《工程测试与传感技术》全套教学课件

《工程测试与传感技术》第一章绪论第1章绪论.pptx第2章测试信号及其分析.pptx第3章测量系统的基本特性.pptx第4章常用传感器.pptx第5章信号变换与调理.pptx第6章光电检测技术.pptx第7章物联网传感技术及其应用.pptx第8章数字信号采集与计算机测试系统.pptx第9章测试系统设计与典型应用实例.pptx全套可编辑PPT课件主要内容1.4测试技术的发展1.3测试技术的应用概述1.2测试方法的分类与系统组成1.1测试技术的内涵与重要作用1.5本课程的教学目标和要求1.1测试技术的内涵与重要作用

测试技术的含义

测试技术的重要作用1.1.1测试技术的内涵定义：

测量是以确定被测物属性量值为目的的全部操作；

测试是具有试验性质的测量，或理解为测量和试验的结合。

测试和测量紧密相关，本课程不加以严格区分。1.1测试技术的内涵与重要作用1.1.1测试技术的内涵

测试是人们从客观事物中提取有用信息，从而达到认识事物，掌握事物发展规律的目的。看触摸听…光学传感器力传感器声传感器…脑神经反应测试系统信号处理模式识别1.1测试技术的内涵与重要作用

测试技术是指测试过程中所涉及的：

测试理论

测试方法

测试设备等。您在发烧，请……什么是测试技术？1.1测试技术的内涵1.1测试技术的内涵与重要作用什么是工程测试技术？本课程的意义：掌握工程参数测量的基本测试技术。工程中的工作参数测量的测试技术。例如机械工程中的工作参数包括：位移、距离、胀差、...振动、速度、加速度应力、压力、摩擦力、...油温、瓦温、轴温、气温、...转速、扭矩...1.1.1测试技术的内涵1.1测试技术的内涵与重要作用

随之近现代科学技术，特别是信息科学、材料科学、微电子技术、计算机技术和人工智能的迅速发展，测试技术所涵盖的内容更加深刻、广泛，现代工业生产、人类生活、科学研究和经济活动都与测试技术息息相关。例如测试技术是工程领域中一个重要的技术

新工艺、新产品均离不开测试

装备系统越先进、自动化程度越高，对测试技术要求越高

测量成本已达到装备成本的50%～70%测试是科学研究的基本方法

测量数据可表达科学规律

测量数据可验证科学理论与规律1.2测试技术的重要作用1.1测试技术的内涵与重要作用主要内容1.4测试技术的发展1.3测试技术的应用概述1.2测试方法的分类与系统组成1.1测试技术的内涵与重要作用1.5本课程的教学目标和要求1.2测试方法分类与系统组成

测试方法分类

测试系统组成1.2.1测试方法分类

按是否直接测定被测对象分直接测量间接测量

按是否接触被测对象分接触测量非接触测量

按被测量是否实时获得分在线测量离线测量哪个方法好？P=FV

按被测量是否随时间变化静态测量动态测量

按被测信号转换方式分为：机械测量法、光测量法和电测量法等。1.2测试方法分类与系统组成1.2测试方法分类与系统组成一般测试系统的组成：测试对象传感器信号调理电源数据采集数据处理激励系统测试系统：完成测试任务的传感器、仪器和设备的总称。信号处理显示/记录1）一般测试系统的组成1.2.2测试系统组成1.2测试方法分类与系统组成1.2.2测试系统组成传感器

一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号（通常是电信号）输出的器件和装置。常用的涡流探头＋前置器加速度传感器力传感器智能式压力变送器1）一般测试系统的组成国家标准（GB7665—87）对传感器定义：感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。1.2测试方法分类与系统组成1.2.2测试系统组成信号调理对（传感器输出的）信号进行变换、隔离、滤波、放大等，以便进一步传输和处理。高阻输入、低阻输出规范输出B&K

测量放大器2525放大、自动量程低通和高通滤波器（用户自定义）电荷放大器通道：1输入电荷量：≤104pC增益：1-1000mV/pC

输出：±5V滤波单元变换放大滤波1）一般测试系统的组成1.2测试方法分类与系统组成1.2.2测试系统组成信号处理

对来自信号调理环节后的信号，进行各种运算、分析，并输出结果模拟信号处理运算：微分、积分、对数

数字信号处理信号采集信号量化编程处理：信号分析1）一般测试系统的组成1.2测试方法分类与系统组成1.2.2测试系统组成显示记录以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或者将测量结果存储问题：测试环节中哪个环节为所有测试系统必备环节？测试系统组成：

传感器+信号调理+信号处理+显示记录1）一般测试系统的组成1.2测试方法分类与系统组成1.2.2测试系统组成2）自动控制中的测试系统

自动控制中的测试系统是将测量结果转化为控制计算机可以接收的信号，输入到控制计算机，由控制计算机作出判断，并通过执行机构对生产过程或设备运行状态进行调节，使其运行于预期的状态。自动控制系统一般是闭环的测试系统在自动控制系统中的位置被控过程或加工设备执行机构控制计算机测量系统被控参数输入能量/或材料1.2测试方法分类与系统组成1.2.2测试系统组成2）自动控制中的测试系统自动控制中的测试系统框图

测试对象传感器信号调理数据采集

显示数据处理控制驱动执行单元电源测试系统信号处理主要内容1.4测试技术的发展1.3测试技术的应用概述1.2测试方法的分类与系统组成1.1测试技术的内涵与重要作用1.5本课程的教学目标和要求1.3测试技术的应用概述

•工业自动化中的应用•流程工业设备运行状态监控•产品质量检验•楼宇控制与安全防护•家庭与办公自动化•其他应用（1）工业自动化中的应用机械手、机器人中的检测技术•转动/移动位置检测•力检测•视觉传感器•听觉传感器•接近距离传感器•触觉传感器•热觉传感器•嗅觉传感器。1.3测试技术的应用概述

1.3测试技术的应用概述

机械手、机器人中的检测技术1.3测试技术的应用概述

工业4.0智能工厂1.3测试技术的应用概述

流程工业设备运行状态监控产品质量检验汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。检测润滑油、冷却水温度，燃油压力及发动机转速等。汽车出厂检验原理框图利用激光干涉仪检验机床精度1.3测试技术的应用概述

1.3测试技术的应用概述

楼宇控制与安全防护闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器某公司楼宇自动化监测系统家庭与办公自动化在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和检测技术来提高产品性能和质量。指纹传感器温湿度传感器温度传感器家庭与办公室用传感器•衣物重量传感器•衣质传感器•水温传感器•水质传感器•透光率光传感器(洗净度)•液位传感器•电阻传感器(衣物烘干检测)全自动洗衣机1.3测试技术的应用概述

