第2章测试装置的基本特性

第2章测试装置的基本特性第1节概述第2节测试装置的静态特性第3节测试装置的动态特性第4节实现不失真测试的条件习题23一月2024第2章测试装置的基本特性本章重点：1、测试装置的动态特性及典型的一、二阶系统特性。2、测试装置实现不失真测试的条件。23一月2024引言：客观：信号分析反映了测试对象运动、变化的规律。主观：测试系统是由测试者设计或选用的，它反映了测试者对待测参数变化规律的认识。主观+客观相适应？第2章

第1节概述引言：测试是具有试验性质的测量从客观事物取得相关信息的过程在此过程中，借助专门设备—测试装置(系统)，设计相应的实验,采用合适的方法和必要的数学处理方法求得感兴趣的信息。测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。

测试的目的不同，测试系统复杂程度不同。

测试系统的性能直接影响测试的有效性。第2章

第1节概述第2章

第1节概述一、对测试装置的基本要求23一月2024(系统辨识)(反求)(预测)第2章

第1节概述一、对测试装置的基本要求23一月2024第2章

第1节概述一、对测试装置的基本要求23一月2024

理想的测试装置应该①输出和输入成线性关系。即具有单值的、确定的输入-输出关系。②系统为时不变线性系统。实际的测试装置①只能在较小工作范围内和在一定误差允许范围内满足线性要求。②很多物理系统是时变的。在工程上，常可以以足够的精确度认为系统中的参数是时不变的常数。第2章

第1节概述一、测试系统模型的分类23一月2024

a.线性系统与非线性系统线性系统:具有叠加性、比例性的系统

b.连续时间系统与离散时间系统连续时间系统:输入、输出均为连续函数.

描述系统特征的为微分方程.

离散时间系统:输入、输出均为离散函数.

描述系统特征的为差分方程.c.时变系统与时不变系统:由系统参数是否随时间而变化决定.

其中，线性时不变系统（线性定常系统）进行分析的理论和方法最为基础、最成熟，同时其它系统通过某种假设后可近似作为线性定常系统来处理。一般的测试系统都可视为线性定常系统，即可以用常微分方程描述的系统。

第2章

第1节概述二、线性系统及其主要性质23一月2024一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。第2章

第1节概述二、线性系统及其主要性质23一月2024第2章

第1节概述二、线性系统及其主要性质23一月2024

重要的结论（频率保持性）

线性系统具有频率保持特性的含义是输入信号的频率成分通过线性系统后仍保持原有的频率成分。如果输入是很好的正弦函数，输出却包含其他频率成分，就可以断定其他频率成分绝不是输入引起的，它们或由外界干扰引起，或由装置内部噪声引起，或输入太大使装置进入非线性区，或该装置中有明显的非线性环节。第2章

第1节概述二、线性系统及其主要性质23一月20243)比例性

常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即:

若x(t)→y(t)则kx(t)→ky(t)

4)微分性

系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即若x(t)→y(t)则x'(t)→y'(t)

第2章

第1节概述二、线性系统及其主要性质23一月20245）积分特性如系统的初始状态均为零，则系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分，即第2章

第2节测试装置的静态特性1、线性度

2、灵敏度、分辨力

3、回程误差

4、零点漂移和灵敏度漂移23一月2024第2章

第2节测试装置的静态特性一、线性度23一月2024第2章

第2节测试装置的静态特性一、线性度23一月2024确定拟合直线的方法1、端直直线：一条通过测量范围的上下极限点的直线

简单易行，与数据的分布无关，其拟合精度很低

2、最小二乘拟合直线：是在以测试系统校准数据与拟合直线的偏差的平方和为最小的条件下所确定的直线

保证所有测量值最接近拟合直线、拟合精度很高的方法第2章

第2节测试装置的静态特性二、灵敏度分辨力

23一月2024第2章

第2节测试装置的静态特性23一月2024分辨力“分辨力”是指指示装置有效地辨别紧密相邻量值的能力。即能引起响应量发生变化的最小机理变化量，用∆x。假设常用全量程范围内最大变化量为∆xmax

