第2章 测量方法与测量系统

第2章测量方法与测量系统,21电子测量的基本原理22电子测量的对象信号与系统2.3测量方法的分类概述24测量系统的静态特性2.5测量系统的动态特性,2.1电子测量的基本概念,2.1.1电子测量的意义20世纪30年代，便开始了测量科学与电子科学的结合，产生了电子测量技术处理信息最有效、最成功的是电子科学技术具有极快的速度具有极精细的分辨能力，很宽的作用范围。极有利于信息传递极为灵活的变换技术。巨大的信息处理能力,2.1.2电子测量的特点,（1）测量频率范围宽。被测信号的频率范围除测量直流外，测量交流信号的频率范围低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz）（2）量程范围宽。如数字万用表对电压测量由纳伏（nV）级至千伏（kV）级电压，量程达12个数量级（3）测量准确度高。例如，用电子测量方法对频率和时间进行测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到10-1310-14的数量级。（4）测量速度快。因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作（5）易于实现遥测（6）易于实现测量过程的自动化和测量仪器智能化,2.1.3电子测量的内容,从广义上说，电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量，即以电子科技理论为依据，以电子测量仪器和设备为工具，对电量和非电量进行的测量。从狭义上讲，电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量。,2.1.3电子测量的内容（续）,电子测量的内容是：（1）按具体的测量对象来分类，包括下列电参数的测量电能量的测量包括各种频率及波形下的电压、电流、功率、电场强度等的测量。电路参数的测量电信号特征的测量包括信号、频率、周期、时间、相位、调幅度、调频指数、失真度、噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量。电子设备性能的测量包括放大倍数、衰减、灵敏度、频率特性、通频带、噪声系数的测量。特性曲线的测量包括幅频特性曲线、晶体管特性曲线等的测量和显示。,2.1.3电子测量的内容（续）,（2）按基本的测量对象来看，电子测量是对电信号和电系统的测量：电子测量的基本对象是未知的信号与系统电子测量的基本工具是已知的信号与系统电子测量的基本工作机理是信号与系统的相互作用,2.2电子测量的对象信号与系统,2.2.1信号的基本概念测量的目的是获取被测对象的信息，信息描述了被测对象的状态及其变化方式。信号就是信息的某种物理表现方式，信号是信息的载体，是物质，具备能量。同一个信息可以用不同的信号来运载，反之，同一种信号也可以运载不同的信息。,2.2.2信号的分类,1.确定性信号和非确定性信号电子测量中被测信号大多是时间的函数x(t)，按其性质不同可分类如下：确定性信号：在相同试验条件下，能够重复实现的信号。非确定性（随机）信号：在相同试验条件下，不能够重复实现的信号。2.周期性信号与非周期性信号3.连续信号与离散信号,2.2.2信号的分类（续）,4.信号的空间分布结构许多信号，既具有时间特性、也还具有空间特性例如描述大气压随海拔高度变化的信号，其自变量表示海拔高度；描述飞机机翼上应变分布的信号，其自变量表示结构尺寸；,2.2.3系统的基本概念,信号的产生、传输、处理、存储和再现都需要一定的物理装置，这种装置通常就称为系统。从一般意义讲，系统是由若干相互依赖、相互作用的事物组合而成的具有特定功能的整体。1.系统的外部特性即系统的输入与输出之间的关系或系统的功能。,2.2.3系统的基本概念（续）,2.系统的内部结构测量系统的外部特性是由其内部参数也即系统本身的固有属性决定。系统模型指系统物理特性的数学抽象，即以数学表达式或具有理想特性的符号组合图形来表征系统的输入-输出特性,2.2.4被测系统的分类,1.单输入/输出与多输入/输出系统2.线性系统与非线性系统线性系统满足两个基本条件：叠加原理。系统的响应与输入信号的作用无关。线性系统对任意输入的响应都可用傅氏变换表示。输出信号的频谱函数为线性系统具有频率保持性。