第2章_测试装置基本特性

1、第二章 测试装置的基本特性 1 概述2 测试装置的静态特性3 测试装置动态特性的数学描述4 测试装置对任意输入的响应5 实现不失真测试的条件6 测试装置动态特性的测试返 回一、对测试装置的基本要求二、线性系统及其主要性质1 概 述目 录一、线性度二、灵敏度、鉴别力阈、分辨力三、回程误差四、稳定度和漂移2 测试装置的静态特性目 录一、传递函数二、频率响应函数三、脉冲响应函数四、环节的串联和并联五、一阶、二阶系统的特性3 测试装置动态特性的数学描述目 录一、系统对任意输入的响应二、系统对单位阶跃输入的响应4 测试装置对任意输入的响应目 录一、频率响应法二、阶跃响应法6 测试装置动态特性的测试目 录

2、1 概 述一、对测试装置的基本要求一、对测试装置的基本要求 通常的工程测试问题总是处理输入量x(t)、装置（系统）的传输特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系。如图： 1）如果x(t)、y(t)可以观察(已知)，则可推断h(t)； 2）如果h(t)已知，y(t)可测，则可推断x(t)； 3）如果x(t)和h(t)已知，则可推断和估计y(t)。 输入(激励)输出(响应)系统x(t)X(s)X()y(t)Y(s)Y()h(t)H(s)H()目 录 输出和输入成线性关系。即具有单值 理想测试装置理想测试装置 的、确定的输入-输出关系。 系统为时不变线性系统。 只能在较小工作范围内和在一定误差允许

3、 实际测试装置实际测试装置 范围内满足线性要求。 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。上 页目 录 为实现某种量的测量而选择或者设计测量装置时，就必须考虑这些测量装置能否准确获取被测量的量值及其变化，即实现准确测量，而是否能够实现准确测量，则决定于测量装置的特性。这些特性包括静态、动态特性、负载特性、抗干扰性等测量装置的静态特性测量装置的静态特性测量装置的静态特性是通过某种意义的静态标定静态标定过程确定的。静态标定静态标定是一个实验过程，这一过程是在只改变测量装置的一个输入量，而其他所有的可能输入严格保持为不变的情况下，测量对应的输出量，由此

4、得到测量装置输入域输出之间的关系。在静态标定的过程中只改变一个标定的量，而其他量只能近似保持不变，严格保持不变实际上是不可能的。测量装置的静态测量误差与多种因素有关，包括测量装置本身和人为的因素，本章只讨论测量装置本身的测量误差。测量装置的动态特性测量装置的动态特性 测量装置的动态特性是当输入量随时间快速变化时，测量输入域响应输出之间动态关系的数学描述。 忽略诸如迟滞、死区等非线性因素，采用常系数线性微分方程描述测量装置输入域输出的关系。 时不变线性系统可用常系数线性微分方程来描述，也称定常线性系统。（2-1） 式中t为时间自变量。系统的系数 均为常数。)()(0)(1)(1)(0)(1)(1

5、)(1111txbbbbtyaaaadttdxdttxdmdttxdmdttdydttydndttydnmmmmnnnn 011011,bbbbaaaammnn和测量装置的动态特性可由物理原理的理论分析和参数的试验估算得到，也可由系统的试验方法得到。前者适用于简单的测量装置，后者则是普遍适用的方法。测量装置的负载特性测量装置的负载特性测量装置或测量系统是由传感器、测量电路、前置放大、信号处理、直到数据存储或显示环节组成。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者产生干扰，使被测物理量偏离原有的量值，而不可能实现理想的测量，这个现象称为负载效应。测量装置的抗干扰测量装置

6、的抗干扰测量装置在测量过程中收到各种干扰，包括电源干扰、环境干扰和信道干扰等。二、线性系统及其主要性质 如以x(t) y(t)表示上述系统的输入、输出的对应关系，则时不变线性系统具有以下一些主要性质。 1）叠加原理 几个输入所产生的总输出是各个输入所产生的输出叠加的结果。即若 则 )()(11tytx)()(22tytx)()()()(2121tytytxtx上 页目 录 符合叠加原理，意味着作用于线性系统的各个输入所产生的输出是互不影响的。 在分析众多输入同时加在系统上所产生的总效果时，可以先分别分析单个输入（假定其他输入不存在）的效果，然后将这些效果叠加起来以表示总的效果。 2) 比例特性

7、 对于任意常数a，必有 ax(t) ay(t)3) 微分特性 系统对输入导数的响应等于对原输入响应的导数，即 dttdydttdx)()(上 页目 录4）积分特性 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 5）频率保持性 若输入为某一频率的简谐（正弦或余弦）信号， 则系统的稳态输出必是、也只是同频率的简谐信号；即输出y(t)唯一可能解只能是0000)()(ttdttydttxtjeXtx0)( )(00)(tjeYty上 页目 录2 测试装置的静态特性 在静态测量中，定常线性系统的输入-输出微分方程式变成： 理想的定常线性系统，其输出将是输入的单调、线性比例函

