第一章-3-5测量装置的特性

1、1山东大学模具工程技术研究中心测量装置：测量装置： 把被测参量把被测参量F(t)F(t)经过一系列的转换和放大，最后经过一系列的转换和放大，最后用记录器记录或数据处理仪处理。用记录器记录或数据处理仪处理。可能是复杂的测试装置，也可能是组成环节可能是复杂的测试装置，也可能是组成环节 复杂测试系统：复杂测试系统：(轴承缺陷检测轴承缺陷检测)简单测试系统简单测试系统V2山东大学模具工程技术研究中心1 1、系统的概念：系统的概念：从最初输入信号到最终输出信号的各个环节，从最初输入信号到最终输出信号的各个环节，是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。 输入输入

2、)(tF)(t输出输出（1）已知测量系统的输入量和输出量）已知测量系统的输入量和输出量,推断测量系统的转换特性推断测量系统的转换特性（2）已知测量系统的转换特性）已知测量系统的转换特性, 输出量可测输出量可测, 推断输入量推断输入量（3）已知测量系统的转换特性和输入量）已知测量系统的转换特性和输入量, 推断输出量推断输出量3山东大学模具工程技术研究中心测试系统的功能：测试系统的功能：测试就是从被测信号中获取所需的特征信息，对测试就是从被测信号中获取所需的特征信息，对干扰信号进行削弱或去除，对有用信号进行放干扰信号进行削弱或去除，对有用信号进行放大和分析。因此测试系统将被测对象置于预定大和分析。

3、因此测试系统将被测对象置于预定状态下，并对被测对象所输出的特征信息进行状态下，并对被测对象所输出的特征信息进行拾取、转换、放大、分析处理、显示记录等。拾取、转换、放大、分析处理、显示记录等。4山东大学模具工程技术研究中心1、传感器的作用、传感器的作用非电量转换成电量非电量转换成电量2、测量系统的作用、测量系统的作用把传感器的输出量转换成便于显示和记录的电压或电流信把传感器的输出量转换成便于显示和记录的电压或电流信号号3、信息处理系统的作用、信息处理系统的作用对信号进行放大、补偿、数学运算、模数转换等对信号进行放大、补偿、数学运算、模数转换等4、显示与记录系统的作用、显示与记录系统的作用用于模拟

4、量的显示和记录用于模拟量的显示和记录5山东大学模具工程技术研究中心测量系统应保证系统的信号输出能精确地反映输入。测量系统应保证系统的信号输出能精确地反映输入。对于一个理想的测量系统应具有确定的输入与输出关系。对于一个理想的测量系统应具有确定的输入与输出关系。其中输出与输入成线性关系时为最佳。其中输出与输入成线性关系时为最佳。理想的测量系统应当是一个线性时不变系统（线性定常系统）。理想的测量系统应当是一个线性时不变系统（线性定常系统）。测量装置基本要求：测量装置基本要求：F线性线性F线性线性F非线性非线性实际测量系统实际测量系统6山东大学模具工程技术研究中心)()()()( )()()()(01

5、111 01111 tFbdttdFbdttFdbdttFdbtadttdadttdadttdammmmmmnnnnnn 系数，系数，取决于装置的物理取决于装置的物理性质，与系统结构性质，与系统结构参数有关的常数参数有关的常数若最高阶导数是一阶，为一阶系统；若最高阶导数是二阶，为二若最高阶导数是一阶，为一阶系统；若最高阶导数是二阶，为二阶系统；其余依此类推。阶系统；其余依此类推。对于：对于：其输入与关系可用微分方程表述：其输入与关系可用微分方程表述：nm输出量)(t输入量)(tF7山东大学模具工程技术研究中心 )()(ttF)()()()(F )()()()(21212211tttFtttFt

6、tF则)sin()()sin()(tBttAtF)()(tktKF不发生失真：输入量和输出不发生失真：输入量和输出量能相似。量能相似。)()(0tKFtt8山东大学模具工程技术研究中心其系数与时间及其系数与时间及 无关，因此水银无关，因此水银温度计为线性定常系统，且为一阶系统。温度计为线性定常系统，且为一阶系统。)( )(tF(t)t9山东大学模具工程技术研究中心指输入量为静态时，输出量与输入量之间的关系。测量装置的指输入量为静态时，输出量与输入量之间的关系。测量装置的静态特性可用静态特性可用精度、重复性、滞差、灵敏度、非线性度精度、重复性、滞差、灵敏度、非线性度等来表等来表征。征。理想的情况

7、是测量系统的响应和激励之间有线性关系，这时理想的情况是测量系统的响应和激励之间有线性关系，这时数据处理最简单。数据处理最简单。 由于由于原理、材料、制作原理、材料、制作上的种种客观原因，测量系统的静态上的种种客观原因，测量系统的静态特性不可能是严格线性的。如果在测量系统的特性方程中，非特性不可能是严格线性的。如果在测量系统的特性方程中，非线性项的影响不大，实际静态特性接近直线关系，则常用一条线性项的影响不大，实际静态特性接近直线关系，则常用一条参考直线来代替实际的静态特性曲线，近似地表示响应激励参考直线来代替实际的静态特性曲线，近似地表示响应激励关系。关系。10山东大学模具工程技术研究中心测试

