工程测试技术基础-2测量装置基本特性.ppt

河南科技大学机电学院 第二章 测量装置的基本特性 本章学习要求： 1. 建立测量装置(系统)的概念； 2. 掌握测量装置特性对测量结果的影响； 3.了解测量装置特性参数的测量方法。 工程测试技术基础 河南科技大学机电学院 第二章 测量装置的基本特性 测量装置是为了完成测量任务所必需的传感 器、仪器和设备的总称。 第一节 测量装置概述 简单测量装置(光电池、温度计) V 河南科技大学机电学院 复杂测量装置(轴承缺陷检测) 加速度计 带通滤波器 包络检波器 第一节 测量装置概述 河南科技大学机电学院 一. 测量装置的基本要求 理想的测量装置应该具有单值的、确定的输入 输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输 出量与之对应，知道其中一个量就可以确定另一个 量，并且以输出和输入成线性关系最佳。 x y 线性 x y 线性 x y 非线性 第一节 测量装置概述 河南科技大学机电学院 二. 测量装置的静态标定 静态标定的目的：确定x与y之间的关系，从而确定线 性度、灵敏度、滞后量、重复性等静态性能指标。 静态标定是在规定条件下，利用一定准确度等 级的标准设备(比被标定设备高一个等级)，产生已知 标准的静态量(如标准压力、应变、位移等)作为测量 装置的输入量，用实验方法进行多次重复测量，从 而得到输出量的过程。 第一节 测量装置概述 河南科技大学机电学院 2. 静态标定的过程 （1）根据静态标定的条件，将传感器、标定设备以及测量仪 器连接好； （2）在测量装置超载20%的全量程范围内分成若干等份(6等 份以上)，保持一定时间均匀地进行逐级加载和卸载， 并逐点记录静态标定数据； （3）将静态标定数据用表格列出或绘出标定曲线，然后进行 分析处理，从而确定测量装置的静态性能指标。 无加速度、无振动、无冲击(除非这些量本身就是被测量) ，环境温度一般为室温(205)，相对湿度不大于85，大气 压力为为0.1MPa。 1静态标定的条件 第一节 测量装置概述 河南科技大学机电学院 线性测量装置的输入x(t)和输出y(t)之间的关系 可以用常系数线性微分方程来描述： 三. 线性测量装置及其主要性质(时域描述) 一般在工程中使用的测量装置都是线性的。 第一节 测量装置概述 河南科技大学机电学院 线性测量装置的性质： 1. 叠加性 测量装置对各输入之和的输出，等于各输入单 独作用时对应输出的之和，即 若 x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 则 x1(t) x2(t) y1(t) y2(t) 2. 比例性 常数倍输入所得的输出，等于原输入所得输出 的常数倍，即 c x(t) c y(t) (c为常数） 第一节 测量装置概述 河南科技大学机电学院 3. 微分性 测量装置对输入信号的微分，等于原输入所得输 出信号的微分，即 x(t) y(t) 4. 积分性 当初始条件为零时，测量装置对输入信号的积 分，等于原输入所得输出信号的积分，即 x(t) dt y(t) dt 第一节 测量装置概述 河南科技大学机电学院 5. 频率保持性 若测量装置的输入为某一频率的谐波信号，则 测量装置的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即 若 x(t) = x0 cos(t +x ) 则 y(t) = y0 cos(t +y ) 线性测量装置的这些性质，特别是叠加性和频 率保持性，在工程测试工作中具有重要作用。 第一节 测量装置概述 河南科技大学机电学院 第二节 测量装置(系统)的静态特性 第二章 测量装置的基本特性 研究静态特性的目的: (1)确定信号的大小； (2)确定误差的大小。 河南科技大学机电学院 一. 线性度(线性误差) 静态标定曲线与拟合(理想)直线的偏离程度。 第二节 测量装置的静态特性 x y 河南科技大学机电学院 拟合直线可通过多次测量得到的数据来求取， 包括端点连线法、平均法和最小二乘法。 设拟合直线为： （1）平均法：把实验数据按输入量由小到大依次排 列，分成个数近似相等的两组，代入下式 或 第二节 测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院 （2）最小二乘法：拟合精度最高 注意：将 代入 得 由此可见，最小二乘法的拟合直线通过( , ) 点。 第二节 测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院 二. 灵敏度 输出变化量与输入变化量之比，对于线性测量 装置常用拟合直线的斜率来表示，即 y x x y 第二节 测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院 三. 