傳感器PPT第一章

1、 SSPUSSPU 參考書目參考書目: : 1.賈民平賈民平,張洪亭張洪亭,周劍英周劍英.測試技術(shù)測試技術(shù).高等教育出版社高等教育出版社 2.黃長藝黃長藝,嚴(yán)普強(qiáng)嚴(yán)普強(qiáng).機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 3.吳正毅吳正毅.測試技術(shù)與測試信號處理測試技術(shù)與測試信號處理.北京北京:清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 先修課程先修課程: : 高等數(shù)學(xué)、電工學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)高等數(shù)學(xué)、電工學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué) SSPUSSPU 第一章第一章 緒緒 論論 掌握測試等基本概念掌握測試等基本概念1 2 3 測量誤差的概念測量誤差的概念4 本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求： 重

2、點(diǎn)：重點(diǎn)： 測試系統(tǒng)的構(gòu)成測試系統(tǒng)的構(gòu)成 掌握測試系統(tǒng)的組成掌握測試系統(tǒng)的組成 了解測試技術(shù)的發(fā)展趨勢了解測試技術(shù)的發(fā)展趨勢 SSPUSSPU 揭示和探索客觀世界的規(guī)律方法揭示和探索客觀世界的規(guī)律方法: 理論分析 實(shí)驗(yàn)測量 SSPUSSPU SSPUSSPU 1.1 測試技術(shù)的基本概念測試技術(shù)的基本概念 測量：測量： 確定被測對象屬性量值為目的的全部操作確定被測對象屬性量值為目的的全部操作 電子卡尺電子卡尺 玻璃管溫度計(jì)玻璃管溫度計(jì) 結(jié)論結(jié)論： 測量是一種測量是一種靜態(tài)靜態(tài)的，的， 相對相對孤立孤立的的記錄性記錄性操作操作. . “定量定量” SSPUSSPU 1.1 測試技術(shù)的基本概念測試技

3、術(shù)的基本概念 是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量，或者可以理解為測量和試是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量，或者可以理解為測量和試 驗(yàn)的綜合。驗(yàn)的綜合。 激光測距激光測距 檢測車體外形檢測車體外形 室內(nèi)監(jiān)控室內(nèi)監(jiān)控 測試：測試： SSPUSSPU 1.2 測試方法和測試系統(tǒng)測試方法和測試系統(tǒng) 直接測試和間接測試直接測試和間接測試 接觸測試和非接觸測試接觸測試和非接觸測試 非電測法和非電測法和電測法電測法 測試方法測試方法 SSPUSSPU 非電量電測法優(yōu)點(diǎn)：非電量電測法優(yōu)點(diǎn)： 能連續(xù)測量，自動記錄，便于通過反饋去自動控 制和調(diào)整生產(chǎn)過程 通過電量放大器很容易將被測量放大很多倍，可 測極其微小的量 既可測靜態(tài)量也可測動態(tài)量

4、，而且可測瞬態(tài)量 可以有線或無線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測 可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動測試以及分析和處理測試 數(shù)據(jù) SSPUSSPU 傳感器中間變換裝置顯示記錄裝置傳感器中間變換裝置顯示記錄裝置 傳感器傳感器將被測物理量將被測物理量(如噪聲如噪聲,溫度溫度) 檢出并轉(zhuǎn)換為電量，檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間中間 變換裝置變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變變 換后用軟件進(jìn)行換后用軟件進(jìn)行信號分析信號分析，顯示記錄裝置顯示記錄裝置則測量結(jié)果顯示出來，則測量結(jié)果顯示出來， 提供給觀察者或其它自動控制裝置。提供給觀察者或其它自動控制裝置。 信息轉(zhuǎn)換信息轉(zhuǎn)換信息提

5、取信息提取 測試系統(tǒng)：測試系統(tǒng)： 典型測試系統(tǒng)典型測試系統(tǒng) SSPUSSPU 根據(jù)測試任務(wù)復(fù)雜程度的不同，測試系統(tǒng)中傳感器、中根據(jù)測試任務(wù)復(fù)雜程度的不同，測試系統(tǒng)中傳感器、中 間變換裝置和顯示記錄裝置等每個(gè)環(huán)節(jié)又可由多個(gè)模塊組成。間變換裝置和顯示記錄裝置等每個(gè)環(huán)節(jié)又可由多個(gè)模塊組成。 機(jī)床軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)中的中間變換裝置就由帶通濾波器、機(jī)床軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)中的中間變換裝置就由帶通濾波器、A/DA/D變變 換和計(jì)算機(jī)中的換和計(jì)算機(jī)中的FFTFFT分析軟件三部分組成。測試系統(tǒng)中分析軟件三部分組成。測試系統(tǒng)中傳感器傳感器為加速度為加速度 計(jì)，它負(fù)責(zé)將機(jī)床軸承振動信號轉(zhuǎn)換為電信號；計(jì)，它負(fù)責(zé)將機(jī)床軸承

