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1、第2章测试装置的基本特性第1页，共159页，编辑于2022年，星期一解决问题1。被测信号、测试系统、输出信号的关系。2。测试系统对信息的影响。3。如何准确地、完整地获取被测信息？4。如何得到装置的特性？第2页，共159页，编辑于2022年，星期一第一节 概述第3页，共159页，编辑于2022年，星期一测量装置（测量系统）为达到某些特定目的，由若干个互有关联的单元组成的有机整体。第4页，共159页，编辑于2022年，星期一通常的工程测量问题总是处理输入量x(t)、装置(系统)的传输特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系。当输入、输出是可以观察(已知)的量，就可以通过它们推断系统的传输特性。当
2、系统特性已知，输出可测，可以通过它们推断导致该输出的输入量。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。第5页，共159页，编辑于2022年，星期一一、对测量装置的基本要求对于测量系统我们希望系统的输入输出之间具有一一对应的直线关系，具有这样关系的系统被称为线性系统。理想的测量装置应该具有单值的、确定的输入一输出关系。对于每一输入量都应只有单一的输出量与之对应。知道其中的一个量就可以确定另一个量。以输出和输入成线性关系为最佳。第6页，共159页，编辑于2022年，星期一一些实际测量装置无法在较大工作范围内满足这种要求，而只能在较小工作范围内和在一定误差范围内满足这项要求。第7页，共1
3、59页，编辑于2022年，星期一二、线性系统及其主要性质常系数线性微分方程来进行描述第8页，共159页，编辑于2022年，星期一主要性质1）符合叠加原理：几个输入所产生的总输出是各个输入所产生的输出叠加的结果。第9页，共159页，编辑于2022年，星期一2）比例特性：第10页，共159页，编辑于2022年，星期一3）系统对输入导数的响应等于对原输入响应的导数第11页，共159页，编辑于2022年，星期一4）如系统的初始状态均为零，则系统对输入积分的响应等于对原输入响应的积分。第12页，共159页，编辑于2022年，星期一5）频率保持特性：若输入为某一频率的简谐（正弦或余弦）即信号则系统的稳态输
4、出必是、也只是同频率的简谐信号；即输出唯一可能解只是第13页，共159页，编辑于2022年，星期一证明：第14页，共159页，编辑于2022年，星期一符合叠加原理和频率保持性在测量工作中具有重要意义。例如已知系统是线性的和其输入的频率，那么依据频率保持性，可以认定测得该系统的输出信号中只有与输入频率相同的成份才可能是由该输入引起的输出，而其它频率成分都是噪声(干扰)。进而可采用相应的滤波技术，在很强的噪声干扰下，把有用的信息提取出来。第15页，共159页，编辑于2022年，星期一如第一章所述，信号的频域函数，是用信号的各频率成分的叠加来描述的，面且在频域处理问题，往往比较方便和简捷。根据叠加原
5、理和频率保持性，研究复杂输入信号所引起的输出时，就可以转换到频域中去研究，研究输入频域函数所产生的输出的频域函数。第16页，共159页，编辑于2022年，星期一三、测量装置的特性为了获得准确的测量结果，对测量装置提出多方面的性能要求。这些性能大致上包括四方面的性能：静态特性、动态特性、负载效应和抗干扰特性第17页，共159页，编辑于2022年，星期一静态特性是在静态测量情况下描述实际测量装置与理想时不变线性系统的接近程度。是通过某种意义的静态标定过程确定的。第18页，共159页，编辑于2022年，星期一因此对静态标定必须有一个明确定义。静态标定是一个实验过程，这一过程是在只改变测量装置的一个输
6、入量，而其他所有的可能输入严格保持为不变的情况下，测量对应的输出量，由此得到测量装置输入与输出间的关系。通常以测量装置所要测量的量为输入，得到的输入与输出间的关系作为静态特性。为了研究测量装置的原理和结构细节，还要确定其他各种可能输入与输出间的关系，从而得到所有感兴趣的输入与输出的关系。除被测量外，其他所有的输入与输出的关系可以用来估计环境条件的变化与干扰输入对测量过程的影响或估计由此产生的测量误差。这个过程如图2-1所示。第19页，共159页，编辑于2022年，星期一3测量装置的动态特性测量装置的动态特性是当被测量即输入量随时间快速变化时，测量输入与响应输出之间动态关系的数学描述。传递函数频
