2-测量方法与测量系统

第2章测量方法与测量系统,2.1电子测量的基本概念2.2电子测量的对象信号与系统2.3测量方法的分类概述2.4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包括电阻、电感、电容、阻抗、品质因数、电子器件参数等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,信号的特点：信号是用变化着的物理量来表示信息的一种函数信号中包含着信息，它是信息的载体，具有能量（有能源）。被测对象的信息感知阶段的任务，是要把信息变换成信号信号不是信息本身，必须对信号进行测量后，才能从信号中提取出信息，这是电子测量的根本目的,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。确定性信号又分为：恒定（直流）信号；周期信号（简谐周期信号和复杂周期信号）；非周期信号（准周期信号和瞬变冲激信号）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。随机信号又分为：平稳随机信号；非平稳随机信号,2.2.2信号的分类（续）,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.时限信号和频限信号时限信号是指信号在时间的有限区间（t1，t2）内有定义、在区间之外信号值恒等于零的信号，称为时域有限信号例如，矩形脉冲、正弦脉冲等。而周期信号、指数信号、随机信号等，则为时域无限信号。频限信号是指在频率域内只占据有限的带宽（f1f2）、在这一带宽之外信号值恒等于零的信号，称为频域有限信号,2.2.2信号的分类（续）,（5）信号的时间特性和频率特性时间特性：反映在信号随时间变化的波形上，包括信号出现时间的先后、持续时间的长短、重复周期的大小、随时间变化速率的快慢、幅度的大小等等。频率特性：一个复杂信号可以分解成许多不同频率的正弦分量，即具有一定的频率成分。将各个正弦分量的幅度和相位分别按频率高低依次排列就成为频谱。信号的频谱包含了信号的全部信息。（6）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时不变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时延无关,2.2.4被测系统的分类（续）,3.即时系统与动态系统即时系统（瞬时系统或无记忆系统）：系统在任何时刻t的输出都只与该时刻的输入有关动态系统（存储系统或有记忆系统）：在时刻t的输出不仅与该时刻的输入有关，而且还与该时刻以前或以后的输入有关。记忆系统的输入输出关系是一般是微分或差分方程4.模拟系统与数字系统模拟系统是分析和处理模拟信号的系统数字系统是分析和处理脉冲与数字信号的系统,2.2.5系统的可测性与可控性,系统可观测系统的属性（事物内部自身运动的表现）能通过周围环境表现出来，也就是说，能通过外部世界观测到系统是可控系统（事物内部运动）能接收周围环境的影响，变更系统的运动状态,图2-5被研究系统的外部特性框图,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（2）间接测量（3）组合测量,2.3.2有源量测量与无源量测量,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集中式与分布式的多路测量,1.集中式多路测试系统,图2-8集中式多路测量系统,不同途径不同时间不同空间不同表达式不同可信度不同确定度,2.3.3集中式与分布式的多路测量（续）,2.分布式多路测量系统图2-9分布式多路测量系统（a）网络化测量系统（b）无线电遥测系统,2.3.4频域、时域、数域及随机域测量,时域测量技术频域测量技术随机测量技术数字测量技术,脉冲波测试信号,噪声信号,二进制的数字信号,正弦波测试信号,1.频域测量技术（1）正弦波点频法（2）正弦波扫频法2.时域测量技术测试信号是脉冲、方波及阶跃信号3.频域测量和时域测量比较频域测量和时域测量是测量线性系统性能的两种方法，是从两个不同的角度去观测同一个被测对象，其结果应该是一致的从理论上讲，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三个内容：（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（3）在背景噪声信号不可忽略时对信号、特别是微弱信号的精确测量,2.3.4频域、时域、数域及随机域测量（续）,5.数字测量技术对数字系统进行测量的基本方法是：在输入端加激励信号，观察由此产生的输出响应，并与预期的正确结果进行比较，一致则表示系统正常；不一致则表示系统有故障。,LSI测试系统的简化框图,2.3.5静态、稳态和动态测量,1.静态测量与动态测量的基本概念静态测量：对不随时间变化的（静止的）物理量进行的测量动态测量：对随时间不断变化的物理量进行的测量,2.3.5静态、稳态和动态测量（续）,2.静态、稳态和动态测量的基本方法静态（直流）测量技术测量原理、方法、手段最简单，测量过程不受时间限制，测量系统的输出与输入二者之间有着简单的一一对应的关系和理想的特性，而测量精度也最高。稳态（交流）测量技术用幅值随时间按正弦规律变化的电信号（最简单的周期性信号）作被测系统的激励，然后观测在此激励下的输出响应，以频率为变量对被测线性系统进行测量。正弦测量技术可以测线性系统的稳态参数，线性系统的稳态参量是指系统的阻抗、增益或损耗、相移、群延迟和非线性失真度，以及这些参量随频率变化的情况,动态（脉冲）测量技术，自然界存在大量瞬变冲激的物理现象，如力学中的爆炸、冲击、碰撞等，电学中的放电、闪电、雷击等，对这类随时间瞬变对象进行测量，称为动态测量和瞬态测量。