机械工程测试技术3测量装置的基本特性

第三章测量装置的基本特性,学习要求,1.掌握测量装置的静态特性2.掌握测量装置的动态特性3.掌握实现不失真测量的时、频域条件4.了解测量装置的动态特性的测量方法5.了解测量装置的负载效应和抗干扰措施,3.测量装置的基本特性,3.1概述,3.1概述,把测量装置作为一个系统来看待，工程测量问题化为处理输入、系统传输特性和输出三者之间的关系。,一、对测试装置的基本要求,理想的测试装置应该具有单值的、确定的输入输出关系，其中以输出和输入成线性关系最佳。实际的测试装置只能在一定工作范围和一定误差范围内满足线性要求。,3.1概述,时不变（定常）线性系统,二、线性系统及其主要性质,一般在工程中使用的测试装置都可以当作时不变线性系统处理。,3.1概述,1.线性系统,3.1概述,2.时不变线性系统性质,（1）叠加性,（2）比例性,（3）微分性,3.1概述,（4）积分性,（5）频率保持性,线性系统的叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。如从复杂输入信号频域角度分析其对应的输出。,如果测量时，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。,3.2测量装置的静态特性,3.2测量装置的静态特性,静态测量时系统的微分方程：,实际的测量装置的S不是常数，测量装置的静态特性就是对实际测量装置与理想定常线性系统的接近程度的描述。,测量装置输入输出曲线与理想直线的偏离程度，用测量装置校准曲线与规定直线之间的最大偏差表示。,1.线性误差,3.2测量装置的静态特性,校准曲线：被测量的实际值与测量装置示值之间的曲线，用规定直线拟合。,规定直线的确定方法,3.2测量装置的静态特性,2.灵敏度、鉴别力阈、分辨力,3.2测量装置的静态特性,灵敏度：系统输出信号的变化相对于输入信号变化的比值。,例：平板电容传感器,3.2测量装置的静态特性,鉴别力阈（灵敏阀，灵敏限）引起测量装置输出值产生一个可察觉变化的最小被测量变化值，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。,分辨力指示装置有效地辨别紧密相邻量值的能力，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。,一般认为数字装置的分辨力就是最后位数的一个字，模拟装置的分辨力位指示标尺分度值的一半。,3.2测量装置的静态特性,3.3测量装置的动态特性,3.3测量装置的动态特性,一、动态特性的数学描述,动态特性：测量装置在被测量随时间变化的条件下的输入输出关系。,1.传递函数,当输入和系统的初始条件全为零时，,3.3测量装置的动态特性,2.频率响应函数,幅频特性：,相频特性：,3.3测量装置的动态特性,频率响应函数函数的图象描述,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20lgA()-lg和()-lg曲线，两者分别称为对数幅频曲线和对数相频曲线，总称为伯德图（Bode图）。作Im()-Re()曲线并注出相应频率，称为奈魁斯特图（Nyquist图）。,3.3测量装置的动态特性,频率响应函数的优点,直观的反映了系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况。,3.3测量装置的动态特性,3.3测量装置的动态特性,重要结论,（1）频响函数是一系统对输入与输出皆为正弦信号传递关系的描述。它反映了系统稳态输出与输入之间的关系，也称为正弦传递函数。（2）传递函数是系统对输入是正弦信号，而输出是正弦叠加瞬态信号传递关系的描述。它反映了系统包括稳态和瞬态输出与输入之间的关系。（3）如只研究稳态过程的信号，则用频响函数来分析系统。如研究稳态和瞬态全过程信号，则用传递函数来分析系统。,若装置的输人为单位脉冲(t)，因(t)的傅立叶变换为1，因此装置输出y(t)的傅立叶必将是H(f)，记为h(t)，称它为装置的脉冲响应函数或权函数。,3.3测量装置的动态特性,2.脉冲响应函数,脉冲响应函数测量,实验求脉冲响应函数简单明了，产生一个冲击信号，再测量系统输出就可以了。