7、响函数脉冲响应函数第20页，共159页，编辑于2022年，星期一4测量装置的负载特性测量装置或测量系统是由多个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量值，从而不可能实现理想的测量，这种现象称为负载效应。这种效应不仅发生在传感器与被测物体之间，而且存在于测量装置的上述各环节之间。对于电路间的级连来说，负载效应的程度决定于前级的输出阻抗和后级的输入阻抗。将其推广到机械或其他非电系统，就是本章要讨论的广义负载效应和广义阻抗的概念。测量装置的负载特性是其固有特性，在进行测量或组成测量系统时，要考虑这种特性并将其影响降到最小。第21页，
8、共159页，编辑于2022年，星期一5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(电磁场、声、光、温度、振动等干扰)和信道干扰。这些干扰的影响决定于测量装置的抗干扰性能，并且与所采取的抗干扰措施有关。本章讨论这些干扰与测量装置的耦合机理与叠加到被测信号上形成的污染，同时讨论有效的抗干扰技术(如合理接地等)。第22页，共159页，编辑于2022年，星期一对于多通道测量装置，理想的情况应该是各通道完全独立的或完全隔离的，即通道间不发生耦合与相互影响。实际上通道间存在一定程度的相互影响，即存在通道间的干扰。因此，多通道测量装置应该考虑通道间的隔离性能。第23页，共1
9、59页，编辑于2022年，星期一对于那些用于静态测量的测量装置，一般只需利用静态特性、负载效应和抗干扰特性指标来考察其质量。在动态测量中，则需要用四方面的特性指标来考察测量仪器的质量，因为四方面的特性都将影响测量结果。第24页，共159页，编辑于2022年，星期一尽管静态特性和动态特性都影响测量结果，两者彼此也有一定联系，但是它们的分析和测试方法有着明显的差异，因此为了简明、方便，在目前阶段上，通常仍然把它们分开处理。第25页，共159页，编辑于2022年，星期一第二节 测量装置的静态特性在静态测量中，式(2-1)中各阶微分项均为零，因而定常线性系统的输入输出微分方程式就变成也就是说，理想的定
10、常线性系统，其输出将是输入的单调、线性比例函数，其中斜率S应是常数。然而，实际的测量装置并非理想的定常线性系统，上式S不是常数。测试装置的静态特性就是在测量静态量的情况下，实际测量装置与理想定常线性系统的接近程度的描述。第26页，共159页，编辑于2022年，星期一1线性误差线性误差是指测量装置校准曲线与规定直线之间的最大偏差。校准曲线在静态测量的情况下，用实验来确定被测量的实际值和测量装置示值之间的函数关系的过程称为静态校准，所得到的关系曲线称为校准曲线。通常，校准曲线并非直线。如图第27页，共159页，编辑于2022年，星期一拟合(规定)直线为了使用简便，总是以线性关系来代替实际关系。为此
11、，需用规定直线来拟合校准曲线 第28页，共159页，编辑于2022年，星期一获取拟合直线（理想直线）获取拟合直线（理想直线）方法：方法：(a)端点连线法：端点连线法：检测系统输入输出曲线检测系统输入输出曲线最大与最小数据值的连线特点特点：算法算法：简单、方便，偏差大，与测量值有关简单、方便，偏差大，与测量值有关第29页，共159页，编辑于2022年，星期一最小二乘法最小二乘法：计算：有计算：有n n个测量数据个测量数据:(x x1 1,y y1 1),(),(x x2 2,y y2 2),(),(x xn n,y yn n)，(n2)(n2)残差：残差：i i=y yi i (a a+b b
