部分测试装置的基本特性.ppt

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1、Re()Im()0-10-20-45-90j j()2020lgA()一阶系统的频率特性：一阶系统的频率特性：1)一阶系统是一个低通环节。只有当一阶系统是一个低通环节。只有当 远小于远小于1/时，幅频响时，幅频响应才接近于应才接近于1，只适用于被测量缓慢或低频的参数。，只适用于被测量缓慢或低频的参数。2)幅频特性降为原来的幅频特性降为原来的0.707（即（即3dB)，相位角滞后，相位角滞后45o，时间常数，时间常数 决定了测试系统适应的工作频率范围。决定了测试系统适应的工作频率范围。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 3)波德图可以用一条折线

2、来波德图可以用一条折线来近似描述近似描述。点称点称为转折频率。为转折频率。一阶系统单位脉冲响应一阶系统单位脉冲响应测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 h(t)温度温度 湿度湿度 酒精酒精测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 2.二阶系统二阶系统（Second-order system）称重称重(应变片应变片)F加速度加速度(压电压电)典型系统典型系统1在动圈式电表中，由永久磁钢所形在动圈式电表中，由永久磁钢所形成的磁场和通电线圈所形成的动圈成的磁场和通电线圈所形成的动圈磁场相互作用而产生的电磁

3、转矩使磁场相互作用而产生的电磁转矩使线圈产生偏转运动，如图所示，动线圈产生偏转运动，如图所示，动圈作偏转运动的方程式为圈作偏转运动的方程式为典型系统典型系统2测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 yF该系统的频响函数为该系统的频响函数为测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 典型系统典型系统3F将上式将上式傅里叶变换，得：傅里叶变换，得：如图所示的如图所示的弹簧质量阻尼弹簧质量阻尼系系统，其运动方程为：统，其运动方程为：二阶系统二阶系统数学表述：数学表述：传递函数：传递函数：频率响应函数：频率响应

4、函数：测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 静态灵敏度静态灵敏度系统固有频率系统固有频率阻尼比阻尼比 对二阶系统而言，主要的动态特性参数是对二阶系统而言，主要的动态特性参数是系统固有频率系统固有频率 n 和阻尼比和阻尼比 z z 。频率响应函数：频率响应函数：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的动态特性 测试技术与信号处理测试技术与信号处理令：令：令：令：S1灵敏度归一处理灵敏度归一处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 测试技术与信号处理测试技术与信号处理幅频特性幅频特性相频特性相频特性幅幅频频曲曲线

5、线相相频频曲曲线线阻尼系数阻尼系数 z z 的作用的作用注意：注意：伯德图伯德图（教材第（教材第55页）页）图图2-16典典型型系系统统的的频频率率响响应应特特性性测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 阻尼系数阻尼系数的作用的作用注意：注意：测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 阻尼系数和固有频率的作用阻尼系数和固有频率的作用阻尼系数阻尼系数增大增大固有频率固有频率减小减小二阶系统脉冲响应函数为二阶系统脉冲响应函数为测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动

6、态特性 阻尼系数阻尼系数的作用的作用注意：注意：1）当）当 时，时，；当；当 时时，。3）二阶系统的伯德图可用折线来近似。在）二阶系统的伯德图可用折线来近似。在 段，段，A()可用可用0dB水平线近似。在水平线近似。在 段，可用斜率为段，可用斜率为-40dB/10倍频倍频的直线来近似。的直线来近似。4)在在 段，段，j j()很小，且和频率近似成正比增加。在很小，且和频率近似成正比增加。在 段，段，j j()趋近于趋近于180，即输出信号几乎和输入反即输出信号几乎和输入反相。在相。在 靠近靠近 区间，区间，j j()随频率的变化而剧烈变化，而且随频率的变化而剧烈变化，而且越小，这种变化越剧烈。

