测试装置基本特性-测试技术教学课件.pdf

第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 第一节第一节 概述概述 第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 第四节第四节 测试装置对任意输入的影响测试装置对任意输入的影响 第五节第五节 实现不失真测量的条件实现不失真测量的条件 第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 第六节第六节 测量装置动态特性的测量测量装置动态特性的测量 第七节第七节 负载效应负载效应 第八节第八节 测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰 测试系统测试系统是执行测试任务的传感器是执行测试任务的传感器、仪器和设备仪器和设备 的总称的总称。 这些装置和仪器对被测物理量进这些装置和仪器对被测物理量进 行传感行传感、转换与处理转换与处理、传送传送、显示显示、 记录以及存储记录以及存储。 测试系统的复杂程度测试系统的复杂程度取决于被测取决于被测 信息检测的难易程度以及所采用的实信息检测的难易程度以及所采用的实 验方法验方法。 简单测试系统简单测试系统( (温度测量温度测量) ) 第一节 概述 测试装置测试装置能否实现准确测量能否实现准确测量，取决于其特性：，取决于其特性： 测试装置的特性测试装置的特性 抗干扰特性抗干扰特性 负载特性负载特性 动态特性动态特性 静态特性静态特性 测试装置各特性是统一的，相互关联的。例如：动测试装置各特性是统一的，相互关联的。例如：动 态特性方程一般可视为线性方程，但考虑静态特性态特性方程一般可视为线性方程，但考虑静态特性 的非线性、迟滞等因素，就成为非线性方程。的非线性、迟滞等因素，就成为非线性方程。 静态测量静态测量：如果测量时，测试装：如果测量时，测试装 置的输入、输出信号不随时间而变化置的输入、输出信号不随时间而变化 （或（或变化比较缓慢变化比较缓慢）。）。 1. 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 静态特性是由静态特性是由静态标定静态标定来确定的；来确定的； 2. 测量装置的测量装置的动态特性动态特性 当被测量当被测量(输入量输入量) 随时间快速变化随时间快速变化时，测量输入时，测量输入 与相应输出之间动态关系的数学描述。与相应输出之间动态关系的数学描述。 动态测量：动态测量：当输入随时间变化时，其输出随输入而变化。当输入随时间变化时，其输出随输入而变化。 3. 测量装置的负载特性测量装置的负载特性 测量装置或系统一般由若干环节组成：测量装置或系统一般由若干环节组成：传感器、传感器、 测量电路、前置放大、信号调理等；测量电路、前置放大、信号调理等； 负载效应：负载效应：传感器安装于被测物体或进入被测传感器安装于被测物体或进入被测 介质，要从物体与介质中吸收能力或产生干扰，介质，要从物体与介质中吸收能力或产生干扰， 使被测物理量偏离原有量值，从而不可能实现理使被测物理量偏离原有量值，从而不可能实现理 想的测量，这种效应称为想的测量，这种效应称为负载效应。负载效应。测量装置的测量装置的 各环节之间一般都会产生负载效应。各环节之间一般都会产生负载效应。 负载特性是测量装置的固有特性，在进行测量负载特性是测量装置的固有特性，在进行测量 或组成测量系统时，要加以考虑并将其降到最小。或组成测量系统时，要加以考虑并将其降到最小。 4.测量装置的抗干扰性测量装置的抗干扰性 测量装置在测量过程中要受到各种干扰：测量装置在测量过程中要受到各种干扰：包括电包括电 源干扰、环境干扰和信道干扰。源干扰、环境干扰和信道干扰。 线性度是指测量装置输入、输出之间的关系与理想比例关线性度是指测量装置输入、输出之间的关系与理想比例关 系的系的偏离偏离程度。程度。 第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 1.线性度线性度 测试系统测试系统输入量输入量输出量输出量 理想状态：理想状态： 实际状态：实际状态： bxay+= )(xfy = 线性关系线性关系 非线性关系非线性关系 - 零点输出零点输出- 理论灵敏度理论灵敏度ab xy 0 线性线性 非线性非线性 x y a += 2 210 xaxaay 外界干扰引入的非线性因素外界干扰引入的非线性因素 测试系统测试系统输入输入输出输出 温温 度度 湿湿 度度 压压 力力 冲冲 击击 振振 动动 磁磁 场场 电电 场场 摩摩 擦擦 间间 隙隙 松松 动动 迟迟 滞滞 蠕蠕 变变 变变 形形 老老 化化 x)(xfy = 获取拟合获取拟合(理想理想)直线方法：直线方法： (a) 端点连线法：端点连线法： 检测系统输入输出曲线的两端点连线检测系统输入输出曲线的两端点连线 