12、x xi i)残差平方和最小：残差平方和最小：2 2i i=min=min算法算法：特点特点：精度高精度高简单实用，三点作图法（两高一低简单实用，三点作图法（两高一低/两低一高）两低一高）第30页，共159页，编辑于2022年，星期一第31页，共159页，编辑于2022年，星期一二、灵敏度灵敏度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。第32页，共159页，编辑于2022年，星期一三、回程误差回程误差（迟滞）是描述测量装置同输入变化方向有关的输出特性。在整个测量范围内，最大的差值h称为回程误差或迟滞误差。第33页，共159页，编辑于2022年，星期一h=y
13、20-y10第34页，共159页，编辑于2022年，星期一四、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(被测量)变化值称为分辨力。分辨力通常表示为它与可能输入范围之比的百分数。第35页，共159页，编辑于2022年，星期一五、零点漂移和灵敏度漂移零点漂移是测量装置的输出零点偏离原始零点的距离，它可以是随时间缓慢变化的量。灵敏度漂移是由于材料性质的变化所引起的输入与输出关系(斜率)的变化。第36页，共159页，编辑于2022年，星期一稳定度是指测量装置在规定条件下保持其测量特性恒定不变的能力。漂移测量装置的测量特性随时间的慢变化。第37页，共159页，编辑于2022年，星期一因此
14、，总误差是零点漂移与灵敏度漂移之和，如图26所示。在一般情况下，后者的数值很小，可以略去不计，于是只考虑零点漂移。如需长时间测量，则需做出24h或更长时间的零点漂移曲线。第38页，共159页，编辑于2022年，星期一第三节测量装置的动态特性一、测量装置动态特性的数学描述传递函数频率响应函数脉冲响应函数环节的串联和并联二、一阶、二阶系统的特性第39页，共159页，编辑于2022年，星期一一、动态特性的数学描述1、传递函数H(S)第40页，共159页，编辑于2022年，星期一传递函数的特点1)H(s)与输入x(t)及系统的初始状态无关，它只表达系统的传输特性。对具体系统而言，它的H(s)不因输入x
15、(t)变化而不同，却对任一具体输入x(t)都确定地给出相应的、不同的输出y(t)。第41页，共159页，编辑于2022年，星期一2)H(s)是对物理系统的微分方程，即式(21)取拉普拉斯变换而求得的，它只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理结构。同一形式的传递函数可以表征具有相同传输特性的不同物理系统。例如液柱温度计和RC低通滤波器同是一阶系统，具有形式相似的传递函数，而其中一个是热学系统，另一个却是电学系统，两者的物理性质完全不同。第42页，共159页，编辑于2022年，星期一3)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。用传递函数描述系统传输、转换特性理应真实地反映量
16、纲的这种变换关系。这关系正是通过系数an、an-1、a1、a0和bm、bm-1、b1、b0来反映的。这些系数的量纲将因具体物理系统和输入、输出的量纲而异。第43页，共159页，编辑于2022年，星期一4)H(s)中的分母取决于系统的结构分母中s的最高幂次n代表系统微分方程的阶数分子则和系统同外界之间的关系，如输入(激励)点的位置、输入方式、被测量以及测点布置情况有关。一般测量装置总是稳定系统，其分母中s的幂次总是高于分子中s的幂次，即nm。第44页，共159页，编辑于2022年，星期一2频率响应函数 频率响应函数是在频率域中描述系统特性的一种数学方法传递函数是在复数域中来描述系统的特性的，比在
17、时域中用微分方程来描述系统特性有许多优点。许多工程系统的微分方程式及其传递函数却极难建立，而且传递函数的物理概念也很难理解。第45页，共159页，编辑于2022年，星期一频率响应函数有物理概念明确，容易通过实验来建立和利用它和传递函数的关系，由它极易求出传递函数等优点。因此，频率响应函数就成为实验研究系统的重要工具。第46页，共159页，编辑于2022年，星期一(1)幅频特性、相频特性和频率响应函数根据定常线性系统的频率保持性，系统在简谐信号x(t)=X0sint的激励下，所产生的稳态输出也是简谐信号y(t)=Y0sin(t+)。这一结论可从微分方程解的理论得出。此时输入和输出虽为同频率的简谐