测量、分析或比较线性系统在正弦信号激励下的响应，就可以对系统的各种电气特性作出全面的评价,2.3测量方法的分类概述,2.3.1直接测量与间接测量（1）直接测量,用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值。（2）间接测量对与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x（或n个变量）进行直接测量，然后再通过函数，计算出待测量y。,2.3.2有源参量与无源参量的测量,被测对象可按有源量或无源量划分为两大类1.有源量的测量2.无源量的测量,2.3.3现代测试系统的组成,1.集中式多路测试系统,2.3.3现代测试系统的组成（续）,2.分布式多路测量系统网络化测量系统,2.3.4频域、时域、数域及随机域测量,1.频域测量技术：幅值和相位随频率的变化（1）正弦波点频法（2）正弦波扫频法2.时域测量技术：幅值随时间的变化测试信号是脉冲、方波及阶跃信号从理论上讲，时域函数的付里叶变换就是频域函数，而频域函数的付里叶逆变换也就是时域函数。,2.3.4频域、时域、数域及随机域测量（续）,4.随机测量技术：测量噪声信号和使用随机信号源噪声是一种与时间因素有关的随机变量，对噪声的研究使用概率统计方法主要包括下述内容：（1）噪声信号统计特性的测量，如时域中的均值、均方根性，频域中的频谱密度函数、功率谱密度函数等；（2）将已知特性的噪声作激励源对被测系统进行统计性测量，研究被测系统的特性；5.数字测量技术：测量数字系统的功能和故障诊断,2.4现代测试系统的静态特性,2.1测试系统的静态特性和动态特性概述测量系统(广义)指单台的测量仪器，和由多台仪器及设备等组成的完整测试系统，也可指组成测量系统中的某一环节或单元。测量系统的基本特性可分为两类：一类被测量是静止不变或变化极缓慢的情况，此时工作在静止状态下的测量系统，其输入与输出量间的函数关系，称为测量系统的静态特性；另一类是被测量不断变化的情况，此时，工作在动态下的测量系统其输入量与输出量间的函数关系称为测量系统的动态特性。,2.4.2测量系统的静态特性指标,1.静态特性的数学模型不线性时：,获得静态特性的方法：对一个测量系统进行标定或定期进行校准。即在规定的标准工作条件下（规定的温度范围、大气压力、湿度等），由高精度的标准发生器给出一系列数值已知的、准确的、不随时间变化的输入量xj，用高精度测量仪器测定被校测量系统对应输出量yj,得到由(xj,yj)数值列出的数表、绘制曲线或求得数学表达式，即为被校准的测量系统的输出与输入的关系，亦称之为静态特性。,非线性,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,2.静态特性的基本参数（1）零位（零点）当输入量为零x=0时，测量系统的输出量不为零的数值零位值为零位值应设法从测量结果中消除。例如可以通过测量系统的调零机构或者由软件扣除。,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（2）灵敏度是描述测量系统对输入量变化反应的能力。灵敏度：当静态特性为一直线时，直线的斜率即为灵敏度，且为一常数,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（3）分辨力又称灵敏度阈，它表征测量系统有效辨别输入量最小变化量的能力。对模拟式测量系统，其分辨力一般为最小分度值的1/21/5。（4）量程测量系统测量范围的上限值与下限值之差的模即称为量程。量程又称满度值，表征测量系统能够承受最大输入量的能力。,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,3.静态特性的质量指标（1）迟滞亦称“滞后”或“回差”，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大小到（反行程）两者静态特性不一致的程度。,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（2）重复性表征测量系统输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度重复性是指标定值的分散性，是一种随机误差，可以根据标准偏差来计算S子样标准偏差；K置信因子。