测试装置的基本特性ppt课件

1、第三章第三章 测试安装的根本特性测试安装的根本特性 3.1 3.1 概述概述 一、对测试安装的根本要求通常的工程测试问题总是处置输入量x(t)、安装系统的传输特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系。即： l假设输入、输出是可以察看知的量，那么经过输入、输出就可以推断系统的传输特性。 2假设系统特性知，输出可测，那么经过该特性和输出可以推断导致该输出输的输入量。 3假设输入和系统特性知，那么可以推断和估计系统的输出量。理想的测试安装应该具有单值的、确定的输入一输出关系。系统是由假设干相互作用，相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体；系统的特性是指系统的输出和输入的关系。从狭义上讲，系统实

2、践上是可以完成一定功能变换的安装。丈量系统安装实践上是一个信息通道。理想的丈量系统应该准确地真实地反映和传送所需求的信号而将那些无关的虚伪的信号干扰遏止掉。信号与系统有着非常亲密的关系，为了真实地传输信号，系统必需具备一些必要的特性，通常用静态特性和动态特性来描画。 二、静态特性二、静态特性 静态特性反映的是当信号为定值或变化缓慢时，系静态特性反映的是当信号为定值或变化缓慢时，系统的输出与输入的关系。是经过某种意义的静态标定过程统的输出与输入的关系。是经过某种意义的静态标定过程确定的。静态标定过程是一个实验过程，这一过程是在只确定的。静态标定过程是一个实验过程，这一过程是在只改动丈量安装的一个

3、输入量，而其他一切的能够输入严厉改动丈量安装的一个输入量，而其他一切的能够输入严厉坚持为不变的情况下，丈量对应的输出量，由此得到丈量坚持为不变的情况下，丈量对应的输出量，由此得到丈量安装输入与输出间的关系。安装输入与输出间的关系。 三、规范和规范传送三、规范和规范传送 规范是用来定义输入和输出变量的仪器和技术统称。规范是用来定义输入和输出变量的仪器和技术统称。将一个变量的真值定义为精度最高的最终规范得到的丈量将一个变量的真值定义为精度最高的最终规范得到的丈量值。值。 实践上能够无法运用最终规范来丈量该变量，可以运用实践上能够无法运用最终规范来丈量该变量，可以运用中间的传送规范。中间的传送规范。

4、 三、动态特性三、动态特性 动态特性反映的是当被丈量即输入量随时间快速变化时，丈量输动态特性反映的是当被丈量即输入量随时间快速变化时，丈量输入与呼应输出之间的动态关系。丈量安装的动态特性可用微分方程的线入与呼应输出之间的动态关系。丈量安装的动态特性可用微分方程的线性变换来描画。性变换来描画。 丈量安装的微分方程丈量安装的微分方程11011101( )( ).( )( )( ).( )nnnnnnmmmmmmdy tdy taaa y tdtdtdx tdx tbbb x tdtdt110n110.()()().mmmmnnnbsbsbYsHsXsasasa传送函数传送函数 利用拉普拉斯变换可以

5、求频率呼应函数、脉冲呼应函数等。丈量安利用拉普拉斯变换可以求频率呼应函数、脉冲呼应函数等。丈量安装的动态特性由物理原理的实际分析和参数的实验估计得到，也可由系装的动态特性由物理原理的实际分析和参数的实验估计得到，也可由系统的实验方法得到。统的实验方法得到。 确定丈量安装动态特性的目的是了解其所能实现的不失真丈量的频确定丈量安装动态特性的目的是了解其所能实现的不失真丈量的频率范围。率范围。 四、丈量安装的负载特性四、丈量安装的负载特性 丈量安装或丈量系统是由传感器、丈量电路、前置丈量安装或丈量系统是由传感器、丈量电路、前置放大、信号调理、放大、信号调理、直到数据存储或显示等环节组成。当直到数据存

