检测技术二测试系统特性PPT课件.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 DynamicRange 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 Deadband 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 2020 1 27 26 27 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 28 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 29 一阶系统 30 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 31 2 一阶系统 数学表述静态灵敏度时间常数 k k 32 一阶系统的频率响应函数为 幅频 相频特性曲线 33 Bode图 34 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 35 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 36 k 1 37 38 39 40 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 41 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 42 一阶和二阶系统的脉冲响应函数及其图形 e t t 43 44 二 系统对阶跃输入的响应 45 三 系统对任意输入信号的时域 频域响应 原点处 任意位置 46 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 47 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 48 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 49 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