特点：特点： 算法：算法： 简单、方便，偏差大，与测量值有关简单、方便，偏差大，与测量值有关 y x max l 有有n个测量数据个测量数据: 残差：残差： 残差平方和最小：残差平方和最小： 22 )( = ii iiii xxn yxyxn b 22 2 )( = ii iiiii xxn yxxyx a 算法：算法： 特点：精度高特点：精度高 (b)最小二乘法：最小二乘法： ),( ,),(),( 111111 yxyxyx)2( n )( iii bxay+= min 2 = i 简单实用，三点作图法（两高一低简单实用，三点作图法（两高一低/两低一高）两低一高） 使得正负行程的非线性偏差相等且最小使得正负行程的非线性偏差相等且最小 精度高，计算法（迭代、逐次逼近）精度高，计算法（迭代、逐次逼近） 算法：算法： 特点：特点： (c)最佳直线法：最佳直线法： y x 2.灵敏度灵敏度：(sensitivity ) 斜率：斜率： xyk=/ a. 线性检测系统：线性检测系统： 灵敏度为常数；灵敏度为常数； b. 非线性检测系统：非线性检测系统： 灵敏度为变数灵敏度为变数 说明：说明： bxay+=bk = )(xfy = dx xdf k )( = (灵敏度系数灵敏度系数) x y y x 能够检测出的被测量的最小变化量能够检测出的被测量的最小变化量，表征测，表征测 量系统的分辨能力。量系统的分辨能力。 2、分辨率、分辨率 - 是相对数值：是相对数值： 定义：定义： 1、分辨力、分辨力 - 是绝对数值是绝对数值 说明：说明： 能检测的最小被测量的变换量相对于 满量程的百分数，如： 0.1%, 0.02% 3、阈值、阈值 - 在系统输入零点附近在系统输入零点附近 的分辨力的分辨力 其他静态特性：其他静态特性：分辨力分辨力 如 0.01mm，0.1g，10ms， 测量范围：是指测试装置能正常测量测量范围：是指测试装置能正常测量 最小输入量和最大输入量最小输入量和最大输入量 之间的范围。之间的范围。 稳定性：是指在一定工作条件下稳定性：是指在一定工作条件下，当输入当输入 量不变时量不变时，输出量随时间变化的程度输出量随时间变化的程度。 信噪比：信噪比：信号功率信号功率与与干扰噪声功率干扰噪声功率之之 比。记为比。记为snr。 单位用分贝（单位用分贝（db）。）。 测量范围、信噪比、稳定性、可靠性测量范围、信噪比、稳定性、可靠性 其他静态特性：其他静态特性： 浴盆曲线浴盆曲线 与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。 可靠性：是反映检测系统在规定的条件下，在规定的可靠性：是反映检测系统在规定的条件下，在规定的 时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。 可靠性可靠性 故障率 磨合期 稳定期 失效 时间 第三节第三节测量装置的动态特性测量装置的动态特性 对迅速变化的物理量进行测定，要求动态对迅速变化的物理量进行测定，要求动态 测试仪器应具有测试仪器应具有较高的动态响应特性较高的动态响应特性。 t / t1 t0 o 0 /s 动态误差 动态测温动态测温 测量仪器的指示测量仪器的指示 和记录部分是一个具和记录部分是一个具 有一定质量的有一定质量的弹性系弹性系 统统，存在着“惯性”，存在着“惯性” 和“阻尼”，出现衰和“阻尼”，出现衰 减减滞后滞后现象。现象。 测试装置的测试装置的动态特性动态特性是指是指当输入量随时间快当输入量随时间快 速变化时，测量输入与响应输出之间动态关系的速变化时，测量输入与响应输出之间动态关系的 数学描述数学描述。 一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述 把测量装置视为定常线性系统，可用把测量装置视为定常线性系统，可用常系数线常系数线 性微分方程性微分方程描述输入、输出关系，但使用不便。描述输入、输出关系，但使用不便。 可通过可通过拉普拉斯变化拉普拉斯变化建立“传递函数”；建立“传递函数”； 通过傅立叶变换建立“频率特性函数”，描述通过傅立叶变换建立“频率特性函数”，描述 会更简便有效。会更简便有效。 )( )()()( )( )()()( 01 1 1 1 01 1 1 1 txb dt txd b dt txd b dt txd b tya dt tyd a dt tyd a dt tyd a m m n m m n n n n n n n += + ( ) ( ) ：系统的物理参数和 系统的输出； 系统的输入； 011011 : : b ,b,b ,ba ,a,a ,a ty tx mmnn 若系统的上述物理参数均为常数，则该方若系统的上述物理参数均为常数，则该方 程便是程便是常系数微分方程常系数微分方程，所描述的系统便是，所描述的系统便是线线 性定常系统性定常系统或或线性时不变系统线性时不变系统。 ( )( ) ( )( ) ( )( )( )( )tytytxtx tytx tytx 2121 22 11 + ，则若 ( )( )( )( )taytaxtytx，则若 ( )( ) ( )( ) dt tdy dt tdx tytx，则若 ( )( )( )( )dttydttxtytx tt 00 ，则若 ( )( )( )( ) ()+ = tjtj eyty,extxtytx 00 则，若 叠加性：叠加性： 线性时不变系统基本性质线性时不变系统基本性质 比例性：比例性： 微分特性：微分特性： 积分特性：积分特性： 频率保持性：频率保持性： 传递函数传递函数的特性的特性： 仅表达系统的特性，与输入仅表达系统的特性，与输入 x(t) 无关；无关； 描述的系统对于一输入对应一确定输出；描述的系统对于一输入对应一确定输出； 式中各参数是由系统结构所唯一确定的常数。式中各参数是由系统结构所唯一确定的常数。 ( ) 01 1 1 01 1 1 )( )( asasasa bsbsbsb sx sy sh n n n n m m m m + + = ( )sh ( )sh ( )sh ( )sh 1 1、传递函数、传递函数( (transfer function) )： 2 2、频率响应函数、频率响应函数( (frequency response function) ) 频率响应函数：在工程测试中，频率响应函数是频率响应函数：在工程测试中，频率响应函数是 输出信号输出信号(频域频域)对输入信号对输入信号(频域频域)之比。之比。 )()()(thtxty= )( )( )( x y h= 测试装置 )( )( h th 输入输出 )(tx )(x )(ty )(y )()()(hxy= 频率响应频率响应可以利用正弦传递函数来求得，即可以利用正弦传递函数来求得，即 频率响应函数是以频率响应函数是以为参量的复变函数，即为参量的复变函数，即 a(a() ) 为为h(jh(j ) )的模的模( (振幅比振幅比) )，即，即幅频特性幅频特性； ( () )为为h(jh(j ) )的相位角，即的相位角，即相频特性相频特性。 ( ) 01 1 1 01 1 1 )( )( asasasa bsbsbsb sx sy sh n n n n m m m m + + = 输出、输入输出、输入幅值的比值幅值的比值和和相角差相角差是是输入频率的函输入频率的函 数数，并反映在频率响应函数，并反映在频率响应函数的模和相角。的模和相角。 如果将如果将的虚部和实部分开，并记作的虚部和实部分开，并记作( )h ( )h ( )( )( )qphj+= 对于稳定的常系数线性系统，若对于稳定的常系数线性系统，若输入为一正弦函输入为一正弦函 数数，则稳态时的，则稳态时的输出也是与输入同一频率的正弦函数输出也是与输入同一频率的正弦函数。 输出的幅值和相角通常不等于输入的幅值和相角。输出的幅值和相角通常不等于输入的幅值和相角。 幅频特性曲线、相频特性曲线，幅频特性曲线、相频特性曲线，乃奎斯特乃奎斯特图图 对数幅频特性曲线、对数相频特性曲线对数幅频特性曲线、对数相频特性曲线( (伯德图伯德图) ) ( )( )( ) ( )( )( )thshlsxshlsylty= 111 3、脉冲响应函数、脉冲响应函数 1. 1. 脉冲响应函数脉冲响应函数 若输入为单位脉冲，拉普拉斯反变换得到输出若输入为单位脉冲，拉普拉斯反变换得到输出 的时域表达的时域表达 2. 2. 、之间的关系之间的关系( )h ( )( ) hsh js = = )(th( )sh 和传递函数和传递函数互为互为拉普拉斯拉普拉斯变换对变换对 和和互为互为傅里叶傅里叶变换对。变换对。( )h ( )sh)(th )(th 4 4、环节的串联、并联和反馈、环节的串联、并联和反馈 )()()( 21 shshsh+= )(sh )(sx)( 1 sy )( 1 sh )( 2 sh )(sy )()()( 21 shshsh= 串联串联 并联并联 )(sh )(sx )( 1 sy )( 1 sh )( 2 sh )(sy )( 2 sy 多个环节：多个环节： 环节串联环节串联 = = = = n i i shsh 1 )()( 环节并联环节并联 存在反馈存在反馈 = = = = n i i shsh 1 )()( )(1 )( )( sh sh sh f o = = )(sho )(sh f )(sx)(sy )(shn )(shn )( 1 sh )( 2 sh )( 1 sh )(sx)(sy )(sy)(sx 正反馈传递函数为：正反馈传递函数为： 负反馈传递函数为：负反馈传递函数为： 测量系统中采用测量系统中采用负反馈负反馈可以使整个系统误差大大可以使整个系统误差大大 减小，从而提高测量精度。减小，从而提高测量精度。 由于实际被测信号复杂，故施加阶跃信号、正弦由于实际被测信号复杂，故施加阶跃信号、正弦 信号、脉冲信号、斜坡信号等信号、脉冲信号、斜坡信号等典型输入信号典型输入信号。 