家庭与办公自动化在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和检测技术来提高产品性能和质量。家庭自动化系统1.3测试技术的应用概述

其他应用航天农业智能交通医学1.3测试技术的应用概述

主要内容1.4测试技术的发展1.3测试技术的应用概述1.2测试方法的分类与系统组成1.1测试技术的内涵与重要作用1.5本课程的教学目标和要求测试技术与科学研究、工程实践密切相关。随着科学技术的飞速发展，测试技术的发展也非常迅速。主要体现两个方面：传感器技术的自身发展计算机测试技术的发展1.4工程测试与传感技术的发展

1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.1传感器技术的自身发展传感器技术近40年来的发展20世纪80年代以来，国际上出现“传感器热”。日本将传感器技术列为80年代10大技术之首。美国把传感器技术列为90年代22项关键技术之一。90年代我国做出“加大传感器开发和在国民经济中普遍应用”的战略决策。自2011年以来，随着物联网和智能制造的兴起，智能传感器行业得到了广泛的关注，并迅速发展。1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.1传感器技术的自身发展传感器技术发展趋势一是新型传感器的开发。主要包括采用新原理、填补传感器空白、仿生传感器等诸多方面。以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。二是新材料的应用。用新型功能材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。例如，根据以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化，以及半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高、非接触性等特点，发展红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器。传感器技术的不断发展也促进了更新型材料的开发，如纳米材料等。三是新工艺的采用。在发展新型传感器中，离不开新工艺的采用。这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术是近年来随着集成电路工艺发展起来的，目前已越来越多地用于传感器领域，例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积(CVD)、外延、扩散、腐蚀、光刻等。1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.1传感器技术的自身发展全球和中国智能传感器行业市场规模1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.1传感器技术的自身发展传感器技术发展趋势物性型传感器的大量涌现定义：依靠敏感材料本身的物理属性随被测量的变化来实现信号的测量压电效应涡流效应应变效应：导体材料光电效应霍尔效应压阻效应：半导体材料的压阻转换┅物性型传感器的开发实质上是新材料的开发传感器正经历着从以机构型为主转向以物性型为主的过程1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.1传感器技术的自身发展传感器技术发展趋势

集成化传感器

微机电系统（MEMS）——微型化微型传感器＋信号处理——一体化多个传感器集成————集成化

多敏感元件、多参数测量运算、补偿、变换XCE-062高温超小型IS压力传感器(-55℃到273℃)

智能化传感器

组成：传统的传感器＋微处理器特征：具备通信总线接口、兼有信息监测、信息处理和信息传输功能智能：通过存放于微处理器中的功能强大的软件，对系统进行智能化，如非线性自动校正、自校零、自校准、自补偿、自检验、噪声抑制等。

智能压力传感器/变送器集成、智能化传感器的开发1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.1传感器技术的自身发展传感器技术发展趋势物联网传感器的迅速发展

物联网构架可分为三层：感知层、网络层和应用层。用于感知层的传感器（物联网传感器）除了具有传感器功能，更具有对外的通信接口。迅速发展的物联网传感器包括：射频识别RFID标签和读写器、摄像头、红外感应器、激光扫描器、全球定位系统（GPS）等感知系统。物联网传感器已经渗透到了智能制造、智能家居、医学诊断、宇宙开发等各个领域。1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.2计算机测试技术的发展一般计算机测试系统

网络化测试系统

虚拟仪器

随着计算机技术的发展，测试系统中也越来越多地融入了计算机技术。

定义：计算机测试技术——以计算机为中心的自动测试系统。

既能实现对信号的检测，又能对所获得信号进行分析处理。计算机测试系统分类1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.2计算机测试技术的发展传感器1传感器2传感器3信号调理2信号调理3信号调理1数据采集卡(板)计算机绘图、显示、打印1）一般计算机测试系统一般计算机测试系统的基本形式1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.2计算机测试技术的发展

测试系统一般包含数据采集与调理、数据分析、数据表示这三部分。网络仪器的特点：资源共享有危险的、环境恶劣的数据采集工作可实行远程采集使测试人员不受时间和空间的限制可以实现高度自动化、智能化2）网络化测试系统将这三个位于不同地理位置的部分由网络连起来从而完成测试任务，就形成网络化测试系统。1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.2计算机测试技术的发展虚拟仪器的发展虚拟仪器普通仪器智能仪器虚拟仪器的构成3）虚拟仪器的开发1.4工程测试与传感技术的发展

1.4.2计算机测试技术的发展3）虚拟仪器的开发

LabVIEW虚拟仪器开发软件主要内容1.4测试技术的发展1.3测试技术的应用概述1.2测试方法的分类与系统组成1.1测试技术的内涵与重要作用1.5本课程的教学目标和要求1.5本课程学习目标和要求学习目标：

能够进行各种常见机械工程参量的测量；

能够初步设计常见工程量测试的测试系统。学习要求：熟悉测试技术的基本概念与系统组成；掌握测试系统基本特性；掌握各种常用传感器的工作原理及其应用；掌握基本的信号调理与采集技术；熟悉机械测试信号分析的基本方法。习题1-1测试技术主要包括哪些内容？测试工作的意义是什么？1-2什么是直接测量和间接测量？1-3什么是静态测量和动态测量？1-4什么是接触式测量和非接触式测量？1-5测试系统一般由哪些环节组成？各个环节有什么作用？1-6通过查找相关资料，指出一台数控机床常用哪些传感器。1-7计算机测试系统的特点是什么？ThankYou!第二章测试信号及其分析主要内容2.4信号的时频分析2.3信号的频域分析2.2信号的时域分析2.1信号的概念与分类2.1

信号的概念与分类

信号的概念信号的分类（一）信号的概念1、信号：

信号是运载信息的工具，是信息的载体

一定物理现象的表示，是研究客观事物状态或属性

的依据

信号是传递信息的函数（时间变量、空间变量）2.1

信号的概念与分类

2、信号的表示：

信号通常以时间域、频率域和时频域来表示时域波形：自变量t，波形x(t)

时间域频谱：自变量ω或者f频率域时频分析：自变量t和f，信号的频谱不是恒定的，而是随时间变化的时频域信号的各种描述方法仅是在不同的变量域进行分析，从不同的角度去认识同一事物，并不改变同一信号的实质。2.1

信号的概念与分类2.1信号的概念与分类（二）信号的分类

1、按照时间函数取值的连续性和离散性分类：

连续时间信号与离散时间信号连续时间信号：在所有的时间点上有定义（模拟信号）离散时间信号：在若干时间点上有定义（数字信号）模拟信号数字信号2.1信号的概念与分类2、按信号随时间的变化特点分类：

