电工量计及检测技术第四章.ppt

第四章测量系统 传感器 滤波 放大 I V V f 指示仪表 打印机 计算机 电路单元 信号拾取 信号加工 信号记录与分析 基本功能 被测信号 输入装置 中间变换装置 输出装置 基本组成 图4 1测试系统的基本功能和组成 3 测量系统的静态特性 1 静态特性曲线 定义 根据测量系统的输入量值与输出量值实测的一一对应关系所确定的曲线 表达方式 a 代数方程 y a0 a1x a2x2 anxn a0为零点漂移 b 曲线 以输入量为横坐标 以与其对应的输出量作纵坐标而画出的曲线 理论特性曲线 由设计部门预先给定的静态特性曲线 静态校准曲线 在静态标准条件下 由实测得到的输入与输关系的静态特性曲线 定义 静态特性曲线的斜率 2 静态灵敏度 表达方式 多级测量系统的灵敏度 数字显示测量系统的灵敏度 例 将热敏电阻的特性曲线在工作点T1附近用直线来代替 解 对任意函数f x 在x1附近间隔为 x的相应的级数展开为 将上式用于本的例 可得 将 代入 得 3 线性度 定义 线性度是指实测校准曲线与某一参考直线偏离的程度 表达方式 通常用校准曲线偏离参考直线的最大偏差与满量程输出的百分比来表示 4 滞后误差 迟滞 定义 滞后误差是用来说明测量系统在正行程测量和逆行程测量时的输入与输出曲线不重合的程度 表达方式 用整个测量范围内的最大滞后量与满量程输出量的百分比表示 产生原因 分辨力 测量系统可能检出被测信号最小变化量的能力 表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力 它与量程有关 模拟指针仪表 数字显示仪表 5 分辨力 分辨率 灵敏度和灵敏限 灵敏限 在输入量由零变化到使输出量开始变化时的输入量的值 分辨率 分辨力与满量程的百分比 灵敏度 指单位输入量变化对应的输出量变化 6 可靠性 定义 指装置在规定期限内保持其运行指标不超限的情况下 执行其功能的性能 可靠性指标 平均无故障时间 可信任概率 故障率 有效度 a 平均无故障时间 MTBF 在标准工作条件下不间断地工作 相邻两次故障间隔时间的平均值 b 可信任概率P 表征由于元件参数的渐变而使仪表误差在给定时间内仍然保持在技术条件规定限度以内的概率 c 故障率 失效率 它是平均无故障时间MTBF的倒数 d 有效度 可用度 A MTTR 平均修复时间 8 稳定性指在规定工作条件范围内 在规定时间内系统性能保持不便的能力 9 影响系数 影响系数为指示值变化与影响量变化量的比值 10 输入电阻与输出电阻 A 0 0 y t A 0 0 x t y t 图4 14方波信号通过两种系统的波形变化 图4 15方波信号通过不失真系统时的波形 a H j T0 t 输入 输出 a 输出不失真地复现输入的理想情况 实际中不可能完全满足 只有在变化很慢 T0很大 的过程测量或静态测量时 才可能近似此情况 图4 15方波信号通过不失真系统时的波形 b H j Td t 输入 输出 b 输出不失真地复现输入 但产生滞后 只要不是用在控制系统中作为测量反馈信号 对测量来说应算作不失真测量 也是一种理想情况 图4 15方波信号通过不失真系统时的波形 c t 输入 输出 H j 上 c 相频特性是理想的 幅频特性在 上以下是理想的平直段 因此 对于输入信号中大于 上的频率成分在输出中基本得不到响应 使得输出会产生纹波 必须提高测量装置的 上 它适合于测量 上以下频率成分的信号 t 输入 输出 H j 下 图4 15方波信号通过不失真系统时的波形 d d 高频区特性理想 低频特性不好 被测过程变化缓慢时 测量不准 不适于测静态量 特别适用于动态测量 2 实验方法 时域中的微分方程 频域中的频率特性 复频域中的传递函数 4 3测量系统动态特性的研究方法 1 建立数学模型 测量仪器的常用激励信号的函数形式 4 4典型测量系统动态特性分析 1 一阶系统的动态特性 RC 时间常数 幅频特性 相频特性 当 1 时 趋近于1 当 1 时 0 707 3dB 45 