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1、机械工程测绘课件第二章你现在浏览的是第一页，共57页2 21.测量装置的静态特性测量装置的静态特性第一节第一节 概述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。静态标定过程如图确定的。静态标定过程如图2-1所示。所示。泉院你现在浏览的是第二页，共57页泉院图图2-1第一节第一节 概述概述你现在浏览的是第三页，共57页4 4测量装置的静态标定如图测量装置的静态标定如图2-2所示。所示。第一节第一节 概述概述图图2-2泉院你现在浏览的是第四页，共57页5 52.标准和标准传递标准和标准传递第一节第一节 概述概述用来定量变量的仪器和技术
2、统称为标准。标准传递如图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。所示。图图2-3泉院你现在浏览的是第五页，共57页第一节第一节 概述概述 已知：已知：已知：已知：已知：已知：泉院3.测量装置的动态特性测量装置的动态特性对测试装置的基本要求对测试装置的基本要求理想的测试装置理想的测试装置：单值的，确定的输入、输出关系：单值的，确定的输入、输出关系 且：且：输出输出/输入常值输入常值 线性关系线性关系你现在浏览的是第六页，共57页第一节第一节 概述概述线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质 线性系统：线性系统：输入输入:x(t)输出：输出：y(t)泉院特点：特点：无交叉项，无
3、高次幂，无常数项；无交叉项，无高次幂，无常数项；判断：判断：y=ax+b系统稳定满足系统稳定满足时不变线时不变线 (定常定常)性系统性系统为常数为常数你现在浏览的是第七页，共57页第一节第一节 概述概述泉院线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质 叠加性叠加性 比例性比例性 微分微分 积分：积分：初始状态为零：初始状态为零：t=0时时，频率保持性：频率保持性：输入为某一频率的信号输入为某一频率的信号 输出必为同一频率的信号输出必为同一频率的信号你现在浏览的是第八页，共57页9 9第一节第一节 概述概述4.测量装置的负载特性测量装置的负载特性测量装置或测量系统：是由传感器、测量电路、前置测量装置
4、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：要从物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。称为负载效应。5.测量装置的抗干扰性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、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。环境干扰
5、和信道干扰。泉院你现在浏览的是第九页，共57页 静态测量：静态测量：测量期间被测值认为是恒定测量期间被测值认为是恒定第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性泉院静态特性指标：静态特性指标：线性度线性度灵敏度灵敏度回程误差回程误差分辨力分辨力零点漂移和灵敏度飘移零点漂移和灵敏度飘移你现在浏览的是第十页，共57页1111第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性一、线性度一、线性度泉院线性度线性度：测量装置输出、输入之间测量装置输出、输入之间保持常比例关系的程度保持常比例关系的程度 线性度线性度你现在浏览的是第十一页，共57页1212第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态
6、特性二、灵敏度二、灵敏度泉院灵敏度灵敏度 当当测测试试装装置置的的输输入入x有有一一增增量量x，引引起起输输出出y发发生生相相应应的的变变化化y时时，则定义则定义:理想的定常线性系统：理想的定常线性系统：常数常数 S:S:以拟合直线的斜率作为装置的灵敏度以拟合直线的斜率作为装置的灵敏度有量纲有量纲 eg:eg:弹簧弹簧 mm/kg or 300mv/mmmm/kg or 300mv/mm X=0.01mm,y=10mm X=0.01mm,y=10mm 则则 S=10/0.01=1000 S=10/0.01=1000 此时此时S S为为“放大倍数放大倍数”你现在浏览的是第十二页，共57页1313
7、第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性三、回程误差三、回程误差泉院四、分辨力四、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。化值称为分辨力。你现在浏览的是第十三页，共57页1414零点漂移是测量装置的输出偏离原始零点的距离，如图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。所示。第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性五、零点漂移和灵敏度漂移五、零点漂移和灵敏度漂移图图2-6泉院你现在浏览的是第十四页，共57页15151.传递函数传递函数第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置