8、数，其中斜率S是灵敏度，应是常数。 实际的测量装置并非理想的定常线性系统，其微分方程式的系数并非常数。 测试装置的静态特性就是在静态测试情况下描述实际测试装置与理想定常线性系统的接近程度。 下面来讨论一些重要的静态特性。Sxxyab00上 页目 录一、线性度 线性度：测量装置输入、输出的关系与理想比例关系的偏离程度。实际上由静态标定所得到的输入、输出数据点并不是在一条直线上。这些点与理想直线偏差的最大值max称为线性误差。理想直线通常有两种确定方法：一种是最小与最大数据值的连线，即端点连线，另外一种采用最小二乘直线拟合。 线性误差= max /（Ymax-Ymin）100% 式中max为校准曲

9、线与拟合直线的最大线性误差； Ymax-Ymin为装置的标称输出范围。上 页目 录图2-4测量装置的线性误差 二、灵敏度 当装置的输入x有一个变化量x，它引起输出y发生相应的变化量y，通常用理想直线的斜率作测量则定义。 对于理想的定常线性系统，灵敏度应当是 但是，一般的测试装置总不是理想定常线性系统，用拟合直线的斜率来作为该装置的灵敏度。灵敏度有量纲有量纲，其单位为输出与输量入的量纲之比。 常数00abxyxySxyS上 页目 录 通常，把引起测量装置输出值产生一个可察觉变化的最小被测量变化值称为鉴别力阈鉴别力阈（也称为灵敏阈或灵敏限）。它用来描述装置对输入微小变化的响应能力。上 页目 录 三

10、、回程误差 理想装置的输出、输入有完全单调的一一对应的关系。 实际装置在同样的测试条件下，当输入量由小增大和由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量却往往存在着差值。把整个测量范围内，最大的差值h称为回程误差回程误差或滞后误差滞后误差。 上 页目 录h四、分辨力 分辨力分辨力是指引起装置的输出产生一个可觉察的变化的最小输入量变化值称为分辨力。通常表示为它与可能输入范围之比的百分数。图 2-5 回程误差五、漂移 零点漂移零点漂移是指测量装置的输出零点偏离原始零点的距离，它可以是随时间缓慢变化的量。 灵敏度漂移灵敏度漂移是指由于材料性质的变化所引起的输入与输出关系的变化。六、稳定度 稳定度稳定

11、度是指测量装置在规定条件下保持其测量特性恒定不变的能力。 通常在不指明影响量时，稳定度指装置不受时间变化影响的能力。上 页目 录第三节 测试装置动态特性的数学描述 3 测试装置的动态特性 把测量装置视为定常线性系统，可用常系数线性微分方程来描述，但使用时有许多不便。因此，常通过拉普拉斯变换建立其相应的“传递函数”，通过傅立叶变换建立其相应的“频率响应函数”，以便更简便地描述装置或系统的特性。上 页目 录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 设X(s)和Y(s)分别为输入x(t)、输出y(t)的拉普拉斯变换。对式取拉普拉斯变化得： 将H(s)称为系统的传递函数。其

12、中s为复变量， 是与输入和系统初始条件有关的。 若初始条件全为零，则因 便有)()()()(sGsXsHsYh;js)(sGh, 0)( sGh一、传递函数)()()(sXsYsH01110111)(asasasabsbsbsbsHnnnnmmmm上 页目 录传递函数有以下几个特点： 1）H(s)与输入x(t)及系统的初始状态无关，它只表达了系统的传输特性； 2）H(s)是物理系统微分方程，它只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理结构； 3） 、 等系数的量纲将因具体物理系统和输入、输出的量纲而异； 4）H(s)中的分母取决于系统的结构。namb上 页目 录二、频率响应函数 频率响应函数是在频

13、率域中描述和考察系统特性，而传递函数是在复数域中描述系统的特性，比在时域中用微分方程来描述系统特性有许多优点。许多工程系统的微分方程式及其传递函数很难建立，而且传递函数的物理概念也很难理解。 与传递函数相比较，频率响应的物理概念明确，也易通过实验来建立；利用它和传递函数的关系，极易由它求出传递函数。因此频率响应函数是实验研究系统的重要工具。 上 页目 录（1）幅频特性、相频特性和频率响应函数 根据定常线性系统的频率保持性，系统在简谐信号的激励下，所产生的稳态输出也是简谐信号。 定常线性系统在简谐信号的激励下，系统的频率特性： 幅频特性：稳态输出信号和输入信号的幅值比，记为A()。 相频特性：稳

