测试装置基本特性

1、第第1 1节节 概述概述第第2 2节节 测试装置的静态特性测试装置的静态特性第第3 3节节 测试装置的动态特性测试装置的动态特性第第4 4节节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 习题习题2022-3-26本章重点：本章重点：1 1、测试装置的动态特性及典型、测试装置的动态特性及典型 的一、二阶系统特性。的一、二阶系统特性。2 2、测试装置实现不失真测试的条件。、测试装置实现不失真测试的条件。2022-3-26引言：引言：测试是具有试验性质的测量测试是具有试验性质的测量 从客观事物取得相关信息的过程在此过程中，借助专从客观事物取得相关信息的过程在此过程中，借助专门设备门设备测试装置测试装

2、置( (系统系统) )，设计相应的实验，设计相应的实验, ,采用合适的方采用合适的方法和必要的数学处理方法求得感兴趣的信息。法和必要的数学处理方法求得感兴趣的信息。 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。 测试的目的不同，测试系统复杂程度不同。测试的目的不同，测试系统复杂程度不同。 测试系统的性能直接影响测试的有效性。测试系统的性能直接影响测试的有效性。2022-3-26一、对测试装置的基本要求一、对测试装置的基本要求( (系统辨识系统辨识) )( (反求反求) )( (预测预测) )2022-3-26一、对测试装置的基本要求一、对

3、测试装置的基本要求1）. 要求测试装置具有单值，确定的输入输出关系2）. 要求测试装置是线性系统，即输入输出呈线性关系2. 对测试装置的基本要求2022-3-262022-3-26一、对测试装置的基本要求一、对测试装置的基本要求理想的测试装置1）.输出和输入成线性关系输出和输入成线性关系2）.系统为时不变线性系统系统为时不变线性系统实际的测试装置1）.只能在较小工作范围内和在一定误差允许范围内满只能在较小工作范围内和在一定误差允许范围内满足线性要求。足线性要求。2）.很多物理系统是时变的。在工程上，常可以以足够很多物理系统是时变的。在工程上，常可以以足够的精确度认为系统中的参数是时不变的常数。

4、的精确度认为系统中的参数是时不变的常数。2022-3-26一、测试系统模型的分类一、测试系统模型的分类线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统线性系统线性系统: :具有叠加性、比例性的系统具有叠加性、比例性的系统连续时间系统与离散时间系统连续时间系统与离散时间系统1）连续时间系统连续时间系统: :输入、输出均为连续函数输入、输出均为连续函数. . 用微分方程描述系统特征用微分方程描述系统特征2）.离散时间系统离散时间系统: :输入、输出均为离散函数输入、输出均为离散函数. . 用差分方程描述系统特征用差分方程描述系统特征. .时变系统与时不变系统时变系统与时不变系统由系统参数是否随时间而变化决

5、定由系统参数是否随时间而变化决定. .2022-3-26其中，线性时不变系统（线性定常系统）进行分析的理论其中，线性时不变系统（线性定常系统）进行分析的理论和方法最为基础、最成熟，同时其它系统通过某种假设后和方法最为基础、最成熟，同时其它系统通过某种假设后可近似作为线性定常系统来处理。一般的测试系统都可视可近似作为线性定常系统来处理。一般的测试系统都可视为线性定常系统，即可以用常微分方程描述的系统。为线性定常系统，即可以用常微分方程描述的系统。 一、测试系统模型的分类一、测试系统模型的分类2022-3-26二、线性系统及其主要性质二、线性系统及其主要性质线性系统线性系统实际的测试系统在一定程度

6、上和一定范围内可以看出是线实际的测试系统在一定程度上和一定范围内可以看出是线性系统，这时系统特性与输入输出之间的关系可以用常系性系统，这时系统特性与输入输出之间的关系可以用常系数线性微分方程来表示：数线性微分方程来表示： ( )(1)10()(1)10.nnnnmmmma ytayta y tb xtbxtb x t因为因为a an n , a , an-1n-1 , a , an-2n-2 , , b , , bm m , b , bm-1m-1 , b , b0 0 是固是固定不变的常数，所以有时也称时不变或线性定常系统定不变的常数，所以有时也称时不变或线性定常系统线性系统的输出频率必然等