，则∆xmax与测试系统满量程输出值A之比的百分率表示其分辨能力，称为分辨率，用F表示：二、灵敏度分辨力

第2章

第2节测试装置的静态特性23一月2024注意：1、为了保证测试系统的测量准确度，工程上规定，测试系统的分辨率应小于允许误差的1/3，1/5或1/10。2、可通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提高分辨率。3、分辨率的大小应能保证在稳态测量时仪器的测量值波动很小，但分辨率过高会使信号波动过大，从而会对数据显示或校正系统提出过高的要求。因此一个好的设计应使其分辨率与仪器的功用相匹配。二、灵敏度分辨力

第2章

第2节测试装置的静态特性三、回程误差23一月2024原因：实际的测试系统，由于内部的弹性元件的弹性滞后、磁性元件的磁滞现象以及机械摩擦、材料受力变形、间隙等原因，使得相同的测试条件下，在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对应于同一输入量所得到的输出量往往存在差值。第2章

第2节测试装置的静态特性三、回程误差23一月2024第2章

第2节测试装置的静态特性三、零点漂移和灵敏度漂移23一月2024漂移是指测量特性随时间的慢变化原因：环境温度、大气压力、相对湿度以及电源电压等都可能对测量装置的输出造成影响。环境变化将或多或少地影响装置的某些静态特性参数。恒定输入在规定时间内的输出变化称为点漂；标称范围最低点的点漂，称为零点漂移灵敏度漂移是由于材料性质的变化引起的输入与输出关系的变化

在工程测试中，大量的被测信号都是随时间变化的动态信号。对于测试系统，要求能迅速而准确地测出信号的大小并真实地再现信号的波形变化，即要求测试系统在输入量改变时，其输出量也能立即随之不失真地改变。

例1：水银体温计测试系统对输入的时间响应例2：千分表测量振动物体振幅

频率响应第2章第3节测试装置的动态特性第2章

第3节测试装置的动态特性23一月2024一、动态特性的定义动态特性表示的是当输入信号为一随时间迅速变化的信号时，输出与输入之间的关系。二、动态特性的主要内容时间响应和频率响应是动态测试过程中表现出的重要特征三、动态特性的影响因素

1、输入量x(t),输入量的变化速度和加速度

2、测试系统的阻尼、质量的影响第2章

第3节测试装置的动态特性23一月2024

测试系统被视为线性时不变系统，据其物理结构和相关定律可建立起描述输入输出关系的线性微分方程，但使用时有许多不便。因此，除微分方程形式的数学模型之外，常通过拉普拉斯变换、傅立叶变换等建立其相应的“传递函数”，“频率响应函数”，来简便地描述测试装置或系统的动态特性。一、动态特性的数学描述第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述1、传递函数23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述1、传递函数23一月2024测试系统的复数域描述系统的初始条件为零时，输出y(t)的拉氏变换Y(s)与输入X(t)的拉氏变换X(s)之比H(s)就称为系统的传递函数。初始条件为零时，输入和输出的拉氏变换定义为上边右式。其中称为拉氏变换算子。实际上初始条件为零时上式的系数都是由系统本身固有属性决定的。由上式，传递函数是用复数形式来表示测试系统的动态特性。第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述1、传递函数23一月2024传递函数的特点：1）H(s)与输入x(t)及系统的初始状态无关，它只表达了系统的传输特性。2）H(s)只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理结构。即只要动态特性相似，无论是电路系统、机械系统都可用同类型的传递函数描述其动态特性。3）传递函数以测量装置本身的参数表示出输入与输出之间的关系，所以它将包含着联系输入量与输出量所必需的单位。4）H(s)中的分母取决于系统结构，分子是系统与外界之间的联系。一般测量装置总是稳定的系统，其分母的阶次总是高于分子的阶次，即n>m第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述23一月2024

频率响应函数是在频率域中描述和考察系统特性的。实际工程应用中，某些系统难以建立相应的微分方程和传递函数，传递函数本身的物理解释也不明确。与传递函数相比，频率响应函数的物理概念明确，容易通过实验来建立；由频率响应函数和传递函数的关系，可方便地得到传递函数。因此频率响应函数成为实验研究测试系统的重要工具。由频率保持性，简谐输入得到简谐输出，频率相同而幅值不同，其幅值比A＝Y0/X0是频率ω的函数记为A(ω)，定义为幅频特性；相位差也是ω的函数,记为，定义为相频特性,统称系统的频率特性。