7、越小，这种变化越剧烈。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 二阶系统的特点：二阶系统的特点：2）影响二阶系统的参数是固有频率和阻尼比。在通常使用的）影响二阶系统的参数是固有频率和阻尼比。在通常使用的频率范围内，又以固有频率的影响最为重要，它是选择工作频频率范围内，又以固有频率的影响最为重要，它是选择工作频率范围的依据。在率范围的依据。在 附近，系统幅频特性受阻尼比影响附近，系统幅频特性受阻尼比影响极大。当极大。当 时，系统将发生共振。时，系统将发生共振。5）二阶系统是一个振荡环节，如图）二阶系统是一个振荡环节，如图2-18所示。所示。测试技术与

8、信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 从测量工作的角度看，总是希望在宽广的频带内从测量工作的角度看，总是希望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，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。小的误差。理论分析表明，任何分母中理论分析表明，任何分母中s高于三次（高于三次（n3）的高阶系统都可以看成若干一阶环节和二阶环节的的高阶系统都可以看成若干一阶环节和二阶环节的组合（串联或并联），分析并了解一阶和二阶系统组合（串联或并联），分析并

9、了解一阶和二阶系统传输特性是分析并了解高阶、复杂系统传输特性的传输特性是分析并了解高阶、复杂系统传输特性的基础。基础。脉冲响应脉冲响应函数函数测试技术与信号处理测试技术与信号处理第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 第四节第四节 测试装置对任意输入的响应测试装置对任意输入的响应一、系统对任意输入的响应一、系统对任意输入的响应将输入将输入 x(t)分割成众多相邻接的、持续时间为分割成众多相邻接的、持续时间为 D D 的脉冲信号的脉冲信号。在在t t时刻系统的输出时刻系统的输出对对D D 取极限，得取极限，得x(t)和和h(t)的卷积为的卷积为输出输出y(t)等于输入等于输入x(t)

10、和系统和系统脉冲响应函数脉冲响应函数h(t)的卷积。的卷积。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第四节第四节 测试装置对任意输入的响应测试装置对任意输入的响应系统对任意输入的响应系统对任意输入的响应将输入将输入 x(t)分割成众多相邻接的、持续时间为分割成众多相邻接的、持续时间为 D D 的脉冲信号。的脉冲信号。在在t时刻系统的输出时刻系统的输出对对D D 取极限，得取极限，得x(t)和和h(t)的卷积为的卷积为输出输出y(t)等于输入等于输入x(t)和系统和系统脉冲响应函数脉冲响应函数h(t)的卷积的卷积它是系统输入它是系统输入输出关系的最基本表达式，其形式输出关系的最基本表达式，其形式简单

11、，含义明确。但是，卷积计算却是一件麻烦事。简单，含义明确。但是，卷积计算却是一件麻烦事。利用利用h(t)同同H(s)、H()的关系，以及拉氏变换、的关系，以及拉氏变换、傅氏变换的卷积定理，即可将卷积运算变换傅氏变换的卷积定理，即可将卷积运算变换成复数域、频率域的乘法运算，从而大大简成复数域、频率域的乘法运算，从而大大简化了计算工作。化了计算工作。&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单位阶跃输入：单位阶跃输入：测试技术与信号处理测试技术与信号处理第四节第四节 测试装置对任意输入的响应测试装置对任意输入的响应单位阶跃响应单位阶跃响应一阶系统的传递函数：一阶系统的传递函数：一阶

12、系统对单位阶跃输入的响应：一阶系统对单位阶跃输入的响应：t=(3-4)时，时，（5%）测试技术与信号处理测试技术与信号处理第四节第四节 测试装置对任意输入的响应测试装置对任意输入的响应一阶系统的单位阶跃响应一阶系统的单位阶跃响应 图图2-202-20（教材第（教材第5757页）页）输入输入 =0.1=0.1 =0.5=0.5 =1.0=1.0 =2.0=2.0 =5.0=5.0 =10.0=10.0测试技术与信号处理测试技术与信号处理第四节第四节 测试装置对任意输入的响应测试装置对任意输入的响应结论：一阶装置的时间常数结论：一阶装置的时间常数t t 越小越好越小越好。0.00.10.20.30

