测量系统的基本特性课件.ppt

《测量系统的基本特性课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测量系统的基本特性课件.ppt（96页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第2章 测试系统的基本特性 关于测量系统的基本特性第1页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 学学 习习 要要 求求 1 1 掌握测试系统的静态标定的概念及意义，常用的静掌握测试系统的静态标定的概念及意义，常用的静态特性参数的定义及标定数据的处理计算方法；态特性参数的定义及标定数据的处理计算方法；2 2 掌握表征测试系统动态特性的主要指标及其计算方法；掌握表征测试系统动态特性的主要指标及其计算方法；3 3 掌握测试系统动态特性分析方法（传递函数、频响函数、掌握测试系统动态特性分析方法（传递函数、频响函数、运动微分方程）；运动微分方程）；4 4 掌握不失真测试之条件；掌握不失真测试之条件

2、；5 5 了解典型激励的系统瞬态响应，测量系统的动态特性了解典型激励的系统瞬态响应，测量系统的动态特性参数的获取方法。参数的获取方法。第2页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称，由传感器、中间变换装置、显示记录等环节组成。2.1 测试系统概述一、测试系统简单测试系统(光电池)V第3页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 复杂测试系统(轴承故障检测)加速度计 带通滤波器 包络检波器第4页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 无论测量装置复杂程度如何，把它作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)

3、和输出y(t)三者之间的关系。x(t)h(t)y(t)输入（激励）系统特性 输出（响应）第5页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。(预测)系统分析中的三类问题：1)当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。(系统辨识)2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。(反求)x(t)h(t)y(t)第6页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 二、测试系统的基本要求 理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以

4、确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。xy线性xy线性xy非线性第7页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 系统输入x(t)和输出y(t)间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：三、线性系统及其主要性质(时域描述)一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。其中：a0，a1，an和b0，b1，bm均为常数，则称该系统为定常线性系统 或时不变线性系统。第8页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 线性系统性质：1.叠加性 系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即 若 x1(t)y1(t)，x2(t)y2(t)则 x1(t)x2(t)y1(t)y2(t)2.比例性 常数

5、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)(k为常数）第9页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 3.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)4.积分性 当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即 若 x(t)y(t)则 x(t)dt y(t)dt 第10页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 5.频率保持性 若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即 若 x(t)=Acos(t+x)则 y(t)=Bcos(t+y)线

6、性系统的这些主要特性，特别是叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。为了获得准确的测量结果，需要对测量系统提出多方面的性能要求。这些性能大致包括四个方面：静态特性、动态特性、负载效应和抗干扰特性。第11页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 欲使测量结果具有普遍的科学意义，测量欲使测量结果具有普遍的科学意义，测量系统应当是经过检验的。系统应当是经过检验的。标定：标定：用已知的标准用已知的标准 校正校正 仪器或测量系仪器或测量系统的过程称为标定。统的过程称为标定。输入到测量系统中的已知量是静态量还输入到测量系统中的已知量是静态量还是动态量，标定分是动态量，标定分静态标定静态标定和

7、和动态标定动态标定。2.2 测量系统的静态标定与静态特性第12页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 静态标定：就是将原始基准器，或比被标定系统准确度高的各级标准器或已知输入源 作用于测量系统，得出测量系统的 激励响应 关系的实验操作。方法：要求：标定时，一般应在全量程范围内均匀地取定5个或5个以上的标定点（包括零点）正行程：从零点开始，由低至高，逐次输入预定的标定值此称标定的正行程。反行程：再倒序依次输入预定的标定值，直至返回零点，此称反行程。一、静态标定第13页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋

8、予仪器或测量系统分度值；器或测量系统分度值；确定仪器或测量系统的静态特性指标；确定仪器或测量系统的静态特性指标；消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度 静态标定的主要作用第14页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 二、测量系统的静态特性 测量系统的静态特性：通过静态标定，可得到测量系统的响应值yi和激励值xi之间的一一对应关系，称为测量系统的静态特性。测量系统的静态特性可以用一个多项式方程表示，即 2210 xaxaay称为测量系统的静态数学模型第15页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 工作曲线 工作曲线：方程 称之为工作曲线或静