1 1、阶跃信号阶跃信号 = 00 0 t ta tr )( 当当a=1a=1时，则称为单位阶跃信号。时，则称为单位阶跃信号。 2 2、斜坡信号、斜坡信号 = 0 0 0 t tat tr )( 当当a=1a=1时，则称为单位斜坡信号。时，则称为单位斜坡信号。 典型输入信号典型输入信号 3 3、脉冲信号：、脉冲信号： = 0 0 0 t tta tr sin )( 其中其中a a为幅值，为幅值， =2/t =2/t为角频率。为角频率。 4 4、正弦信号、正弦信号 系统性能指标系统性能指标 系统的瞬态性能通常以系统在初始条件为零的情况系统的瞬态性能通常以系统在初始条件为零的情况 下，对下，对单位阶跃输入单位阶跃输入信号的响应特性来衡量。信号的响应特性来衡量。 1 1、最大超调量、最大超调量 p 响应曲线偏离稳态值的最大值，响应曲线偏离稳态值的最大值， 常以百分比表示常以百分比表示 % )( )()( 100 = c ctc p p 最大超调量说明系统的相对稳定性。最大超调量说明系统的相对稳定性。 2. 2. 峰值时间峰值时间t tp p响应曲线到达第一个峰值所需的时间，响应曲线到达第一个峰值所需的时间， 定义为峰值时间。定义为峰值时间。 3.3.延滞时间延滞时间t td d响应曲线到达稳态值响应曲线到达稳态值50%50%所需的时间，所需的时间， 称为延滞时间。称为延滞时间。 4. 4. 上升时间上升时间t tr r反映动态初期的快慢。有反映动态初期的快慢。有2 2种定义：种定义： (1) (1) 响应曲线从稳态值的响应曲线从稳态值的10%10%到到90%90%所需时间；所需时间； (2) (2) 响应曲线从零开始至第一次到达稳态值所需的时间。响应曲线从零开始至第一次到达稳态值所需的时间。 一般对有振荡的系统常用一般对有振荡的系统常用(2)(2)，对无振荡的系统常用，对无振荡的系统常用(1)(1)。 5. 5. 调整时间调整时间t ts s响应曲线从零开始到进入误差允许响应曲线从零开始到进入误差允许 范围内所需时间。范围内所需时间。 误差允许范围通常用稳态值的绝对百分数给出，误差允许范围通常用稳态值的绝对百分数给出， 如稳态值的如稳态值的95%95%- -105%105%。 0 0、零阶零阶系统特性系统特性 即即 零阶系统特点：零阶系统特点：系统输出不受干扰且无滞后，即具有完全理系统输出不受干扰且无滞后，即具有完全理 想的特性。想的特性。 例：位移式电位计例：位移式电位计 二二. 零阶、一阶、二阶系统的特性零阶、一阶、二阶系统的特性 x lrrlx lur u 2 l bl o + = 2 rx- 输出电压：输出电压： 当当rl趋于无穷大时趋于无穷大时 输出电压：输出电压： x l u u b o 如果微分方程中如果微分方程中a1、a0和和 b0 之外令所之外令所 有的有的 a 和和 b 均为零，则该测试系统为一阶均为零，则该测试系统为一阶 测试系统。测试系统。 典型一阶系统典型一阶系统 1、一阶系统特性、一阶系统特性)( )()()( )( )()()( 01 1 1 1 01 1 1 1 txb dt txd b dt txd b dt txd b tya dt tyd a dt tyd a dt tyd a m m n m m n n n n n n n += + 除除a1、a0和和b0外其余系数为零外其余系数为零 拉氏变换并整理拉氏变换并整理 传递函数传递函数设设k k1 1 )( )()()( )( )()()( 01 1 1 1 01 1 1 1 txb dt txd b dt txd b dt txd b tya dt tyd a dt tyd a dt tyd a m m n m m n n n n n n n += + ( ) () ( )() arctg- 1 1 2 = + =a 一阶系统的一阶系统的幅频幅频和和相频相频特性曲线特性曲线 一阶系统的一阶系统的伯德图伯德图一阶系统的一阶系统的乃奎斯特图乃奎斯特图 一阶系统的一阶系统的脉冲响应脉冲响应函数函数 一阶系统的特点：一阶系统的特点： 1. 当激励频率当激励频率 远小于远小于1/ 时时(约约 fh 令令 f =100hz, 测量误差小于测量误差小于5%，即，即 ,求出求出 4 1023 . 5 11 1) 1)二阶系统的响应很大程度上决定于阻尼比二阶系统的响应很大程度上决定于阻尼比和固和固 有频率有频率n n。 n n越高，系统响应越快。越高，系统响应越快。直接影响直接影响 超调量和振荡次数。超调量和振荡次数。 0.60.80.60.8、 / / n n11时时a(a( ) )1 1， 相频特性成近似直线，信号失真最小。相频特性成近似直线，信号失真最小。 