測試裝置的基本特性

第2章測試裝置的基本特性第1節(jié)概述第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性第4節(jié)實(shí)現(xiàn)不失真測試的條件習(xí)題2024/1/19第2章測試裝置的基本特性本章重點(diǎn)：1、測試裝置的動態(tài)特性及典型的一、二階系統(tǒng)特性。2、測試裝置實(shí)現(xiàn)不失真測試的條件。2024/1/19引言：測試是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量從客觀事物取得相關(guān)信息的過程在此過程中，借助專門設(shè)備—測試裝置(系統(tǒng))，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),采用合適的方法和必要的數(shù)學(xué)處理方法求得感興趣的信息。測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。

測試的目的不同，測試系統(tǒng)復(fù)雜程度不同。

測試系統(tǒng)的性能直接影響測試的有效性。第2章

第1節(jié)概述2024/1/19第2章

第1節(jié)概述一、對測試裝置的基本要求(系統(tǒng)辨識)(反求)(預(yù)測)2024/1/19一、對測試裝置的基本要求1）.要求測試裝置具有單值，確定的輸入輸出關(guān)系2）.要求測試裝置是線性系統(tǒng)，即輸入輸出呈線性關(guān)系2.對測試裝置的基本要求2024/1/19第2章

第1節(jié)概述2024/1/19一、對測試裝置的基本要求第2章

第1節(jié)概述理想的測試裝置1）.輸出和輸入成線性關(guān)系2）.系統(tǒng)為時不變線性系統(tǒng)實(shí)際的測試裝置1）.只能在較小工作范圍內(nèi)和在一定誤差允許范圍內(nèi)滿足線性要求。2）.很多物理系統(tǒng)是時變的。在工程上，常可以以足夠的精確度認(rèn)為系統(tǒng)中的參數(shù)是時不變的常數(shù)。2024/1/19一、測試系統(tǒng)模型的分類第2章

第1節(jié)概述線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng):具有疊加性、比例性的系統(tǒng)連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)1）連續(xù)時間系統(tǒng):輸入、輸出均為連續(xù)函數(shù).

用微分方程描述系統(tǒng)特征2）.離散時間系統(tǒng):輸入、輸出均為離散函數(shù).用差分方程描述系統(tǒng)特征.時變系統(tǒng)與時不變系統(tǒng)由系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間而變化決定.2024/1/19其中，線性時不變系統(tǒng)（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。一般的測試系統(tǒng)都可視為線性定常系統(tǒng)，即可以用常微分方程描述的系統(tǒng)。一、測試系統(tǒng)模型的分類第2章

第1節(jié)概述2024/1/19第2章

第1節(jié)概述二、線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)線性系統(tǒng)實(shí)際的測試系統(tǒng)在一定程度上和一定范圍內(nèi)可以看出是線性系統(tǒng)，這時系統(tǒng)特性與輸入輸出之間的關(guān)系可以用常系數(shù)線性微分方程來表示：因?yàn)閍n,an-1,an-2,……,bm,bm-1,……b0

是固定不變的常數(shù)，所以有時也稱時不變或線性定常系統(tǒng)線性系統(tǒng)的輸出頻率必然等于輸入頻率2024/1/19第2章

第1節(jié)概述二、線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)線性系統(tǒng)的性質(zhì)1）具有疊加性所以復(fù)雜信號的輸出實(shí)際上是由組成復(fù)雜信號的一系列簡單信號之和構(gòu)成2）頻率保持性2024/1/19線性系統(tǒng)具有頻率保持特性的含義是輸入信號的頻率成分通過線性系統(tǒng)后仍保持原有的頻率成分。如果輸入是很好的正弦函數(shù)，輸出卻包含其他頻率成分，就可以斷定其他頻率成分絕不是輸入引起的，它們或由外界干擾引起，或由裝置內(nèi)部噪聲引起，或輸入太大使裝置進(jìn)入非線性區(qū)，或該裝置中有明顯的非線性環(huán)節(jié)。第2章