14、态输出对输入的相位差，记为()。 jeAH XAYAA XY上 页目 录实验求得频率响应函数的原理：实验求得频率响应函数的原理：对某个 ，有一组 和 ，全部的和 , 便可表达系统的频率响应函数。 3）也可在初始条件全为零的情况下，同时测得输入x(t)和输出y(t),由其傅立叶变换X()和Y()求得频率响应函数 XYH)(（2）频率响应函数的求法 1）在系统的传递函数已知的情况下，只要令H(s)中s=j便可求得； 2）通过实验来求得。XY0i0i系统激励输出iiiXYA00 XYiiiiAii, 2 , 1i上 页目 录图象描述：1） 曲线 幅频特性曲线 曲线相频特性曲线 2） 曲线实频特性曲线

15、 曲线虚频特性曲线 A（3）幅、相频率特性和其图象描述频率响应函数H()()()()()(jeAjQPH P Q上 页目 录00A()()00P()Q()3）伯德图 对自变量 或 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）。4）奈魁斯特图 将H()的虚部Q()和实部P()分别作为纵、横坐标，画出Q()P()曲线，并在曲线某些点上分别注明相应的频率，所得的图像称为奈魁斯特图（Nyquist图）。2f上 页目 录PjQ0020lgA()(dB)()0三、脉冲响应函数若输入为单位脉冲，即 x

16、(t)=(t), 则 X(s)=L(t)=1。装置的相应输出是 Y(s)=H(s)X(s)=H(s),其时域描述可通过对Y(s)的拉普拉斯反变换得到h(t)常称为系统的脉冲响应函数或权函数。 时域 脉冲响应函数h(t)系统特性的描述 频域 频率响应函数H() 复数域 传递函数H(s)()()(1thsHLty上 页目 录四、环节的串联和并联两个传递函数各为 和 的环节，串联时系统的传递函数H(s)在初始条件为零时为：对几个环节串联组成的系统，有其幅频、相频特性分别为)(1sH)(2sH)()()(21)()()()()()(sHsHsHsZsYsXsZsXsYniisHsH1)()(Y(s)H

17、(s)X(s)Z(s)H(s)H(s)12上 页目 录niiwAA1)()w(niiss1)()(并联时因 由n个环节并联组成的系统，有)()()(21sYsYsYniisHsH1)()(H(s)Y(s)X(s)+H(s)H(s)Y(s)Y(s)1122 sHsHsHsXsYsXsYsXsY21)()()()()()(2211)(上 页目 录同样，令s=j代入上式，即可得到n个环节串联、并联时系统的频率响应函数。 任何分母中任何分母中s高于三次（高于三次（n3）的高阶系统都可以看作是若）的高阶系统都可以看作是若干个一阶环节和二阶环节的并联（也自然可转化为若干一阶干个一阶环节和二阶环节的并联（也

18、自然可转化为若干一阶环节和二阶环节的串联）。环节和二阶环节的串联）。 分析并了解一、二阶环节的传输特性是分析并了解高阶、复杂系统传输特性的基础。上 页目 录五、一阶、二阶系统的特性（一）一阶系统 如图，装置分属于力学、电学范畴，但均属于一阶系统，均可用一阶微分方程来描述。一般形式的一阶微分方程为改写为式中 为时间常数； 为系统灵敏度，是一个常数。令S=1，即00abS 01aa txtydttdy txbtyaadttdy001 tSxtydttdyRCx(t)y(t)kcy(t)(位移）x(t)(力）上 页目 录 传递函数频率响应函数其中负号表示输出信号滞后于输入信号。一阶系统的奈魁斯特图

19、arctan11211AjHj 11ssH上 页目 录一阶系统的特点：1）当 时， ; 当 时， 。2）在 处，A()为0.707（-3db),相角滞后-45。3）一阶系统的伯德图可用一条折线来近似描述。这条折线在 段为A()=1,在 段为-20db/10倍频斜率的直线。 点称转折频率。1111 0A1 1A1上 页目 录（二）二阶系统传递函数频率响应函数RCuxuyLkcy(t)x(t)m 2222nnnsssHnnjjH2112 2222411nnA 212arctannn上 页目 录二阶系统的特点：1）当 时， ；当 时 ， 。2）二阶系统的伯德图可用折线来近似。在 段，A()可用0dB

20、水平线近似。在 段，可用斜率为-40dB/10倍频的直线来近似。n 1Hn 0Hn2n5 . 0上 页目 录3) 在 段，()甚小，且和频率近似成正比增加。在 段，()趋近于180，即输出信号几乎和输入反相。在靠近 区间，()随频率的变化而剧烈变化，而且越小，这种变化越剧烈。nnn4） 7 . 065. 0上 页目 录影响二阶系统动态特性的参数是固有频率和阻尼比。一般取n8 . 06 . 0二阶系统的奈魁斯特图：上 页目 录 4 测试装置对任意输入的响应一、系统对任意输入的响应将输入x(t)分割成众多相邻接的、持续时间为的脉冲信号。在t时刻系统的输出对取极限，得x(t)和h(t)的卷积为 tt