2) 2) 0.70.7时时： 若希望幅值误差控制在若希望幅值误差控制在5%5%，则须，则须 / / n n=0=00.590.59； 若希望幅值误差控制在若希望幅值误差控制在10%10%，须，须 / / n n0 00.710.71； 提高固有频率提高固有频率 n n既减小幅值误差，又可扩大测量既减小幅值误差，又可扩大测量 范围范围。 3) 3)当当 11时，时，在在 / / n n1 1处测量系统处测量系统a(a( ) )最大，出现最大，出现 谐振谐振；当当 0 0时，幅值趋于无穷大；当时，幅值趋于无穷大；当 0.7070.707时，不时，不 再出现谐振，并随再出现谐振，并随 / / n n的增大呈单调下降。的增大呈单调下降。 二阶系统结论：二阶系统结论： 对复杂测量仪器难以用理论方法分析其动态特性时，常采用对复杂测量仪器难以用理论方法分析其动态特性时，常采用 试验方法来标定试验方法来标定测量仪器的动态特性。测量仪器的动态特性。 主要内容：主要内容：确定时间常数、固有频率、阻尼比等，判断测量确定时间常数、固有频率、阻尼比等，判断测量 仪器是一阶还是二阶仪器等仪器是一阶还是二阶仪器等 。 主要方法：主要方法：频率响应法、阶跃响应法、随机信号法等。频率响应法、阶跃响应法、随机信号法等。 1. 1.频率响应法：频率响应法： 输入正弦信号来测定动态响应。试验时间长，需要在若干不输入正弦信号来测定动态响应。试验时间长，需要在若干不 同频率点上进行试验。同频率点上进行试验。 2. 2.阶跃响应法：阶跃响应法： 输入阶跃信号测定动态响应。输入阶跃信号测定动态响应。应用最广应用最广，能简单迅速地提供，能简单迅速地提供 被测系统动态特性的全部信息。被测系统动态特性的全部信息。 3. 3.随机信号法：随机信号法： 输入信号为随机信号。测试系统相对复杂，使用不便。输入信号为随机信号。测试系统相对复杂，使用不便。 第六节第六节测试装置动态特性的测试测试装置动态特性的测试 1. 1.一阶仪器的动态标定一阶仪器的动态标定 主要确定时间常数主要确定时间常数。 常用方法：常用方法：测取被标定系统对阶跃输入瞬态响应的一组数测取被标定系统对阶跃输入瞬态响应的一组数 据，在对数坐标上作图，确定时间常数据，在对数坐标上作图，确定时间常数。 )e1(tt t 0 - -= 用测量系统对用测量系统对阶跃输入阶跃输入瞬态响应到达瞬态响应到达稳稳 态值态值63.263.2时所需要的时间来确定。时所需要的时间来确定。 )e1(tt t 0 - -= t 0 e t t 1 - -= 两边取对数两边取对数 并定义并定义 取若干对取若干对t t与与t/tt/t0 0的值，在图上拟合的值，在图上拟合 一条直线。一条直线。t/zt/z即时间常数。即时间常数。 z t = - 如果测点数值十分集中在一条拟合如果测点数值十分集中在一条拟合 直线附近，说明为一阶测量系统；直线附近，说明为一阶测量系统； 若比较分散，说明该系统为拟一阶若比较分散，说明该系统为拟一阶 测量系统，或不是一阶测量系统。测量系统，或不是一阶测量系统。 t t t =)1ln( 0 )1ln( 0 t t z= 令：令： 由阶跃响应实验确定一阶系统由阶跃响应实验确定一阶系统 t2 t1 t1时刻曲线的斜率等于时刻曲线的斜率等于 )( 1 d d 1c 0c 11 tue u t u t t t = u0 t uc 0 t1t2 即次切距的长度即次切距的长度 t euu 0c = 由由次切距次切距求时间常数求时间常数 （脉冲响应曲线）（脉冲响应曲线） 21 1c 0)( tt tu = 2. 2.二阶仪器的动态标定二阶仪器的动态标定 主要确定主要确定无阻尼固有频率无阻尼固有频率 n n和和阻尼比阻尼比。小阻尼。小阻尼( ( 1) 1)二阶二阶 测量系统对阶跃输入响应曲线如下图：测量系统对阶跃输入响应曲线如下图： 统的动态特性参数统的动态特性参数n n和和可分别按下式求得：可分别按下式求得： 测得测得n n个振荡周期时，个振荡周期时，t td d应用应用n n 个周期的平均值表示。个周期的平均值表示。 t tp p ad最大过冲量；最大过冲量； td为响应曲线衰减振荡周期为响应曲线衰减振荡周期 阻尼较小阻尼较小时，可测得较长瞬变过程，时，可测得较长瞬变过程， 近似近似 a ai i、a ai i +n +n为任意两个冲量的值；为任意两个冲量的值；n n是这两个冲量之是这两个冲量之 间的整周期数。间的整周期数。 式（式（2 2- -1)1)的推导过程如下：的推导过程如下： 设设a ai i对应的时间为对应的时间为t ti i，则，则a ai+n i+n对应的时间为 对应的时间为 2 n ini 1 2 ntt - += + ()21/n2t t ni i 1 n2 e e ln a a ln 2 nin i n - = -+- - + 将将t ti i和和t ti+n i+n代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得 代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得 （2 2- -1)1) 222 n 2 n n4 + = ni i n a a ln + = 整理后得整理后得 式中式中 当当 0.10.1时，时，1 1 2 2 1 1。