,3.3测量装置的动态特性,3.3测量装置的动态特性,4.环节的串联和并联,（1）环节的串联,零初始条件下：,3.3测量装置的动态特性,（2）环节的并联,零初始条件下：,1.一阶系统,二、典型系统的动态响应,温度湿度酒精,3.3测量装置的动态特性,微分方程：,3.3测量装置的动态特性,3.3测量装置的动态特性,幅、相频特性曲线,3.3测量装置的动态特性,幅、相频特性对数图（Bode图）,3.3测量装置的动态特性,重要结论,（3）是一阶系统的重要参数，决定了适用频率范围。,（4）一阶系统Bode图可以用一条折线近似描述，在转折频率=1/处，误差最大（-3dB）。,3.3测量装置的动态特性,Nyquist图,3.3测量装置的动态特性,脉冲响应特性曲线,2.二阶系统,3.3测量装置的动态特性,3.3测量装置的动态特性,微分方程：,固有频率,阻尼比,静态灵敏度,3.3测量装置的动态特性,幅、相频特性曲线,3.3测量装置的动态特性,幅、相频特性对数图（Bode图）,3.3测量装置的动态特性,重要结论,（3）二阶系统是一个振荡环节，影响其动态特性参数是系统固有频率和阻尼比，,（4）二阶系统Bode图可用折线近似，在段，A()可用0dB水平线近似；在段，可用斜率为-40dB/10倍频或-12dB/10倍频的直线近似。,（5），很小；，,3.3测量装置的动态特性,Nyquist图,3.3测量装置的动态特性,脉冲响应特性曲线,3.4测量装置对任意输入的特性,3.4测量装置对任意输入的特性,一、系统对任意输入的响应,3.4测量装置对任意输入的特性,二、系统对单位阶跃输入的响应,1.单位阶跃函数,3.4测量装置对任意输入的特性,3.二阶系统单位阶跃响应,3.4测量装置对任意输入的特性,越高，系统响应越快；，系统以较短时间，进入和稳态值差的范围内。,阶跃响应函数测量,产生一个阶跃信号，再测量系统输出就可以测得阶跃响应函数。,3.4测量装置对任意输入的特性,设测试系统的输出、输入满足关系：,3.5实现系统不失真测量的条件,输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。认为测试装置具有不失真测量的特性。,3.5实现系统不失真测量的条件,不失真测量装置条件的幅频特性和相频特性应分别满足,做Fourier变换,频域条件,3.5实现系统不失真测量的条件,信号中不同频率成分通过测量装置后的输出,3.5实现系统不失真测量的条件,重要结论,3.5实现系统不失真测量的条件,（1）对一阶系统，越小，装置响应越快，近似满足测量不失真条件的频带也越宽；,（2）对二阶系统，在范围内，较小且接近直线，的变化不超过10%，波形输出失真很小；在时，可以获得较为合适的综合特性；如：当，的变化不超过5%，同时也接近直线，所产生的相位失真也很小。,3.6测量装置动态特性的测量,3.6测量装置动态特性的测量,测定测量装置动态特性的目的：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。,输入的标准信号：正弦信号、脉冲信号和阶跃信号。,测定测量装置动态特性的方法：用标准信号输入，测出其输出信号，从而求得需要的特性。,3.6测量装置动态特性的测量,一、频率响应法,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）。是最为精确的方法,3.6测量装置动态特性的测量,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、相频特性数据直接计算值。,幅频特性,相频特性,3.6测量装置动态特性的测量,对于二阶系统，通常通过幅频特性曲线估计其固有频率n和阻尼比。,在处，输出与输入的相位差为90o，曲线在该点的斜率反映了阻尼比的大小。缺点：相位的精确测量很难实现。,3.6测量装置动态特性的测量,二阶系统的幅频特性,令，当很小时，得：,或由确定,3.6测量装置动态特性的测量,二、阶跃响应法,1.由一阶装置的阶跃响应求其动态特性参数,3.6测量装置动态特性的测量,（2）改进方法：考虑了瞬态响应的全过程，可靠性高。,3.6测量装置动态特性的测量,2.