8、系统的测量精度是指测试系统的实际测量结果与被测试系统的测量精度是指测试系统的实际测量结果与被测参量真值之间的吻合程度，常用的表征误差的方法有测参量真值之间的吻合程度，常用的表征误差的方法有绝对误差、相对误差和引用误差等。绝对误差、相对误差和引用误差等。引用误差是引用误差是仪表中常用的误差表示方法，它是相对于仪表满量程的仪表中常用的误差表示方法，它是相对于仪表满量程的一种误差，即测量的绝对误差与仪表的满量程值之比，常以百分一种误差，即测量的绝对误差与仪表的满量程值之比，常以百分数表示。数表示。重复性是指在相同的测量条件下，对同一被测量连续多重复性是指在相同的测量条件下，对同一被测量连续多次进行测

9、量时，其测试结果间的不一致程度。次进行测量时，其测试结果间的不一致程度。 11山东大学模具工程技术研究中心工作曲线上各点的斜率定义为各点的灵敏度工作曲线上各点的斜率定义为各点的灵敏度若工作曲线是线性的若工作曲线是线性的, ,则各点的灵敏度相同则各点的灵敏度相同, ,否则不同。否则不同。dFdFKFilim0FFF00(a)(b)FF12山东大学模具工程技术研究中心测量装置总的灵敏度等于各个环节灵敏度的连乘积。测量装置总的灵敏度等于各个环节灵敏度的连乘积。转换器测量电路放大器记录仪机械转换器MKUKYKaKSKMSUYUFKKKKKKYUSM13山东大学模具工程技术研究中心静态特性特性曲线偏离理

10、论直线的程度。静态特性特性曲线偏离理论直线的程度。 测量系统为线性系统，输入量为静态量时，输入输出方程中的各阶导数测量系统为线性系统，输入量为静态量时，输入输出方程中的各阶导数为零，方程变为为零，方程变为: :Fab00%100maxmax由于由于b b0 0、a a0 0并不是严格的常数。定义并不是严格的常数。定义非线性度非线性度：实际静态特性曲线实际静态特性曲线理想直线理想直线在满量程范围内，实际在满量程范围内，实际静态特性曲线与理想静态特性曲线与理想直线的最大差值与其直线的最大差值与其满量程输出量之比。满量程输出量之比。14山东大学模具工程技术研究中心F0实际工作曲线实际工作曲线参考工作

11、曲线参考工作曲线FFSLmax 显然显然 越小，系统的线性程度越好，实际工作中经常越小，系统的线性程度越好，实际工作中经常会遇到非线性较为严重的系统，此时，可以采取限制测量范会遇到非线性较为严重的系统，此时，可以采取限制测量范围、采用非线性拟合或非线性放大器等技术措施来提高系统围、采用非线性拟合或非线性放大器等技术措施来提高系统的线性度。的线性度。15山东大学模具工程技术研究中心 滞差滞差在全量程范围内，当输入由大变小，再由小变大时，对同一输入量得到的在全量程范围内，当输入由大变小，再由小变大时，对同一输入量得到的两个由输出值之间的最大差值为滞差。滞差是由滞后性引起的，滞后性两个由输出值之间的

12、最大差值为滞差。滞差是由滞后性引起的，滞后性指输入递减的静态特性曲线和输入递增的静态特性曲线不重合的程度指输入递减的静态特性曲线和输入递增的静态特性曲线不重合的程度。%100maxH输入递减静态特性曲线输入递减静态特性曲线输入递增静态特性曲线输入递增静态特性曲线 最大差值与满量程之比来最大差值与满量程之比来表示测量系统的滞后性。表示测量系统的滞后性。16山东大学模具工程技术研究中心 分辨率是指测量系统能测量到输入量最小变化的能力，即能引起分辨率是指测量系统能测量到输入量最小变化的能力，即能引起响应量发生变化的最小激励变化量，用响应量发生变化的最小激励变化量，用x x表示。由于测量系统或仪表示。

13、由于测量系统或仪器在全量程范围内，各测量区间的器在全量程范围内，各测量区间的x x不完全相同，因此常用全量程不完全相同，因此常用全量程范围内最大的范围内最大的x x即即xmaxxmax与测量系统满量程输出值与测量系统满量程输出值Y YFSFS之比的百分率之比的百分率表示其分辨能力，称为分辨率，用表示其分辨能力，称为分辨率，用F F表示，即表示，即为了保证测量系统的测量准确度，工程上规定：测为了保证测量系统的测量准确度，工程上规定：测量系统的分辨率应小于允许误差的量系统的分辨率应小于允许误差的1/3,1/51/3,1/5或或1/101/10。可以。可以通过提高仪器的敏感单元的增益的方法来提高分辨