18、信号，但两者的幅值并不一样。其幅值比A=YoXo和相位差都随频率而变，是的函数。第47页，共159页，编辑于2022年，星期一幅频特性定常线性系统在简谐信号的激励下，其稳态输出信号和输入信号的幅值比被定义为该系统的幅频特性，记为A()；相频特性定常线性系统在简谐信号的激励下，稳态输出对输入的相位差被定义为该系统的相频特性，记为()。频率特性幅频特性和相频特性两者统称为系统的频率特性。系统的频率特性是指系统在简谐信号激励下，其稳态输出对输入的幅值比、相位差随激励频率变化的特性。第48页，共159页，编辑于2022年，星期一借助复数的表示方法。用A()表示模，用()表示幅角来构成一个复数H()即频
19、率响应函数H()表示系统的频率特性也称为系统的频率响应特性，是激励频率的函数。第49页，共159页，编辑于2022年，星期一(2)频率响应函数的求法。一）在系统的传递函数H(s)已知的情况下，可令H(s)中s=j便可求得频率响应函数H()。例如，设系统的传递函数为式(210)，令s=j代入，便得该系统的频率响应函数 H(j)第50页，共159页，编辑于2022年，星期一二）由傅立叶变换法求得三）实验求法用频率响应函数来描述系统的最大优点是它可以通过实验来求得。第51页，共159页，编辑于2022年，星期一实验求频率响应函数的原理：依次用不同频率i的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统稳态
20、输出的幅值Xoi、Yoi和相位差i。这样对于某个i，便有一组Yoi/Xoi=Ai和i，全部的Aii和i一i，i=1，2，表达系统的频率响应函数。第52页，共159页，编辑于2022年，星期一(3)幅、相频率特性及其图象描述幅频特性曲线、相频特性曲线伯德图(Bode图)虚、实频特性曲线奈魁斯特(Nyquist)图第53页，共159页，编辑于2022年，星期一例：幅频曲线和相频曲线第54页，共159页，编辑于2022年，星期一3脉冲响应函数对式(2-10)，若装置的输入为单位脉冲(t)脉冲响应函数可视为系统特性的时域描述。第55页，共159页，编辑于2022年，星期一系统特性在时域、频域和复数域可
21、分别用脉冲响应函数h(t)、频率响应函数H()和传递函数H(s)来描述。三者存在着一一对应的关系。h(t)和H(s)是拉普拉斯变换对；h(t)和H()是傅里叶变换对；H(s)和H()用J代替S。第56页，共159页，编辑于2022年，星期一4环节的串联和并联理论分析表明，任何分母中s高于三次(n3)的高阶系统都可以看成若干个一阶环节和二阶环节的并联(也自然可转化为若干一阶环节和二阶环节的串联)。因此分析并了解一、二阶环节的传输特性是分析并了解高阶、复杂系统传输特性的基础。第57页，共159页，编辑于2022年，星期一二、一阶、二阶系统特性1一阶系统一阶系统的输入、输出关系用一阶微分方程来描述。
22、图37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。第58页，共159页，编辑于2022年，星期一第59页，共159页，编辑于2022年，星期一式中：=a1/a0时间常数 S=b0/a0系统灵敏度为分析方便，进行归一化处理，其微分方程为可得一阶系统得传递函数其频率响应函数为第60页，共159页，编辑于2022年，星期一其幅频、相频特性表达式为第61页，共159页，编辑于2022年，星期一第62页，共159页，编辑于2022年，星期一失真失真 1/时：时：A()=K()=0零阶零阶无滞后无滞后 1/时：时：A()()幅值衰减幅值衰减相位滞后相位滞
23、后第63页，共159页，编辑于2022年，星期一第64页，共159页，编辑于2022年，星期一第65页，共159页，编辑于2022年，星期一第66页，共159页，编辑于2022年，星期一一阶系统的特性几个特点：1)当激励频率远小于1/时(约(23)/时1，即，H()1/j，与之相应的微分方程式为 即输出和输入的积分成正比，系统相当于一个积分器。其中A()几乎与激励频率成反比，相位滞后近900故一阶测量装置适用于测量缓变或低频的被测量。第67页，共159页，编辑于2022年，星期一2)时间常数是反映一阶系统特性的重要参数，实际上决定了该装置适用的频率范围。在=1/处，A()=0.707(-3dB