信号可分为两大类确定性信号：

可以用明确数学关系式描述的信号非确定性信号：

不能用数学关系式描述的信号2.1信号的概念与分类

确定性信号

2.1信号的概念与分类

非周期信号

2.1信号的概念与分类

非确定性信号

非确定性信号又称随机信号，可分为平稳随机信号和非平稳随机信号两类。平稳随机信号

随机信号的各种统计特征（如平均值、均方根值、概率密度函数等）不随时间推移而变化。非平稳随机信号

在不同采样时间内测得的统计参数不能看作常数，即统计特性随时间变化（概率分析）。主要内容2.4信号的时频分析2.3信号的频域分析2.2信号的时域分析2.1信号的概念与分类2.2信号的时域分析

时域信号的特征参数时域相关分析2.2信号的时域分析（一）时域信号的特征参数峰值：信号在时间间隔T内的最大值峰峰值：信号在时间间隔T内的最大值与最小值之差

峰值和峰峰值

测试中要求：（1）峰峰值不能超过测试系统允许输入的上、下限；（2）信号在测试系统线性范围内。2.2信号的时域分析平均值E[x(t)]表示信号在时间间隔T内的平均值，它表示了信号幅值变化的中心趋势，也称为固定分量或直流分量，即不随时间变化的分量信号的中心——直流/固定分量

平均值

2.2信号的时域分析反映了信号围绕均值的波动程度衡量测量值的稳定程度、分散程度

方差、均方差（标准差）

2.2信号的时域分析均方值E[x2(t)]表达了信号的强度、平均功率方均值、方差、均值关系

均方值

信号的强度波动量静态量方均值方差均值2.2信号的时域分析（二）时域相关分析

相关函数：

2.2信号的时域分析信号x(t)的互相关函数定义为：

自相关函数

齿轮箱振动信号自相关2.2信号的时域分析互相关函数主要用于检测和识别存在于噪声中的两信号的关联信息。为了测量激励噪声信号在某一通道中的传输速度，可以采用如下图所示的测量方法

互相关函数

主要内容2.4信号的时频分析2.3信号的频域分析2.2信号的时域分析2.1信号的概念与分类2.3信号的频谱分析

周期信号的频谱分析非周期信号的频谱分析随机信号的频谱分析2.3信号的频谱分析频谱分析频谱分析就是将复杂信号经傅里叶变换分解成若干单一的谐波分量来研究.每个谐波分量由确定的频率、幅值和相位唯一确定，从而获得信号的频率结构以及各谐波分量的幅值和相位信息。傅里叶变换就是将一个信号的时域表示形式映射到频域表示形式。2.3信号的频谱分析（一）周期信号的频谱分析

傅里叶展开

基频2倍频3倍频原始信号频谱A－f波形A－t2.3信号的频谱分析

傅里叶展开：三角函数展开式

任何周期性信号x(t)，周期为T，均可展开为若干简谐信号的叠加2.3信号的频谱分析

傅里叶展开

傅里叶系数的计算正弦信号：余弦信号：2.3信号的频谱分析

傅里叶展开

示例：矩形波——复杂周期信号——奇函数f(t)1-1-T-T/20T/2Tt0ω03ω05ω0

7ω09ω0ωA4/π均值为0的奇函数2.3信号的频谱分析

傅里叶展开

示例：三角波——偶函数均值不为0的偶函数与正/余弦波形相比：三角波较矩形波更接近一些（高次谐波衰减很快）-T-T/20T/2Ttf(t)45°0ω03ω05ω0

7ω09ω0ωAT/42.3信号的频谱分析

傅里叶展开

周期信号幅值谱特点谐波性

频率成分比为整数倍(有理数)离散性以基本频率为间隔取离散值收敛性随频率增加，其总的趋势是衰减0ω03ω05ω0

7ω09ω0ω-T-T/20T/2Ttf(t)AT/445°2.3信号的频谱分析

傅里叶展开

示例：

如果矩形波与三角波都是以1000Hz变化的波形,选择什么样的放大器通频带才能使放大误差小于10%（或者说某一次谐波的幅值减低到基波的1/10以下即可不考虑）？对于矩形波，因直流分量为0，可以选用交流放大器，其低频截止频率应小于1000Hz，高频截止频率应大于9000Hz；而对于三角波，必须选用直流放大器，其高频截止频率应大于3000Hz。

2.3信号的频谱分析

傅里叶展开：复指数展开式

复指数函数特点：它的微积分与自身成比例复指数代表复平面上的一个旋转矢量对于线性定常系统，复指数输入的响应也是一个复指数函数θj2.3信号的频谱分析

傅里叶展开：复指数展开式

根据欧拉公式：指数和三角的关系2.3信号的频谱分析（二）非周期信号的频谱分析

非周期信号：周期T为无穷大的周期信号

周期信号非周期信号周期TT→∞圆频率ω0＝2Π/Tω0→dω△ω无穷小谱线k.ω0k.ω0→ω

连续

2.3信号的频谱分析

非周期信号：周期T为无穷大的周期信号

周期信号非周期信号复指数展开

k.ω0→ωω0→dω—傅里叶变换2.3信号的频谱分析

非周期信号：周期T为无穷大的周期信号

T为无穷大时，非周期函数频谱不再表示幅值，而是表示信号在该频率的幅值密度——单位频宽上的幅值

频谱幅值：周期信号um、非周期信号um/Hz

频率点上、一频段上从物理概念上讲，一个信号无论怎样分解，所含能量是不变的——收敛非周期信号的频谱线是连续的2.3信号的频谱分析

典型函数的谱分析

a、单位冲击函数δ(t)筛选性：采样性质——使得模拟信号离散化频谱的等幅性：全频、等幅——冲击激振法2.3信号的频谱分析

典型函数的谱分析

b、闸门函数Gτ(t)：谱为采样函数采样函数：幅频特性：振荡衰减、谱线集中在主瓣内、主瓣的宽度与τ有关f(t)A-τ/20

τ/2t2.3信号的频谱分析傅里叶变换：f(t)=R-1[F(jω)]←→F(jω)=R[f(t)]性质：fi(t)←→Fi(jω)