7、于输入频率线性系统的输出频率必然等于输入频率2022-3-26二、线性系统及其主要性质二、线性系统及其主要性质线性系统的性质线性系统的性质1 1） 具有叠加性具有叠加性 11221212+x tytxtytx txtytyt若则所以复杂信号的输出实际上是由组成复杂信号的一系所以复杂信号的输出实际上是由组成复杂信号的一系列简单信号之和构成列简单信号之和构成2 2） 频率保持性频率保持性2022-3-26线性系统具有频率保持特性的含义是输入信号的频率成分线性系统具有频率保持特性的含义是输入信号的频率成分通过线性系统后仍保持原有的频率成分。如果输入是很好通过线性系统后仍保持原有的频率成分。如果输入是

8、很好的正弦函数，输出却包含其他频率成分，就可以断定其他的正弦函数，输出却包含其他频率成分，就可以断定其他频率成分绝不是输入引起的，它们或由外界干扰引起，或频率成分绝不是输入引起的，它们或由外界干扰引起，或由装置内部噪声引起，或输入太大使装置进入非线性区，由装置内部噪声引起，或输入太大使装置进入非线性区，或该装置中有明显的非线性环节。或该装置中有明显的非线性环节。二、线性系统及其主要性质二、线性系统及其主要性质频率112频率频率输入输出输入引起非输入引起2022-3-263 3） 比例性比例性二、线性系统及其主要性质二、线性系统及其主要性质 1111x tytkx tkyt若则常数倍输入所得的输

9、出等于原输入所得输出的常数倍常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍4 4） 微分性微分性系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即 若若 x(t) y(t) x(t) y(t) 则则 x(t) y(t) x(t) y(t) 2022-3-26二、线性系统及其主要性质二、线性系统及其主要性质5 5） 积分性积分性如系统的初始状态均为零，则系统对输入积分的响应如系统的初始状态均为零，则系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分，即：等同于对原输入响应的积分，即： 0000ttx t dty t dt2022-3-26理想线性定常系统 a0

10、y(t)=b0 x(t)实际的测试系统很难确保是理想的线性定常系统实际测试系统指标 1. 线性度 2. 灵敏度、分辨力 3. 回程误差 4. 零点漂移、灵敏度漂移2022-3-261 1）线性度线性度输入输出之间保持常值比例的关系测量范围ABYX校准曲线拟合曲线A: 标称输出范围B: 校准曲线与拟合曲线最大偏差于是线性误差：B/A*100%于是线性度：（A-B）/A*100%线性度2022-3-262.12.1）灵敏度）灵敏度用来定义测试装置对被测对象变化的反应能力S=x/ yp 对于理想的线性定常系统来说，该值为常数。p 对于实际系统来说，该值需要拟合直线后求的。p 量纲取决于输入输出的单位

11、灵敏度、分辨力2022-3-262.22.2）分辨力）分辨力是指指示装置有效地辨别紧密相邻量值的能力。即能是指指示装置有效地辨别紧密相邻量值的能力。即能引起响应量发生变化的最小激励变化量，用引起响应量发生变化的最小激励变化量，用x x。当被测量小于分辨力时，传感器对输入量的变化是无当被测量小于分辨力时，传感器对输入量的变化是无反应的反应的x x测试系统满量程输出值测试系统满量程输出值A A之比的百分率表示其分辨能之比的百分率表示其分辨能力，称为分辨率，用力，称为分辨率，用F F表示：表示： x/Ax/A* *100%100%2022-3-263. 3. 分辨率的大小应能保证在稳态测量时仪器的测