9、态特性曲线。实际工作中，一般用标定过程中静态平均特性曲线来描述。正行程曲线：正行程中激励与响应的平均曲线反行程曲线：反行程中激励与响应的平均曲线实际工作曲线：正反行程曲线之平均 2210 xaxaay第16页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 反行程工作曲线正行程工作曲线Y(t)0X(t)实际工作曲线工作曲线 第17页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 理想的情况是测量系统的响应和激励之间有线性关系，这时数据处理最简单，并且可和动态测量原理相衔接。由于原理、材料、制作上的种种客观原因，测量系统的静态特性不可能是严格线性的。如果在测量系统的特性方程中，非线性项的影响不大，实际

10、静态特性接近直线关系，则常用一条参考直线来代替实际的静态特性曲线，近似地表示响应激励关系。二、测量系统的静态特性 第18页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 端点连线 将静态特性曲线上的对应于测量范围上、下限的两点的连线作为工作直线；参考直线的选用方案断点连线Y(t)X(t)0第19页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 端点平移线端点平移线 平行于端点连线，且与实际静态特性（常平行于端点连线，且与实际静态特性（常取平均特性为准）的最大正偏差和最大负偏差的绝对值取平均特性为准）的最大正偏差和最大负偏差的绝对值相等的直线；相等的直线；Y(t)X(t)参考直线的选用方案第20页，

11、此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 最小二乘直线最小二乘直线 直线方程的形式为直线方程的形式为 且对于各个标定点（且对于各个标定点（xi，yi）偏差的平方和最小的直线；式）偏差的平方和最小的直线；式中中a、b为回归系数，且为回归系数，且a、b两系数具有物理意义；两系数具有物理意义；过零最小二乘直线过零最小二乘直线 直线方程的形式为直线方程的形式为且对各标定点（且对各标定点（xi，yi）偏差的平方和最小的直线。）偏差的平方和最小的直线。参考直线的选用方案bxaybxy bxy 第21页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 三、静态特性指标三、静态特性指标产品型号：CLBSBCLB

12、SB板环式拉压力传感器板环式拉压力传感器主要技术指标 测量范围：0-1000Kg 输出灵敏度：1.5-2.0V/V 非线性：0.0级；0.05级；0.1级 迟滞：0.0级；0.05级；0.1级 重复性：0.0级；0.05级；0.1级 综合精度：0.03级；0.1级 零点温度系数：0.05%F.S 灵敏度温度系数：0.05%F.S 零点不平衡输出：0.60.8时，可以获得较为合适的综合特性。当=0.7O7时，在00.58n的频率范围内，A（）的变化不超过 5，同时()也接近于直线。第81页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 2.5 2.5 测试系统动态特性的测定测试系统动态特性的测定

13、测量系统的动态标定主要是通过研究系统对已知激励的动态响应，得到系统的动态特性参数，一阶测量系统的时间系数 ，二阶测量系统则有固有频率 和阻尼比 两个参数。常用的动态标定方法有阶跃响应法（时域）和频率响应法（频域）。n（1）阶跃响应法（瞬态响应法）对一阶系统来说，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63.2%所经过的时间作为时间常数。第82页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 1.阶跃响应法 1）一阶系统 对于一阶测量系统，测得阶跃响应后，取输出值达到最终值63%所经过的时间作为时间常数 。第83页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 存在的问题：

14、存在的问题：没有涉及响应的全过程，测量结果的可靠性仅仅取决某些个别的瞬时没有涉及响应的全过程，测量结果的可靠性仅仅取决某些个别的瞬时值，尤其是零点不好确定，其次是动态测量中存在随机噪声的影响，必然值，尤其是零点不好确定，其次是动态测量中存在随机噪声的影响，必然影响到读数误差。影响到读数误差。改进方法：改进方法：一阶测量系统的阶跃响应函数为一阶测量系统的阶跃响应函数为 t-utye1)(第84页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 tz令)(1lntyzu式中改写后得tuty-e)(1式(2-50)表明z与时间t成线性关系，并且有 （见图2-11）。有了这些数据后，可采用最小二乘法求取时