傅里叶变换的主要性质

2.3信号的频谱分析典型函数的谱分析

特例：

2.3信号的频域分析

机床主轴振动分析

基频：Fn=1/0.0308=32.5Hz转速：N=32.5*60=1950RPM0.0308秒32.5Hz2.3信号的频谱分析（三）随机信号的频谱分析

随机信号：频率、幅值、相位都是随机的，具有统计特性

随机信号的自相关函数Rx

自功率谱密度Sx

不作幅值谱、相位谱分析采用具有统计特性的功率谱密度来分析引入随机信号的自相关函数

2.3信号的频谱分析

自功率谱密度：描述随机信号的平均功率沿频率轴的分布密度

Rx是偶函数，Sx是非负的实偶函数单边自功率谱密度：非负频率上的谱——工程应用应用：

分析随机信号频率结构

求线性系统幅频特性

自功率谱密度

Gx(ω)0ωSx(ω)2.3信号的频谱分析

正弦波直流指数白噪声限带白噪声直流+白噪声正弦+白噪声

自功率谱密度

2.3信号的频谱分析

汽车变速箱振动加速度信号的自功率谱

随机信号频谱分析示例

a)正常

b)故障2.3信号的频谱分析

互功率谱密度：两个随机信号之间的谱密度单边互功率谱密度：复数，分为幅值和相位

随机信号频谱分析

Gxy(w)θxy(w)0ω0ω不具有功率的涵义，只是在频率域描述两个平稳随机信号的相关性作用：通过激励和响应的互功率谱密度识别系统动态特性2.3信号的频谱分析

相干函数：两个信号之间的相关性系统特性分析：复数，分为幅值和相位

随机信号频谱分析

表示信号不相关表示信号完全相关外界噪声、综合输出、非线性系统主要内容2.4信号的时频分析2.3信号的频域分析2.2信号的时域分析2.1信号的概念与分类2.4信号的时频分析

短时傅里叶变换原理2.4信号的时频分析

傅里叶变换的缺陷

傅里叶变换是一种整体变换无法同时分析频率和时间的特征使用时间和频率的联合函数表示信号处理非平稳信号揭示随时间变化的频率特征主要方法：短时傅里叶变换、小波变换、Gabor变换等2.4信号的时频分析

短时傅里叶变换原理

通过中心在t的窗函数h（τ-t）乘以信号，研究信号在时刻t的特性傅里叶变换沿时间轴移动窗函数（中心t）限制时间窗宽度的傅里叶变换（窗宽）只能选定固定的窗函数（矩形窗、汉明窗等）2.4信号的时频分析

短时傅里叶变换原理

两个时间的函数：固定时间t,执行时间τ反映t时刻时间窗内信号的频率结构、幅值和相位能量分布密度—时频分布2.4信号的时频分析

旋转机械仿真信号

2.4

信号的时频分析

压缩机高压缸喘振的时频分布

2.4

信号的时频分析

语音信号Gabor的时频分析

a)语音信号的时域波形和频谱b)语音信号的时频分布GABOR语音信号的波形及时频分布2.4

信号的时频分析

测不准原理

信号的持续时间和频谱宽度满足

窄波形产生宽频带，宽波形产生窄频带短时傅里叶变换的缺点时间窗变宽：丢失小尺度短时刻的时间局部信息时间窗变窄：能量泄露，频谱计算不准确窗函数h(t)的尺寸和形状固定，难以适应信号频率高低不同的分析要求。2.4

信号的时频分析短时傅里叶变换的特点窄时窗时域分辨率高，频域分辨率低。宽时窗时域分辨率低，频域分辨率高。物理意义明确。ThankYou!第三章测量系统的基本特性问题用传感器测量时，如何才能实现不失真测量？

主要内容3.4典型测量系统的动态特性3.3一般测试系统的动态特性3.2测试系统的静态特性3.1测试系统及其主要性质3.5动态测量误差及其补偿3.6传感器与测量系统的标定3.1测试系统及其主要性质3.1.1测试系统定义与基本要求3.1.2线性测试系统的基本性质3.1测试系统及其主要性质3.1.1测试系统定义与基本要求静态量：不随时间变化的信号或变化极其缓慢的信号（准静态）。（1）基本概念动态量：随时间变化的周期信号、非周期信号或随机信号。静态特性：在被测量的各个值都处于稳定状态时，测量系统的输入

量与输出量之间的关系。一般要求传感器或测量系统的静态特性为一一对应的线性或近似为线性。3.1测试系统及其主要性质3.1.1测试系统定义与基本要求（2）基本要求测试系统分析中一般有三类问题：

（1）当输入已知，输岀可测量时，可以通过它们推断出该系统的传输特性（系统辨识）；（2）当系统特性已知，输出可测量时，可以通过它们推断出导致该输出的输入量（载荷识别）；（3）如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计该系统的输出量（响应预测）。测试系统的基本要求：

测试系统的输出信号能够真实地反映被测量的变化过程不使其发生畸变，即实现不失真测试。3.1测试系统及其主要性质3.1.2线性测试系统的基本性质

工程测试的实质是研究被测对象的输入（或称激励）信号、测试系统的传输特性和输出（测试结果或响应）三者之间的关系。如果将测试系统的一个功能模块简化为一个方框表示，并用x(t)表示输入量，用y(t)表示输岀量，用h(t)表示系统的传递特性，则输入、输出和测量系统之间的关系可用下图表示。3.1测试系统及其主要性质3.1.2线性测试系统的基本性质本章研究对象——具有明确输入输出的一个环节/单元/模块等特点：独立单元：能完成部分测试任务，具有明确输入输出的单元黑盒子:只关注测试系统的输入与输出间的数学关系，而不是物理结构测试系统h输入x输出y3.1测试系统及其主要性质3.1.2线性测试系统的基本性质

线性时不变系统的输入为x(t)和输出y(t)之间的关系可用常系数线性微分方程描述，其微分方程的一般形式为：微分方程的最高阶数就是系统的阶数各阶导数只有线性项系数ai、bi均为不随时间而变化的常数——是由测量系统或功能组件的物理性质决定的定常、时不变。3.1测试系统及其主要性质3.1.2线性测试系统的基本性质1）