24、)，相角滞后450。3)一阶系统的波德图可以用一条折线来近似描述。这条折线在1/段为-20dB10倍频(或-6dB倍频)斜率的直线。1/点称转折频率，在该点折线偏离实际曲线的误差最大(为-3dB)。其中，所谓的“-20dB10倍频”是指频率每增加10倍，A()下降20dB。如在图3-8中，在=(1/)(10/)之间，斜直线通过纵坐标相差20dB的两点。第68页，共159页，编辑于2022年，星期一2二阶系统图214中为二阶系统的三种实例。二阶系统可用二阶微分方程式描述。第69页，共159页，编辑于2022年，星期一通常是如下两种形式其中:为系统的固有频率 为系统的阻尼比 为系统的静态灵敏度如令
25、系统的s=1,可得二阶系统的传递函数为第70页，共159页，编辑于2022年，星期一相应的幅频特性和相频特性为频率响应函数为：第71页，共159页，编辑于2022年，星期一第72页，共159页，编辑于2022年，星期一第73页，共159页，编辑于2022年，星期一二阶系统奈奎斯特图第74页，共159页，编辑于2022年，星期一二阶系统的脉冲响应函数响应函数曲线第75页，共159页，编辑于2022年，星期一二阶系统有如下特点：1)当n时，H()1；当n时,H()0。2)影响二阶系统动态特性的参数是固有频率和阻尼比。然而在通常使用的频率范围中，又以固有频率的影响最为重要。所以二阶系统固有频率的选择
26、应以其工作频率范围为依据。在=n附近，系统幅频特性受阻尼比影响极大。当n时，系统将发生共振，因此，作为实用装置，应该避开这种情况。然而，在测定系统本身的参数时，这种情况却是很重要。这时，A()=1/2,()=-/2,且不因阻尼比之不同而改变。第76页，共159页，编辑于2022年，星期一3)二阶系统伯德图可用折线来近似。在2n段，可用斜率为-40dB10倍频或-12dB倍频的直线来近似。在(0.52)n区间，因共振现象，近似折线偏离实际曲线甚大。4)在n段，()甚小，且和频率近似成正比增加。在n段，趋近于，即输出信号几乎和输入反相。在靠近n区间，()随频率的变化而剧烈变化，而且越小，这种变化越
27、剧烈。5)二阶系统是一个振荡环节。从测量工作的角度来看，总是希望测量装置在宽广的频带内由于频率特性不理想所引起的误差尽可能小。为此，要选择恰当的固有频率和阻尼比的组合，以便获得较小的误差。第77页，共159页，编辑于2022年，星期一第四节 测量装置对任意输入的响应一、系统对任意输入的响应 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。即它是系统输入输出关系的最基本表达式，其形式简单，含义明确。但是，卷积计算却是一件麻烦事。利用h(t)同H(s)、H()的关系，以及拉普拉斯变换、傅里叶变换的卷积定理，可以将卷积运算变换成复数域、频率域的乘法运算，从而大大简化计
28、算工作。第78页，共159页，编辑于2022年，星期一定常线性系统在平稳随机信号的作用下，依据式定常线性系统在平稳随机信号的作用下，依据式(229)可以证可以证明，系统的输出也是平稳随机过程。明，系统的输出也是平稳随机过程。至于输出随机信号和输入随机信号统计量之间的关系，将在第七章介至于输出随机信号和输入随机信号统计量之间的关系，将在第七章介绍。绍。第79页，共159页，编辑于2022年，星期一二、系统对单位输入的响应 一、二阶系统在单位阶跃输入（图2-19）的作用下，其响应（图2-20、图2-21）分别为第80页，共159页，编辑于2022年，星期一一阶系统响应二阶系统响应其中由于单位阶跃函
29、数可看成单位脉冲函数的积分，故单位阶跃输入作用下的输出就是系统脉冲响应的积分。对系统的突然加载或者突然卸载可视为施加阶跃输入。施加这种输入既简单易行，又能充分揭示测量装置的动态特性，故常被采用。第81页，共159页，编辑于2022年，星期一理论上看，一阶系统在单位阶跃激励下的稳态输出误差为零，系统的初始上升斜率为1/。在t=时，y(t)=0.632,t=4时，y(t)=0.982；t=5时，y(t)=0.993。理论上系统的响应当t趋向于无穷大时达到稳态。因此说，一阶装置的时间常数越小越好。第82页，共159页，编辑于2022年，星期一二阶系统在单位阶跃激励下的稳态输出误差也为零。二阶系统在单