则有。则有 () n2 a/aln nii+ = 即式（即式（2 2- -1)1)是假设是假设的条件下得到的。的条件下得到的。 若将若将n n取任意整数，都能得到基本相同的取任意整数，都能得到基本相同的值，则认值，则认 为被测系统为严格的二阶系统。反之，则是非二阶测为被测系统为严格的二阶系统。反之，则是非二阶测 量系统。量系统。 ()21/n2t t ni i 1 n2 e e ln a a ln 2 nin n - = -+- - + 1373265. 0 8 )4/12ln( = n n 02185. 0 1373265. 04 1373265 . 0 )/(4 / 2222 = + = + = n n n n /796.1570 104 22 3 srad td d = = /171.1571 02185 . 0 1 796.1570 1 22 srad d n = = = 例例 : :对一个典型二阶系统输入一脉冲信号，从响应的记录曲线对一个典型二阶系统输入一脉冲信号，从响应的记录曲线 上测得其振荡周期为上测得其振荡周期为4ms4ms，第三个和第十一个振荡的单峰幅值，第三个和第十一个振荡的单峰幅值 分别为分别为12mm12mm和和4mm4mm。试求该系统的阻尼率。试求该系统的阻尼率和固有频率和固有频率n n。 222 2 4n n n + = ni i n a a ln + = 解：解： 例：例：马自达马自达6悬架弹簧刚度和阻尼的测试。悬架弹簧刚度和阻尼的测试。 实验样车实验样车 前悬架前悬架 车载采集系统车载采集系统 012345678 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 时 间 (t) 前轴加速度传感器测量值 (m /s 2) 前 轴 测 试 数 据 第 一 组 第七节第七节负载效应负载效应 一、负载效应一、负载效应 一个装置联接到另一装置上，并发生一个装置联接到另一装置上，并发生能能 量交换，量交换，产生两种现象：产生两种现象： 前装置连接处甚至整个装置的状态和输出发生前装置连接处甚至整个装置的状态和输出发生 变化；变化； 两个装置共同成为一个新的整体，其传递函数两个装置共同成为一个新的整体，其传递函数 不再是简单的串并联关系。不再是简单的串并联关系。 不讲 e r1 r2v v=er2/(r2+r1) v=er2rm/r1(rm+r2)+rmr2 v v rm 令令r1=100k,r2=150k, rm=150k,e=150v, 得得:u0=90v,u1=64.3v， 误差达误差达28.6%。 z z 二、减轻负载效应的措施：二、减轻负载效应的措施： 1.提高后续环节的输入阻抗；提高后续环节的输入阻抗； 2.在原来两相联接的环节之中，插入高在原来两相联接的环节之中，插入高 输入阻抗、低输出阻抗的输入阻抗、低输出阻抗的放大器放大器； 3.使用使用反馈反馈或零点测量原理，使后面环或零点测量原理，使后面环 节几乎不从前环节吸取能量。节几乎不从前环节吸取能量。 测量过程中测量过程中，除待测量信号外除待测量信号外，各种不可见的各种不可见的、 随机的信号可能出现在测量系统中随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有这些信号与有 用信号叠加在一起用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果严重扭曲测量结果。 测量系统测量系统 信信 道道 干干 扰扰 电电 磁磁 干干 扰扰 电电 源源 干干 扰扰 第八节第八节测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰 无线通信无线通信 雷电雷电 脉冲电路脉冲电路 esd-静电释放静电释放 感性负载通断感性负载通断 直流电机、变频调速器直流电机、变频调速器 一般说来，一般说来，良好的屏蔽及正确的接地良好的屏蔽及正确的接地 可去除大部分的可去除大部分的电磁波电磁波干扰。干扰。 使用使用交流稳压器、隔离稳压器可减交流稳压器、隔离稳压器可减 小供电电源波动小供电电源波动的影响。的影响。 信道干扰是测量装置内部的干扰，可信道干扰是测量装置内部的干扰，可 以在设计时选用以在设计时选用低噪声的元器件低噪声的元器件，印刷电，印刷电 路板设计时元件合理排放等方式来路板设计时元件合理排放等方式来增强信增强信 道的抗干扰性道的抗干扰性。 一、干扰的类型一、干扰的类型 1. 1. 电和磁的干扰电和磁的干扰 用电设备产生用电设备产生火花放电火花放电；无线电台无线电台、雷、雷 电等也会发射出功率强大的电等也会发射出功率强大的电磁波电磁波。 