叠加性

当几个输入同时作用于线性系统时，则其响应等于各个输入单独作用于该系统的响应之和特性:(1)作用于线性系统的各个输入所产生的输出是互不影响的：

一个输入的存在绝不影响另一个输入所引起的输出。

(2)若线性系统的输入扩大c倍，则其响应也将扩大c（比例性）线性系统具有如下特性：叠加性、可微性、同频性应用：利用叠加特性可以测量各种复杂信号：

复杂输入一系列简单输入一系列简单响应之和利用比例性可以测量量程内大小不同的信号。3.1测试系统及其主要性质3.1.2线性测试系统的基本性质2)可微性（可积性）系统对输入信号导数（积分）的响应等于对原输入响应的导数（积分）初始条件为零可微性可积性线性定常系统：1）对输入信号导数的响应等于对输入信号响应的导数；2）对输入信号积分的响应等于对输入信号相应的积分。3.1测试系统及其主要性质3.1.2线性测试系统的基本性质3）同频性：频率不变（频率保持性）若输入为某一频率的简谐（正弦或余弦）信号则系统的输出必是、也只是同频率的简谐信号线性系统三大特性：叠加性可微性同频性频率相同！3.1测试系统及其主要性质3.1.2线性测试系统的基本性质同频性的应用：在测试中，测量信号会受到其它信号或噪声的干扰，依据同频性可以分清/确认信号或噪声。即：信号中只有与输入信号相同的频率成分才是真正由该输入引起的输出排除干扰：对于线性系统，与信号频率不同的其它频率成分就是干扰，设法剔除，得到有用测试信号。问题：为什么测试一个系统的固有频率特性时常采用脉冲激励？主要内容3.4典型测量系统的动态特性3.3一般测试系统的动态特性3.2测试系统的静态特性3.1测试系统及其主要性质3.5动态测量误差及其补偿3.6传感器与测量系统的标定测试系统特性：输出对输入的反映能力静态特性输入x：不随时间变化输出y：反映测试系统静态响应动态特性输入x(t)：随时间变化输出y(t)：反映测试系统的动态响应序言3.2

测试系统的静态特性掌握静态特性的目的：

选择仪器：仪器特性与被测量（信号）匹配

确定输入输出关系：系统标定、定期校验静态特性的获得：规定的标准工作条件：温度、压力等高精度信号源产生已知的、准确的、不随时间变化的输入量xi高精度测量仪器测定被测系统对应的输出量yi数据处理获得反映系统静态响应特性的曲线或公式yx（静态下输入/输出）特性曲线

3.2.1测量系统静态特性定义：被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢时测量系统的输入、输出及其关系的特性或技术指标。1）灵敏度：测试系统对输入量的反应能力（放大能力）输入x有一个变化量∆x，它引起系统输出y发生相应的变化量∆y，则定义灵敏度灵敏度的量纲：输出量纲/输入量纲

如：V/mm，V/℃，mV/℃，mV/g灵敏度一般由实测该系统获得的标定曲线的斜率确定对于非线性系统:分段拟合直线的斜率，获得不同输入范围内的不同灵敏度yx△x△y3.2

测试系统的静态特性若测量系统是由灵敏度分别为S1、S２、S３、。。。等多个独立的环节组成，整个系统灵敏度如何求？测试单元S1则：一般来讲，灵敏度越高响应越大。但是，灵敏度越高稳定性越差，测量范围越窄，因此，也不能过高。灵敏度大好还是小好？测试单元S2测试单元S33.2

测试系统的静态特性2）非线性度（线性度）：测试系统的特性曲线与拟合直线的接近/偏离程度采取引用误差形式表示yx△L-最大偏差YA量程0端基法（简单）最小二乘法（常用）测量装置在线性范围内工作是保证测量精度的基本条件;线性范围越宽，表明测量系统有效量程越大；必要时可进行非线性补偿.拟合直线的确定：影响非线性引用误差3.2

测试系统的静态特性3）量程：测试系统允许测量的输入量的上、下极限值。

只有在量程范围内，测试系统的性能(精度)有保证。常用满刻度值F.S表示量程

如：测温仪测量范围±100℃与量程有关的一个指标为：

过载能力：承受超过量程而不损坏仪器精度的能力例如：过载能力≤150%F.S、200％F.S测试系统的选用原则：被测量不应超过仪器的量程范围。3.2

测试系统的静态特性4)精度（测量误差）：

精度表征测量装置的测量结果y与被测真值μ的一致程度真值在一定条件下，被测量的真实值客观存在、不可测量的、可不断逼近约定真值特定的、有时是约定所取得值，用法律形式指定高一级测量仪器所得的值误差可以忽略精度通常有三种表示方法：(1)绝对误差（2）相对误差（3）引用误差3.2

测试系统的静态特性（1）绝对误差

用于评价同一被测量（同一量值）测量精度的高低绝对误差有明确量纲：1mm、0.1mm、0.05℃、和被测量值有关测量５万公里距离，误差1ｍ；测量１m长度物体，误差0.01ｍ。哪个测量更精确？（2）相对误差

用于评价不同被测量（不同量值）测量精度的高低没有量纲，用来评价测量结果：0.1%、和被测量值无关0对同一量测量多次结果可能不一致，如何评价仪器的精度？3.2

测试系统的静态特性（3）引用误差

绝对误差与测量仪器量程A（不是真值）之比。

由于具体测量不同量时，绝对误差δ有大有小，不能全面反映测量仪器的准确度。因此，一般取仪器测量中的最大绝对误差δmax评价测量设备的准确度等级——最为严格的指标。定义最大引用误差为仪器精度，也称为准确度。

3.2

测试系统的静态特性注意：测量装置精度一般采用引用误差来衡量；以准确度的百分数定义仪器精度等级如：某电压表为一级精度，指其准确度为1%国家标准GB776－76规定测量仪器准确度等级指数α为：

0.1,0.2,0.5,1.0，1.5,2.5,5.0——工业等级测量仪器的最大引用误差不能超过仪器准确度指数的百分数

实际使用中，仪器的最大可能误差为量程A的选择和测量值x的关系：量程和被测量相差越小越好

避免让测量系统在小于1/3的量程工作为什么？3.2

测试系统的静态特性例如：某1.0级电压表，量程为500V，当测量值分别为500V、150V时,求出测量值的最大绝对误差和相对误差.可见，用该仪器测量时：

最大绝对误差是给定的；最大相对误差取决于被测量的大小。最大绝对误差:最大相对误差：3.2

测试系统的静态特性（4）多级测试系统的精度多个测量仪器组成的测试系统误差理论分析表明：

精度主要取决于精度最低的仪器不等精度测量时，前面环节的精度应高于后面环节

测试单元a1输入X输出Y测试单元a2测试单元a3测试系统的选用原则（1）由同精度的仪器组成测量系统；（2）前面环节的精度应高于后面环节

；（3）不宜选用大量程仪器测量较小的量。3.2

测试系统的静态特性5）稳定性：

在一个较长时间内保持性能参数不变的能力表示法：给定时间内性能变化量（系统输出与标定时输出差异程度）如：某温度传感器稳定性:0.25%FS/h

时间范围：一个小时、一天、一个月、半年或一年原因：测试系统内部各个环节性能不稳定引起测试系统内部温度变化或蠕变等引起

零漂属于一个不稳定现象：测量系统在零输入状态下输出值的漂移。

时间零漂（时漂）：在规定时间和条件下，输出值的漂移。

温度漂移（温漂）：含零点温漂和灵敏度温漂，是测量系统在温度变化时其特性的变化。灵敏度漂移零漂3.2

测试系统的静态特性6）重复性：

标定值的分散性系统的输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，其输出值不一致的程度。重复性误差定义为(引用误差):重复性误差决定测量结果的可信度。yx△R-最大偏差YA量程03.2