第1節(jié)概述二、線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)頻率112頻率頻率輸入輸出輸入引起非輸入引起2024/1/193）比例性第2章

第1節(jié)概述二、線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)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4）微分性系統(tǒng)對原輸入信號的微分等于原輸出信號的微分，即若x(t)→y(t)則x'(t)→y'(t)2024/1/19第2章

第1節(jié)概述二、線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)5）積分性如系統(tǒng)的初始狀態(tài)均為零，則系統(tǒng)對輸入積分的響應(yīng)等同于對原輸入響應(yīng)的積分，即：2024/1/19第2章

第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性理想線性定常系統(tǒng)a0y(t)=b0x(t)實(shí)際的測試系統(tǒng)很難確保是理想的線性定常系統(tǒng)實(shí)際測試系統(tǒng)指標(biāo)1.線性度2.靈敏度、分辨力3.回程誤差

4.零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移2024/1/19第2章

第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性1）線性度輸入輸出之間保持常值比例的關(guān)系測量范圍ABYX校準(zhǔn)曲線擬合曲線A:標(biāo)稱輸出范圍B:校準(zhǔn)曲線與擬合曲線最大偏差于是線性誤差：B/A*100%于是線性度：（A-B）/A*100%線性度2024/1/19第2章

第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性2.1）靈敏度用來定義測試裝置對被測對象變化的反應(yīng)能力S=△x/△y對于理想的線性定常系統(tǒng)來說，該值為常數(shù)。對于實(shí)際系統(tǒng)來說，該值需要擬合直線后求的。量綱取決于輸入輸出的單位靈敏度、分辨力2024/1/19第2章

第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性2.2）分辨力是指指示裝置有效地辨別緊密相鄰量值的能力。即能引起響應(yīng)量發(fā)生變化的最小激勵變化量，用?x。當(dāng)被測量小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化是無反應(yīng)的?x測試系統(tǒng)滿量程輸出值A(chǔ)之比的百分率表示其分辨能力，稱為分辨率，用F表示：?x/A*100%2024/1/19第2章

第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性3.分辨率的大小應(yīng)能保證在穩(wěn)態(tài)測量時儀器的測量值波動很小，但分辨率過高會使信號波動過大，從而會對數(shù)據(jù)顯示或校正系統(tǒng)提出過高的要求。因此一個好的設(shè)計(jì)應(yīng)使其分辨率與儀器的功用相匹配。2024/1/19第2章

第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性要注意1.為了保證測試系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，工程上規(guī)定，測試系統(tǒng)的分辨率應(yīng)小于允許誤差的1/3，1/5或1/10。2.可通過提高儀器的敏感單元增益的方法來提高分辨率。2024/1/19回程誤差第2章

第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性原因?qū)嶋H的測試系統(tǒng)，由于內(nèi)部的彈性元件的彈性滯后、磁性元件的磁滯現(xiàn)象以及機(jī)械摩擦、材料受力變形、間隙等原因，使得相同的測試條件下，在輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，對應(yīng)于同一輸入量所得到的輸出量往往存在差值。12122024/1/19第2章

第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性定義

描述測試裝置輸出與輸入方向性特性的參數(shù)，定義為在同一輸入量沿著不同的方向得到的輸出的最大的差值2024/1/19零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移原因環(huán)境溫度、大氣壓力、相對濕度以及電源電壓等都可能對測量裝置的輸出造成影響。環(huán)境變化將或多或少地影響裝置的某些靜態(tài)特性參數(shù)。第2章

第2節(jié)測試裝置的靜態(tài)特性標(biāo)稱范圍最低點(diǎn)的點(diǎn)漂，稱為零點(diǎn)漂移靈敏度漂移是由于材料性質(zhì)的變化引起的輸入與輸出關(guān)系的變化2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性