30、位阶跃激励下的稳态输出误差也为零。系统的响应在很大程度上决定于阻尼比系统的响应在很大程度上决定于阻尼比和固有频率和固有频率n系统固有频系统固有频率为系统的主要结构参数所决定。率为系统的主要结构参数所决定。n越高，系统的响应越快。阻尼比越高，系统的响应越快。阻尼比直接影响超调量和振荡次数。直接影响超调量和振荡次数。=0时超调最大，为时超调最大，为100，且持续不息地振荡着，达不到稳态。，且持续不息地振荡着，达不到稳态。1，则系统转化到等同于两个一阶环节的串联。此时虽然不发生，则系统转化到等同于两个一阶环节的串联。此时虽然不发生振荡振荡(即不发生超调即不发生超调)，但也需经较长的时间才能达到稳态。
31、，但也需经较长的时间才能达到稳态。第83页，共159页，编辑于2022年，星期一阻尼比阻尼比(选在选在0.60.8之间，则系统以之间，则系统以较短时间较短时间大约大约5-7/n，进入和稳态值相差，进入和稳态值相差(2一一5%)的范围内。的范围内。这也是很多测量装置的阻尼比取在这区间内这也是很多测量装置的阻尼比取在这区间内的理由之一。的理由之一。第84页，共159页，编辑于2022年，星期一第五节 实现不失真测量的条件一、不失真测量及实现不失真测量的条件1、什么是不失真测量？装置输出波形和装置输入波形准确一致 y(t)=A0 x(t-t0)第85页，共159页，编辑于2022年，星期一2、实现不
32、失真测量的条件 A()=A0=常数 2-33()=-t0 2-34相位失真、幅值失真,失真对测试的影响；实际测试测试中如何应用不失真测试的条件。第86页，共159页，编辑于2022年，星期一第87页，共159页，编辑于2022年，星期一实际测量装置不可能在非常宽广的频率范围内都满足式(233)和式(3-34)的要求，所以通常测量装置既会产生幅值失真，也会产生相位失真。图2-21表示四个不同频率的信号通过一个具有图中A()和()特性的装置后的输出信号。四个输入信号都是正弦信号(包括直流信号)，在某参考时刻t=0，初始相角均为零。图中形象地显示各输出信号相对输入信号有不同的幅值增益和相角滞后。对于
33、单一频率成分的信号，因为通常线性系统具有频率保持性，只要其幅值未进入非线性区，输出信号的频率也是单一的，也就无所谓失真问题。对于含有多种频率成份的，显然既引起幅值失真，又引起相位失真，特别是频率成分跨越n。前、后的信号失真尤为严重。第88页，共159页，编辑于2022年，星期一二、被测信号和测量装置的适配对实际测量装置，即使在某一频率范围内工作，也难以完全理想地实现不失真测量。人们只能努力把波形失真限制在一定的误差范围内。选用合适的测量装置:在测量频率范围内，其幅、相频率特性接近不失真测试条件;对输入信号做必要的前置处理:及时滤去非信号频带内的噪声，尤其要防止某些频率位于测量装置共振区的噪声的
34、进入。在装置特性的选择时也应分析并权衡幅值失真、相位失真对测量的影响。第89页，共159页，编辑于2022年，星期一例如：在振动测量中，有时只要求了解振动中的频率成分及其强度，并不关心其确切的波形变化，只要求了解其幅值谱而对相位谱无要求。这时首先要注意的应是测量装置的幅频特性。又如：某些测量 要求测得特定波形的延迟时间，这时对测量装置的相频特性就应有严格的要求，以减小相位 失真引起的测试误差。第90页，共159页，编辑于2022年，星期一具体选择一阶、二阶测试系统（）一阶测试装置的选择 =a1/a0 a1:电阻，阻尼系数 a0:弹簧刚度1/C 越小越好A()在较宽的频带上接近 1 幅值失真小(