15、间常数 zt 第85页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 优点：可以利用原点数据，排除两点求取优点：可以利用原点数据，排除两点求取 的的误差。如果是一阶系统，误差。如果是一阶系统，z zt t必然是线性关必然是线性关系，若用第一种方法，很可能会将过阻尼二系，若用第一种方法，很可能会将过阻尼二阶系统当成了一阶系统处理。阶系统当成了一阶系统处理。第86页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 2)二阶系统参数测量2nd11ln12M 按照求极值的通用方法，可求得各振荡峰值所对应的时间tp=0、/、2/、，将t=/代入表2-1中单位阶跃响应式，可求得最大过调量M(图2-12)和阻尼比

16、 之间的关系,测得M之后,即可求。ddd 典型的欠阻尼(1)二阶测量系统的阶跃响应函数表明，其瞬态响应是以 的圆频率作衰减振荡的，此圆频率称为有阻尼圆频率，并记为 。2n1d第87页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 （2 2）频率响应法（稳态响应法）频率响应法（稳态响应法）对系统输入正弦激励信号x(t)=Asin(2ft)，按一定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率f，从系统的最低测量频率fmin到系统的最高测量频率fmax，记录各频率在系统达到稳态后所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。一阶系统：利用-3dB带宽求取1A()=0.707 第88页，此

17、课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 2222)(4)(1 1)(nnA 作作 可求出该曲线的峰值点对应的圆频率可求出该曲线的峰值点对应的圆频率0)(ddAr第89页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 称之为有阻尼共振峰圆频率，将称之为有阻尼共振峰圆频率，将 代入可代入可求出求出 :可以从图上读出对应的可以从图上读出对应的 值及值及 值，将其代入值，将其代入 式中，式中，便可求出便可求出 、221nrr2121)(rAr)(rA)(rArn)(A第90页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 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必然产生相互作

18、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(并联)或连乘(串联)。2.6 负载效应 ER1R2V=ER2/(R2+R1)V=ER2Rm/R1(Rm+R2)+RmR2VRm令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得:U0=90V,U1=64.3V，误差达28.6%。若将电压表测量电路负载电阻加大到1M，则U1=84.9V，误差减小为5.76%第91页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 减小负载效应误差的措施：(1)提高后续环节(负载)的输入阻抗。(2)在原来两

19、个相连接的环节中，插入高输入阻抗、低输出阻抗的放大器，以便减小从前一环节吸取的能量，减轻负载效应的影响。(3)使用反馈或零点测量原理，使后面环节几乎不从前面环节吸取能量。2.7 测量系统的抗干扰 测量过程中，除待测量信号外，各种不可见的、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。测量系统的干扰源来自多方面。机械振动或冲击会对测试系统(尤其是传感器)产生严重的干扰；光线会对测量装置中的半导体元件产生干扰；温度的变化会导致电路参数和工作点的变化，产生干扰；此外，还有电磁的干扰等等。第92页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 测量系统信道干扰电磁干扰电

20、源干扰干扰信号传入测量系统主要有三种传输途径 第93页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 1)电磁干扰: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噪声或非线性畸变所造成的干扰。3)电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的干扰。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扰性。第94页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 作业1.何为传感器静态特性？

21、静态特性主要技术指标有哪些？2.何为传感器动态特性？动态特性主要技术指标有哪些？3.测量系统实现不失真测量的条件是什么？4.何为动态误差？为了减少动态误差，在一、二阶测量系 统中可采取哪些相应的措施？5.已知某二阶系统传感器的自振频率f0=20kHz,阻尼比 =0.1,若要求该系统的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。期信号 ，试求其响应 。6.某测量系统的频率响应曲线 ，若输入周j05.011)j(H)30100cos(8.010cos2)(tttx)(ty第95页，此课件共96页哦第2章 测试系统的基本特性 7.有一个传感器，其微分方程为 ，其中 y输出电压（mV），x为输入温度（）,试求传感器的时间常数和静态灵敏度k。xyty15.03dd308.某力传感器为一典型的二阶振荡系统，已知该传感器的自振频率f0=1000Hz，阻尼比 ，试求用它测量频率为600Hz的正弦交变力时，其输出与输入幅值比 和相位差 各为多少？7.0)(A)(9.某压力传感器的标定数据如表2.1所列。分别求以端点连线、端点连线平移线、最小二乘直线作为参考工作直线的线性度、迟滞误差及重复性。第96页，此课件共96页哦