测试技术 第3章 测量装置基本特性

测量装置是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。,第一节概述,复杂测量装置(轴承缺陷检测),第三章测量装置基本特性,第三章测量装置基本特性,一、静态测试和动态测试1静态测试输入量不随时间变化,2动态测试输入和输出都是随时间变化的信号,第三章测量装置基本特性,二、测试系统基本要求,理想测试系统：具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都只有单一的输出量与之对应。以输出和输入成线性关系最佳。,第三章测量装置基本特性,第三章测量装置基本特性,四、测量装置数学模型常系数线性微分方程,时不变线性系统性质:,1)叠加原理,2)比例特性,第三章测量装置基本特性,第二节测量装置静态特性,静态测量微分方程式,静态测量：测量装置的输入、输出信号不随时间而变化静态测量时，测试装置表现出的响应特性静态响应特性参数：线性度、滞后、重复度、灵敏度,第三章测量装置基本特性,一、线性度标定曲线与拟合直线的偏离程度若在标称(全量程)输出范围A内，标定曲线偏离拟合曲线的最大偏差为B非线性度=B/A100%,第二节测量装置静态特性,增益、放大倍数,注意：灵敏度越高，测量范围越窄，合理选择灵敏度。,三、灵敏度当测试装置的输入x有一增量x，引起输出y发生相应的变化y时，定义:S=y/x,系统灵敏度,第二节测量装置静态特性,四、重复性在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量时，其测量结果间不一致的程度,第二节测量装置静态特性,目的：1)根据信号频率范围及测量误差要求确定测量装置；2)已知测量装置动态特性，估算可测量信号的频率范围与对应的动态误差。,第三节测试装置动态特性,一、传递函数初始条件为零时，系统输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比。,在初始条件为零的条件下，系统输出y(t)的傅氏变换Y(j)与输入量x(t)的傅氏变换X(j)之比,二、频率响应特性,第三节测试装置动态特性,实验求传递函数原理依次用不同频率fi的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差i，绘制得到系统的幅频和相频特性曲线。,依据：频率保持性若x(t)=Asin(t+x)则y(t)=Bsin(t+y),第三节测试装置动态特性,优点：简单缺点：效率低,第三节测试装置动态特性,1.一阶系统惯性环节(非周期环节),三、常用测试装置传递函数,液柱式温度计、RC低通滤波器、弹簧-阻尼系统(1)一阶系统微分方程,令,时间常数，结构参数决定,第三节测试装置动态特性,(2)一阶系统传递函数,(3)一阶系统频率特性,传递函数,幅频特性,相频特性,第三节测试装置动态特性,2.二阶系统振荡环节质量-弹簧-阻尼系统、RLC电路、动圈式仪表,第三节测试装置动态特性,(2)二阶系统传递函数,(3)二阶系统频率特性,二阶系统动态特性参数：固有频率和阻尼率,幅频特性,相频特性,第三节测试装置动态特性,四、环节串联和并联,1.串联,第三节测试装置动态特性,2.并联,第三节测试装置动态特性,五、对测量装置要求：频率特性好，灵敏度高，响应快，时间滞后小,设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足：y(t)=A0 x(t-0),第三节测试装置动态特性,y(t)=A0 x(t-0)傅立叶变换,测量系统频率响应,波形不失真，满足：幅频特性相频特性,第三节测试装置动态特性,一、阶跃响应,1.一阶系统阶跃响应,当A=1时，输入为单位阶跃信号(函数)微分方程的解为(令S=1),若系统输入信号为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)，则X(s)=1/s，Y(s)=H(s)/s,输入阶跃信号,第三节测试装置动态特性,0,t,y(t)为指数曲线；y(0)=0，y()=1；在0到的时间范围内，存在过渡响应动误差；输出与输入差异越大。