测试系统的静态特性7）回程误差：迟滞、滞后、滞环系统的输入量由小增大（正行程）和由大减小（反行程）时，输出特性不一致的程度。回程误差定义为（引用误差）:

迟滞原因：测试系统机械部分的摩擦和间隙敏感结构材料的缺陷磁性材料的磁滞等YA△H3.2

测试系统的静态特性8）分辨率：辨识能力

测试系统有效辨别输入量最小变化的能力以最小单位输出量所对应的输入量来表示对于模拟量测试系统，是用其输出指示标尺最小分度值的一半所代表的输入量来表示其分辨力，如0.1℃对于数字量测试系统，其输出显示系统的最后一位所代表的输入量即为该系统的分辨力——分度值如：±5V

±2048，则分辨率为灵敏度：单位输入引起系统的响应量5mv/mm分辨率：单位响应对应的系统输入量0.001mm灵敏度：放大能力分辨率：辨别能力分辨率与灵敏度的区别？3.2

测试系统的静态特性

9）漂移漂移表示测量装置在零输入状态下，输出值的漂移。一般包括：时间零漂（时漂）和温度漂移（温漂），指时间或温度的单位变化量所引起的输出值的变化。漂移可分为：零点漂移和灵敏度漂移两部分。零漂灵敏度漂移3.2

测试系统的静态特性主要内容3.4典型测量系统的动态特性3.3一般测试系统的动态特性3.2测试系统的静态特性3.1测试系统及其主要性质3.5动态测量误差及其补偿3.6传感器与测量系统的标定测量系统动态特性是指测量系统的输出对快速变化的输入信号的动态响应能力。静态特性是基础，而动态特性是影响动态信号测量精度的关键。理想的测试系统：输出量与输入量随时间的变化规律相同实际的测试系统：输出量与输入量变化规律只是在一定条件下相同，即：在一定的频率范围内对应一定的动态误差测试系统输入X（t）输出Y（t）3.3一般测量系统的动态特性线性定常测量系统的动态特性

——测量系统的输出对变化的输入信号的动态响应特性理想的测试系统输出量与输入量随时间的变化规律相同

输出量与输入量随频率的变化规律相同实际的测试系统只在一定条件下输出量与输入量变化规律保持一致

一定的频率范围、一定的动态误差

系统的动态特性直接考察系统的微分方程比较困难，一般采用两种方法来描述

频率域利用系统的频率响应函数

时间域利用系统的阶跃响应函数只是在不同的域内观察3.3.1测量系统频率响应函数对测量系统来讲，主要利用频率响应函数描述系统的动态特性。频率响应函数：测试系统输入X（t）输出Y（t）频率响应函数3.3.1测量系统频率响应函数传递函数与频率响应函数的关系传递函数：（拉氏变换）频率响应函数：（傅氏变换，拉氏变换中a=0）对于任意输入信号

频率响应函数是传递函数的特例，反映频率域中输入与输出之间的传递关系。3.3.1测量系统频率响应函数频率响应函数的基本特性：

1）频率响应函数是测量装置物理性质决定的，与输入输出特性没有关系，与初始状态也无关系；

2）频率响应函数反映装置的传输特性而不拘泥于系统的物理结构；对于完全不同的物理系统，却可能有传递特性和形式完全相同的；3）测试系统的阶数，可以由传递函数中分母

的幂的次数n决定。3.3.1测量系统频率响应函数4）频率响应函数是频率

的函数，是复数5）频率响应函数反映了测试系统对不同频率成分输入信号的保真情况幅频特性：系统对不同频率信号的放大倍数---动态灵敏度相频特性：总是随频率变化——延迟幅频特性相频特性静态灵敏度大多是常数，反映输出幅值与输入幅值的比值。动态灵敏度通常是的函数，反映输出幅值与输入幅值的比值随着频率的变化规律。频率响应函数反映系统动态特性。系统静态灵敏度与动态灵敏度有无区别？3.3.1测量系统频率响应函数比较重要的静态特性指标灵敏度：单位输入引起的系统响应大小（放大能力）分辨率：单位响应对应的系统输入量（辨识能力）量程：正常工作条件下，测试系统能够测量的输入量范围精度：由线性度、迟滞等影响因素之和来确定，是综合特性线性定常系统的基本特性特性叠加性、可微性、同频性测量系统的频率响应函数频率频率响应函数是由测量装置的物理性质决定的频率响应函数反映装置的传输特性而不拘泥于系统的物理结构频率响应函数是频率的函数，是复数频率响应函数的幅频特性反映系统对不同频率信号的放大倍数

---动态灵敏度简单回顾测量系统的分类：理想测量系统：信号通过测试系统后，仍然保持信号原形，这种测量为理想测量。经测试系统测量后的信号，只要能够准确地、更有效地反映原信号的运动与变化状态、或保留原信号的特征和全部有用信息，则测试系统对信号的测量是不失真测量，称为理想测量系统。不同的测量系统，有不同的频率特性执行不同的测量功能，有不同的理想频率特性测试系统分类：

零阶、一阶和二阶环节是测试装置中最基本、最常见的测量系统；

任何高阶系统都可以由零阶、一阶和二阶环节以不同方式串、并联而成。

因此，本节对这几种典型测量装置分别进行研究。3.3.2实现不失真测量的条件1）零阶测量系统零阶系统时域特征:微分项系数为0

tAx(t)y(t)=S.x(t)具有延时的系统也属于0阶系统

测试系统输出的波形和输入波形精确地一致，

只是幅值放大了S倍和在时间上延迟了to系统延时不可避免敏感元件、测量电路延时等tAx(t)S.x(t)S.x(t-t0)比例放大器属于0阶系统3.3.2实现不失真测量的条件零阶系统频域特征y(t)=Sx(t)

Y(ω)=SX(ω)y(t)=Sx(t-t0)

Y(ω)=Se-jωt0X(ω）S-t0ω

0阶系统不存在因频率变化引起动态误差：信号无畸变的传输/保持信号原形。零阶系统的幅频和相频如下：3.3.2实现不失真测量的条件不失真测试系统——输出信号能够真实、准确地反映被测信号的测试系统称之为不失真测试系统具有延时的0阶系统（也称为延迟环节）定义为不失真测试系统

应用：作为实际测试系统幅、相频率特性的参考标准

相差越小，性能越好注意：虽然波形不失真，系统输出仍滞后一定的时间测量结果如果用来作为反馈控制信号，延迟有可能破坏系统的稳定性，应根据具体要求，力求减小时间滞后、或进行补偿。3.3.2实现不失真测量的条件不失真测试条件：

