传感与测试技术-测试装置的基本特性

第二章测试装置的基本特性 有关概念测量装置的静态特性测量装置的动态特性实现不失真测试的条件负载效应测量装置的抗干扰 第二章测试装置的基本特性 本章内容 围绕测试结果能否如实反映被测信号这一测试中最重要的问题 探讨测试装置的静态 动态特性和不失真测试条件 本章要求 了解并掌握装置特性的描述方法与测定方法 熟悉常见的一阶装置的特性 掌握并能应用不失真测试条件 本章难点 动态特性描述方法 有关概念的建立与理解 频率响应和不失真条件的应用是本章的难点 第二章测试装置的基本特性 第一节概述学习要求了解测试装置的主要特性了解线性系统的主要性质 第一节概述 测量过程 已知转化量y t 和测量装置h t 求被测量x t 的过程 测量装置是否能够实现准确测量是由测量装置的特性决定的 被测量 转化量 静态特性是指输入不随时间而变化的特性 它表示测试装置在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系 静态特性是通过某种意义的静态标定过程确定的 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 测量对应的输出量 由此得到测量装置输入与输出的关系 一 测量装置的静态特性 一 测量装置的静态特性 电涡流传感器测位移 二 测量装置的动态特性 动态特性是指当被测量即输入量随时间快速变化时 测量输入与响应输出之间动态关系的数学描述 在研究测量装置的动态特性时 认为系统为线性定常系统可用微分方程 传递函数和频响函数及单位脉冲响应表示 确定动态特性的目的 了解实现不失真测量的频率范围 可得到可靠的测量结果和估计测量误差 二 测量装置的动态特性 测量铝件的温度 实际测量工作中 测量系统和被测对象会产生相互作用 测量装置构成被测对象的负载 彼此间存在能量交换和相互影响 以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加或连乘 负载特性是测试装置的固有特性 进行测量或组成测量系统时 要考虑这种特性并将其影响降到最小 三 测量装置的负载特性 三 测量装置的负载特性 例 集成电路芯片的温度测量 带探针的温度计会从芯片吸收可观的热源而成为芯片的散热元件 用质量为mf的传感器测量单自由度振动系统的振动 质量块质量为m 参与振动的质量成为m mf 从而导致系统固有频率下降 四 测量装置的抗干扰性 在测量过程中要受到电源干扰 环境干扰和信道干扰等多种干扰 其对测量结果的影响决定于测量装置的抗干扰能力和采取的抗干扰措施 第二章测试装置的基本特性 第二节测量装置的静态特性学习要求掌握测试装置的线性度 分辨力和灵敏度的概念了解测试装置其他静态特性 第二节测量装置的静态特性 测试装置的静态特性就是在静态测量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人们总希望测试装置的输入与输出成唯一的对应关系 而且最好呈线性关系 但一般情况下 输入输出不会完全符合所要求的线性关系 因测试装置本身存在着迟滞 摩擦等各种因素 以及受外界条件的各种影响 一 线性度 线性度 指测量装置输出 输入之间的关系与理想比例关系的偏离程度 用线性误差表示 线性误差 可用测量值与理想值之间的最大偏差来表示或用百分数表示 灵敏度 单位输入变化引起的输出的变化 即理想直线的斜率若测试系统的输出和输入的量纲相同 则灵敏度S无量纲 常称 放大倍数 二 灵敏度 三 分辨力 分辨力 引起测量装置的输出值产生一个可觉察变化的最小输入量 被测量 变化值称为分辨力 它表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力 数字装置的分辨力 最后位数的一个字模拟装置的分辨力 指示标尺分度值的一半 回程误差 在相同测试条件下和全量程范围A内 当输入由小增大和由大减小的行程中 同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值hmax即 一般是由滞后和死区造成的 四 回程误差 漂移 测量装置的特性随时间的缓慢变化 灵敏度漂移零点漂移 五 漂移 第二章测试装置的基本特性 第三节测量装置的动态特性学习要求了解测试装置动态特性的数学描述了解一阶系统的特性 一 动态特性的数学描述 定常线性系统的测试装置 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 一 动态特性的数学描述 1 传递函数 测量装置的微分方程为 在零初始条件下进行拉氏变换可得传递函数为 一 动态特性的数学描述 传递函数特点与输入及系统的初始状态无关 只表达了系统的传输特性 只反映了系统的传输特性而不拘泥于系统的物理结构 可以描述系统的输入信号和输出信号不具有相同的量纲时的转换及传输特性 正是通过系数来反映的 因此其系数具有量纲 传递函数中的分母取决于系统的结构 分子则和系统同外界之间的关系 如输入点的位置 输入方式 被测量等有关 一 动态特性的数学描述 2 频率响应函数定义 定常线性系统在正弦输入下的稳态输出为同频率的正弦信号幅频特性A 稳态输出与输入信号的幅值比相频特性 稳态输出对输入信号的相位差频率响应函数 二 一阶系统的特性 一阶系统 典型的一阶系统 一阶系统的数学描述 频率响应函数 传递函数 微分方程 结论 一阶测量装置适用于测量缓变或低频的被测量时间常数决定了该装置使用的频率范围 第二章测试装置的基本特性 第五节实现不失真测试的条件学习要求掌握实现不失真测试的一般条件了解一阶 二阶系统实现不失真测试的条件 一 实现不失真测试的一般条件 1 时域描述 设测试装置的输出y t 和输入x t 满足 y t A0 x t t0 其中A0和t0为常数 表明这个装置输出的波形和输入的波形精确地一致 只是幅值放大了A0倍 在时间上延迟了t0而已这种情况被认为测试装置实现了不失真测试 一 实现不失真测试的一般条件 2 频域描述 设测试装置的频域表达式为Y A ej X 不失真条件的频域描述y t A0 x t t0 Y A0 e j t0X A A0 常数 t0 则频率响应函数 对式作傅立叶变换 有 测量装置实现测量不失真的频率特性 输出波形不失真的条件 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 作业题 用一个时间常数为0 35s的一阶装置去测量周期分别为1s 2s 5s的正弦信号 问幅值误差将是多少 解 二 一阶系统不失真测试的条件 越小 测试装置的响应越快 满足测试不失真条件的通频带也越宽 所以一阶装置的 越小越好 A A0 常数 t0 三 二阶系统不失真测试的条件 A A0 常数 t0 第七节负载效应 一 负载效应定义 某装置由于后接另一装置而产生的种种现象称为负载效应产生原因 一个装置联接到另一装置上时发生了能量交换 一 负载效应 二 减轻负载效应的措施 电压输出环节 提高后续环节 负载 的输入阻抗在两个相联接的环节中 插入高输入阻抗 低输出阻抗的放大器使用反馈或零点测量原理 使后面的环节几乎不从前环节吸取能量 在组成测试系统时 要充分考虑各组成环节之间连接时的负载效应 尽量减小其影响 第八节测量装置的抗干扰 测量过程中 除待测量信号外 各种不可见的 随机的信号可能出现在测量系统中 这些信号与有用信号叠加在一起 严重扭曲测量结果 1 电磁干扰 干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统 良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰 2 信道干扰 信