,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（3）线性度测量系统的输出输入关系应当具有直线特性，线性度（又称非线性误差）说明输出量与输入量的实际关系曲线偏离其拟合直线的程度选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也就不同,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（4）准确度测量系统的准确度，俗称精度用准确度等级指数来表征.简化表示：一些国家标准未规定准确度等级指数的产品说明书中，常用“精度”作为一项技术指标来表征该产品的准确程度。通常精度A由线性度、滞环和重复性之和得出,2.4.3电子测量仪器的误差表示方法,以量程（满度值）的百分数（即满度误差，引用误差）的形式，给出仪器的准确度等级（或称精度等级）s。此时仪器误差为：以读数误差和满度误差的形式，给出仪器容许误差或基本误差，此时仪器误差为：,2.5测量系统的动态特性2.5.1测试系统动态特性的描述数学模型,测量系统的特性用数学模型来描述，主要有三种形式：时域中的微分方程；复频域中的传递函数；频域中的频率特性。1.微分方程,2.5.1测试系统动态特性的描述数学模型（续）,2.传递函数传递函数其表达式为在初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。传递函数有以下特点：H(S)和输入x(t)无关，它只反映测量系统本身固有的特性不同的物理系统可以有相同的传递函数。传递函数与微分方程等价。,2.5.1测试系统动态特性的描述数学模型（续）,3.频率响应函数对于稳定的常系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换频率特性是在初始条件为零的情况下，输出的傅里叶变换和输入的傅里叶变换之比从物理意义上说，通过傅里叶变换可把满足一定条件的任意信号分解成不同频率的正弦信号之和。,2.5.1测试系统动态特性的描述数学模型（续）,（1）幅频特性和相频特性幅频特性当输入正弦信号的频率改变时，输出、输入正弦信号的振幅之比随频率的变化相频特性输出、输入正弦信号的相位差随频率的变化,测试系统的动态数学模型和动态特性（续）,常见测量系统的数学模型一阶系统,幅频特性：,相频特性：,时间常数,测试系统的动态数学模型和动态特性（续）,一阶系统的阶跃响应特性与特性参数当系统输入阶跃信号x(t)时,响应为y(t),0.95A,2.5.3测量系统动态特性的评价指标及其测量,测量系统的动态特性可用动态性能指标进行评价。可采用两种方法：采用阶跃信号作为系统输入量，获得系统对阶跃响应的过渡过程曲线与在时域中描述系统动态特性的指标；采用正弦信号作为系统输入量，获得系统的频率响应特性与在频域中描述系统动态特性的指标。,2.5.3测量系统动态特性的评价指标及其测量（续）（1）时域测定法,二阶系统的阶跃响应方法1：使用最大超调量确定阻尼比方法2：利用任意两个超调量来求阻尼比,2.5.3测量系统动态特性的评价指标及其测量（续）,（2）频域测定法利用正弦激励，可得到系统的幅频特性，求出一阶系统时间常数、二阶系统的固有频率和阻尼比,由一阶系统幅频特性求时间常数,A(w)=0.707,本章小结,本章根据电子测量的基本对象信号与系统的特点，系统地阐述了电子测量的基本方法。为了实现对各种类型物理量的测量，可采用直接测量、间接测量和组合测量方法；为了测量有源的电能量和无源的电参量，可分别采用有源测量和无源测量方法；为了适应对被测对象的多源信息的测量，特别是对空间位置高度分散的多源信息的测量，可采用集中式或分布式的多路测量；当需要了解被测对象的时域或频域特性，或者测量随机信号和数字系统时，可采用时域、频域、随机域和数域测量；根据信号随时间变化的特点，相应地有静态、动态测量。,本章小结,测量系统的基本特性：（1）静态特性、（2）动态特性。典型的动态测量的信号：（1）脉冲瞬变的信号用于时域测试，得到阶跃响应（2）扫频的正弦信号用于频域测试，得到频率特性测量系统的静态特性：零位、灵敏度、分辨力、测量范围、迟滞、重复性、线性度等测量系统的动态特性：（1）频域指标.（2）时域指标.,习题,一、选择题：1.从基本的测量对象来看，电子测量是对()的测量。A.电信号B.电路电系统电参数2.测量系统的理想静态特性为（）y=Sx+S0B.y=SxC.y=SD.y=Sx+S0+x23.电子信息技术应用在电子测量中的优点有（）。A.速度极快B.分辨力高C.范围宽D.利于信息传递E.变换技术灵活,4.下列参量中有源量有（）。A.反射系数B.功率C.导