电和磁可以通过电路和磁路对测量仪表电和磁可以通过电路和磁路对测量仪表 产生干扰作用，电场和磁场的变化也在测量产生干扰作用，电场和磁场的变化也在测量 装置的有关电路或导线中装置的有关电路或导线中感应出干扰电压感应出干扰电压， 从而影响测量仪表的正常工作。从而影响测量仪表的正常工作。 x x光机产生大功率高频干扰光机产生大功率高频干扰 闪电产生电磁场干扰闪电产生电磁场干扰 雷达会产生大功率高频干扰雷达会产生大功率高频干扰 变电站会产生变电站会产生50hz的高次的高次 谐波干扰以及电晕放电干扰谐波干扰以及电晕放电干扰 机械干扰是指机械干扰是指机械振动机械振动或冲击使电子检测装置或冲击使电子检测装置 中的元件发生振动，中的元件发生振动，改变了系统的电气参数改变了系统的电气参数，造成，造成 可逆或不可逆的影响。可逆或不可逆的影响。 对机械干扰，可选用专用减振弹簧对机械干扰，可选用专用减振弹簧- -橡胶垫脚橡胶垫脚 或吸振橡胶海绵垫来或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率降低系统的谐振频率，吸收振，吸收振 动的能量，从而减小系统的振幅。动的能量，从而减小系统的振幅。 2. 2. 机械的干扰机械的干扰 主要体现在两个方面：主要体现在两个方面： （1 1）各种电气元件都有一定的各种电气元件都有一定的温度温度系数系数，温度温度 升高升高，系统参数会之改变系统参数会之改变，引起误差引起误差。 （2 2）接触热电动势接触热电动势由于电气元件的引脚多是由于电气元件的引脚多是 不同金属构成不同金属构成，当它们相互连接组成电路时当它们相互连接组成电路时，如果如果 各点温度不均匀就不可避免地产生热电动势各点温度不均匀就不可避免地产生热电动势，它叠它叠 加在有用信号上影响了仪表或装置的正常工作加在有用信号上影响了仪表或装置的正常工作。 3. 3. 热的干扰热的干扰 通常采取下列几种方法进行抑制通常采取下列几种方法进行抑制 （1 1）热屏蔽热屏蔽把某些对温度比较敏感的或电路中关键元把某些对温度比较敏感的或电路中关键元 器件和部件器件和部件，用导热性能良好的金属材料做成的屏蔽罩包围用导热性能良好的金属材料做成的屏蔽罩包围 起来起来，使罩内温度场趋于均匀和恒定使罩内温度场趋于均匀和恒定。 （2 2）恒温法恒温法例如将石英振荡晶体与基准稳压管等与精例如将石英振荡晶体与基准稳压管等与精 度有密切关系的元件置于恒温设备中度有密切关系的元件置于恒温设备中。 （3 3）对称平衡结构对称平衡结构例如差分放大电路例如差分放大电路、电桥电路等电桥电路等， 使两个与温度有关的元件处二对称平衡的电路结构两侧使两个与温度有关的元件处二对称平衡的电路结构两侧，使使 温度对两者的影响在输出端互相抵消温度对两者的影响在输出端互相抵消。 （4 4）温度补偿元件温度补偿元件采用温度补偿元件以补偿环境温度采用温度补偿元件以补偿环境温度 的变化对电子元件或装置的影响的变化对电子元件或装置的影响。 4 4. .光的干扰光的干扰 在检测仪表中广泛使用着各种半导体在检测仪表中广泛使用着各种半导体 元件元件，但半导体元件在光的作用下会改变但半导体元件在光的作用下会改变 其导电性能其导电性能，产生电势与引起阻值变化产生电势与引起阻值变化， 从而影响检测仪表的正常工作从而影响检测仪表的正常工作。因此因此，半半 导体元器件应封装在导体元器件应封装在不透光的壳体内不透光的壳体内；对；对 于具有光敏作用的元件于具有光敏作用的元件，尤其应注意光的尤其应注意光的 屏蔽问题屏蔽问题。 5 5. .湿度干扰湿度干扰 湿度过湿度过高会引起绝缘体电阻下降高会引起绝缘体电阻下降，漏电流增加漏电流增加 ；电介质的介电系数增加；电介质的介电系数增加，电容量增加；吸潮后骨电容量增加；吸潮后骨 架膨胀使线圈阻值变化增加架膨胀使线圈阻值变化增加，电感器变化；应变片电感器变化；应变片 粘贴后粘贴后，胶质变软胶质变软，精度下降等精度下降等。 通常采取的措施是通常采取的措施是避免将仪器放在潮湿处避免将仪器放在潮湿处，仪仪 器装置器装置定时通电加热去潮定时通电加热去潮，电子器件和印刷电路浸电子器件和印刷电路浸 漆或用环氧树脂封灌等漆或用环氧树脂封灌等。 用用绝缘漆绝缘漆浸渍过浸渍过 的控制变压器的控制变压器. . 浸漆浸漆可防止水分可防止水分 进入线圈内部进入线圈内部. . 喷淋试验喷淋试验 仪器设备的防潮试验仪器设备的防潮试验 “步入式”步入式”恒温恒湿房恒温恒湿房 体积：体积：25m3 3，温度调节范围：（，温度调节范围：（-40+80）， 湿度调节范围：（湿度调节范围：（3090）%rh 可用于进行大型仪器设备的高低温、恒定湿热、可用于进行大型仪器设备的高低温、恒定湿热、 交变湿热试验。交变湿热试验。 仪器设备的防潮试验仪器设备的防潮试验 6 6. .化学干扰化学干扰 酸酸、碱碱、盐等化学物品以及其他腐蚀性气体盐等化学物品以及其他腐蚀性气体， 除了具有化学腐蚀性作用将会损坏仪器设备和元器除了具有化学腐蚀性作用将会损坏仪器设备和元器 件外件外，又能与金属导体产生化学电动势又能与金属导体产生化学电动势，从而影响从而影响 仪器设备的正常工作仪器设备的正常工作。