6、储或显示等环节组成。当传感器等被安装到被测物体上或进入被测介质，要从物体传感器等被安装到被测物体上或进入被测介质，要从物体上或介质中吸收能量或产生干扰，使被测物理量偏离原来上或介质中吸收能量或产生干扰，使被测物理量偏离原来的量值，从而不能够实现理想的丈量，这种景象称为负载的量值，从而不能够实现理想的丈量，这种景象称为负载效应。效应。 丈量安装的负载特性是其固有特性，在进展丈量或组丈量安装的负载特性是其固有特性，在进展丈量或组成丈量系统时，要思索这种特性并将其影响降到最小。成丈量系统时，要思索这种特性并将其影响降到最小。 五、丈量安装的抗干扰性五、丈量安装的抗干扰性 丈量安装在丈量过程中要遭到各

7、种干扰，包括电源丈量安装在丈量过程中要遭到各种干扰，包括电源干扰、环境干扰电磁场、声、光、温度、振动等干扰干扰、环境干扰电磁场、声、光、温度、振动等干扰和信道干扰。这些干扰的影响决议于丈量安装的抗干扰性和信道干扰。这些干扰的影响决议于丈量安装的抗干扰性能。能。测试安装的静态呼应特性测试安装的静态呼应特性静态丈量静态丈量: : 假设丈量时，测试安装的输入、输出信号不随时间假设丈量时，测试安装的输入、输出信号不随时间而变化，那么称为静态丈量。而变化，那么称为静态丈量。静态特性静态特性: : 在静态丈量情况下描画实践丈量安装与理想时不变在静态丈量情况下描画实践丈量安装与理想时不变线性系统的接近程度。

8、线性系统的接近程度。静态特性曲线静态特性曲线 静态特性反映的是当信号为定值或变化缓慢时，静态特性反映的是当信号为定值或变化缓慢时，系统的输出与输入的关系，它可以用一个相应的代数方程来描画。系统的输出与输入的关系，它可以用一个相应的代数方程来描画。 静态丈量中，丈量系统的输入和输出不随时间而变化，即定静态丈量中，丈量系统的输入和输出不随时间而变化，即定常线性系统微分方程的输入输出各阶导数均为零，方程式就变常线性系统微分方程的输入输出各阶导数均为零，方程式就变成：成： 也就是说，理想的定常线性系统，其输出将是输入的单调、也就是说，理想的定常线性系统，其输出将是输入的单调、线性比例函数，其中斜率线性

9、比例函数，其中斜率S S应是常数。应是常数。Sxxaby00静态特性曲线由厂家给定，在静态校准情况下由实测来确定输出输 入关系，称为静态校准到静态校准线。静态校准条件：指没有加速度，没有冲击，振动，环境温度为 205，相对适度不大于85，大气压力为0.10.08MPa的情况。理想定常线性系统静态丈量下的微分方程又称为静态传送方程或静态 方程。 然而，实践的丈量安装并非理想的定常线性系统，其微分方程式的系数并非常数。在静态丈量中，输入输出微分方程式实践上变成：.33221xSxSxSySxxaby00 在这一关系的根底上所确定的丈量系统的性能参数称为静态特性。表示这静态特性的参数主要有线性度、灵

10、敏度、回程误差等。线性度通常，为了简化输出输入关系，总是希望输入输出之间为线性，y=a1x，用不断线趋近特性曲线，这样就希望有一个参数来衡量特性曲线与参考直线的偏离程度，这一参数叫线性度或直线性。max100%iF S i：线性度max：特性曲线与参考直线的最大偏向F.S：满量程输出的平均值根据参考直线的定义方法，可将线性度分为： 实际线性度：参考直线由0点和满量程输出点确定 独立线性度：参考直线由最小二乘法确定。有时，系统的输出输入在部分范围内是直线，那么取此段做为标称输出范围。 2、灵敏度 灵敏度是用来描画丈量安装对被丈量变化的反响才干的。当安装的输入x有一个变化量x，它引起输出y发生相应

11、的变化量 y，那么定义灵敏度： xyS常数00abxyxyS显然，对于理想的定常线性系统，灵敏度该当是： 但是，普通的测试安装总不是理想定常线性系统，其校准曲线不是直线，曲线上各点的斜率即各点的灵敏度也不是常数。虽然如此，却总是用其拟合直线的斜率来作为该安装的灵敏度。 灵敏度是一个有量纲的量。其单位取决于输入、输出量的单位。当输入、输出两者单位一样，那么灵敏度实践上是一个无量纲的比例常数，这时也称之为“放大比或“放大倍数。灵敏度越高，系统反映输入微小变化的才干就越强。在电子丈量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及丈量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大丈量范围越小，反之那么越

