yīng)特性 隨阻尼比的不同，有幾種不同的解：y/K210t=01.510.60.2單位階躍響應(yīng)通式=0(零阻尼)：輸出變成等幅振蕩，即 8401(欠阻尼)：該特征方程具有共軛復(fù)數(shù)根方程通解根據(jù)t，ykA，求出A3；據(jù)初始條件 求出A1、A2則85其曲線如圖，是一衰減振蕩過程, 越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。y/K210t=01.510.60.2861（過阻尼）：特征方程具有兩個(gè)不同的實(shí)根過渡函數(shù)為：=1 (臨界阻尼)：特征方程具有重根-1/,過渡函數(shù)為 上兩式表明，當(dāng)