由二阶装置的阶跃响应求其动态特性参数,严格的理论分析表明，它是以有阻尼固有频率作衰减振荡。,3.6测量装置动态特性的测量,3.6测量装置动态特性的测量,如果测得的响应瞬变过程较长，可以利用任意两个超调量来求阻尼比：,设两超调量Mi和Mi+n之间相隔n个周期，则：,在实际测量工作中，测量系统和被测对象之间、测量系统内部各环节相互连接会产生相互作用。接入的测量装置，构成被测对象的负载；后接环节成为前面环节的负载。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(并联)或连乘(串联)。负载效应产生的后果，有的可以忽略，有的对测量结果影响很大。,3.7负载效应,3.7负载效应,一、负载效应,负载效应实例分析,令R1=100K，R2=150K，Rm=150K，E=150V,得：U0=90V，U1=64.3V，误差达28.6%。若将电压表测量电路负载电阻加大到1M，则U1=84.9V，误差减小为5.76%。,3.7负载效应,对电压输出的环节，减轻负载效应的办法有：（1）提高后续环节（负载）的输入阻抗；（2）在原来两个相联接的环节之中，插入高输入阻抗、低输出阻抗的放大器，一方面，减小从前环节吸取能量，另一方面，在承受后一环节后能减小电压输出的变化；（3）使用反馈或零点测量原理，使后面环节几乎不从前环节吸取能量。,3.7负载效应,二、减轻负载效应的措施,在测量过程中，除了待测量信号外，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。,3.8测量装置的抗干扰,3.8测量装置的抗干扰,一、测量装置的干扰源,（1）电磁干扰：以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。,（2）信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。,（3）电源干扰：供电电源波动对测量电路引起的干扰。,一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元器件，印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰性。,3.8测量装置的抗干扰,供电电网内阻过大或网内用电设备过多会造成欠压，三相供电零线开路会造成某相过压。供电电压跳变持续时间t1s者，称为过压或欠压噪声。供电电压跳变持续时间1mst1s者，称为浪涌和下陷噪声。供电电压跳变持续时间t1ms者，称为尖峰噪声，主要是高频分量。,3.8测量装置的抗干扰,二、供电系统干扰及其抗干扰,1.电网电源噪声,（1）交流稳压器：可消除过压、欠压造成的影响；（2）隔离稳压器：初、次级间用屏蔽层隔离，减少级间耦合电容，从而减少浪涌和尖峰高频噪声的窜入；（3）低通滤波器：可以滤去大于50Hz市电基波的高频干扰；（4）独立功能块单独供电：消除各单元因共用电源而引起相互耦合所造成的干扰。,3.8测量装置的抗干扰,2.供电系统的抗干扰措施,（1）信道中元器件噪声干扰：由于测量通道中各种电子元器件所产生的热燥声、散粒噪声等；（2）信道中信号的窜扰：元器件排放位置和线路板信号走向不合理会造成的干扰；（3）长线传输干扰：对于高频信号来说，当传输距离与信号波长可比时，应该考虑此种干扰的影响。,3.8测量装置的抗干扰,1.信道干扰的种类,三、信道的干扰及其抗干扰,（1）合理选用元器件和设计方案：如尽量采用低噪声材料、放大器采用低噪声设计、根据测量信号合理选择滤波器等；（2）印刷电路板设计时元器件排放要合理：小信号区与大信号区要明确分开，并尽可能地远离；输出线与输入线避免靠近或平行；有可能产生电磁辐射的元器件尽可能地远离输入端；合理的接地和屏蔽；（3）在有一定传输长度的信号输出中，尤其是数字信号的传输可采用光耦合隔离技术、双绞线传输。双绞线能最大可能地降低电磁干扰的影响，对于远距离的数据传送，可采用平衡输出驱动器和平衡输入的接收器。,3.8测量装置的抗干扰,2.信道的抗干扰措施,3.8测量装置的抗干扰,四、接地设计,测量装置的地线是所有电路公共的零电平参考点，接地不当，会造成接地点电位差、