12、大。 3、回程误差 回程误差也称为滞后或变差。它是描画测试安装的输出同输入变化方向有关的特性。把在全丈量范围内，最大的差值h称为回程误差或滞后误差，如图h=y20-y104、分辨力 某些测试安装运用了普通术语“分辨力。它是指指示安装有效地域分严密相邻量值的才干。普通以为数字安装的分辨力就是最后位数的一个字，模拟安装的分辨力为指示标尺分度值的一半。5、零点漂移和灵敏度漂移 丈量安装的丈量特性随时间的慢变化，称为漂移。在规定条件下，对一个恒定的输入在规定时间内的输出变化，称为点漂；标称范围最低值处的点漂，称为零点漂移，简称零漂。 灵敏度漂移是由于资料性质的变化所引起的输入与输出的关系。总误差是零点

13、漂移与灵敏度漂移之和。 2.3 丈量安装的动态特性 在实践测试任务中，大量的被测信号是动态信号，丈量系统对动态信号的丈量义务不仅需求准确的丈量信号幅值的大小，而且需求丈量和记录动态信号变化过程的波形，这就要求丈量系统能迅速准确地测出信号幅值的大小和无失真的再现被测信号随时间变化的波形。 动态特性指的是当输入信号随时间发生变化时，输出信号输入信号之间的关系。一个动态特性好的丈量系统，其输出随时间变化的规律能同时再现输入随时间变化的规律。但实践的丈量系统总是存在着诸如弹性、惯性和阻尼等元件，此时，输出信号将不会与输入信号具有完全一样的时间函数。也就是说，输出y不仅与输入x有关，还与输入量的变化速度

14、dx/dt、加速度d2x/dt2有关。对于线性定常系统，通常可用常系数微分方程来描画其输出输入关系：11011101( )( ).( )( )( ).( )nnnnnnmmmmmmdy tdy taaay td td tdx tdx tbbb x td td t 一、 动态特性的数学描画 1、传送函数 为分析方便，可采用拉氏变换的方法，引出传送函数。拉氏变换在某种意义上是广义的傅立叶变换。 傅立叶变换存在的困难：有些信号往往在t 0时是无意义的。有些信号不可积。 处理方法：用收敛因子e-at0)( )()(dtetfdteetfsFstjwtt)0()0()()()1(1nnnnnffssFs

15、dttydL)()(sFsdttydLnnn其中s为复变量，s= +j 设X(s)和Y(s)分别为输入x(t)、输出y(t)的拉普拉斯变换。对常系数线性微分方程取拉普拉斯交换得：)()()()(sGsXsHsYh01110111.)(asasasabsbsbsbsHnnnnmmmm)()()(sXsYsH111010( )( ) .( )( )( ) .( )nnmmnnmma s Y sasY sa Y sb s X sbsX sb X s Gh(s)是与输入和系统初始条件有关的；而H(s)却与系统初始条件及输入无关，只反映系统本身的特性。将H(s)称为系统的传送函数。假设初始条件全为零，那

16、么因Gh(s) 0，便有：11( ) ( )( )( )y tLY sLH s X s传送函数有以下几个特点： 1H(s)与输入 x(t)及系统的初始形状无关，它只表达了系统的传输特性。 H(s)所描画的系统对任一详细输入 x(t)都确定地给出相应的输出y(t) 。 2 H(s)是把物理系统的微分方程取拉普拉斯变换而求得的，它只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理构造。同一方式的传送函数可以表征具有一样传输特性的不同物理系统。例如液柱温度计和RC低通滤波器同是一阶系统，具有方式类似的传送函数，而其中一个是热学系统，另一个却是电学系统，两者的物理性质完全不同。 3对于实践的物理系统，输入 x(t

17、)和输出y(t)都具有各自的量纲。用传送函数描画系统传输、转换特性理应真实地反映量纲的这种变换关系。这关系正是经过系数an,an-1,a1,a0和bm,bm-1,b1,b0来反映的。 an 、 bm等系数的量纲将因详细物理系统和输入、输出的量纲而异。 4 H(s)中的分母取决于系统的构造。分母中最高幂次n代表系统微分方程的阶数。分子那么和系统同外界之间的关系，如输入鼓励点的位置、输入方式、被丈量以及测点布置情况有关。 普通测试安装总是稳定系统，其分母中s的幂次总是高于分子中s的幂次nm。 2、频率呼应函数 频率呼应函数是在频率域中描画和调查系统特性的。系统的频率呼应是指系统对正弦输入信号的稳态