t=3或4为响应时间。,y(t),0.632,时间常数决定响应速度，减小动误差：减小时间常数。,第三节测试装置动态特性,例：桥梁固有频率测量,原理：在桥中悬挂重物，突然剪断绳索，产生阶跃激励，通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率,第三节测试装置动态特性,第三节测试装置动态特性,小型火箭激励装置,2.二阶系统阶跃响应,01(欠阻尼状态),第三节测试装置动态特性,=1(临界阻尼状态),稳态响应加上一单调的衰减项，系统无振荡。,第三节测试装置动态特性,阶跃响应性质：响应曲线形状3种；响应曲线形状取决于，在0.60.8之间；响应速度随固有频率的变化而不同,当一定，n越大，响应速度越快。,第三节测试装置动态特性,3)二阶系统时域动态性能指标,延迟时间td上升时间tr峰值时间tp响应时间ts超调量,第三节测试装置动态特性,二、频率响应1.一阶系统,输入正弦信号x(t)=x0sint，频率响应函数,幅频特性,相频特性,第三节测试装置动态特性,特点：当1/时，|H(j)|接近于1，输出与输入幅值几乎相等；当增大时，|H(j)|减小，()增大；当=1/时，|H(j)|=0.707（-3dB），=-45；=1/点转折频率越小，工作频率范围越宽，响应速度越快。,一阶系统减小动误差措施：采用时间常数小的测量系统。,第三节测试装置动态特性,A(),(),2)二阶系统输入正弦信号x(t)=x0sint，频率响应函数,第三节测试装置动态特性,幅频特性,相频特性,特点：低频段：频率比=/n很小时，A()1，()与/n近似线性关系,高频段：当频率比=/n1时，A()0，相位滞后近180,=/n=1时，A()=1/2，系统发生共振，幅频特性的幅值取决于，输出相位滞后90,=0.60.8存在谐振频率当0.707时，信号频率等于谐振频率时系统发生共振；当0.707时，系统无谐振，频率特性的模|H(j)|随增加而减小,3)动态误差与信号频率关系广义动态误差：测量系统频率特性H(j)，执行功能用理想频率特性表示H(0)，二者之间存在误差,一阶系统动态误差动态幅值误差,第三节测试装置动态特性,相位误差就是一阶系统相频特性,第三节测试装置动态特性,六、组建测量系统基本原则测量系统基本参数、静态性能、动态性能达到预先规定的要求根据测量系统规定的要求，选择、确定系统各环节(传感器、调理电路、数据采集系统)预估工作环节性能好，成本高；环节性能低，系统性能达不到规定要求,1.基本参数预估基本参数预估项目主要是分辨力和量程,第三节测试装置动态特性,按系统分辨力与量程要求、工作环境条件要求，确定传感器类型及灵敏度；进行放大器增益S2与A/D转换器S3的权衡测量范围较大，初定S2、S3往往不能同时满足分辨力、量程两方面要求，解决办法：,1)设置多种增益测量值较小用大增益，测量值较大用小增益2)一种增益多位A/D转换器(8、10、12位)测温分辨力要求0.1，量程上限160.0，8位A/D有256个分度值，10位A/D有1024个分度值均不能满足要求(160/0.1=1600)，必须选用11为以上的A/D(12位A/D有4096个分度值),1.动态性能预估测量动态信号的系统要满足动态性能要求例：动态信号最高频率fm=1kHz，动态幅值误差不大于5%，预估分别预估测量系统中模拟部分(传感器与放大器)、数字部分(数据采集系统)，从系统动态性能出发确定组成系统各环节的动态性能,1)模拟部分传感器与放大器的频率特性为,模拟部分总频率特性,动态幅值误差,传感器二阶系统，放大器一阶系统,2)数字部分数字部分与动态误差有关的指标：A/D转换器的转换时间TC、采样/保持器的孔径时间TAP与孔径抖动时间TAJ,不知道数值，按=0预估,转换时间TC选取保证A/D转换器转换误差不大于量化误差条件下，被测信号频率最大值,测量系统最高频率,测量系统最高频率,含有传感器的测量系统，系统的动态特性主要受传感