测试装置的基本特性3

1、济南大学机械学院济南大学机械学院第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础本章学习要求：本章学习要求：1.建立测试系统的概念建立测试系统的概念2.了解测试系统特性对测量结果的影响了解测试系统特性对测量结果的影响 3.了解测试系统特性的测量方法了解测试系统特性的测量方法2.1 测试系统概论测试系统概论 2.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性 2.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 2.4 环节的串联和并联环节的串联和并联 2.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应 2.6 系统不失真测量的条件系统不失真测量的条件 2.8

2、 负载效应与测量系统的抗干扰负载效应与测量系统的抗干扰 2.7 测量装置动态特性测试方法测量装置动态特性测试方法 作业作业 济南大学机械学院济南大学机械学院2.7 测量装置动态特性测试方法测量装置动态特性测试方法 第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 对测量系统的静态参数进行测量时，一般以经过校准的对测量系统的静态参数进行测量时，一般以经过校准的“标准标准”静态量作为输入，绘出输入输出曲线。然后根据曲静态量作为输入，绘出输入输出曲线。然后根据曲线确定灵敏度、线性误差、回程误差。对测试系统动态特性，线确定灵敏度、线性误差、回程误差。对测试系统动态特性，其测量方法就要复杂得多，下面就

3、叙述其测量方法。其测量方法就要复杂得多，下面就叙述其测量方法。 济南大学机械学院济南大学机械学院第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 2.7.1 频率响应法频率响应法 通过通过稳态正弦激励稳态正弦激励可以求得系统的动态特性。可以求得系统的动态特性。 方法是：对系统输入正弦激励信号方法是：对系统输入正弦激励信号x(t)=Asin(2ft)，在系统达到稳态后测，在系统达到稳态后测量输出和输入的幅值比和相位差。这样可以得到频率量输出和输入的幅值比和相位差。这样可以得到频率f下系统的传输特性。从下系统的传输特性。从系统的最低测量频率系统的最低测量频率fmin到系统的最高测量频率到系统的最

4、高测量频率fmax，按一定的增量方式逐步，按一定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率增加正弦激励信号频率f，记录各频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就，记录各频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就可以得到系统的幅频和相频特性曲线。可以得到系统的幅频和相频特性曲线。 济南大学机械学院济南大学机械学院第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 对一阶系统，主要的动态特性参数是时间常数对一阶系统，主要的动态特性参数是时间常数,由一阶系由一阶系统的幅频特性公式可知，当统的幅频特性公式可知，当 707. 0)(A1 测量出半功率点对应的频率值测量出半功率点对应的频率值f后，就可以计算出一阶系统后

5、，就可以计算出一阶系统的时间常数。的时间常数。 )(211)(A济南大学机械学院济南大学机械学院第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 对二阶系统而言，主要的动态特性参数是系统固有频率对二阶系统而言，主要的动态特性参数是系统固有频率 和和阻尼系数阻尼系数。固有频率为系统幅频特性曲线峰值点对应的频率，。固有频率为系统幅频特性曲线峰值点对应的频率，阻尼系数则可以由峰值点附近的两个半功率点的频率计算。阻尼系数则可以由峰值点附近的两个半功率点的频率计算。 212n0.707济南大学机械学院济南大学机械学院第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 2.7.2 阶跃响应法阶跃响应法

6、用用阶跃响应法求阶跃响应法求测量系统的动态特性是一种简单易行的时测量系统的动态特性是一种简单易行的时域测量方法。测试时，根据系统可能存在的最大超调量来选择域测量方法。测试时，根据系统可能存在的最大超调量来选择阶跃信号阶跃信号的幅值，超调量大时应选择较小的输入幅值。的幅值，超调量大时应选择较小的输入幅值。 1、对一阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得系统的响对一阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得系统的响应信号。取系统输出值达到最终稳态值的应信号。取系统输出值达到最终稳态值的63%所经过的时间作所经过的时间作为时间常数为时间常数。0.63回顾回顾济南大学机械学院济南大学机械学院第二章第二章 测试

7、装置的基本特性测试装置的基本特性 2、对二阶系统来说，对系统输入阶跃信号对二阶系统来说，对系统输入阶跃信号，测得系统的响测得系统的响应信号。取系统响应信号一个振荡周期的时间应信号。取系统响应信号一个振荡周期的时间t tb b, ,可近似计算出可近似计算出系统的固有频率系统的固有频率 tbfn1取系统响应信号相邻两个振荡周期的过调量取系统响应信号相邻两个振荡周期的过调量M和和M1,可近似计算可近似计算出系统的阻尼系数出系统的阻尼系数 21lnMM济南大学机械学院济南大学机械学院第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 2.7.3 白噪声信号测量法白噪声信号测量法 由系统传输特性，若系统

8、输入为由系统传输特性，若系统输入为x(t)x(t)，系统时域特性为，系统时域特性为h(t)h(t)，系统输出为，系统输出为y(t)y(t)，则系统的输出为系统输入和系统时域，则系统的输出为系统输入和系统时域特性的卷积分，有特性的卷积分，有 )()()(thtxty系统输出的频谱为系统输出的频谱为 )()()(fHfXfY若选择系统输入为白噪声信号（在所有频率成分处若选择系统输入为白噪声信号（在所有频率成分处X(f)=1），则），则 )()(1)()()(fHfHfHfXfY 这时系统的频率特性等价于系统输出的频率特性，因此可这时系统的频率特性等价于系统输出的频率特性，因此可以通过测量输出信号的

9、频率特性来得到系统的频率特性。以通过测量输出信号的频率特性来得到系统的频率特性。 济南大学机械学院济南大学机械学院第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 由于实际的白噪声信号做不到严格的由于实际的白噪声信号做不到严格的X(f)=1X(f)=1，故实际系统，故实际系统频响函数的计算公式为频响函数的计算公式为 只要分别计算出输入信号和输出信号的频谱，然后相除就只要分别计算出输入信号和输出信号的频谱，然后相除就可以得到系统的频响函数。与频率响应法相比，实验效率提高可以得到系统的频响函数。与频率响应法相比，实验效率提高了许多。了许多。 )(/ )()(fXfYfH济南大学机械学院济南大学机

10、械学院 在实际测量工作中，测量系统和被测对象之间、测量系在实际测量工作中，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，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是各组成环节传递函数的叠加(并联并联)或连乘或连乘(串联串联)。 2.8 负载效应负载效应 未接入测量电路时，未接入测量电路时，R2上的电压降为：上的电压降为： 接入

11、测量电路后，接入测量电路后，R2上的电压降为：上的电压降为： 令令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得得:U0=90V,U1=64.3V，误差达，误差达28.6%。若将电压表测量电路负载电阻加大到若将电压表测量电路负载电阻加大到1M，则，则U1=84.9V，误差减小为，误差减小为5.76%。 第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 存在能量交换和相互影响存在能量交换和相互影响不再不再是是叠加叠加(并联并联)或连乘或连乘(串联串联)济南大学机械学院济南大学机械学院 在测量过程中，除了待测量信号外，各种不可见的、在测量过程中，除了待测量信号外，各种不可见的、

12、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号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。叠加在一起，严重扭曲测量结果。 测量系统的抗干扰测量系统的抗干扰 2.8 负载效应与测量系统的抗干扰负载效应与测量系统的抗干扰 济南大学机械学院济南大学机械学院2.8 负载效应与测量系统的抗干扰负载效应与测量系统的抗干扰 1)电磁干扰电磁干扰:干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。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。噪声或非线性畸变所造成的干扰。2)电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的 干扰。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。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