当 1 时 时间常数 是反映一阶系统特性的特征参数1 点称为截止频率或拐角频率 0 1 0 2 0 5 1 0 2 5 10 0 1 0 2 0 3 2 0 1 0 0 7 0 5 0 4 图4 18一阶系统的幅频特性 H j 0 1 0 2 0 5 1 0 2 5 10 80 60 0 20 40 图4 19一阶系统的相频特性 系统固有角频率 阻尼比 2 二阶系统的动态特性 12 0 2 4 6 8 10 14 0 2 0 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 0t D 0 25 D 0 50 D 0 707 D 1 0 图4 21二阶系统的阶跃响应 幅度为1的阶跃信号 u0 ui 0 1 0 2 0 5 1 0 2 5 10 0 01 0 1 10 1 0 图4 22二阶系统的幅频特性 0 H j D 1 D 0 4 D 0 1 D 0 707 D 小 0 1 0 2 0 5 1 0 2 5 10 180 0 90 图4 23二阶系统的相频特性 0 D 0 707 D 0 707 D 0 1 小 D 二阶系统固有角频率 0和阻尼比D对系统动态特性的影响 D不同对应不同的响应曲线 即D值大小决定了阶跃响应趋于最终值的时间长短D值过大或过小趋于最终值的时间都过长 D值一定时 0越大 则响应速度越快 0越小 则响应速度越慢 固有角频率 0和阻尼比D是反映二阶系统特性的特性参数 实例 如何分析和改善电气系统的动态特性 电弧离子镀脉冲偏压电源与负载的仿真模型 es L0 RP CP R0 Plasmaload i u i A u kV 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 0 5 1 0 负载上电压和电流波形 仿真 t 20 s div 仿真条件 E 680V L1 100 H R1 0 3 RL 2k RP 450 CP 1800pF 负载上电压和电流波形 实验 u 500V div i 1A div 12 0 2 4 6 8 10 14 0 2 0 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 0t D 0 25 D 0 50 D 0 70 D 1 0 电弧离子镀负载回路对阶跃上升信号的响应 u2 u1 增加回路电感对脉冲波形前沿的改善效果 模拟条件 U1 700V R0 0 2 CP 2nF RP 400 RP CP u2 R0 L0 AIPPlasmaload L1 R1 C1 脉冲电源与电弧离子镀负载间的匹配电路 u1 利用L1支路的幅频特性与R1 C1支路的幅频特性恰好相反的特点 将这二个支路并联 使L1 R1 C1 R0和L0构成的 传输单元 的幅频特性与RP CP构成的 负载单元 的幅频特性相一致 从而使u2 u1的频响特性H j 可基本接近不失真系统频响特性 达到抑制脉冲电压的振荡和提高脉冲电压的上升速率的目的 107 10 102 103 104 106 105 f Hz 0 10 20 10 20 30 1 2 1 2 0 50 100 150 200 负载回路的频响特性曲线 无匹配电路时 模拟条件 L0 3 H R0 0 2 Cp 2nF Rp 400 1 幅频特性曲线 2 相频特性曲线 u2 u1 dB 0 40 0 10 20 30 50 60 70 80 t s b CP 20nF RP 150 L0 3 H R0 0 2 RS 100 CS 2nF L1 40 H C1 470nF R1 20 200 400 600 800 1000 u2 V 1200 0 t s a CP 2nF RP 400 L0 3 H R0 0 2 RS 100 CS 2nF L1 50 H C1 470nF R1 60 200 400 600 800 1000 u2 V 1200 0 40 10 20 30 50 60 70 80 2 1 2 1 1 