在工程測試中，大量的被測信號都是隨時間變化的動態(tài)信號。對于測試系統(tǒng)，要求能迅速而準(zhǔn)確地測出信號的大小并真實(shí)地再現(xiàn)信號的波形變化。即要求測試系統(tǒng)在輸入量改變時，其輸出量也能立即隨之不失真地改變。例1：水銀體溫計(jì)測試系統(tǒng)對輸入的時間響應(yīng)例2：千分表測量振動物體振幅

頻率響應(yīng)2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性動態(tài)特性定義輸入信號為一隨時間瞬時變化的信號時，輸出與輸入之間的關(guān)系特性被定義為動態(tài)特性主要內(nèi)容時間響應(yīng)頻率響應(yīng)影響因素輸入量的變化速度和加速度測試系統(tǒng)的阻尼、質(zhì)量的影響2024/1/19數(shù)學(xué)描述測試系統(tǒng)被視為線性時不變系統(tǒng)，據(jù)其物理結(jié)構(gòu)和相關(guān)定律可建立起描述輸入輸出關(guān)系的線性微分方程，但使用時有許多不便。因此，除微分方程形式的數(shù)學(xué)模型之外，常通過拉普拉斯變換、傅立葉變換等建立其相應(yīng)的“傳遞函數(shù)”，“頻率響應(yīng)函數(shù)”，來簡便地描述測試裝置或系統(tǒng)的動態(tài)特性。第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性傳遞函數(shù)頻響函數(shù)2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性傳遞函數(shù)2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性傳遞函數(shù)2024/1/19其中第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性初始條件為零S=α+jω上式的系數(shù)都是由系統(tǒng)本身固有屬性決定的。由上式，傳遞函數(shù)是用復(fù)數(shù)形式來表示測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。一般測量裝置總是穩(wěn)定的系統(tǒng)，其分母的階次總是高于分子的階次，即n>m2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性傳遞函數(shù)的特性H(s)與輸入x(t)及系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān)，它只表達(dá)了系統(tǒng)的傳輸特性。H(s)只反映系統(tǒng)傳輸特性而不拘泥于系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)。即只要動態(tài)特性相似，無論是電路系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)都可用同類型的傳遞函數(shù)描述其動態(tài)特性。傳遞函數(shù)以測量裝置本身的參數(shù)表示輸入與輸出之間的關(guān)系，所以它將包含著聯(lián)系輸入量與輸出量所必需的單位。H(s)中的分母取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分子是系統(tǒng)與外界之間的聯(lián)系。2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性頻率響應(yīng)函數(shù)(頻率域描述)頻率響應(yīng)函數(shù)是在頻率域中描述和考察系統(tǒng)特性的。實(shí)際工程應(yīng)用中，某些系統(tǒng)難以建立相應(yīng)的微分方程和傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)本身的物理解釋也不明確。與傳遞函數(shù)相比，頻率響應(yīng)函數(shù)的物理概念明確，容易通過實(shí)驗(yàn)來建立；由頻率響應(yīng)函數(shù)和傳遞函數(shù)的關(guān)系，可方便地得到傳遞函數(shù)。因此頻率響應(yīng)函數(shù)成為實(shí)驗(yàn)研究測試系統(tǒng)的重要工具。由頻率保持性，簡諧輸入得到簡諧輸出，頻率相同而幅值不同，其幅值比A＝Y(jié)0/X0是頻率ω的函數(shù)記為A(ω)，定義為幅頻特性；相位差也是ω的函數(shù),記為φ（ω），φ（ω）定義為相頻特性,統(tǒng)稱系統(tǒng)的頻率特性。2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性脈沖響應(yīng)函數(shù)若輸入為單位脈沖，即x(t)=δ(t),則X(s)=L[δ(t)]=1。裝置的相應(yīng)輸出是Y(s)=H(s)X(s)=H(s),其時域描述可通過對Y(s)的拉普拉斯反變換得到：Y(t)=L-1(H(s))=h(t)h(t)常稱為系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)或權(quán)函數(shù)。系統(tǒng)特性的描述：時域脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)；頻域頻率響應(yīng)函數(shù)H(ω)復(fù)數(shù)域傳遞函數(shù)H(s)2024/1/19相互關(guān)系第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性系統(tǒng)特性的描述：時域脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)；頻域頻率響應(yīng)函數(shù)H(ω)復(fù)數(shù)域傳遞函數(shù)H(s)相互關(guān)聯(lián)相互推導(dǎo)2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性實(shí)例某系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：H(s)=1/（2s+1）,輸入信號為x(t)=sin(t/2+45o),求信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