13、.40.50.60.70.80.91.01.1y(t)0.00.51.01.52.02.53.03.54.0t一阶系统的单位阶跃响应一阶系统的单位阶跃响应二阶系统的传递函数：二阶系统的传递函数：测试技术与信号处理测试技术与信号处理第四节第四节 测试装置对任意输入的响应测试装置对任意输入的响应二阶系统对单位二阶系统对单位阶跃输入的响应阶跃输入的响应二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应fn=20Hz,z z=0.1稳态输出误差为零。稳态输出误差为零。阻尼比直接影响超调量和振荡次数。阻尼比直接影响超调量和振荡次数。时超调量最大时超调量最大(100%)100%)且持续振荡，无法达到稳态。且持续

14、振荡，无法达到稳态。，系统可以转化为两个一阶，系统可以转化为两个一阶系统串联。系统串联。选在选在0.6-0.80.6-0.8之间，系统以较短时间进入稳态。之间，系统以较短时间进入稳态。二阶系统对单位阶跃二阶系统对单位阶跃输入的响应：输入的响应：测试技术与信号处理测试技术与信号处理第四节第四节 测试装置对任意输入的响应测试装置对任意输入的响应稳态输出误差为零。稳态输出误差为零。系统的响应在很大程度上决系统的响应在很大程度上决定于阻尼比定于阻尼比 和固有频率和固有频率 。为系统的主要结构参为系统的主要结构参数所决定。数所决定。越高，系统的响应越快。越高，系统的响应越快。虽无振荡，但需超长虽无振荡，

15、但需超长的时间才能达到稳态的时间才能达到稳态ty(t)测试技术与信号处理测试技术与信号处理第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 第五节第五节 实现不失真测量的条件实现不失真测量的条件设有一个测量装置，其输出设有一个测量装置，其输出y(t)与输入与输入x(t)满足关系满足关系其中，其中，A0 和和t0 都是常数都是常数此式表明该装置的此式表明该装置的输出波形与输入信输出波形与输入信号的波形精确地一号的波形精确地一致，只是幅值放大致，只是幅值放大了了A0倍，在时间上倍，在时间上延迟了延迟了t0 而已（如而已（如图所示），认为：图所示），认为：测量系统具有不失测量系统具有不失真测量的特

16、性真测量的特性。x(t)y(t)=A0 x(t)y(t)=A0 x(t-t0)t0 对上式做傅立叶变换，如下：对上式做傅立叶变换，如下：考虑到测试系统的实际情况，当考虑到测试系统的实际情况，当 t (2.5 3)n 范围内，范围内，j j()接近接近-180，把，把测测量信号量信号反相反相180基本满足不失真条件；基本满足不失真条件；A()太小，输出幅值也太小。太小，输出幅值也太小。在在(0.(0.3 )n区间内，装置的频率特性受区间内，装置的频率特性受 z z 的影响很大，的影响很大，需作具体分析。需作具体分析。对于二阶系统对于二阶系统，z z=0.6 0.8=0.6 0.8 时，可获得较为

17、合时，可获得较为合适的综合特性。当适的综合特性。当z z=0.7=0.7 时，在时，在 0 0.58 0 0.58 n n 范范围内，围内，A()的变化小于的变化小于5 5%，同时，同时j j()接近于直接近于直线线 近于满足测试不失真条件近于满足测试不失真条件。任任何何一一个个测测试试系系统统，都都需需要要通通过过实实验验的的方方法法来来确确定定系系统统输输入入、输输出出关关系系，这这个个过过程程称称为为标标定定。即即使使经经过过标标定定的的测测试试系系统统，也也应应当当定定期期校校准准，这这实实际际上上就是要就是要测定系统的特性参数测定系统的特性参数。第六节第六节 测量装置动态特性的测定测

