检测技术2测试系统特性.ppt

1,第二章,测试系统,2,2-1.测试系统的组成,3,检测系统构成,（信号检出部分）,（信号变换部分）,（分析处理部分、通信接口及总线）,4,2-2. 测试装置的主要性能指标,一、测试系统静态响应特性 1、静态特性： 常量/缓慢变化的输入情况下的输出特性。测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。,静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。,5, 测量范围（工作范围）（Range）：系统实现不失真测量时的最大输入信号范围。是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。,示值范围：显示装置上最大与最小示值的范围。 标称范围：仪器操纵器件调到特定位置时所得的示值范围。,1）基本功能特性,6, 灵敏度：系统输出信号的变化相对于输入信号变化的比值 S=k =dy/dx, 量程（跨度）： 测量范围上限与下限的算术差值( xmax - xmin),测量范围的导出量（下限为零时）,7,用以衡量在静态测量时，输入信号变化引起输出量的改变的 程度。,相对灵敏度,当测试装置的输入x有一增量x，引起输出y发生相应变化y时，定义: k=y/x,8, 动态范围（Dynamic Range）,跨度与绝对分辨力之比 系统对输入信号大小的综合检测能力,分贝数表示, 分辨力（Resolution）,能使系统输出发生变化所对应的最小的输入变化量。表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。,9,测量值与被测量真值之差 准确度, 示值误差（error）,2）精度特性 -决定系统在什么程度上完成所需的检测,10,线性度（linearity）, 重复性（Repeatability）,外界条件不变的情况下，对同一被测量多次重复测量时测量值之间的分散性 精密度,11,a) 最小二乘直线：标定值相对于该直线的误差平方和最小,b) 端点连线：连接最大与最小标定值的直线,参考直线,1 - 标定曲线,2 - 拟合直线,12, 回程误差（Hysteresis）, 迟滞/滞后误差,正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间，检测装置输入输出曲线的不重合程度,满量程输出yFS的百分比表示,13, 灵敏阈：又称死区(Dead band) 用来衡量测量起始点不灵敏的程度。, 漂移（Drift）稳定性,当系统输出信号不发生变化时所对应的输入信号的变化范围,系统元件的摩擦及空程等现象引起的,一定条件下，输入不变的情况下，检测装置的输出随时间变化的程度,14,2、动态特性,变化/动态信号。研究当测试与检测系统的输入和输出均为随时间而变化的信号时，系统对输出信号的影响。,动态测量 被测量本身随时间变化，而测量系统又能准确地跟随被测量的变化而变化,例：弹簧秤的力学模型,动态信号 幅值、时间、空间/频率,由系统元件的机械、物理及光、电、磁等特性决定。,动态特性 输入与输出在幅值与频率上的相互关系,15,无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。,二、测试系统的动态响应特性,16,三、测试系统基本要求,1、信号不失真 2、信噪比必须充分大； 3、应具有尽可能短的过渡过程和尽可能小的超调量。,17,2-3.测试系统的数学模型及频率特性,系统模型的划分： 线性系统与非线性系统 连续时间系统与离散时间系统 时变系统与时不变系统,18,一、测试系统的广义数学模型,19,常系数线性微分方程,20,叠加性： 引起的输出分别为 如输入为 则输出为 比例特性（齐次性）:如 引起的输出为 ， 则 引起的输出为 。 微分特性： 引起的输出为 积分特性： 引起的输出为 频率保持性：如 则,二 、线性系统的性质,21,三、传递函数,描述系统动态特性更为广泛的函数是传递函数 传递函数的定义：x(t)、y(t)及其各阶导数的初始值为零，系统输出信号的拉普拉斯变换(拉氏变换)与输入信号的拉氏变换之比，记为,22,23,四、环节的串联和并联,任何一个高阶系统总可以看成是若干个一阶、二阶环节的并联,24,输入正弦信号： x(t)=X0ejwt 暂态响应衰减消失后输出正弦信号： y(t)=Y0ej(wt+j),五、频率响应函数,25,以 代入（1）式，也可以得到频响函数，说明频率响应函数是传递函数的特例。,则线性系统的频响函数为：,26,六、频率特性及其图像,H(j)一般为复数，写成实部和虚部的形式：,27,A()- 曲线称为幅频特性曲线； ()- 曲线称为相频特性曲线。 实际作图时，常画出伯德图（Bode图） ： 20lgA()-lg曲线对数幅频曲线 ()-lg曲线对数相频曲线 作Im()-Re()曲线并注出相应频率，称为奈魁斯特图（Nyquist图）。,28,一阶系统,29,七、常见测试系统,系统阶次由输出量最高微分阶次确定。最常见的测试系统可概括为零阶系统、一阶系统、二阶系统。 1、零阶系统 数学表述 传递函数 k：静态灵敏度,30,2、一阶系统,数学表述 静态灵敏度 时间常数,k,k,31,一阶系统的频率响应函数为：,幅频、相频特性曲线,32,Bode图,33,一阶系统是一个低通环节。只有当远小于1/时，幅频响应才接近于1，而高频段是一条-20 (dB)/ 10倍频程斜线。因此一阶系统只适用于被测量缓变或低频的参数。 = 1/时，幅频特性降为原来的0.707（即3dB)，相位角滞后45o 。 时间常数决定了测试系统适应的工作频率范围。 Bode图近似一条折线，1/称作转折频率。 Nyquist图是一半圆，起点(=0)位于坐标点1，半圆中点= 1/ ，时趋于原点。,一阶系统的频率特性： p13图,34,数学表述 传递函数 频率响应函数： 静态灵敏度 系统固有频率 阻尼比,k,3、二阶系统,k,35,k =1,36,37,38,39,八、理想频率响应函数,如果输入输出信号满足： 若A0和t0都是常量，则认为是不失真测试。,40,2-4. 测量系统对瞬态激励的响应,一、系统对单位脉冲输入的响应 如果输入信号是单位脉冲信号(t) ，即:在时间内激发一个矩形脉冲S(t) ，其高度为1/ ，面积为1； 当0时，S(t)的极限就称为单位脉冲函数，记为(t)。,41,一阶和二阶系统的脉冲响应函数及其图形,e -t/t,42,43,二、系统对阶跃输入的响应,44,三、系统对任意输入信号的时域、频域响应,原点处,任意位置,45,因此由很多窄条叠加而成的 所引起的总的响应 应为各窄条分别的响应之和。 当 ，则,系统,ti,46,2-5. 测试系统频率特性的测定,测定频响函数的目的：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。 测定频响函数的方法：用标准信号输入，测出其输出信号，从而求得需要的特性。 输入的标准信号有正弦信号和阶跃信号。,47,一、正弦信号激励,理论依据： 方法：输入各种频率的正弦信号，检测系统的输出信号，作出对应频率成分的输出与输入信号的幅值比（幅频特性）和相位差（相频特性）。 逐点改变正弦信号的频率，测取系统输出信号对应各频率的幅值和相位，即可得到系统的幅频特性曲线和相频特性曲线。,48,对于一阶测试系统，主