回程误差(迟滞或滞后量) 在输入量由小增大和由大减小的测量过程中 ，对于同一个输入量所得到的两个不同输出量之 间的最大差值，即 y x Hmax Ymax 第二节 测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院 四. 重复性(重复误差) 输入量按同一方向变化时，在全量程范围内 重复进行测量所得到各特性曲线的重复程度，即 x y Ymax 第二节 测量装置的静态特性 Rmax 河南科技大学机电学院 例：某力传感器的静态标定数据如下表，求： 灵敏度、线性度和滞后量。 x (kN)0246420 y (mV)03.87.9128.14.20.1 (mV)0.044.028.0011.988.004.020.04 解：用最小二乘法求拟合直线 第二节 测量装置的静态特性 (mV/kN) 河南科技大学机电学院 (mV/kN) 灵敏度: 线性度: 滞后量: 拟合直线求解的方法不同，计算结果是有差别 的，其中最小二乘法计算结果可靠性最高。 第二节 测量装置的静态特性 (mV) 河南科技大学机电学院 五. 静态特性的其他描述 灵敏阀：又称为死区，用来衡量测 量起始点不灵敏的程度。 分辨力：能引起输出量发生变化时 输入量的最小变化量，表明测量装 置分辨输入量微小变化的能力。 零点漂移：输出零点偏离原始零点的 距离。 第二节 测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院 测量范围(量程)：测量装置能正常 测量最小输入量和最大输入量之间 的范围。 可靠性：与测量装置无故障工作 时间长短有关的一种描述。 稳定性：在一定工作条件下，当 输入量不变时，输出量随时间变 化的程度。 第二节 测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院 案例：物料自动配重测量装置的静态特性 第二节 测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院 第三节 测量装置(系统)的动态特性 研究动态特性的目的: (1)波形失真情况； (2)响应快慢。 第二章 测量装置的基本特性 一. 动态特性的数学描述 河南科技大学机电学院 1. 传递函数(复频率域描述) H(s)特点：与输入、物理结构及系统的初始状态无 关 ，只反映系统的传输、转换和响应特性 。分母 取决于系统的结构，分子取决于输入方式等。 第三节 测量装置的动态特性 拉氏变换(数学定义)： 河南科技大学机电学院 2. 频率响应函数(频率域描述) ( ) 第三节 测量装置的动态特性 频率响应函数的意义：直观地反映了测量装置对 不同频率简谐信号激励下的失真情况。 幅频特性 相频特性 河南科技大学机电学院 第三节 测量装置的动态特性 幅频特性 ：在不同频率的简谐信号激励下，稳态输出信 号与输入信号的幅值比。 相频特性 ：在不同频率的简谐信号激励下，稳态输出信 号与输入信号的相位差。 3. 脉冲响应函数(时域描述) 4. 环节的串联与并联 串联环节： 并联环节： 由于 所以 河南科技大学机电学院 1. 一阶系统(装置) 二. 典型系统(装置)的动态特性 特征 滞后 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 一阶系统频率响应 时间常数； 静态灵敏度。 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 例：用 的一阶系统，去测量复合周期信号 ，求测量结果 故时间常数 越小失真越小。 理想情况： 解：当 时， ， 当 时， ， 由于时间常数 太大，测量结果与被测对象相 差较大(误差大)，且频率越高误差越大。 第三节 测量装置的动态特性 若 ，则 河南科技大学机电学院 一阶系统阶跃响应 一阶系统脉冲响应 时间常数越小，响应越快。 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 称重(应变片) F 2. 二阶系统(装置) 加速度计 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 LRC振荡回路 固有角频率； 阻尼度(比)； 静态灵敏度。 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 动圈式仪表 测力弹簧 特征 振荡 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 理想情况： 阻尼度 ， 固有频率 越 高，失真越小 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 二阶系统幅频特性 二阶系统相频特性 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 例：用 ， 的二阶系统去测量 的正弦变化力时，求幅值误差和相位误差。 