8、的动态特性一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述初始条件为零时：初始条件为零时：泉院传递函数：传递函数：你现在浏览的是第十五页，共57页1616第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述泉院H(s)H(s)的几个特点：的几个特点：H(s)H(s)只表达系统的传输特性只表达系统的传输特性 与与x(t)x(t)及系统的初始状态无关及系统的初始状态无关 H(s)H(s)不拘泥于系统的物理结构，不拘泥于系统的物理结构，只反映系统的传输特性只反映系统的传输特性 H(s)H(s)反映反映x(t),y(t)x(t),y(t)量纲变换关系量纲变换关系
9、稳定系统：稳定系统：nmnm你现在浏览的是第十六页，共57页2、频率响应函数、频率响应函数H(w)稳定稳定第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述(一一)求法求法:以以 代入代入 H(s)频率响应函数频率响应函数：H(w)=P(w)+jQ(w)H(jw),H(w)因因果果你现在浏览的是第十七页，共57页第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述稳定输出信号和输入信号的幅值比稳定输出信号和输入信号的幅值比稳态输出信号对输入信号的相角差稳态输出信号对输入信号的相角差你现在浏览的是第十八
10、页，共57页第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述的物理意义：的物理意义：表征系统对输入信号中各个频率分量的幅值的缩放表征系统对输入信号中各个频率分量的幅值的缩放能力和对相位角前后移动的能力。能力和对相位角前后移动的能力。注意：注意：H(w):信号输入与稳态输出的关系信号输入与稳态输出的关系。H(s):稳态稳态+瞬态。瞬态。你现在浏览的是第十九页，共57页第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述(二二)、幅、相频特性及图像描述、幅、相频特性及图像描述 1 1、H(w)H(w)：
11、A(w)w A(w)w 幅频特性幅频特性相频特性相频特性2 2、H(w)=P(w)+jQ(w)P(w)w H(w)=P(w)+jQ(w)P(w)w 实频特性实频特性 Q(w)w Q(w)w 虚频特性虚频特性伯德图伯德图 奈魁斯特图奈魁斯特图 你现在浏览的是第二十页，共57页第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述(三三)脉冲响应函数脉冲响应函数 当当 求：求：y(t)=?X(s)H(s)Y(s)X(s)=1X(s)=1 Y(s)Y(s)X(s)H(s)=H(s)X(s)H(s)=H(s)h(t):装置的传输特性在时域中的描述装置的传输特
12、性在时域中的描述 你现在浏览的是第二十一页，共57页第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述（四）环节的串、并联四）环节的串、并联 前提：环节之间没有能量的交换前提：环节之间没有能量的交换串联串联：你现在浏览的是第二十二页，共57页第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院一、动态特性的数学描述一、动态特性的数学描述并联并联：数学表明：任何高阶系统（数学表明：任何高阶系统（n3）都可看成是）都可看成是若干个一、二阶环节的串、并联若干个一、二阶环节的串、并联。你现在浏览的是第二十三页，共57页24241.一阶系统一阶系统第三节
13、第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性二、一阶、二阶系统的特性一阶系统的输入、输出关系用一阶微一阶系统的输入、输出关系用一阶微分方程来描述分方程来描述。图图2-9泉院令令RC=时间常数时间常数 你现在浏览的是第二十四页，共57页2525一阶系统的伯德图一阶系统的伯德图如图如图2-10所示所示。第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性二、一阶、二阶系统的特性图图2-10泉院归一化处理归一化处理:你现在浏览的是第二十五页，共57页2626奈奎斯特图如图奈奎斯特图如图2-11所示。所示。第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性
14、二、一阶、二阶系统的特性二、一阶、二阶系统的特性图图2-11泉院你现在浏览的是第二十六页，共57页2727第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性二、一阶、二阶系统的特性泉院 当当（误差不超过（误差不超过2）（2）当）当 系统相当于一个积分器系统相当于一个积分器 一阶系统适：一阶系统适：测缓变或低频的被测量测缓变或低频的被测量 你现在浏览的是第二十七页，共57页2828一阶系统的脉冲响应函数如图一阶系统的脉冲响应函数如图2-13所示所示。第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性二、一阶、二阶系统的特性二、一阶、二阶系统的特性图图2-13泉院（3）时间