12、量值分辨率的大小应能保证在稳态测量时仪器的测量值波动很小，但分辨率过高会使信号波动过大，从而会波动很小，但分辨率过高会使信号波动过大，从而会对数据显示或校正系统提出过高的要求。对数据显示或校正系统提出过高的要求。 因此一个好的设计应使其分辨率与仪器的功用相匹配。因此一个好的设计应使其分辨率与仪器的功用相匹配。2022-3-26要注意要注意1. 1. 为了保证测试系统的测量准确度，工程上规定，测为了保证测试系统的测量准确度，工程上规定，测试系统的分辨率应小于允许误差的试系统的分辨率应小于允许误差的1/31/3，1/51/5或或1/101/10。2. 2. 可通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提高

13、分辨可通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提高分辨率。率。2022-3-26回程误差原因原因实际的测试系统，由于内部的弹性元件的弹性滞后、实际的测试系统，由于内部的弹性元件的弹性滞后、磁性元件的磁滞现象以及机械摩擦、材料受力变形、磁性元件的磁滞现象以及机械摩擦、材料受力变形、间隙等原因，使得相同的测试条件下，在输入量由小间隙等原因，使得相同的测试条件下，在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对应于同一输入量所增大和由大减小的测试过程中，对应于同一输入量所得到的输出量往往存在差值。得到的输出量往往存在差值。12122022-3-26定义定义 描述测试装置输出与输入方向性特性的参数，定义为描述测试

14、装置输出与输入方向性特性的参数，定义为在同一输入量沿着不同的方向得到的输出的最大的差在同一输入量沿着不同的方向得到的输出的最大的差值值2022-3-26零点漂移和灵敏度漂移原因原因环境温度、大气压力、相对湿度以及电源电压等都可能环境温度、大气压力、相对湿度以及电源电压等都可能对测量装置的输出造成影响。环境变化将或多或少地影对测量装置的输出造成影响。环境变化将或多或少地影响装置的某些静态特性参数。响装置的某些静态特性参数。标称范围最低点的点漂，称为标称范围最低点的点漂，称为零点漂移零点漂移灵敏度漂移是由于材料性质的变灵敏度漂移是由于材料性质的变化引起的输入与输出关系的变化化引起的输入与输出关系的

15、变化2022-3-26 在工程测试中，大量的被测信号都是随时间变化的动在工程测试中，大量的被测信号都是随时间变化的动态信号。对于测试系统，要求能迅速而准确地测出信态信号。对于测试系统，要求能迅速而准确地测出信号的大小并真实地再现信号的波形变化。号的大小并真实地再现信号的波形变化。 即要求测试系统在输入量改变时，其输出量也能即要求测试系统在输入量改变时，其输出量也能立即随之不失真地改变。立即随之不失真地改变。例例1：水银体温计：水银体温计 测试系统对输入的测试系统对输入的时间响应时间响应例例2：千分表测量振动物体振幅：千分表测量振动物体振幅 频率响应频率响应2022-3-26动态特性定义定义输入

16、信号为一随时间瞬时变化的信号时，输出与输入输入信号为一随时间瞬时变化的信号时，输出与输入之间的关系特性被定义为动态特性之间的关系特性被定义为动态特性主要内容主要内容p 时间响应时间响应p 频率响应频率响应影响因素影响因素p 输入量的变化速度和加速度输入量的变化速度和加速度p 测试系统的阻尼、质量的影响测试系统的阻尼、质量的影响2022-3-26数学描述数学描述测试系统被视为线性时不变系统，据其物理结构和相测试系统被视为线性时不变系统，据其物理结构和相关定律可建立起描述输入输出关系的线性微分方程，关定律可建立起描述输入输出关系的线性微分方程，但使用时有许多不便。因此，除微分方程形式的数学但使用时