18、量装置动态特性的测定 F目的目的：通过做动态参数检测，确定系统的不通过做动态参数检测，确定系统的不 失真工作频段是否符合要求。失真工作频段是否符合要求。F方法方法：用标准信号输入，测出其输出信号，从用标准信号输入，测出其输出信号，从 而求得需要的特性。而求得需要的特性。F标准信号标准信号:正弦信号、脉冲信号正弦信号、脉冲信号、阶跃信号。阶跃信号。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 一、频率响应法一、频率响应法测试技术与信号处理测试技术与信号处理第六节第六节 测量装置动态特性的测定测量装置动态特性的测定 方法：方法：理论依据：理论依据：输入各种

19、频率的正弦信号，测量系统输入各种频率的正弦信号，测量系统的稳态输出信号，作出对应频率成分的稳态输出信号，作出对应频率成分的输出与输入信号的幅值比（幅频特的输出与输入信号的幅值比（幅频特性）和相位差（相频特性），这是性）和相位差（相频特性），这是最最为精确的方法为精确的方法。作业：用上述作业：用上述频率响应法频率响应法和熟悉的仪器，和熟悉的仪器，设计设计测量某测试系统（电系统）频率特性的测量某测试系统（电系统）频率特性的实验实验方案方案。要求：要求：设计并说明测量该系统的连接图；设计并说明测量该系统的连接图；（包括使用的仪器设备名称）（包括使用的仪器设备名称）设计并详细说明实验步骤；设计并详细说

20、明实验步骤；说明需要观测和记录的数据。说明需要观测和记录的数据。1111月月8 8日（周四）交日（周四）交测试技术与信号处理测试技术与信号处理第六节第六节 测量装置动态特性的测定测量装置动态特性的测定 通过幅频或相频特性直接确定其通过幅频或相频特性直接确定其动态特性参数动态特性参数。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第六节第六节 测量装置动态特性的测定测量装置动态特性的测定 0-10-20-45-90j j()2020lgA()一阶装置一阶装置-3dB对于欠阻尼系统（对于欠阻尼系统（z z1）参数可从相频特性曲线直接估计，参数可从相频特性曲线直接估计，但相角测量较困难。通常通过幅频但相角测量

21、较困难。通常通过幅频曲线估计其参数。曲线估计其参数。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第六节第六节 测量装置动态特性的测定测量装置动态特性的测定 二阶装置二阶装置动态特性参数动态特性参数固有频率固有频率&阻尼比阻尼比 z z令令有有阻尼比阻尼比为为有时也可用下式求有时也可用下式求 z z：若阻尼比很小若阻尼比很小,则则相频曲线相频曲线该点的斜该点的斜率直接反率直接反映映 z z 大小大小最低频的幅频特性值最低频的幅频特性值优点：优点：直观直观缺点：缺点：无法获得理想的无法获得理想的 单位脉冲输入单位脉冲输入时域波形参时域波形参数识别数识别测试技术与信号处理测试技术与信号处理第六节第六节 测量

22、装置动态特性的测定测量装置动态特性的测定 二、阶跃响应法二、阶跃响应法测试技术与信号处理测试技术与信号处理第六节第六节 测量装置动态特性的测定测量装置动态特性的测定 1.1.由一阶装置的阶跃响应求其动态特性参数由一阶装置的阶跃响应求其动态特性参数 测得一阶装置的阶跃响应，取该输出值达到最终稳测得一阶装置的阶跃响应，取该输出值达到最终稳态值的态值的63%所经过的时间作为时间常数所经过的时间作为时间常数 。但测量结。但测量结果的可靠性很差。果的可靠性很差。将一阶装置的阶跃响应表达式改写为将一阶装置的阶跃响应表达式改写为根据测得根据测得 值作出值作出 曲线，根据曲线，根据其斜率值确定时间常数其斜率值

