測量系統(tǒng)的特性分析

測量系統(tǒng)的特性分析第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日測量系統(tǒng)的基本特性是指測量系統(tǒng)與其輸入、輸出的關(guān)系。主要包括三個方面：第一，已知測量系統(tǒng)的特性，輸出可測，那么通過該特性和輸出來推斷導致該輸出的輸入量。這就是通常應(yīng)用測量系統(tǒng)來測未知物理量的測量過程。第二，已知測量系統(tǒng)特性和輸入，推斷和估計系統(tǒng)的輸出量。通常應(yīng)用于根據(jù)對被測量(即輸入量)的測量要求組建測量系統(tǒng)。第三，由已知或觀測系統(tǒng)的輸入、輸出，推斷系統(tǒng)的特性。通常應(yīng)用于系統(tǒng)的研究。根據(jù)輸入信號x(t)隨時間是否變化，測量系統(tǒng)的基本特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日1測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性靜態(tài)特性：當測量系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時測量系統(tǒng)輸入和輸出之間呈現(xiàn)的關(guān)系。各階導數(shù)為0，故理想的定常線形測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性的表達式。對于實際的測量系統(tǒng)，其輸入和輸出之間往往不是理想的直線，故靜態(tài)特性可以由下式表示：第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日1.1靜態(tài)特性的基本參數(shù)（1）零點：當輸入量為零時，測量系統(tǒng)的輸出量不為0的值。一般應(yīng)消除零位值。4~20mA（2）靈敏度：描述測量系統(tǒng)對輸入量變化反應(yīng)的能力。輸出變化量與輸入變化量的比值。線性的靈敏度為常數(shù)輸入輸出量綱相同則靈敏度無量綱，放大倍數(shù)若有多個環(huán)節(jié)，則總靈敏度為各部分靈敏度的乘積yx△x△y第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日（3）分辨力：表示測量系統(tǒng)有效辨別輸入量最小變化量的能力。對數(shù)字顯示測量系統(tǒng)，為一個分度值。（4）量程：測量系統(tǒng)能夠測量的最大輸入量的能力。是測量系統(tǒng)示值范圍上下限之差的絕對值。當在量程范圍內(nèi)使用時，測量系統(tǒng)正常工作并保證預定的性能。（5）安全工作范圍：在安全工作范圍內(nèi)儀器不會損壞，超過安全工作范圍可能會導致儀器損壞。瞬態(tài)、TVS保護第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日1.2靜態(tài)特性的質(zhì)量指標（1）遲滯：測量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量由小到大（正行程）或由大到?。ǚ葱谐蹋﹥烧哽o態(tài)特性不一致的程度。用引用誤差的形式表示（2）重復性：測量系統(tǒng)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動時，靜態(tài)特性不一致的程度。用引用誤差的形式表示：第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日（3）線性度：測量系統(tǒng)靜態(tài)特性對選定擬合直線的接近程度。常用實際特性曲線偏離參考直線的最大偏差與量程輸出值之比的百分數(shù)表示：由于擬合直線的方法不同得到不同的線性度，如理論線性度、端基線性度、最小二乘法線性度等。第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日★理論線性度：選通過零點與滿量程輸出點所作的直線為參考直線，或通過兩個指定端點的直線作為參考直線時的線性度?！锒嘶€性度：以測量設(shè)備多次實測之零輸入所得平均值點與滿量程輸出平均值點所連成的直線為參考直線。

★最小二乘法線性度：通過最小二乘法算法確定參考直線。第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日最小二乘法原理：設(shè)擬和的直線為，第j個測量點的輸出與擬和直線上的相應(yīng)值的偏差為，最小二乘法擬和直線的原則就是使N個點的均方差

為最小值，即一階偏導等于零可得到b和k的值。第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日（4）可靠性：在規(guī)定的時間內(nèi)及在保持其運行指標不超限的情況下執(zhí)行其功能的能力?？煽啃灾笜擞校?/p>

★平均無故障時間MTBF（MeanTimeBetweenFailure）：在標準工作條件下不間斷的工作，直到發(fā)生故障而失去工作能力的時間稱為無故障時間。若干次平均得，10000h★故障率或失效率：MTBF的倒數(shù)，失效率為0.03%kh表示1萬臺儀器工作1000小時后可能會有3臺出現(xiàn)故障。★可用度：對于可修復的產(chǎn)品，用MTTR（MeanTimeToRepair）代表平均修復時間，如果修復時間長則使用時間短。第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日（5）穩(wěn)定性：在規(guī)定的工作條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)系統(tǒng)或儀器性能保持不變的能力。2.1mV/8h等。影響系數(shù)：環(huán)境溫度、大氣壓、振動等外部狀態(tài)變化對測量系統(tǒng)示值的影響，以及電源電壓、頻率等工作條件變化對指示值的影響統(tǒng)稱為環(huán)境影響。額定工作條件：溫度25℃，濕度65%，大氣壓101.33kPa、供電220V

允許變化的范圍：25±2℃，65±5%，220V±10%等偏離標準工作條件時，會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，影響系數(shù)：示值變化與影響量的變化的比，