因此因此，必须根据使用环境对必须根据使用环境对 仪器设备进行必要的防腐措施仪器设备进行必要的防腐措施，将关键的元器件密将关键的元器件密 封并保持仪器设备清洁干净封并保持仪器设备清洁干净。 7 7. .射线辐射干扰射线辐射干扰 核辐射能产生很强的电磁波核辐射能产生很强的电磁波，射线会使气体电射线会使气体电 离离，使金属逸出电子使金属逸出电子，从而影响到电测装置的正常从而影响到电测装置的正常 工作工作。射线辐射的防护是一专门的技术射线辐射的防护是一专门的技术，主要用于主要用于 原子能工业原子能工业。 利用金属材料制成利用金属材料制成 容器，将需要防护的电容器，将需要防护的电 路包围在其中，可以防路包围在其中，可以防 止电场或磁场耦合干扰止电场或磁场耦合干扰 的方法称为屏蔽。屏蔽的方法称为屏蔽。屏蔽 可分为静电屏蔽、低频可分为静电屏蔽、低频 磁屏蔽和电磁屏蔽等几磁屏蔽和电磁屏蔽等几 种。种。根据不同的对象，根据不同的对象， 使用不同的屏蔽方式。使用不同的屏蔽方式。 未加未加屏蔽罩屏蔽罩时，中频变时，中频变 压器线圈易受外界干扰。压器线圈易受外界干扰。 加屏蔽罩后的中频变压器加屏蔽罩后的中频变压器 （一）屏蔽技术（一）屏蔽技术 二、干扰抑制技术二、干扰抑制技术 静电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金静电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金 属为材料属为材料制作成封闭的金属容器制作成封闭的金属容器，并与地线并与地线 连接连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部 干扰电场的电力场不影响其内部的电路，反干扰电场的电力场不影响其内部的电路，反 之，内部电路产生的电力线也无法影响外电之，内部电路产生的电力线也无法影响外电 路。静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔路。静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔 洞（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影响洞（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影响 不大。不大。 1.1.静电屏蔽静电屏蔽 各种静电屏蔽各种静电屏蔽 仪器设备的屏蔽仪器设备的屏蔽 外壳必须接地外壳必须接地 带孔屏蔽板带孔屏蔽板 开关电源采用带孔的屏开关电源采用带孔的屏 蔽外壳，既可散热，又蔽外壳，既可散热，又 可防止电磁干扰外泄可防止电磁干扰外泄 各种静电屏蔽各种静电屏蔽 三绞扭屏蔽线三绞扭屏蔽线 铜芯铜芯 4对双绞扭屏蔽线对双绞扭屏蔽线 （屏蔽层接地）（屏蔽层接地） 聚氟乙烯聚氟乙烯 绝缘层绝缘层 铜线编织网铜线编织网 （接地）（接地） 屏蔽线屏蔽线 电磁屏蔽是采用导电良好的电磁屏蔽是采用导电良好的 金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等 不同的外形，将被保护的电路包不同的外形，将被保护的电路包 围在其中。它屏围在其中。它屏蔽的干扰对象是蔽的干扰对象是 高频（高频（40khz40khz以上）磁场以上）磁场。 干扰干扰 源产生的高频磁场遇到导电良好源产生的高频磁场遇到导电良好 的电磁屏蔽层时，就的电磁屏蔽层时，就在其外表面在其外表面 感应出同频率的电涡流，从而消感应出同频率的电涡流，从而消 耗了高频干扰源磁场的能量耗了高频干扰源磁场的能量。其。其 次，电涡流也将产生一个新的磁次，电涡流也将产生一个新的磁 场，抵消了一部分干扰磁场的能场，抵消了一部分干扰磁场的能 量，从而使电磁屏蔽层内部的电量，从而使电磁屏蔽层内部的电 路免受高频干扰磁场的影响。路免受高频干扰磁场的影响。 镀铜镀铜电磁屏蔽盒电磁屏蔽盒 2.2.电磁屏蔽电磁屏蔽 军用屏蔽帐篷军用屏蔽帐篷 军用军用 电子方舱电子方舱屏蔽通信车屏蔽通信车 导电纤维材料编导电纤维材料编 织而成的军用电磁织而成的军用电磁 屏蔽器材屏蔽器材 防电磁波屏蔽围裙几种用导电纤维材防电磁波屏蔽围裙几种用导电纤维材 料编织而成的电磁屏蔽服。料编织而成的电磁屏蔽服。 辐射源辐射源 防电磁波防电磁波 屏蔽服装屏蔽服装 防电磁波屏蔽防电磁波屏蔽 围裙的使用围裙的使用 电磁兼容实验室及新产品的电磁兼容试验电磁兼容实验室及新产品的电磁兼容试验 电磁兼容实验室及角锥形吸波材料电磁兼容实验室及角锥形吸波材料 导电导电pvc地板地板 用于防静电及用于防静电及 底部底部屏蔽屏蔽 干扰信号无法穿透干扰信号无法穿透 钢板屏蔽室钢板屏蔽室 屏蔽室