机械测试第二章

1、第一节第一节 概述概述第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性第四节第四节 测试装置对任意输入的影响测试装置对任意输入的影响第五节第五节 实现不失真测量的条件实现不失真测量的条件第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性第六节第六节 测量装置动态特性的测量测量装置动态特性的测量第七节第七节 负载效应负载效应第八节第八节 测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰1.测量装置的静态特性第一节第一节 概述概述测量装置的静态特性是通过某种意义的静态标定过程来确定的。静态标定过程如图2-1所示。图图2-1测量装置的静态标定如图2-2所示。第一节第一节 概述概述图图2-22. 标准和标准传递第一

2、节第一节 概述概述用来定量变量的仪器和技术统称为标准。标准传递如图2-3所示。图图2-33. 测量装置的动态特性第一节第一节 概述概述4. 测量装置的负载特性当被测量即输入量随时间快速变化时，测量输入与相应输出之间动态关系的数学描述。测量装置或测量系统：是由传感器、测量电路、前置放大、信号调理、直到数据存储或显示等环节组成。当传感器安装到被测物体上或进入被测介质：要从物体与介质中吸收能量或产生干扰，使被测物理量偏离原有的数值，从而不可能实现理想的测量，这种现象称为负载效应。5.测量装置的抗干扰性测量装置在测量过程中要受到各种干扰：包括电源干扰、环境干扰和信道干扰。自动控制原理：输出c（t）等于

3、系统的脉冲响应函数g（t）与输入r（t）的卷积。即c（t）= g（t）* r（t）其傅立叶变换为其傅立叶变换为C(w)=G(w)R(w)其拉氏变换为其拉氏变换为C(s) = R(s)G(s)第四节 测试装置对任意输入的影响一、脉冲响应函数一、脉冲响应函数线性度是指测量装置输入、输出之间的关系与理想比例关系的偏离程度。如图2-4a、b所示。第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性一、线性度一、线性度图图2-4灵敏度定义为单位输入变化所引起的输出的变化，通常使用理想直线的斜率作为测量装置的灵敏度值，如图2-4b所示。第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性二、灵敏度二、灵敏度图

4、图2-4回程误差也称为迟滞，是描述测量装置同输入变化方向有关的输出特性。如图2-5中曲线所示。e.G温度计放在杯子中测量水温，杯子一直加热。第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性三、回程误差三、回程误差图图2-5第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性四、分辨力四、分辨力引起测量装置的输出值产生一个可察觉变化的最小输入量变化值称为分辨力。零点漂移是测量装置的输出偏离原始零点的距离，如图2-6所示。第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性五、零点漂移和灵敏度漂移五、零点漂移和灵敏度漂移图图2-62. 频率响应函数当输入为脉冲时，其输出就称之为脉冲响应。第三节 测量

5、装置的动态特性而传递函数是在复数域中来描述系统的特性，比在时域中用微分方程来描述系统特性有许多优点。频率响应函数是在频率域中描述系统特性。3. 脉冲响应函数一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述一阶系统的伯德图如图2-10所示。第三节 测量装置的动态特性二、一阶系统二、一阶系统图图2-10一阶系统的脉冲响应函数如图2-13所示。第三节 测量装置的动态特性一阶系统的脉冲响应函数一阶系统的脉冲响应函数图图2-13二阶系统的幅频、相频特性曲线如图2-15所示。第三节 测量装置的动态特性二阶系统的特性二阶系统的特性图图2-15右图为伯德图。第三节 测量装置的动态特性二阶系统的特性二阶系统的特性右

6、图为奈奎斯特图所示。第三节 测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性二、一阶、二阶系统的特性一、 二阶系统在单位阶跃输入（图2-19）第四节 测试装置对任意输入的影响二、系统对单位阶跃输入的响应二、系统对单位阶跃输入的响应图图2-19一阶系统的单位阶跃响应如下图所示第四节 测试装置对任意输入的影响二、系统对单位阶跃输入的响应二、系统对单位阶跃输入的响应二阶系统的单位阶跃响应如下图所示= 0： 无阻尼； 0 1 过阻尼第四节 测试装置对任意输入的影响二、系统对单位阶跃输入的响应二、系统对单位阶跃输入的响应设有一个测量装置，其输出y（t）和输入x（t）满足下列关系：y（t）=A0 x（t-t0）

7、其中A0和t0都是常数第五节 实现不失真测量的条件二、系统对单位阶跃输入的响应二、系统对单位阶跃输入的响应这种情况被认为测量装置具有不失真测量的特性，如下图所示。第五节 实现不失真测量的条件二、系统对单位阶跃输入的响应二、系统对单位阶跃输入的响应幅值失真相位失真通常测量装置既会产生幅度失真，也会产生相位失真。第五节 实现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如下图所示二、系统对单位阶跃输入的响应二、系统对单位阶跃输入的响应通过稳态正弦激励试验可以求得装置的动态特性。 一阶系统：需要确定时间常数T。根据幅频与相频特性直接确定T值。第六节 测量装置动态特性的测量一、频率响应法一、频