14、率。通过提高仪器的敏感单元的增益的方法来提高分辨率。 测量仪器必须有足够高的分辨率测量仪器必须有足够高的分辨率 。FSmaxYxF17山东大学模具工程技术研究中心18山东大学模具工程技术研究中心 测量系统的动态特性是指输入量为动态量时，输出量与输入量的关系。测量系统的动态特性是指输入量为动态量时，输出量与输入量的关系。在时域内动态信号千差万别，在频域内全由正弦信号组成，所以只要研究输在时域内动态信号千差万别，在频域内全由正弦信号组成，所以只要研究输入量为正弦信号时的输出量，就能了解系统的动态特性。入量为正弦信号时的输出量，就能了解系统的动态特性。)sin()(tAtF)(sin)()(tKt输

15、入信号：输入信号：输出信号：输出信号：)(K)(幅频特性幅频特性相频特性相频特性 幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性合成系统的合成系统的频率响应频率响应特性。特性。19山东大学模具工程技术研究中心 对系统输入不同频率的正弦输入信号，记录输出信号的幅值，求得输对系统输入不同频率的正弦输入信号，记录输出信号的幅值，求得输出信号与输入信号幅值的比值就可求得出信号与输入信号幅值的比值就可求得K()K()。记录输出信号对输入信号的相差角就可求得记录输出信号对输入信号的相差角就可求得()()。若系统的微分方程已知，也可以通过解微分方程的方法求得系统的动态若系统的微分方程已知，也可以通过解微分方程的方法求

16、得系统的动态特性。特性。20山东大学模具工程技术研究中心一般认为，测试系统在所考虑的测量范围内是线性系统，因此可以用线一般认为，测试系统在所考虑的测量范围内是线性系统，因此可以用线性时不变系统微分方程来描述测试系统输入和输出之间的关系。性时不变系统微分方程来描述测试系统输入和输出之间的关系。介绍传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数介绍传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数是在不同时域描述线性是在不同时域描述线性系统传输特性的方法。系统传输特性的方法。1、传递函数、传递函数传递函数定义为在初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换与输入量的传递函数定义为在初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉

17、氏变换之比。拉氏变换之比。对常系数线性微分方程的拉氏变换对常系数线性微分方程的拉氏变换2、频率响应函数、频率响应函数频率响应函数是在正弦信号激励下，系统达到稳态后，输出的傅氏变换频率响应函数是在正弦信号激励下，系统达到稳态后，输出的傅氏变换与输入的傅氏变换之比。傅氏变换后的幅频特性和相频特性共同构成与输入的傅氏变换之比。傅氏变换后的幅频特性和相频特性共同构成函数的动态特性。函数的动态特性。21山东大学模具工程技术研究中心22山东大学模具工程技术研究中心23山东大学模具工程技术研究中心由于电测装量的工作曲线由于电测装量的工作曲线( (即幅值特性曲线即幅值特性曲线) )的非线性所引起的。的非线性所

18、引起的。非线性失真、幅频失真、相频失真非线性失真、幅频失真、相频失真 非线性失真的实非线性失真的实质就是质就是由于工作由于工作曲线的非线性，曲线的非线性，而使输出波形中而使输出波形中产生了输入波形产生了输入波形中所没有的谐波中所没有的谐波成分成分。24山东大学模具工程技术研究中心非线性测量系统不能保证输入与输出信号频率成分的不变性，从非线性测量系统不能保证输入与输出信号频率成分的不变性，从而产生非线性失真；但线性测量系统却能保证频率成分的不变性而产生非线性失真；但线性测量系统却能保证频率成分的不变性，不产生非线性失真。，不产生非线性失真。 幅频失真是幅频失真是由于电测装置对于输入由于电测装置对

19、于输入F(t)F(t)所包含的谐波分量具有不同的幅所包含的谐波分量具有不同的幅值比或放大倍数所引起的值比或放大倍数所引起的。假如电测装置对假如电测装置对F(t)F(t)的各谐波分量的幅值比不同，即各分量在幅值上得的各谐波分量的幅值比不同，即各分量在幅值上得到不同的放大，那么就会引起输出到不同的放大，那么就会引起输出(t)(t)与输入与输入F(t)F(t)波形的不同，即产生波形的不同，即产生了失真，称幅频失真。了失真，称幅频失真。25山东大学模具工程技术研究中心非线性失真非线性失真要不产生幅频失真就要求电测装量的幅频特性曲线是水平直线。要不产生幅频失真就要求电测装量的幅频特性曲线是水平直线。 为了不产生幅频失真，就要求电测装量的幅频特性曲线要平直而宽，为了不产生幅频失真，就要求电测装量的幅频特性曲线要平直而宽，起码要使它的工作频带要与