匹配前2 匹配后 5 测量系统的负载效应 1 负载效应 表征测量装置或环节对被测对象或前一环节形成的影响 引起某些能量附加效果 它使被测量值或前一环节的输入信号发生某些偏离 被测对象 测量装置 能量转移 图4 28 电路 ES ZS ES ZS ZL Em 图4 29 2 电子测量系统的负载效应 输入仪表的实际信号为 1 0 1 0 E0 ES xi xt Rt Ri增加 Rt Ri 0 b 图4 30负载效应分析 变阻器式位移传感器 ES xt Rt Ri E0 xi M N P 3 广义负载效应 阻抗 Z 动力参量 流动参量 直线运动机械系统F 动力参量 力 v 流动参量 速度 旋转运动机械系统M 动力参量 力矩 流动参量 角速度 液压系统P 动力参量 液压 Q 流动参量 体流速 4 测量仪表的输入阻抗 系统阻抗是在高频下唯一实用的阻抗 由系统阻抗组成的系统 是在高频下唯一实用的系统 高输入阻抗10k 1M 把电压转移效率放在首位 系统输入阻抗 特征阻抗 50 75 等 把功率转移效率放在首位 传输线基本知识 电子在电路中的运动遵循电磁场理论 进行能量与信息的传递 1 传输线在电路中的作用 信号线均存在一个截止频率 2 特征阻抗 在理想情况 无损线路中R0 G0 0 下 3 反射系数 为反射电压与入射电压的比 ZL Z0 ZL Z0 4 阻抗匹配 传输线的负载阻抗等于传输线特性阻抗 发射机 放大器 50 输出阻抗 50 输入阻抗 50 传输线 50 传输线 50 天线 图4 32射频发射装置 50 输出阻抗 6 示波器测量系统 2 示波器探头 3 示波器系统对被测量的影响 4 示波器主要性能指标 1 示波器系统的组成 2 示波器探头 探头的功能 从被测电路 信号 中吸取最小的能量 并最大的逼真度传送到测量仪器 探头的结构和种类 结构 探针绝缘手柄 或其它腔体 电路 衰减或其它 同轴电缆接头 1 示波器系统的组成 示波器本体 探头 种类 按工作方式 a 无源探头 按测量信号的种类 按探头地与示波器地的关系 b 有源探头 电压 电流 逻辑 其它 传感器 变送器 特殊探头 a 单端探头b 差分探头 带宽 上升时间 探头系统理想的 3dB衰减最高频率 BW T上升 0 35 负载效应探头的负载效应主要是由其输入电阻和电容的反映 在低频 1MHZ 时 探头的负载主要是阻抗作用 在高频 10MHZ 时 探头的负载主要是容抗作用 衰减比 补偿范围指输入电容的调节范围 探头的主要性能指标 测量范围 探头的长度 探头的选用 在测试中尽量选用探头和带屏蔽的测试线 合理选择探头的带宽 注意探头的负载效应 探头的补偿问题 注意接地引线的电感 安全接地问题 探头的补偿 探头和示波器的负载效应导致被测电压减小 在低频时 该损耗取决于RS和Ri的电阻比值 在高频时 信号源电阻和CS与Ci的容抗成为决定损耗的主要因素 图包括信号源和示波器测量系统的模型 3 示波器系统对被测量的影响 重要公式 导致系统带宽减小和上升时间增加 t1 示波器系统上升时间t2 被测信号的实际上升时间t3 测得的信号上升时间 高斯型频率响应 模拟示波器平坦型频率响应 数字示波器 示波器的频率响应 示波器系统的带宽和测量精度 例 用平坦响应示波器以10 的精度测量上升时间为100ps 20 80 的信号 需要的带宽和最小采样率各为多少 若测量精度要求为3 需要的带宽为 0 4 100ps 1 4 5 6GHZ需要的最小采样率为 2 5 5 6GHZ 14GSa s 需要的带宽为 0 4 100ps 1 2 4 8GHZ 需要的最小采样率为 2 5 4 8GHZ 12GSa s 采样速率 每秒的取样次数 主要由A D变换器转换速率决定 存储容量 它表示数字存储示波器获取信号的能力 带宽 带宽决定示波器对信号的基本测量能力 应付高频信号的能力 它表示示波器的频率特性 一般用幅频特性的带宽来表征 4 示波器主要性能指标 8 本章要求 1 掌握测量系统的基本组成及其各部分的功能 2 掌握评价测量系统基本性能的方法及其主要