21、hxty0)( tdthxty0 dthxthtx*目 录上 页对于当t0时，x(t)=0和h(t)=0的情况，上述积分下限可取为0，上限则成为t。因此,y(t)实际上就是x(t)和h(t)的卷积，可记为 y(t)=x(t)*h(t)从时域看，系统的输出是输入与系统的脉冲响应函数的卷积。上 页目 录二、系统对单位阶跃输入的响应单位阶跃输入一阶系统对单位阶跃输入的响应： t=(34) 时， （5%） 理论上看，一阶系统在单位阶跃激励下的稳态输出误差为零；同时，一阶装置的时间常数 越小越好。 10tx0t0t tety11)(ty ssX1上 页目 录二阶系统对单位阶跃输入的响应： 2212221

22、arctan,11,sin1nddettytn理论上看，二阶系统在单位阶跃激励下的稳态输出误差也为零；二阶系统，系统的响应在很大程度上决定于阻尼比 和固有频率 。 越高，系统的响应越快。阻尼比直接影响超调量和振荡次数。 选在0.60.8之间。nn上 页目 录三、系统对单位脉冲输入的响应一阶装置脉冲响应函数为其图形为teth1)(目 录上 页二阶系统脉冲响应函数为其图形为tethntnn221sin1)(10目 录上 页 5 实现不失真测试的条件 测试装置的输出y(t)和输入x(t)满足关系认为测试装置实现了不失真测量。其中 和 都是常量。 表明这个装置输出的波形和输入波形精确地一致，只是幅值放

23、大了 倍和在时间上延迟了 而已。对该式作傅立叶变换 当t0时，x(t)=0、y(t)=0，有若要求装置的输出波形不失真，则其幅频和相频特性应分别满足 00ttxAty0A0t0A0t XeAYjt00 00jtXYjeAeAH 00tAA常数上 页目 录 A()不等于常数时所引起的失真称为幅值失真，()与之间的非线性关系所引起的失真称为相位失真。 实际测量装置不可能在非常宽广的频率范围内都满足无失真测试条件，即使在某一频率范围内工作，也难以完全理想的实现不失真测试。只能努力把波形失真限制在一定的误差范围内，通常测量装置即会产生幅值失真，也会产生相位失真。 因此，首先要选择合适的测试装置。其次，

24、应对输入信号做必要的前置处理，及时滤去非信号频带内的噪声。对于含有多种频率成份的，显然即引起幅度失真，又引起相位失真，特别是频率成份跨越n前、后的信号失真尤为严重。上 页目 录上 页目 录 对一阶装置而言，如果时间常数越小，则装置的响应越快，近于满足测试不失真条件的频带也越宽。所以一阶装置的时间常数原则上越小越好。 对于二阶装置，在（2.53 ）n范围内， ()接近180，且随变化很小，但是此时幅频特性A()太小，输出幅值也太小。 二阶装置输入信号的频率在（0.32.5） n范围内，装置的频率特性受的影响很大。一般来说，在=0.60.8时，可以获得较为合理的综合特性。 6 测试装置动态特性的测

25、试 装置静态参数测试： 以经过校准的“标准”静态量作为输入，求出输出-输入曲线。根据这条曲线确定其回程误差，整理和确定其校准曲线、线性误差和灵敏度。 装置动态特性测试：一、频率响应法 通过稳态正弦激励试验求得幅频和相频特性曲线。上 页目 录一阶装置通过幅频特性 或相频特性直接确定其动态特性参数 。211)(A)arctan()(上 页目 录11112n0 Ak21k221ab对于欠阻尼系统（1）令有阻尼比为有时也可用下式求：nn1121、21221AAn212 21210AAr上 页目 录二阶装置，动态特性参数为：固有频率 和阻尼比。参数可从相频特性曲线直接估计，但相角测量较困难。通常通过幅频

26、曲线估计其参数。n二、阶跃响应法(一）由一阶装置的阶跃响应求其动态特性参数测得一阶装置的阶跃响应，取该输出值达到最终稳态值的63%所经过的时间作为时间常数。但测量结果的可靠性很差。上 页目 录632. 0将一阶装置的阶跃响应表达式改写为两边取对数，有根据测得 值作出 曲线，根据其斜率值确定时间常数。 /1tuety tytu1ln tyu ttyu1ln上 页目 录（二）由二阶装置的阶跃响应求其动态特性参数在测得M之后，可按上式求取阻尼比。如果测得响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个超调量 和 来求取其阻尼比。21eMiMniM上 页目 录MnMMnii2lndM1M 7 负载效应 在实际测量工作中