17、有许多不便。因此，除微分方程形式的数学模型之外，常通过拉普拉斯变换、傅立叶变换等建立模型之外，常通过拉普拉斯变换、傅立叶变换等建立其相应的其相应的“传递函数传递函数”，“频率响应函数频率响应函数”，来简便，来简便地描述测试装置或系统的动态特性。地描述测试装置或系统的动态特性。h(t)H(s)H()S=j拉氏变换傅立叶变换拉氏反变换傅立叶反变换传递函数频响函数2022-3-26传递函数2022-3-26传递函数2022-3-26其中其中p 初始条件为零初始条件为零p S= S=+j+j上式的系数都是由系统本身固有属性决定的。上式的系数都是由系统本身固有属性决定的。由上式，传递函数是用复数形式来表

18、示测试系由上式，传递函数是用复数形式来表示测试系统的动态特性。统的动态特性。一般测量装置总是稳定的系统，其分母的阶次总是高一般测量装置总是稳定的系统，其分母的阶次总是高于分子的阶次，即于分子的阶次，即nmnm2022-3-26传递函数的特性pH(s)H(s)与输入与输入x(t)x(t)及系统的初始状态无关，它只表达及系统的初始状态无关，它只表达了系统的传输特性。了系统的传输特性。pH(s)H(s)只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理结只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理结构。即只要动态特性相似，无论是电路系统、机械系构。即只要动态特性相似，无论是电路系统、机械系统都可用同类型的传递函数描述

19、其动态特性。统都可用同类型的传递函数描述其动态特性。p传递函数以测量装置本身的参数表示输入与输出之传递函数以测量装置本身的参数表示输入与输出之间的关系，所以它将包含着联系输入量与输出量所必间的关系，所以它将包含着联系输入量与输出量所必需的单位。需的单位。pH(s)H(s)中的分母取决于系统结构，分子是系统与外界之中的分母取决于系统结构，分子是系统与外界之间的联系。间的联系。2022-3-26频率响应函数(频率域描述)频率响应函数是在频率域中描述和考察系统特性的。频率响应函数是在频率域中描述和考察系统特性的。 实际工程应用中，某些系统难以建立相应的微分方实际工程应用中，某些系统难以建立相应的微分

20、方程和传递函数，传递函数本身的物理解释也不明确。程和传递函数，传递函数本身的物理解释也不明确。与传递函数相比，频率响应函数的物理概念明确，容与传递函数相比，频率响应函数的物理概念明确，容易通过实验来建立；由频率响应函数和传递函数的关易通过实验来建立；由频率响应函数和传递函数的关系，可方便地得到传递函数。因此频率响应函数成为系，可方便地得到传递函数。因此频率响应函数成为实验研究测试系统的重要工具。实验研究测试系统的重要工具。由频率保持性，简谐输入得到简谐输出，频率相同而幅由频率保持性，简谐输入得到简谐输出，频率相同而幅值不同，其幅值比值不同，其幅值比A AY Y0 0/X/X0 0是频率是频率的

21、函数记为的函数记为A(A() )，定义为幅频特性；相位差也是定义为幅频特性；相位差也是的函数的函数, ,记为记为 （），），（）定义为相频特性）定义为相频特性, ,统称系统的频率特统称系统的频率特性。性。2022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-26脉冲响应函数若输入为单位脉冲，即若输入为单位脉冲，即 x(t)=x(t)=(t), (t), 则则 X(s)=L(t)=1X(s)=L(t)=1。装置的相应输出是装置的相应输出是 Y(s)=H(s)

22、X(s)=H(s),Y(s)=H(s)X(s)=H(s),其时域描述可通过对其时域描述可通过对Y(s)Y(s)的拉普拉斯反变换得到：的拉普拉斯反变换得到：Y(t)=LY(t)=L-1-1(H(H(s s)=h()=h(t t) )h(t)h(t)常称为系统的脉冲响应函数或权函数。常称为系统的脉冲响应函数或权函数。系统特性的描述：时域系统特性的描述：时域 脉冲响应函数脉冲响应函数h(t)h(t)； 频域频域 频率响应函数频率响应函数H()H() 复数域复数域 传递函数传递函数H(s)H(s)2022-3-26相互关系系统特性的描述：时域系统特性的描述：时域 脉冲响应函数脉冲响应函数h(t)h(t