35、)在较宽的频带上接近直线 相位失真小衰减快 过渡过程短斜坡输入稳态误差小但 a1R 电阻、阻尼系数等限制 a0S=b0/a0 尽量小，综合考虑第91页，共159页，编辑于2022年，星期一（）二阶测试装置的选择从不失真测试的条件、超调量、振荡次数、稳态误差、快速性等几方面考虑n选择尽量大一些，选择在0.60.8之间（A）不失真测试条件 0.3n时,()较小，接近直线；A()(2.53)n时,()接近1800%，A()很小0.3n1,系统蜕变为两个一阶系统串连，不振荡，但ts长。在0.60.8之间时，则Mp10%2.5%,要求稳态误差为5%2%时，ts=(34)/n 对斜坡输入 稳态误差为2/n
36、，随减小而减小结论：n选择尽量大一些，选择在0.60.8之间时，可在较宽的频率范围内满足不失真测试的要求，且其静动态性能综合较好。第93页，共159页，编辑于2022年，星期一第六节 测量装置动态特性的测量 要使测量装置精确可靠，不仅测量装置的定度应当精确，而且应当定期校准。定度和校准就其实验内容来说，就是对测量装置本身特性参数的测量。对装置的静态参数进行测量时，一般以经过校准的“标准”静态量作为输入，求出其输入一输出曲线。根据这条曲线确定其回程误差，整理和确定其校准曲线、线性误差和灵敏度。所采用的输人量误差应当是不大于所要求测量结果误差的13 15。下面主要叙述对装置本身动态特性的测量方法。
37、第94页，共159页，编辑于2022年，星期一一、频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。对装置施以正弦激励，即输入x(t)=X0sin2ft，在输出达到稳态后测量输出和输入的幅值比和相位差。这样可得该激励频率f下装置的传输特性。测试时：对测量装置施加峰一峰值为其量程20的正弦输入信号，其频率自接近零频的足够低的频率开始，以增量方式逐点增加到较高频率，直到输出量减小到初始输出幅值的一半止，即可得到幅频和相频特性曲线A(f)和(f)。一般来说在动态测量装置的性能技术文件中应附有该装置的幅频和相频特性曲线。第95页，共159页，编辑于2022年，星期一对于一阶装置主要的动态特性参数是
38、时间常数。可以通过幅频或相频特性 式(221)和式(222)直接确定值。第96页，共159页，编辑于2022年，星期一对于二阶装置可以从相频特性曲线直接估计其动态特性参数：固有频率n n和阻尼比。在=n n处，输出对输入的相角滞后为900，该点斜率直接反映了阻尼比的大小。第97页，共159页，编辑于2022年，星期一所以，通常通过幅频曲线估计所以，通常通过幅频曲线估计其动态特性参数。对于欠阻尼其动态特性参数。对于欠阻尼系统系统(1)，幅频特性曲线，幅频特性曲线的峰值在稍偏离的峰值在稍偏离n的的r，处处(参见图参见图224)，且，且当当甚小时，峰值频率甚小时，峰值频率rn第98页，共159页，编
39、辑于2022年，星期一从式(226)可得，当r r=n n时，A()=1/2o当甚小时，A()非常接近峰值。令1 1=（1-)1-)n n、2 2=(1+)(1+)n n。分别代人式(226)，可得这样，在幅频特性曲线上，在峰值的 处，作一条水平线和幅频曲线(图224)交于a、b两点它们对应的频率将是1 1、2 2而且阻尼比的估计值可取为 第99页，共159页，编辑于2022年，星期一有时，也可由A(r)和实验中最低频的幅频特性值A(0)，利用下式来求得第100页，共159页，编辑于2022年，星期一二、阶跃响应法 用阶跃响应法求测量装置的动态特性是一种时域测试的易行方法。实践中无法获得理想的
40、单位脉冲输入，从而无法获得装置的精确的脉冲响应函数；但是，实践中却能获得足够精确的单位脉冲函数的积分单位阶跃函数及阶跃响应函数。在测试时，应根据系统可能存在的最大超调量来选择阶跃输人的幅值，超调量大时，应适当选用较小的输入幅值。第101页，共159页，编辑于2022年，星期一1由一阶装置的阶跃响应求其动态特性参数简单说来，若测得一阶装置的阶跃响应，可取该输出值达到最终稳态值的63所经过的时间作为时间常数。但这样求得的值仅仅取决于某些个别的瞬时值，未涉及响应的全过程，测量结果的可靠性差。如改用下述方法确定时间常数，可获得较可靠的结果。式(331)是一阶装置的阶跃响应表达式，可改写两边取对数，有上