解： 由于阻尼度 ，固有频率 也较低，幅值 误差和相位误差都较大。 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 阻尼度 ，固有频率 越高，响应越快。 二阶系统脉冲响应 二阶系统阶跃响应二阶系统脉冲响应 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 阻尼度和固有频率的作用： 第三节 测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院 测量装置的输出y(t)与输入x(t)应满足下列关系： 第五节 实现不失真测量的条件 第二章 测量装置的基本特性 该装置的输 出波形与输入波 形精确地一致， 只是幅值放大了 A0倍，时间上延 迟了t0。这种情 况下，认为测量 装置具有不失真 测量的特性。 t x(t) y(t) 时域条件 河南科技大学机电学院 第五节 实现不失真测试的条件 拉氏变换： 将 代入上式，不失真测量系统条件为： 频域条件 常数 河南科技大学机电学院 实际情况下，输入信号频率不同，输出的幅值 和相位都不同，因此会产生幅值和相位失真，且频 率越高失真越大。 第五节 实现不失真测试的条件 河南科技大学机电学院 对一阶测量装置，时间常数 越小越好。失真 小，响应快，满足不失真测量条件的频带宽。 当 时，幅值误差 。 对二阶测量装置，阻尼度 、固有频 率 越高越好。幅频特性 接近于常数，相频 特性 也近似于线性关系。失真小、响应快、满 足不失真条件的频带宽。 第五节 实现不失真测试的条件 当 ， 时， 。 常数 河南科技大学机电学院 一. 频率响应法(正弦波激励法) 第六节 测量装置动态特性参数的测量 第二章 测量装置的基本特性 根据频率保持性，用正弦信号 去激励测量装置，保持正弦信号的幅值 不变，依 次改变其频率 ，同时测出激励和稳态输出的幅值 和相位 ，从而得到幅值比 和相位差 。 河南科技大学机电学院 由各频率对应的幅值比和相位差，绘制幅频特 性和相频特性曲线，然后求取动态特性参数。 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 1. 用频率响应法测量时间常数 由幅频特性和相频特性可知： 当幅频特性 ， 相频特性 时， 对应的横坐标 ， 由此查出该点对应输入 信号的频率，即可得到 时间常数 。 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 0.707 2. 用频率响应法测量 和 共振法 第六节 动态特性参数测量 当 很小时： 河南科技大学机电学院 案例：音响系统性能评定 改进：脉冲/白 噪声输入，测量 其输出，然后再 求输出的频谱。 飞机模态分析 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 二. 阶跃响应法 若测量装置的输入为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)， 则X(s)=1/s，此时Y(s)=H(s)/s H(s) 阻尼度、固有频率 优点：直观 缺点：简单装置识别 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 1. 用阶跃响应法测量 0.632 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 若将阶跃响应函数表达式改写为 ： 两边取对数得： 则 这种方法运用了全部测量数据，即考虑了阶跃 响应的全过程，且 Z 与 t 呈线性关系。若 Z 与 t 为 非线性，则不是一阶测量装置。 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 2用阶跃响应法测量 和 自振法 第六节 动态特性参数测量 Td M1 M2 河南科技大学机电学院 例： 给某加速度传感器突然加载，得到的阶跃响应 曲线如下图所示，求该传感器的阻尼度和固有频率。 解： 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 原理：在桥中悬挂重物，然后突然剪断绳索，产生 阶跃激励，通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥 梁固有频率。 