2、频率响应函数(频率域描述)第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述2、频率响应函数23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述2、频率响应函数23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述2、频率响应函数23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述2、频率响应函数23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述2、频率响应函数23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述2、频率响应函数23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述2、频率响应函数23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述2、频率响应函数23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述3、脉冲响应函数（时域描述）23一月2024若输入为单位脉冲，即x(t)=δ(t),则X(s)=L[δ(t)]=1。装置的相应输出是Y(s)=H(s)X(s)=H(s),其时域描述可通过对Y(s)的拉普拉斯反变换得到h(t)常称为系统的脉冲响应函数或权函数。时域脉冲响应函数h(t)系统特性的描述频域频率响应函数H(ω)

复数域传递函数H(s)第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述3、脉冲响应函数（时域描述）23一月2024

系统特性的描述:

脉冲响应函数h(t)、频率响应函数H(ω)、传递函数H(s)第2章

第3节测试装置的动态特性一、动态特性的数学描述例题23一月20241、某系统的传递函数为，输入信号求信号的稳态响应。

系统输入信号频率解：由系统传递函数可得则系统的幅频特性和相频特性分别为：，可知系统输出信号频率也为，则，可得输出信号为：；且第2章

第3节测试装置的动态特性二、系统的串并联性质:环节的串联与并联23一月2024环节串联时两个传递函数各为和的环节，串联时系统的传递函数H(s)在初始条件为零时为：对几个环节串联组成的系统，有第2章

第3节测试装置的动态特性二、系统的串并联性质:环节的串联与并联23一月2024并联时因由n个环节并联组成的系统，有第2章

第3节测试装置的动态特性三、典型系统的动态特性23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性三、典型系统的动态特性1、一阶系统23一月2024数学表述形式一致传递函数

静态灵敏度时间常数

在工程实际中，一个RC电路和一个忽略了质量的单自由度振动系统在施于A点的外力f(t)作用下，其微分方程分别如下：第2章

第3节测试装置的动态特性三、典型系统的动态特性1、一阶系统23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性三、典型系统的动态特性1、一阶系统23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性三、典型系统的动态特性2、二阶系统23一月2024

第2章

第3节测试装置的动态特性三、典型系统的动态特性2、二阶系统23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性三、典型系统的动态特性2、二阶系统23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性三、典型系统的动态特性2、二阶系统23一月2024第2章

第3节测试装置的动态特性三、典型系统的动态特性2、二阶系统23一月2024第2章

第4节不失真测试的条件一、什么是不失真测试23一月2024第2章

第4节不失真测试的条件二、实现不失真测试的条件23一月2024第2章

第4节不失真测试的条件二、实现不失真测试的条件23一月2024第2章

第4节不失真测试的条件二、实现不失真测试的条件23一月2024引入：测量装置是由传感器、测量电路、前置放大、信号条理、数据存储或显示等环节组成。一、定义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量值，从而不可能实现理想的测量，这种现象称为负载效应。即某装置由于后接另一装置而产生的种种现象，称为负载效应。二、现象1、前装置的联接处甚至整个装置的状态和输出都将发生变化；2、两个装置共同形成一个新的整体，但其传递函数已不满足各环节串并联的规律。第2章

第5节负载效应三、减轻负载效应的措施（具体问题具体分析）对于电压输出的环节，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3、使用反馈或零点测量原理，使后面环节几乎不能从前环节吸收能量电阻抗的概念推广到广义阻抗第2章

第5节负载效应一、定义测量系统中的无用信号称为干扰。一个测量系统抗干扰能力的大小决定了该系统的可靠性。二、干扰的三个要素

1.干扰源产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信

2.传播途径传播途径是指干扰信号的传播路径。

3.接收载体接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数第2章

第6节测量装置的抗干扰三、干扰的种类

按照干扰源的位置，可分为外部干扰:来源于测试设备之外，与测试系统结构无关，由工作环境和使用条件所决定，它主要来自于自然界的干扰和电气设备的干扰内部干扰：测试系统内部由于设计不良或各种元件工作引起的干扰，包括长期干扰和瞬时干扰。第2章

第6节测量装置的抗干扰三、干扰的种类

按干扰的耦合模式分类，干扰分为以下五种类型：

1.静电干扰

2.磁场耦合干扰磁场耦合干扰是指大电流周围磁场对机电一体化设备回路耦合形成的干扰。

3.漏电耦合干扰漏电耦合干扰是因绝缘电阻降低而由漏电流引起的干扰，多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退化、器件本身老化的情况下。