8、率响应法通过稳态正弦激励试验可以求得装置的动态特性。 二阶系统：需要确定固有频率与阻尼比。通过幅频曲线来估计固有频率与阻尼比。第六节 测量装置动态特性的测量一、频率响应法一、频率响应法二阶系统：固有频率的估计。第六节 测量装置动态特性的测量一、频率响应法一、频率响应法第六节 测量装置动态特性的测量一、频率响应法一、频率响应法二阶系统阻尼比的估计：一阶系统的单位阶跃响应如下图所示。由图可知，在输出值为最终稳态值的63%时，所经过的时间为时间常数 T。第六节 测量装置动态特性的测量二、阶跃响应法（由一阶系统的阶跃响应求时间常数，方法一）二、阶跃响应法（由一阶系统的阶跃响应求时间常数，方法一）1.

9、由一阶装置的阶跃响应求其时间常数（方法二） 一阶装置的阶跃响应表达式：第六节 测量装置动态特性的测量二、阶跃响应法，二、阶跃响应法，由一阶装置的阶跃响应求其时间常数（方法二）由一阶装置的阶跃响应求其时间常数（方法二） /1t Tc te二阶系统的阶跃响应二阶系统的阶跃响应t)(tc)(ptc1ptst0欠阻尼比二阶装置的M-图如下图所示第六节 测量装置动态特性的测量二、阶跃响应法二、阶跃响应法 （二阶系统阻尼比的求法。方法一）（二阶系统阻尼比的求法。方法一）利用任意两个超调量来求阻尼比。 阻尼比的计算式：第六节 测量装置动态特性的测量nMMnii2ln二、阶跃响应法二、阶跃响应法（二阶系统阻尼

10、比的求法。方法二）（二阶系统阻尼比的求法。方法二）负载效应产生的后果，有的可以忽略，有的却是很严重的，不能对其掉以轻心。直流电路中的负载效应如图2-27所示。第七节 负载效应一、负载效应一、负载效应图图2-27（1） 提高后续环节（负载）的输入阻抗。第七节 负载效应二、减轻负载效应的措施二、减轻负载效应的措施（2） 在原来两个相联接的环节之中，插入高阻抗、低输出阻抗的放大器。（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。干扰窜入测量装置有三条主要途径如图2-28所示第八节 测量装置的抗干扰一、测量装置的干扰源一、测量装置的干扰源图图2-281. 电网电源噪声第八节 测量装置

11、的抗干扰二、供电系统干扰及其抗干扰二、供电系统干扰及其抗干扰把供电电压跳变的持续时间t 1s者，称为过压和欠压噪声。供电电压跳变的持续时间t 1ms者称为尖峰噪声。2. 供电系统的抗干扰第八节 测量装置的抗干扰二、供电系统干扰及其抗干扰二、供电系统干扰及其抗干扰尖峰噪声的主要成分是高频噪声。供电系统常采用的几种抗干扰措施：（1） 交流稳压器（消除欠压、过压的影响，保证供电稳定）（2） 隔离稳压器（去掉高频噪声）（3） 低通滤波器（去掉高频噪声）（4） 独立功能块单独供电。合理的供电系统1. 信道干扰的种类第八节 测量装置的抗干扰三、信道通道的干扰及其抗干扰三、信道通道的干扰及其抗干扰（1） 信

12、道通道元器件噪声干扰（2） 信号通道中信号的窜扰（3） 长线传输干扰电阻中的热噪声热噪声是在电阻一类导体中，自由电子的布朗运动引起的噪声。导体中的每一个自由电子由于其热能而运动。电子运动的途径，由于和其他粒子碰撞，是随机的和曲折的，即呈现布朗运动。所有电子运动的总结果形成通过导体的电流。电流的方向是随机的，因而平均值为零。然而，电子的这种随机运动还会产生一个交流电流成分。这个交流成分称为热噪声。热噪声电压，其平均值为零。串扰串扰在电子学上是指两条信号线之间的耦合现象。这是因为空间距离近的信号线之间会出现不希望的电感性和电容性耦合从而互相干扰。电容性耦合会引发耦合电流，而电感性耦合则引发耦合电压

13、。电感性耦合根据麦克斯韦定律，只要有电流的存在，就会有磁场存在，磁场之间的干扰就是串扰的来源。两条信号线距离越近，串扰现象越严重。八条平行的信号线进行信号传输时：可以让四条相互间隔的信号线先发送数据，而不让八条信号线同时发送数据，以减少串扰。（1） 合理选用元器件和设计方案（2） 印制电路板设计时元器件排放要合理（ 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。2. 信道通道的抗干扰措施双绞线双绞线（Twisted Pair）是由两条相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕的导线（一般以逆时针缠绕）。网线就是双绞线。双绞线可以极大的减少对外的电磁辐射1. 单点接地第八节 测量装置的抗干扰四、接地设计四、接地设计单点接地如图2-30所示图图2-302. 串联接地第八节 测量装置的抗干扰每个电路的地