18、呼应。(1) 幅频特性、相频特性和频率呼应函数 根据定常线性系统的频率坚持性，系统在简谐信号x(t)X0sin t的鼓励下，所产生的稳态输出也是简谐信号 y(t)Y0sin (t+) 。其幅值比A=Y0X0随频率而变，是的函数A()。相位差也是频率的函数() 。 定义稳态输出信号和输入信号的幅值比被为该系统的幅频特性，记为A() ；稳态输出对输入的相位差为该系统的相频特性，记为() 。两者统称为系统的频率特性。因此系统的频率特性是指系统在简谐信号鼓励下，其稳态输出对输入的幅值比、相位差随鼓励频率变化的特性。 现用A() 、 () 构成一个复数H() :)()()(jeAH 显然， H()表示了

19、系统的频率特性。通常也将H()称为系统的频率呼应函数，它是鼓励频率的函数。频率呼应函数反映一个系统对正弦鼓励的稳态呼应。 (2) 频率呼应函数的求法Imsin)(00jwteXwtXtx现实上假设Im)(sin)()(00wtjeYwtYty代入微分方程有Im)()()(Im)()()(0011)(001111jwtmmwtjnneXajwajwajwbeYajwajwajwammnn)()(.)()()(.)()01110111jwHajwajwajwabjwbjwbjwbXYnnnnmmmm（入出 在系统的传送函数H(s)知的情况下，只需令H(s)中sj 。便可求得频率呼应函数H():01

20、110111.)(asasasabsbsbsbsHnnnnmmmm01110111)(.)()()(.)()()(ajajajabjbjbjbHnnnnmmmm)()()(XYH 频率特性是传送函数的一个特殊情况，反过来说传送函数是频率特性的普通化。 需求特别指出，频率呼应函数是描画系统的简谐输入和其稳态输出的关系。因此在丈量系统频率呼应函数时，该当在系统到达稳态阶段时才丈量。 3幅、相频率特性和其图象描画 将A() - 和() - 分别作图，即得幅频特性曲线和相频特性曲线。实践作图时，常对自变量 或f /2取对数标尺，幅值比 A() 的坐标取分贝数dB标尺。相角取实数标尺。由此所作的曲线分别

21、称为对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线，总称为伯德图Bode图。 如将H() 的虚部和实部分开，记作: )()()(jQPH)()()(22QPA)()()(PQarctg 假设将H()的虚部Q()和实部P()分别作为纵、横坐标，画出Q()一P()曲线并在曲线某些点上分别注明相应的频率，那么所得的图像称为奈魁斯特图(Nyquist图)。图中自原点所画出的矢量向径，其长度和与横轴夹角分别是该频率点的A()和中()。 3、脉冲呼应函数 假设输入为单位脉冲，即 x(t) (t) 那么 X(s) L(t) l。安装的相应输出将是 Y(s)H(s)X(s) H(s)。 其时域描画可经过对Y(s)的拉普拉

22、斯反变换得到y(t) L-1H(s) = h(t)。 h(t)常称为系统的脉冲呼应函数或权函数。脉冲呼应函数可作为系统特性的时域描画。 至此，系统特性在时域可用脉冲呼应函数h(t)来描画，在频域可用频率呼应函数H( ) 来描画，在复数域可用传送函数H(s)来描画。三者的关系也是一一对应的。 h(t) 和传送函数H(s)是一对拉普拉斯变换对； h(t)和频率呼应函数H( )又是一对傅里叶变换对。 4、环节的串联和并联 假设两个传送函数各为H1(s)和H2(s)的环节，串联时，它们之间没有能量交换，那么串联后所组成的系统之传送函数H(s)在初始条件为零时为：)()()()()()()()()(21sHsHsZsYsXsZsXsYsH 假设两个环节并联，那么因 Y(s)Y1(s)+Y2(s)而有)()()()()()()()()(212211sHsHsXsYsXsYsXsYsH任何分母中s高于三次n3的高