23、确定时间常数。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第六节第六节 测量装置动态特性的测定测量装置动态特性的测定 两边取对数两边取对数如果测得响应为较长瞬变过程，则可利用任意两个超调量如果测得响应为较长瞬变过程，则可利用任意两个超调量 和和 来求取其来求取其阻尼比阻尼比和和固有频率固有频率。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第六节第六节 测量装置动态特性的测定测量装置动态特性的测定 2.2.由二阶装置的阶跃响应求其动态特性参数由二阶装置的阶跃响应求其动态特性参数在测得在测得 M 之后，可按上式求取阻尼比之后，可按上式求取阻尼比 z z。对一个典型二阶系统输入一脉冲信号，从响应的记对一个典型二阶系

24、统输入一脉冲信号，从响应的记录曲线上测得其振荡周期为录曲线上测得其振荡周期为4ms，第三个和，第三个和 第十一第十一个振荡的单峰幅值分别为个振荡的单峰幅值分别为12mm和和4mm。试求该系。试求该系统的固有频率统的固有频率 n 和和 阻尼率阻尼率z z。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第六节第六节 测量装置动态特性的测定测量装置动态特性的测定 实实际际测测量量工工作作中中，测测量量系系统统和和被被测测对对象象会会产产生生相相互互作作用用。测测量量装装置置构构成成被被测测对对象象的的负负载载。彼彼此此间间存存在在能能量量交交换换和和相相互互影影响响，以以致致系系统统的的传传递递函数不再是各组

25、成环节传递函数的叠加或连乘。函数不再是各组成环节传递函数的叠加或连乘。第七节第七节 负载效应负载效应 U0令令R1=100KW W，R2=150KW W，E=150V，U0=90VRm=150KW W，得：，得：U1，误差达误差达28.6%。Rm=1MW W，得：，得：U1，误差为误差为5.7%。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 RmU1ER1R2负载效应对测量结果的影响有时是很大的负载效应对测量结果的影响有时是很大的减轻负载效应的措施减轻负载效应的措施1 1）提高后续环节（负载）的输入阻抗。）提高后续环节（负载）的输入阻抗。2 2）在原来

26、两个相连接的环节之中，插入高输入阻）在原来两个相连接的环节之中，插入高输入阻抗、低输出阻抗的放大器。抗、低输出阻抗的放大器。3 3）使用反馈或零点测量原理，使后面的环节几乎）使用反馈或零点测量原理，使后面的环节几乎不从前环节吸取能量。不从前环节吸取能量。测测量量过过程程中中，除除待待测测量量信信号号外外，各各种种不不可可见见的的、随随机机的的信信号号可可能能出出现现在在测测量量系系统统中中。这这些些信信号号与与有有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。第八节第八节 测量系统的抗干扰测量系统的抗干扰 测量系统测量系统信信道道干干扰扰电电磁磁干干扰扰电电源源干干扰

27、扰测试技术与信号处理测试技术与信号处理第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 被测信号被测信号输出输出1)1)电磁干扰电磁干扰:干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量 系统。系统。2)2)信道干扰信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产：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。生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。3)3)电源干扰电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引：这是由于供电电源波动对测量电路引 起的干扰。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。

28、使用交流稳压器、隔离稳压器可减小的电磁波干扰。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。设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰性。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 测量系统的干扰源测量系统的干扰源本章结束本章结束F频响函数频响函数的含义是一系统对输入与输出皆的含义是一系统对输入与输出皆为正弦信号传递关系的描述。它反映了系为正弦信号传递关系的描述。它反映了系统稳态输出与输入之间的关系，也称为统稳态输出与输入之间的关系，也称为正正弦传递函数弦传递函数。频频响响函函数数的的获获取取方方法法傅氏变换傅氏变换(数字计算数字计算):以 代入H(s)式，也可以得到频响函数，说明频率响应函数是传递函数的特例。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 一阶装置的脉冲响一阶装置的脉冲响应函数应函数温度温度 湿度湿度 酒精酒精测试技术与信号处理测试技术与信号处理第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 幅频特性幅频特性相频特性相频特性f1f2通频带通频带-3db