机械工程测试技术基础课件第三版-第二章

1、2,1.测量装置的静态特性,第一节 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2-1,3,测量装置的静态标定如图2-2所示。,第一节 概述,图2-2,4,2. 标准和标准传递,第一节 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2-3,5,3. 测量装置的动态特性,第一节 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

2、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。,6,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 测量装置的静态特性,一、线性度,图2-4,7,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 测量装置的静态特性,二、灵敏度,图2-4,8,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

3、-5中曲线所示。,第二节 测量装置的静态特性,三、回程误差,图2-5,9,第二节 测量装置的静态特性,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。,10,零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 测量装置的静态特性,五、零点漂移和灵敏度漂移,图2-6,11,1. 传递函数,（3） 对于实际的物理系统，输入x(t) 和输出y (t)都具有各自的量纲,第三节 测量装置的动态特性,一、动态特性的数学描述,（1） H（s）与输入x(t)及系统的初始状态无关，它只表达系统的传输特性,传递函数的特点,（2） H（s）是物理系统的微分方程,（4

4、） H（s）中的分母取决于系统的结构。,12,2. 频率响应函数,脉冲响应函数可视为系统特性的时域描述。,第三节 测量装置的动态特性,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,13,1. 一阶系统,第三节 测量装置的动态特性,二、一阶、二阶系统的特性,图2-9所示的三种装置分属 于力学、电学、热学范畴的装置， 但它们均属于一阶系统，均可用 一阶微分方程来描述。,一阶系统的输入、输出关系用一阶微分方程来描述。,图2-9,14,一阶系统的伯德图 如图2-10所示。,第三

5、节 测量装置的动态特性,二、一阶、二阶系统的特性,图2-10,15,奈奎斯特图如图2-11所示。,第三节 测量装置的动态特性,二、一阶、二阶系统的特性,图2-11,16,以无量纲系数为横坐标所绘制的幅、相频率特性曲线如图2-12所示。,第三节 测量装置的动态特性,二、一阶、二阶系统的特性,图2-12,17,一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,二、一阶、二阶系统的特性,图2-13,18,2. 二阶系统,第三节 测量装置的动态特性,二阶系统可用二阶微分方程式来描述。图2-14为二阶系统的三种实例。,二、一阶、二阶系统的特性,图2-14,19,二阶系统的幅频、相频特

6、性曲线如图2-15所示。,第三节 测量装置的动态特性,二、一阶、二阶系统的特性,图2-15,20,右图为伯德图。,第三节 测量装置的动态特性,二、一阶、二阶系统的特性,21,右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,22,工程控制学指出： 输出y（t）等于输入x（t）和系统的脉冲响应函数h（t）的卷积。即 y（t）=x（t）*h（t）,第四节 测试装置对任意输入的影响,一、系统对任意输入的响应,23,一、 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,图2-19,24,一阶系统的单位阶跃响应如下图所示,

7、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,25,二阶系统的单位阶跃响应（1）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,26,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） 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,27,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,28,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

8、的输出如下图所示,二、系统对单位阶跃输入的响应,29,通过稳态正弦激励试验可以求得装置的动态特性。,第六节 测量装置动态特性的测量,一、频率响应法,二阶系统阻尼比的估计如下图所示,30,1. 由一阶装置的阶跃响应求其动态特性参数 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,31,2. 由二阶装置的阶跃响应求其动态特性参数 阻尼比的计算式：,第六节 测量装置动态特性的测量,二、阶跃响应法,32,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,33,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

9、的负载效应如图2-27所示。,第七节 负载效应,一、负载效应,图2-27,34,（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,（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。,35,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,图2-28,36,1. 电网电源噪声,第八节 测量装置的抗干扰,二、供电系统干扰及其抗干扰,把供电电压跳变的持续时间t1s者，称为过压和欠压噪声。 供电电压跳变的持续时间t1ms者称为尖峰噪声。,

10、37,2. 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,供电系统常采用的几种抗干扰措施： （1） 交流稳压器 （2） 隔离稳压器 （3） 低通滤波器 （4） 独立功能块单独供电。合理的供电系如下所示。,38,1. 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,（1） 信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,2. 信道通道的抗干扰措施,（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。,39,1. 单点接地,第八节 测量装置的抗干扰,四、接地设计,单点接地如图2-30所示,图2-