频率响应函数的幅值为常数、相位角随频率线性变化。主要内容3.4典型测量系统的动态特性3.3一般测试系统的动态特性3.2测试系统的静态特性3.1测试系统及其主要性质3.5动态测量误差及其补偿3.6传感器与测量系统的标定一阶测量系统一阶系统是惯性环节——输出按一定时间规律逐渐趋近输入值。微分方程：变换：

为时间常数,是零阶系统的灵敏度，是常数。实际中的一阶测量系统：(a)忽略质量的单自由度振动；(b)液柱式温度计；(c)RC积分电路；(d)光电传感器；(e)涡流传感器3.4.1一阶测量系统的动态特性

一阶测量系统的时域特征

用一阶系统的阶跃响应表征。

根据一阶系统微分方程：可得一阶系统的阶跃响应(令S=1)：

输入输出显然，时间常数越小，响应越快，动态特性越好。因此，将称为系统的特征参数。3.4.1一阶测量系统的动态特性

一阶测量系统的频域特征：

对一阶系统微分方程进行富氏变换，取S＝1，则有截止频率理想系统当:

可见，动态灵敏度是由特性参数决定的。有:截止频率一阶系统幅频特点？3.4.1一阶测量系统的动态特性一阶系统有以下特点：（1）一阶系统是一个低通环节：在低频段，各频率成分的幅值基本保持不变；在高频段，幅值与频率成反比；因此，一阶装置只适用于测量缓变或低频信号；（2）时间常数决定了一阶系统适用的频率范围，只有时，幅频特性才近似为1，当时，输出输入的幅值比降为0.707，相角滞后450。此点对应着输出信号的功率衰减到半功率的频率点。（3）

在所有频率范围均小于等于1。

对于一阶测量系统：为了扩大测量频率范围或为了减小测量误差，时间常数应该尽可能小还是大？3.4.1一阶测量系统的动态特性二阶测量系统实例：惯性式传感器（弹簧-质量-阻尼系统）磁电式传感器微分方程：变换：

系统特征参数：固有频率ωn、阻尼比ξ可见：固有频率与阻尼比是二阶测量系统本身的参数，是系统固有的。

3.4.2二阶测量系统的动态特性二阶测量系统的时域特征用二阶系统的阶跃响应表征：ξ=0，无阻尼系统，系统响应为等幅振荡，振荡频率为其固有频率ξ=0.707，临界阻尼，无振荡，且ξ>0.707时呈现过阻尼，可近似按一阶系统对待0<ξ<0.707，欠阻尼，衰减振荡阻尼比ξ直接影响超调量和振荡次数一般ξ选在0.6至0.7之间3.4.2二阶测量系统的动态特性

二阶测量系统动态特性的频域特征(取S＝1)可见，动态灵敏度A（ω）与特性参数ξ、ωn有关。幅频特性相频特性不失真测量条件与不失真测量条件比较可见：幅频特性不是一条直线；当输入信号是由多频率构成时，测量装置对不同频率的信号有不同的灵敏度，从而引起幅度失真——动态误差；同理，也存在相位失真。二阶系统频域特性图3.4.2二阶测量系统的动态特性可以看出：（1）二阶系统也是一个低通环节。当频率比远小于1时，幅值近似为1，而相位约等于零；当频率比远大于1时，幅值近似为0，而相位约等于1800;（2）二阶系统的A（ω）在一定频率范围小于1，在一定频率范围大于1；(3)当阻尼比大于、等于0.707时，不出现峰值；在阻尼比较小时，幅频特性出现峰值，峰值在频率比小于1时出现：（4）影响二阶系统动态特性的参数是固有频率和阻尼比，然而在通常可使用的频率范围内，又以固有频率的影响最为重要。问题：为了扩大测量频率范围或者为了减小测量误差，二阶系统的固有频率越大越好还是越小越好？阻尼比呢？峰值点频率比：峰值大小：3.4.2二阶测量系统的动态特性测量装置性能归纳测量系统物理参数性能图形理想系统(不失真测量系统)时域表达幅频特性相频特性特点全频不失真测量一阶系统时域表达幅频特性相频特性特点低通滤波特性时间常数决定系统动态性能，越小越好二阶系统时域表达幅频特性相频特性特点低通滤波特性、固有频率与阻尼比决定系统性能

、固有频率越大越好，阻尼比存在最佳值S-t0ω截止频率应用任何实际测试系统都存在一个有限的可用频率范围；测试系统的频响特性必须与被测信号的频率结构相适应；测量系统动态响应及其动态误差决定于测量系统的频率响应函数。主要内容3.4典型测量系统的动态特性3.3一般测试系统的动态特性3.2测试系统的静态特性3.1测试系统及其主要性质3.5动态测量误差及其补偿3.6传感器与测量系统的标定3.4.1测量系统的动态测量误差定义：测量系统输出信号波形与输入信号波形相比有畸变

（失真），畸变（失真）大小就是动态测量误差。动态测量误差的表征：在研究动态误差中，一般假设A(0)=1测量中一般只规定、研究幅值误差静态误差是由于信号幅值变化引起（非线

性、稳定性、重复性等），是确定的值。动态误差是频率的函数，由频率变化引起。一阶与二阶系统的高频误差大还是低频误差大？测量装置的静态误差与动态误差的区别是什么？3.5动态测量误差及补偿静态误差1)一阶测量系统的动态测量误差已知测量系统动态幅值误差为由于一阶系统A(ω)总是小于等于1，所以，一阶系统的误差一般规定为不同频率下的动态幅值误差如下表所示测试系统输入X（t）输出Y（t）可见：时间常数、动态幅值误差、可测最高频率三者间互相制约。3.5.1测量系统的动态测量误差实例（1）设计一个一阶测试系统，要求输入信号为200Hz时其输出信号的幅值误差不超过10％，其测量系统的截止频率应该是多少？测试系统输入X（t）输出Y（t）根据：则：因为：可知：3.5.1测量系统的动态测量误差（2）已知一阶测量系统，其频率响应函数试分析当测定信号为x(t)=sint+sin5t时，有无波形失真现象？误差为多少?可见：存在比较严重的波形失真现象；不同频率的输入产生的失真大小不同。用途：要能恰当选择一阶测量装置，必须首先对被测信号有概略的了解：（1）知道其幅值的变化范围，根据信号幅值变化范围选择仪器量程；（2）知道构成此信号的各频率成分的频率范围，根据频率范围去选择仪器频率范围。

已知：3.5.1测量系统的动态测量误差2)二阶测量系统的动态误差系统动态误差的定义为（A(0)=1）二阶系统的动态幅值误差为不同频率下的动态幅值误差如下表所示(ξ=0)由于可能大于1或小于1，所以，二阶系统的误差一般规定为可见：阻尼比、幅值误差、频率比三者间互相制约。3.5.1测量系统的动态测量误差结论：