案例：桥梁固有频率测量 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 实验：悬臂梁固有频率测量 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 三. 脉冲响应法 H(s) 固有频率、阻尼度 若测量装置的输人为单位脉冲 ，由于 的 拉氏变换为1，则 Y(s)=H(s) 或 y(t)=L-1H(s)=h(t) 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 案例：镗杆固有频率测量 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 案例：桥梁固频测量 原理：在桥中设置三角形障碍物，利用汽车路过 障碍物时的冲击对桥梁进行激励，通过应变片测 量桥梁的动态变形，从而得到桥梁的固有频率。 第六节 动态特性参数测量 河南科技大学机电学院 在实际测量工作中，当测量装置联接到被测对 象上或各测量环节互相联接时，必然对测量结果产 生影响，即产生负载效应。传递函数也不再是各组 成环节的简单叠加或乘积关系。 第七节 负载效应 第二章 测量装置的基本特性 E R1 R2V=ER2/(R2+R1 )V Rm 河南科技大学机电学院 第七节 负载效应 当没接电压表时： 当接上电压表后： 误差为： 当 时， 。取 。 河南科技大学机电学院 案例：物料配重自动测量系统 第七节 负载效应 河南科技大学机电学院 1用一阶装置测量时引起的负载效应 两者没联接时： 两者联接后： 第七节 负载效应 河南科技大学机电学院 为了使测量结果能尽量准确地反映被测对象的 动态特性，应使 。 故： ，C2也尽量小。 第七节 负载效应 减小负载效应的措施： （1）提高后续环节(负载)的输入阻抗； （2）在两个测量环节之间，插入高输入阻抗、 低输出阻抗的放大器； （3）使用反馈或零点测量原理。 河南科技大学机电学院 2用二阶装置测量时引起的负载效应 测力计 被测对象 （1）静态情况： 第七节 负载效应 河南科技大学机电学院 接上测力计后： 没接测力计时： （2）动态情况 为了使测量结果能尽量准确地反映被测对象的动 态特性，应使 。 故： ， ， 。 第七节 负载效应 河南科技大学机电学院 第八节 测量装置的抗干扰技术 第二章 测量装置的基本特性 在测量结果中，除了有用的被测信号外，还混 叠有无用的干扰信号，这些干扰信号严重歪曲测量 结果。 一. 测量装置的干扰源 河南科技大学机电学院 二抗电磁干扰技术 抗电磁干扰技术又称为“电磁兼容技术”。电 磁兼容(EMC)是指装置或系统在其设备的预定场 所投入实际运行时，既不受周围电磁环境的影响 ，又不影响周围的环境，也不发生性能恶化和失 误工作，而能按设计要求正常工作的能力 。 干扰以电磁波辐射方式窜入测量装置。形成电 磁干扰的三要素：向外发送干扰的源 噪声源； 传播电磁干扰的途径噪声的耦合和辐射；承受 电磁干扰的受体受扰设备。 第八节 测量装置的抗干扰技术 河南科技大学机电学院 1信噪比 通道中有用信号成分与噪声信号成分之比称为 信噪比。设有用信号功率为PS，有用信号电压为US， 噪声功率为PN，噪声电压为UN，则有 常见噪声源：各种放电现象的放电噪声源、电 气设备噪声源和固有噪声源。如：自然界雷电、有 触点电器、放电管、工业用高频设备、电力输电线 、机动车、大功率发射装置、超声波设备等。 第八节 测量装置的抗干扰技术 河南科技大学机电学院 2抗电磁干扰的措施 （1）直接抑制，减弱或消除电磁干扰的噪声源； （2）切断或消弱电磁干扰到受扰设备的耦合通道； （3）加强受扰设备抗电磁干扰的能力。 电磁屏蔽就是利用高电导率和高磁导率的材料 制成封闭的低阻抗容器，将受扰电路置于该容器中， 从而抑制该容器外的干扰与噪声对容器内电路的影 响。或将产生干扰与噪声的电路置于该容器之中， 从而减弱或消除其对外部电路的影响。 3. 电磁屏蔽技术 第八节 测量装置的抗干扰技术 河南科技大学机电学院 屏蔽的结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏 蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。 屏 蔽 与 接 地 相 结 合 第八节 测量装置的抗干扰技术 河南科技大学机电学院 三. 电源干扰抑制技术 电网干扰的抑制采用交流电源滤波器。L1、L2 为共模扼流圈，抑制低频共模干扰；电容C1抑制差 模干扰；电容C2、C3抑制高频共模和差模干扰。 1. 电网干扰抑制技术 电源 输入 电源 输出 第八节 测量装置的抗干扰技术 河南科技大学机电学院 C1、C3、C5、C7为电解电容，用来滤除低频干扰； C2、C4、C6、C8为陶瓷电容，用来滤除高频干扰。 2. 直流电源干扰抑制技术 电源 输入 直流电源干扰的抑制可采用直流电源滤