6、振動信號轉(zhuǎn)換為電信號；帶通濾波器帶通濾波器用于濾除傳用于濾除傳 感器測量信號中的高、低頻干擾信號和對信號進(jìn)行放大，感器測量信號中的高、低頻干擾信號和對信號進(jìn)行放大，A/DA/D信號采集信號采集 卡卡用于對放大后的測量信號進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；用于對放大后的測量信號進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；FFTFFT（快速（快速 傅里葉變換）分析軟件傅里葉變換）分析軟件則對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行則對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行FFTFFT變換，計(jì)算出信變換，計(jì)算出信 號的頻譜；最后由號的頻譜；最后由計(jì)算機(jī)顯示器計(jì)算機(jī)顯示器對頻譜進(jìn)行顯示。另外，測試系統(tǒng)的對頻譜進(jìn)行顯示。另外，測試系統(tǒng)的測測 量分析結(jié)果還可以和生

7、產(chǎn)過程相連量分析結(jié)果還可以和生產(chǎn)過程相連，當(dāng)機(jī)床振動信號超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警信，當(dāng)機(jī)床振動信號超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警信 號，防止加工廢品的產(chǎn)生。號，防止加工廢品的產(chǎn)生。 SSPUSSPU 1.3 測試技術(shù)的工程應(yīng)用測試技術(shù)的工程應(yīng)用 在工程領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)在工程領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn) 監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開測試技術(shù)。測試技監(jiān)督、質(zhì)量控制等，都離不開測試技術(shù)。測試技 術(shù)應(yīng)用涉及到航天、機(jī)械、電力、石化和海洋運(yùn)術(shù)應(yīng)用涉及到航天、機(jī)械、電力、石化和海洋運(yùn) 輸?shù)让恳粋€(gè)工程領(lǐng)域。輸?shù)让恳粋€(gè)工程領(lǐng)域。 SSPUSSPU 1.3 測試技術(shù)的工程應(yīng)用測試技術(shù)的工程應(yīng)用 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動/移動位置傳感器、力

8、傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感 器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。 在各種自動控制系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用，在各種自動控制系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)起著系統(tǒng)感官的作用， 是其重要組成部分。是其重要組成部分。 1. 機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器 密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型 廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗 SSPUSSPU 2. AGV自動送貨車自動送貨車 超聲波測距傳感器、判斷超聲波測距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；建筑物內(nèi)人和物所在位置； 紅外線色彩傳感器運(yùn)

9、動軌跡和紅外線色彩傳感器運(yùn)動軌跡和AGV小車位置小車位置識別；條形碼傳識別；條形碼傳 感器，感器，貨品識別。貨品識別。 香港理工AGV模型 SSPUSSPU 1.3 測試技術(shù)的工程應(yīng)用測試技術(shù)的工程應(yīng)用 3. 生產(chǎn)加工過程監(jiān)測生產(chǎn)加工過程監(jiān)測 切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測距傳感器、紅 外接近開關(guān)傳感器等。外接近開關(guān)傳感器等。 SSPUSSPU 在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在 線監(jiān)測系統(tǒng)。 石化企業(yè)輸 油管道、儲 油罐等壓力 容器的破損 和泄露檢測。 4. 流程工業(yè)設(shè)

10、備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控 SSPUSSPU 在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動機(jī)等零部件出廠時(shí)， 必須對其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗(yàn)。 圖示為汽車出廠檢驗(yàn)原理框圖，測量參數(shù) 包括潤滑油溫度、冷卻水溫度、燃油壓力 及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等。通過對抽樣汽車的測試， 工程師可以了解產(chǎn)品質(zhì)量。 汽車扭距測量 機(jī)床加工精度測量 5. 產(chǎn)品質(zhì)量測量產(chǎn)品質(zhì)量測量 SSPUSSPU 為使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活、工 作環(huán)境，并能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能化。在 樓宇中應(yīng)用了許多測試技術(shù)，如闖入監(jiān)測、空氣監(jiān)測、溫 度監(jiān)測、電梯運(yùn)行狀況。 圖示為某公司樓宇自動化系 統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、