15ppm/℃。第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日（6）輸入電阻和輸出電阻：前一環(huán)節(jié)的輸出電阻及相當于后面環(huán)節(jié)的信號源內(nèi)阻，后一環(huán)節(jié)的輸入電阻相當于前面環(huán)節(jié)的負載。前級環(huán)節(jié)對后級環(huán)節(jié)而言相當為理想電壓源，其內(nèi)阻即輸出電阻應(yīng)為0；后級輸入電阻承接了全部電壓信號，阻抗變換器：電壓跟隨器第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日2測量系統(tǒng)的動態(tài)特性測量系統(tǒng)的動態(tài)特性是指在動態(tài)測量時，輸出量與隨時間變化的輸入量之間的關(guān)系。理想的測量系統(tǒng)的輸出和輸入隨時間的變化規(guī)律相同實際系統(tǒng)只能輸入和輸出只能在一定的頻率范圍內(nèi)、對應(yīng)一定的誤差條件下一致。研究測量系統(tǒng)動態(tài)特性的目的包含三方面：★根據(jù)信號頻率范圍及測量誤差的要求確立測量系統(tǒng)（將測量系統(tǒng)分成多個環(huán)節(jié)）；★已知測量系統(tǒng)的動態(tài)特性，估計可測量信號的頻率范圍和動態(tài)誤差；★研究改進和提高測量系統(tǒng)動態(tài)性能的原理和方法；第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日例：測量系統(tǒng)動態(tài)特性的影響：壓力測量系統(tǒng)結(jié)果：實線：動態(tài)性能好虛線：動態(tài)性能差無法獲得峰值壓力，可能導致系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計不合理而出現(xiàn)故障。第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日研究測量系統(tǒng)動態(tài)特性的方法：對于簡單的系統(tǒng)，系統(tǒng)的建立數(shù)學模型，時域的微分方程或復頻域的傳遞函數(shù)或頻域的幅頻特性。對于復雜的系統(tǒng)，采用試驗的方法，輸入典型信號（如正弦信號、單位階躍信號或脈沖信號）測出系統(tǒng)的輸出特性，對數(shù)據(jù)進行分析，評價系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。參考：《測試系統(tǒng)動力學》黃俊欽國防工業(yè)出版社第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日2.1動態(tài)性能指標將測量系統(tǒng)分成不同的各部分，分別研究各部分的動態(tài)特性，常見的測量系統(tǒng)都是一階或二階系統(tǒng)，任何高階系統(tǒng)都可以分解成多個一階和二階系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)。動態(tài)系統(tǒng)的性能指標分為時域指標和頻域指標。第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日（1）時域指標測量設(shè)備的時域動態(tài)性能指標—般用階躍輸入時測量設(shè)備的輸出響應(yīng)(過渡過程)曲線上的特性參數(shù)來表示。一階測量設(shè)備，階躍輸入時的輸出響應(yīng)是非周期型的，動態(tài)性能指標包括：(1)時間常數(shù)：輸出量上升到穩(wěn)態(tài)值的63．2％所需時間。(2)響應(yīng)時間：輸出量達到穩(wěn)態(tài)值的某一允許誤差范圍內(nèi)，并保持在此范圍內(nèi)所需最小時間。(3)上升時間：測量設(shè)備輸出響應(yīng)值從5％(或10％)到達穩(wěn)態(tài)值的95％(或90％)，或從0上升到穩(wěn)態(tài)值所需時間。(4)延遲時間：測量設(shè)備輸出響應(yīng)值從0上升到穩(wěn)態(tài)值的50％所需時間。第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日對二階系統(tǒng)：當阻尼比(實際阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比)大于1時，在階躍輸入時輸出響應(yīng)也是非周期型的，所以按上述一階測量設(shè)備的性能指標討論即可；當阻尼比<1時輸出響應(yīng)為衰減振蕩曲線，則除應(yīng)討論前述響應(yīng)時間、上升時間、延遲時間等指標外，還需討論峰值時間(輸出響應(yīng)曲線達到第—個峰值所需時間)與超調(diào)量(輸出響應(yīng)曲線的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值的百分比)。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日（2）頻域指標頻域動態(tài)性能指標常以輸入量為正弦信號時幅頻特性(或?qū)?shù)幅頻特性)和相頻特性的參數(shù)來規(guī)定。常用的指標有：(1)頻帶寬：是對數(shù)幅頻特性曲線上幅值增益不超過±ndB(例如±3dB，n＝3)所對應(yīng)的頻率范圍。(2)工作頻帶()：與給定的測量設(shè)備幅值誤差范圍(例如±1％，±2％)相對應(yīng)的頻率范圍。稱為截止頻率。(3)跟隨角：當時，對應(yīng)相頻特性上的相角。濾波器=系統(tǒng)第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日一階系統(tǒng)的特性參數(shù)就是時間常數(shù)二階系統(tǒng)的特性參數(shù)就是固有角頻率與阻尼比有了這些值就可以建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，進而可以求出系統(tǒng)在任一輸入時的輸出響應(yīng)。2.2動態(tài)特性參數(shù)求取第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日（1）一階系統(tǒng)的判定與時間常數(shù)的求取根據(jù)右邊的公式，用動態(tài)試驗數(shù)據(jù)y可以得到Z-t曲線，根據(jù)曲線的線性度，判斷測量系統(tǒng)與一階系統(tǒng)的符合程度，進而求取時間常數(shù)。第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期日（2）二階系統(tǒng)特性參數(shù)的求取當阻尼比大于1時，一般工程上將二階系統(tǒng)近似成一階系統(tǒng)對待第26頁，共28頁，2023年，2月20日