41、式表明，1n1y(t)和t成线性关系运用了全部测量数据，考虑了瞬态响应的全过程 第102页，共159页，编辑于2022年，星期一2由二阶装置的阶跃响应求其动态特性参数式(232)为典型欠阻尼二阶装置的阶跃响应函数表达式。它表明其瞬态响应是以圆频率 (称之为有阻尼固有频率d)作衰减振荡的。按照求极值的通用方法，可求得各振荡峰值所对应的时间 将 代人式(232)，求得最大超调量M(图226)和阻尼比的关系式 第103页，共159页，编辑于2022年，星期一因此，在测得M之后，便可按上式求取阻尼比或根据上式作出的M(图(图226)再求出阻尼比。第104页，共159页，编辑于2022年，星期一如果测得
42、响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个超调量Mi和Mi+n来求其阻尼比，其中n是该两峰值相隔的整周期数。设Mi和Mi+n所对应的时间分别为ti和ti+n，显然有第105页，共159页，编辑于2022年，星期一将上式代入二阶装置的阶跃响应yu(t)的表达式式(231)，经整理后可得其中根据上两式，即可按实测得到的Mi和Mi+n。经而求取考虑到(1s者。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。浪涌和下陷噪声：供电电压跳变的持续时间1st1ms者。它主要产生于感应性用电器(如大功率电机)在开、关机时所产生的感应电动势。尖峰噪声：供电电压跳变的持续时间t2)(n
43、2)残差：残差：i i=y yi i (a a+b b x xi i)残差平方和最小：残差平方和最小：2 2i i=min=min使得正负行程的非线性偏差相等且最小使得正负行程的非线性偏差相等且最小(a)端点连线法：端点连线法：检测系统输入输出曲线的两端点连线检测系统输入输出曲线的两端点连线特点特点：xy算法算法：简单、方便，偏差大，与测量值有关简单、方便，偏差大，与测量值有关(b)最佳直线法：最佳直线法：精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）精度最高，计算法（迭代、逐次逼近）算法算法：特点特点：算法算法：特点特点：精度高精度高xy简单实用，三点作图法（两高一低简单实用，三点作图法（两高一低/两低
44、一高）两低一高）第154页，共159页，编辑于2022年，星期一线性误差（非线性度NL%）校准曲线偏离该规定直线的最大偏差(图3，2)就是线性误差。即用在装置标称输出范围A内，校准曲线与该规定直线的最大偏差B来表示。线性误差也可用相对误差来表示，如拟合(规定)直线应如何确定，目前国内外尚无统一的标准。较常用的有两种：端基直线和独立直线。第155页，共159页，编辑于2022年，星期一2灵敏度、鉴别力阈、分辨力用来描述测量装置对被测量变化的反应能力的指标当装置的输入x有一个变化量x，它引起输出y发生相应的变化量y，则定义灵敏度为 显然，对于理想的线性定常系统，灵敏度应当是 但是，一般的测量装置总
45、不是理想定常线性系统，其校准曲线不是直线，曲线上各点的斜率(即各点的灵敏度)也不是常数。但总是用其规定直线的斜率来作为该装置的灵敏度。第156页，共159页，编辑于2022年，星期一灵敏度是一个有量纲的量。其单位取决于输入、输出量的单位。当输入、输出两者单位一样，则灵敏度是一个无量纲的比例常数，这时也称之为“放大比”或“放大倍数”。a.线性检测系统：灵敏度为常数；例：间隙式平板电容传感器例：间隙式平板电容传感器b.非线性检测系统：灵敏度为变数说明：灵敏度灵敏度双曲线、非线性双曲线、非线性第157页，共159页，编辑于2022年，星期一鉴别力阈(也称为灵敏阈或灵敏限)-引起测量装置输出值产生一个可察觉变化的最小被测量变化值。它用来描述装置对输入微小变化的响应能力。分辨力-它是指指示装置有效地辨别紧密相邻量值的能力。一般认为数字装置的分辨力就是最后位数的一个字，模拟装置的分辨力为指示标尺分度值的一半。2、分辨率-是相对数值：1、分辨力-是绝对数值，如 0.01mm，0.1g，10ms，说明：能检测的最小被测量的变换量相对于 满量程的百分数，如：0.1%,0.02%3、阀值-在系统输入零点附近的分辨力第158页，共159页，编辑于2022年，星期一第159页，共159页，编辑于2022年，星期一