（1）阻尼比可以显著影响二阶测量系统可用频率范围；

（2）二阶系统最佳阻尼比为0.6_0.7；

（2）通常可用频率范围为：0～0.6

。表3-1与对应的最佳阻尼比和可用频率比范围允许的测量误差最佳阻尼比可用频率比范围±100．540～1.028±50．590～0.867±20．630～0.692±10．660～0.5853.5.1测量系统的动态测量误差实例：有两个结构相同的二阶系统，其固有频率相同，但两者阻尼比不同，一个是0.1，另一个是0.65，若允许的幅值误差10％，问它们的可用频率范围是多少？解：求二阶系统的可用频率范围，实际上就是求幅频特性曲线与A(ω)＝1±ε两根直线的交点对应的横坐标坐标点1：0.303坐标点3：0.8153.5.1测量系统的动态测量误差3）动态误差与静态误差的区别？动态误差：被测信号的频率变化引起的误差——频响特性决定静态误差：被测信号的幅值变化引起的误差（非线性等特性决定）应用中优先考虑哪项误差？当被测信号的频率构成比较简单，而幅值变化比较大时，主要考虑非线性度误差，频率引起的误差可以修正当被测信号的频率构成比较复杂，而幅值变化较小时，主要考虑频响特性误差，而非线性度误差可以通过系统标定来减小当被测信号的频率构成比较复杂，并且幅值变化比较大时，频响特性误差和非线性度误差必须同时考虑3.5.1测量系统的动态测量误差动态灵敏度（动态误差）是频率的函数信号中有的成分被放大、有的被衰减、有的被完全滤掉！频域补偿：修正信号的主要频率分量：不同频率下的信号放大系数不同修改不同频率分量的幅值ωr测试系统输入X（t）输出Y（t）3.5.2动态测量误差的补偿方法测量目的：通过y(t)了解x(t)存在问题：由于频率响应函数不是一条直线

使得测得的输出发生畸变yc(t)，导致YC(jω)发生畸变。

修正方法：

已知测量系统频率响应函数：

对输出yc(t)进行富氏变换：

修正：由于频率响应函数特性使得输出畸变，利用上式消除了频率响应函数的影响。再进行复氏反变换这样得到的y(t)就是我们需要的被测量。ωr测试系统输入X（t）输出Y（t）注意：动态误差补偿时只有在频率响应函数不为零的频域里才是可行的，通过测试系统后完全消失的那些频率分量无法补偿。3.5.2动态测量误差的补偿方法主要内容3.4典型测量系统的动态特性3.3一般测试系统的动态特性3.2测试系统的静态特性3.1测试系统及其主要性质3.5动态测量误差及其补偿3.6传感器与测量系统的标定3.6传感器与测量系统的标定掌握静态特性的目的：

选择仪器：仪器特性与被测量（信号）匹配

确定输入输出关系：系统标定、定期校验静态特性的获得：规定的标准工作条件：温度、压力等高精度信号源产生已知的、准确的、不随时间变化的输入量xi高精度测量仪器测定被测系统对应的输出量yi数据处理获得反映系统静态响应特性的曲线或公式yx（静态下输入/输出）特性曲线测量系统静态特性定义：被测量不随时间变化或随时间变化很缓慢时测量系统的输入、输出及其关系的特性或技术指标。3.6.1传感器与测量系统的静态标定

任何一个测试系统，都需要通过实验的方法来确定系统输入、输出关系，这个过程称为标定。即使经过标定的测试系统，也应当定期校准，这实际上就是要测定系统的特性参数。目的：在作动态参数检测时，要确定系统的不失真工作频段是否符合要求。方法：用标准信号输入，测出其输出信号，从而求得需要的特性。标准信号:正弦信号、脉冲信号和阶跃信号。3.6.2传感器与测量系统的动态标定1.稳态响应法理论依据：方法：以频率为ω的正弦信号

x(t)=X0sinωt

作用于装置，在输出达到稳态后测量输出和输入的幅值比和相位差，则幅值比就是该ω对应的幅频特性值，相位差与该ω对应的即为相频特性值。3.6.2传感器与测量系统的动态标定

从接近零频率的足够低的频率开始，以增量方式逐点增加ω到较高频率，直到输出量减小到初始输出幅值的一半为止，即可得到A(ω)-ω；φ(ω)-ω特性曲线。一阶系统的幅频曲线●●●●●●●3.6.2传感器与测量系统的动态标定对于一阶测试系统，主要特性参数是时间常数

，可以通过幅频、相频特性数据直接计算

值。一阶系统的幅频、相频特性一阶系统的幅频特性曲线

3.6.2传感器与测量系统的动态标定对于二阶系统，通常通过幅、相频特性曲线估计其固有频率n和阻尼比。φ’(ω)=-1/ξ，所以，作出曲线φ(ω)–ω在ω=ωn处的切线，即可求出阻尼比ξ。

3.6.2传感器与测量系统的动态标定较为精确的求解方法

1）求出A(ω)的最大值及其对应的频率ωr；求出阻尼比ξ

；

2）由式3）根据，求出固有频率ωn。

由于这种方法中A(ωr)和ωr的测量可以达到一定的精度，所以由此求解出的固有频率ωn和阻尼比ξ具有较高的精度。欠阻尼系统（<1)3.6.2传感器与测量系统的动态标定2.脉冲响应法3.6.2传感器与测量系统的动态标定2.脉冲响应法3.6.2传感器与测量系统的动态标定振幅:振荡频率：振荡周期：推导3.6.2传感器与测量系统的动态标定

根据响应曲线上的振荡周期求出系统的振荡频率ωd，再求ωn3.6.2传感器与测量系统的动态标定代入2.脉冲响应法3.6.2传感器与测量系统的动态标定3.6.2传感器与测量系统的动态标定ThankYou!第4章常用传感器主要内容4.4其他常用传感器4.3发电式传感器4.2参数式传感器4.1概述主要内容4.4其他常用传感器4.3发电式传感器4.2参数式传感器4.1概述4.1概述基本概念信息检测中不可缺少的首要环节，直接影响测试系统的整体测试精度工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表传感器Transducer/Sensor/probe身体与机器人的对应关系图国家标准（GB7665—87）对传感器定义:感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。一个指定的传感器，只能感受规定的物理量：电量、非电量输入输出关系服从一定规律，可以复现——公认、标准传感器的输出信号中载有被测量信息，是能够传送的电信号、光信号、气动信号4.1概述4.1概述传感器的结构组成感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或