15、常数）时间常数 决定了此装置的适用决定了此装置的适用频率范围频率范围 一阶装置的脉冲响应函数：一阶装置的脉冲响应函数：你现在浏览的是第二十八页，共57页例：求周期信号例：求周期信号传递传递函数函数为为的装置后所得到的的装置后所得到的稳稳定响定响应应？通过通过解：解：x(t)由两股信号组成由两股信号组成 的装置的装置信号通过信号通过第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院你现在浏览的是第二十九页，共57页据叠加性：据叠加性：x(t)的稳态输出的稳态输出y(t)为为即：即：第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院你现在浏览的是第三十页，共57页（二）二阶系统（二）二阶系
16、统动圈式电表动圈式电表 x(t):电流电流 y(t):角位移角位移 J:转动惯量转动惯量 G:游丝的扭转刚度游丝的扭转刚度 C：阻尼系数：空气、电磁、油阻尼系数：空气、电磁、油 Ki:电磁转矩系数电磁转矩系数:有效面积、有效面积、匝数、磁感应强度。匝数、磁感应强度。第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院你现在浏览的是第三十一页，共57页令：令：固有频率固有频率 阻尼比阻尼比 灵敏度灵敏度 令：S=1 泉院第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性你现在浏览的是第三十二页，共57页幅频特性：幅频特性：A(w)-w二阶系统的特点二阶系统的特点 当当w 动态特性参数：动态特性
17、参数：时，共振。时，共振。共振的利用：测参数共振的利用：测参数：相频特性相频特性第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性泉院你现在浏览的是第三十三页，共57页 时时，很小很小 时时，反相反相，处处，恰当选择参数恰当选择参数：及及 一般：(0.60.8)目的目的：获得较小的误差及较宽的工作频率范围：获得较小的误差及较宽的工作频率范围 泉院第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性你现在浏览的是第三十四页，共57页 X(s)H(s)Y(s)X(w)H(w)Y(w)即即：系统的输出就是输入与系统的脉冲响应函数的卷积：系统的输出就是输入与系统的脉冲响应函数的卷积 第四节第四节 测试装
18、置对任意输入的影响测试装置对任意输入的影响泉院一、系统对任意输入的响应一、系统对任意输入的响应你现在浏览的是第三十五页，共57页阶跃阶跃：一阶系统一阶系统 时，y(t)=0.632 测 一一阶阶：装置装置愈好愈好 二阶系统二阶系统：第四节第四节 测试装置对任意输入的影响测试装置对任意输入的影响泉院你现在浏览的是第三十六页，共57页 响响应应快快；：影响振影响振荡荡次数次数 选择选择范范围围：0.60.8 偏离稳态不到偏离稳态不到25%的范围内的范围内 第四节第四节 测试装置对任意输入的影响测试装置对任意输入的影响泉院你现在浏览的是第三十七页，共57页3838一阶系统的单位阶跃响应如下图所示一阶
19、系统的单位阶跃响应如下图所示第四节第四节 测试装置对任意输入的影响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二、系统对单位阶跃输入的响应泉院你现在浏览的是第三十八页，共57页3939二阶系统的单位阶跃响应（二阶系统的单位阶跃响应（1s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。泉院你现在浏览的是第五十一页，共57页52522.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。泉院你现在浏览的
20、是第五十二页，共57页53531.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。泉院你现在浏览的是第五十三页，共57页54541.单点接地单点接地第八节第八节 测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰四、接地设计四、接地设计单点接地如图单点接地如图2-30所示所示图图2-30泉院你现在浏览的是第五十四页
21、，共57页55552.串联接地串联接地第八节第八节 测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰串联接地如图串联接地如图2-31所示所示四、接地设计四、接地设计图图2-31泉院你现在浏览的是第五十五页，共57页56563.多点接地多点接地第八节第八节 测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰多点接地如图多点接地如图2-32所示所示四、接地设计四、接地设计图图2-32泉院你现在浏览的是第五十六页，共57页57574.模拟地和数字地模拟地和数字地第八节第八节 测量装置的抗干扰测量装置的抗干扰模拟地和数字地如图模拟地和数字地如图2-33所示。所示。四、接地设计四、接地设计图图2-33泉院你现在浏览的是第五十七页，共57页