23、)； 频域频域 频率响应函数频率响应函数H()H() 复数域复数域 传递函数传递函数H(s)H(s)h(t)H(s)H()S=j拉氏变换傅立叶变换拉氏反变换傅立叶反变换相互关联相互关联相互推导相互推导2022-3-26实例某系统的传递函数为：某系统的传递函数为：H(s)=1/H(s)=1/（2s+12s+1）, ,输入信号为输入信号为x(t)=sin(t/2+45x(t)=sin(t/2+45o o),),求信号的稳态响应求信号的稳态响应 由系统传递函数可得 H(jw)=1/H(jw)=1/（2jw+12jw+1）, , 则系统的幅频特性和相频特性分别为：2( )1( )( )1(2 )YAX

24、( )( )()argtan(2 )YX 输入信号的频率为输入信号的频率为1/21/2， 则输出频率同样为则输出频率同样为1/21/22022-3-26 ( )1X0()45X2( )( )( )2YXA00( )()( )45arg10YXtg 21( )sin22y tt则可得输出信号为：又2022-3-26系统的串并联H1(s)H2(s)X(s)Z(s)Y(s)H(s)于是系统的传递函数为：于是系统的传递函数为：2022-3-26系统的串并联H1(s)H2(s)X(s)Y1(s)Y(s)H(s)Y2(s)2022-3-26典型系统的动态特性2022-3-26一阶系统2022-3-2620

25、22-3-262022-3-26二阶系统2022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-262022-3-26第第2 2章章 第第5 5节节 负载效应负载效应负载测量装置是由传感器、测量电路、前置放大、信号条理、数据存储或显示等环节组成。当传感器安装到被测物体上或进入被测介质，要从物体与介质中吸收能量或产生干扰，使被测物理量偏离原有的量值，从而不可能实现理想的测量，这种现象称为负载效应。造成后果造成后果第第2 2章章 第第5 5节节 负载效应负载效应1、前装置的联接处甚至整个装置的状态和输出都将发生变化

26、；2、两个装置共同形成一个新的整体，但其传递函数已不满足各环节串并联的规律。怎么减小影响怎么减小影响对于电压输出的环节，减轻负载效应的办法有： 1、提高后续环节（负载）的输入阻抗。 2、在原来两个相联接的环节之中，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，使后面环节几乎不能从前环节吸收能量电阻抗的概念推广到广义阻抗2022-3-26p干扰源：产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信号线等都可以产生空中电磁信号p传播途径：传播途径

27、是指干扰信号的传播路径。传播途径是指干扰信号的传播路径。p接收载体：接收载体是指受影响的设备的某个环节，接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的该环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数电器参数2022-3-26第第2 2章章 第第6 6节节 测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰干扰定义定义测量系统中的无用信号称为干扰。测量系统中的无用信号称为干扰。干扰的三要素干扰的三要素2022-3-26干扰的种类干扰的种类第第2 2章章 第第6 6节节 测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰外部干扰外部干扰内部干扰内部干扰干扰源位置干扰源位置漏电干扰漏电干扰磁场

28、干扰磁场干扰干扰耦合模式干扰耦合模式共阻抗干扰共阻抗干扰电磁辐射干扰电磁辐射干扰静电干扰静电干扰干扰的抑制干扰的抑制第第2 2章章 第第6 6节节 测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰 屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，需屏蔽的干扰场的性质不同，1. 1. 干扰的屏蔽干扰的屏蔽2. 2. 干扰的隔离干扰的隔离1 1，光电隔离：光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端，光电隔离：光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。2 2，变压器隔离：对于交流信号的传输，变压器隔离：对于交流信号的传输, ,一般使用变压一般使用变压器隔离干扰信号的办法。器隔离干扰信号的办法。3 3，继电器隔离：继电器线圈和触点仅有机械上的联系，继电器隔离：继电器线圈和触点仅有机械上的联系2022-3-262022-3-262. 2. 滤波滤波 第第2