由系統(tǒng)傳遞函數(shù)可得H(jw)=1/（2jw+1）,則系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性分別為：輸入信號的頻率為1/2，則輸出頻率同樣為1/22024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性

則可得輸出信號為：又2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性系統(tǒng)的串并聯(lián)H1(s)H2(s)X(s)Z(s)Y(s)H(s)于是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性系統(tǒng)的串并聯(lián)H1(s)H2(s)X(s)Y1(s)Y(s)H(s)Y2(s)2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性典型系統(tǒng)的動態(tài)特性2024/1/19一階系統(tǒng)第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性二階系統(tǒng)2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章第3節(jié)測試裝置的動態(tài)特性2024/1/19第2章

第4節(jié)不失真測試的條件2024/1/19第2章

第4節(jié)不失真測試的條件2024/1/19第2章

第4節(jié)不失真測試的條件2024/1/19第2章

第4節(jié)不失真測試的條件2024/1/19第2章

第5節(jié)負(fù)載效應(yīng)負(fù)載測量裝置是由傳感器、測量電路、前置放大、信號條理、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量值，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)。造成后果第2章

第5節(jié)負(fù)載效應(yīng)1、前裝置的聯(lián)接處甚至整個裝置的狀態(tài)和輸出都將發(fā)生變化；2、兩個裝置共同形成一個新的整體，但其傳遞函數(shù)已不滿足各環(huán)節(jié)串并聯(lián)的規(guī)律。怎么減小影響對于電壓輸出的環(huán)節(jié)，減輕負(fù)載效應(yīng)的辦法有：

1、提高后續(xù)環(huán)節(jié)（負(fù)載）的輸入阻抗。

2、在原來兩個相聯(lián)接的環(huán)節(jié)之中，插入高輸入阻抗、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)幾乎不能從前環(huán)節(jié)吸收能量電阻抗的概念推廣到廣義阻抗2024/1/19干擾源：產(chǎn)生干擾信號的設(shè)備被稱為干擾源，如變壓器、繼電器、微波設(shè)備、電機(jī)、無繩電話和高壓電線等都可以產(chǎn)生空中電磁信號傳播途徑：傳播途徑是指干擾信號的傳播路徑。接收載體：接收載體是指受影響的設(shè)備的某個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)吸收了干擾信號，并轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響的電器參數(shù)2024/1/19第2章

第6節(jié)測量裝置的抗干擾干擾定義測量系統(tǒng)中的無用信號稱為干擾。干擾的三要素2024/1/19干擾的種類第2章

第6節(jié)測量裝置的抗干擾外部干擾內(nèi)部干擾干擾源位置漏電干擾磁場干擾干擾耦合模式共阻抗干擾電磁輻射干擾靜電干擾干擾的抑制第2章

第6節(jié)測量裝置的抗干擾屏蔽是指利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對象包圍起來，從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質(zhì)不同，1.干擾的屏蔽2.干擾的隔離1，光電隔離：光電隔離是以光作為媒介在隔離的兩端之間進(jìn)行信號傳輸?shù)?，所用的器件是光電耦合器?，變壓器隔離：對于交流信號的傳輸,一般使用變壓器隔離干擾信號的辦法。3，繼電器隔離：繼電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系2024/1/192024/1/192.濾波第2章

第6節(jié)測量裝置的抗干擾濾波是抑