第2章

第6节测量装置的抗干扰三、干扰的种类

按干扰的耦合模式分类，干扰分为以下五种类型：

4.共阻抗干扰共阻抗干扰是指电路各部分公共导线阻抗、地阻抗和电源内阻压降相互耦合形成的干扰,这是机电一体化系统普遍存在的一种干扰。如图7-1所示的串联接地方式，由于接地电阻的存在，三个电路的接地电位明显不同。

5.电磁辐射干扰由各种大功率高频、中频发生装置,各种电火花以及电台、电视台等产生的高频电磁波向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰。雷电和宇宙空间也会有电磁波干扰信号。

第2章

第6节测量装置的抗干扰四、干扰的抑制1、屏蔽技术屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽。 静电屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。第2章

第6节测量装置的抗干扰四、干扰的抑制2、隔离技术

1）光电隔离 光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是借助于光作为媒介物进行耦合的，因而具有较强的隔离和抗干扰能力。（2）变压器隔离 对于交流信号的传输,一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度第2章

第6节测量装置的抗干扰四、干扰的抑制2、隔离技术

3）继电器隔离 继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离。3、滤波技术 滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因而当接收器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。第2章

第6节测量装置的抗干扰四、干扰的抑制4、接地技术安全接地是指各种设备的外壳与大地相连，其目的是为保障人身和设备的安全工作接地是指系统的输入信号与输出信号的公共零电位，它本身可能与大地是隔离的。1）单点接地图所示是并联一点接地方式。这种方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。

第2章

第6节测量装置的抗干扰四、干扰的抑制4、接地技术2）多点接地多点接地所需地线较多，一般适用于低频信号。若电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。如图所示，各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上

第2章

第6节测量装置的抗干扰四、干扰的抑制4、接地技术3）地线的设计机电一体化系统设计时要综合考虑各种地线的布局和接地方法。图所示是一台数控机床的接地方法。

第2章

第6节测量装置的抗干扰四、干扰的抑制4、接地技术4）模拟地和数字地现代测量系统都同时具有模拟电路和数字电路。采用两套整流电路分别供电给模拟电路和数字电路，它们之间采用光耦合器耦合。第2章

第6节测量装置的抗干扰五、干扰窜入测量装置的三条途径

1、电磁场的干扰以电磁波辐射的方式经空间窜入测量装置2、信道干扰信号在传输过程中，通道中各元器件产生的噪声或非线形畸变所造成的干扰3、电源干扰

由于电源波动、市电电网干扰信号的窜入以及装置供电电源电路内阻引起各单元电路相互耦合造成的干扰措施：良好的屏蔽及正确的接地

第2章

第6节测量装置的抗干扰六、供电系统干扰及其抗干扰

1、电网电源噪声

a.把供电电压跳变的持续时间者，称为过压和欠压噪声。供电电网内阻过大或网内用电器过多会造成欠压噪声。三相供电零线开路可能造成某相过压。

b.供电电压跳变的持续时间者，被称为浪涌和下陷噪声，它主要产生于感应性用电器在开、关机时产生的感应电动势。

c.供电电压跳变的持续时间者，被称为尖峰噪声，它产生的原因较复杂，用电器间断的通断产生的高频分量、汽车点火器所产生的高频干扰耦合到电网都可能产生尖峰噪声。第2章

第6节测量装置的抗干扰六、供电系统干扰及其抗干扰

2、供电系统的抗干扰（1）交流稳压器它可消除过压、欠压造成的影响，保证供电的稳定。（2）隔离稳压器由于浪涌和尖峰噪声主要成分时高频分量，它们不通过变压器级圈之间互感耦合，而是通过线圈间寄生电容耦合的。隔离稳压器一次、二次侧间用屏蔽层隔离，减少级间耦合电容，从而减少高频噪声的窜入。（3）低通滤波器可滤去大于50HZ市电基波的高频干扰。对于50Hz市电基波，则通过整流滤波后也可完全滤波（4）独立功能块单独供电可基本消除各单元因共用电源而引起相互耦合所造成的干扰。第2章

第6节测量装置的抗干扰七、信道通道干扰及其抗干扰

1、信道干扰的种类