瞬态测量技术有两种方式：一种是测量有源量，测量幅值随时间呈非周期形变化（突变、瞬变）的电信号；另一种是测量无源量，是以最典型的脉冲或阶跃信号作被测系统的激励，观察系统的输出响应（随时间的变化关系），即研究被测系统的瞬态特性。,在电子测量中常见的动态信号有两种：幅值随时间变化的信号：指非周期性信号、幅值瞬变或跃变信号频率随时间变化的信号：指正弦波扫频信号或频率瞬变的周期性信号,2.4测试系统的静态特性,2.4.1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由其输入、输出的关系来表征，它是测量系统所呈现出的外部特性，并由其内部参数也即系统本身的固有属性所决定。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.静态特性的表征和获取(1)数学模型当被测对象处于静态时，也就是测量系统的输入为不随时间变化的恒定信号，在这种情况下测量系统输入与输出之间呈现的关系就是静态特性(2)静态标定静态标定就是在一定的标准条件下，利用一定等级的标定设备对测量系统进行多次往复测量的过程,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）测量范围、量程（2）零位（零点）,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（3）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,图2-14测量仪表的灵敏度,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,多级测量系统的灵敏度若测量系统是由灵敏度分别为S1，S2，S3等多个相互独立的环节组成时，测量系统的总灵敏度S为,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（4）分辨力与分辨率又称灵敏度阈，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对具有数字显示器的测量系统，其分辨力是当最小有效数字增加一个字时相应示值的改变量，也即相当于一个分度值对于一般测量仪表的要求是：灵敏度应该大而分辨力应该小,（5）漂移时漂、温漂,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“滞环”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,图2-17,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（2）重复性计算标准偏差的两种方法：级差法贝塞尔公式（Bessel）,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（3）线性度,图2-20线性度,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用不确定度来表征简化表示：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,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,（5）可靠性装置在规定的时期内及在保持其运行指标不超限的情况下执行其功能的性能。反映产品是否耐用的一项综合指标。平均无故障时间MTBF在标准工作条件下不间断地工作，直到发生故障而失去工作能力的时间称作为无故障时间可信任概率P表示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。故障率或失效率平均无故障时间MTBFF的倒数,2.4.2测量系统的静态特性指标（续）,(6)输入电阻与输出电阻输入电阻与输出电阻值对于组成测量系统的各环节而言甚为重要,2.4.3电子测量仪器的技术条件及误差的表示方法,1.技术条件技术条件是规定仪器的用途、工作特性、工作条件，以及运输、贮存条件的技术文件。所以，它既是设计制造厂商的产品标准，也是用户正确使用和维护仪器的重要依据。仪器的用途：是研制或使用仪器的目的，它决定了仪器的功能，同时与仪器的工作条件、工作特性等密切相关。测量仪器的工作特性：是用数值、公差范围等来表征仪器性能的量值，习惯上又称为技术指标。分为电气工作特性和一般工作特性两类仪器的工作条件：分基准、额定和极限三种。,2.5测量系统的动态特性2.5.1描述测量系统动态特性的数学模型,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,(2-62),2.传递函数为简化运算，通常采用拉普拉斯变换来研究线性微分方程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,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。频率响应函数在频率域中反映一个系统对正弦输入的稳态响应，故又称其为正弦传递函数,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,4.常见测量系统的数学模型一阶系统二阶系统,1频率特性与特征参数,2.5.2测量系统的动态特性参数,图2-29一阶系统频率特性,幅频特性,相频特性,二阶系统频率特性,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阶跃响应特性与特性参数,二阶系统的阶跃响应,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.测量系统的动态性能指标的测定包括静态标定和动态标定动态特性指标的实验测量方法有时域测定法和频域测定法,2.5.3测量系统动态特性的评价指标及其测量（续）,（1）时域测定法时域法一般是通过测量测试系统对单位阶跃信号的响应来确定其动态特性参