11、安全監(jiān)測、照明控制、空調(diào) 控制、停車管理、水/廢水管 理和電梯監(jiān)控。 煙霧傳感器 亮度傳感器紅外人體探測器 6. 樓宇控制與安全防護(hù)樓宇控制與安全防護(hù) SSPUSSPU 在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng) 用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。 全自動洗衣機(jī)中的傳感器： 衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳 感器，水溫傳感器，水質(zhì) 傳感器，透光率光傳感器 (洗凈度) 液位傳感器，電 阻傳感器(衣物烘干檢測)。 指紋傳感器透光率傳感器 溫濕度傳感器溫度傳感器 7. 家庭與辦公自動化家庭與辦公自動化 SSPUSSPU 8. 工業(yè)檢測工業(yè)檢測 SSPUSSPU 9. 交通交通 SSPUSSPU 1

12、0. 日常生活日常生活 SSPUSSPU 11. 航空航天宇宙飛船航空航天宇宙飛船 飛行的速度、加速度、位置、姿態(tài)、溫度、氣壓、 磁場、振動測量?！鞍⒉_10”飛船對3295個(gè)參 數(shù)進(jìn)行檢測，其中： 溫度傳感器559個(gè) 壓力傳感器140個(gè) 信號傳感器501個(gè) 遙控傳感器142個(gè) 專家說：整個(gè)宇宙飛船是高性能傳感器的集合體 SSPUSSPU 12. 未來世界未來世界 智能房屋（自動識別主人，太陽能提供能源） 智能衣服（自動調(diào)節(jié)溫度） 智能公路（自動顯示、記錄公路的壓力、溫度、車 流量） 智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位） SSPUSSPU 聲學(xué)照相機(jī)聲學(xué)照相機(jī) 球型陣列是為測量小型設(shè)備和在有限制 空

13、間中（例如車艙內(nèi)）對于高頻聲源定 位而設(shè)計(jì)的48/120通道測量系統(tǒng)。 SSPUSSPU SSPUSSPU 數(shù)字人工頭測試系統(tǒng)數(shù)字人工頭測試系統(tǒng) 采集的結(jié)果可以直接存儲在內(nèi)部存儲卡中， 在人工頭前端的插槽內(nèi)，儲卡可以直接插拔。 RC 遠(yuǎn)程控制器可以實(shí)現(xiàn)對HMS .0所有 功能的遠(yuǎn)程控制，其中RC 遠(yuǎn)程控制器包 括藍(lán)牙適配器及PDA組成。 SSPUSSPU SSPUSSPU 鼠標(biāo)鼠標(biāo):光電位移傳感器光電位移傳感器 攝像頭攝像頭:CCD傳感器傳感器 麥克風(fēng)麥克風(fēng):電容傳聲器電容傳聲器 聲卡聲卡:A/D卡卡 + D/A卡卡 14. PC機(jī)中的測試技術(shù)應(yīng)用機(jī)中的測試技術(shù)應(yīng)用 SSPUSSPU 1.4

14、測試技術(shù)的發(fā)展趨勢測試技術(shù)的發(fā)展趨勢 1. 不斷提高測試系統(tǒng)的測量精度、量程范圍、延不斷提高測試系統(tǒng)的測量精度、量程范圍、延 長使用壽命、提高可靠性：長使用壽命、提高可靠性： 2. 應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域 3. 新型、集成化、智能化傳感器新型、集成化、智能化傳感器 4. 發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及檢測系統(tǒng)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化傳感器及檢測系統(tǒng) 5. 測量信號處理方面測量信號處理方面_虛擬儀器技術(shù)虛擬儀器技術(shù) SSPUSSPU 1.5 1.5 測試裝置中常用術(shù)語測試裝置中常用術(shù)語 量程：量程：指測試裝置示值的上、下范圍之差。 測量范圍：測量范圍：指在該裝置規(guī)定的

15、極限誤差范 圍內(nèi)所能測量的被測量的范圍，對于動態(tài) 測試裝置，要給出頻率的測量范圍。 SSPUSSPU 1.5 1.5 測試裝置中常用術(shù)語測試裝置中常用術(shù)語 絕對誤差（示值誤差）：絕對誤差（示值誤差）： 示值誤差示值誤差= =指示值指示值- -真值真值 = =A Ax x0 0 在實(shí)際測量中，被測量的真值是不知道的， 通常用實(shí)測量的算術(shù)平均值或滿足規(guī)定精度 的測量值作為真值。例如：用一級精度壓力 表去鑒定二級精度壓力表，那么，一級精度 壓力表的測量值就作為二級精度的壓力真值 使用。 SSPUSSPU 1.5 1.5 測試裝置中常用術(shù)語測試裝置中常用術(shù)語 某采購員分別在三家商店購買某采購員分別在三

16、家商店購買100kg大大 米、米、10kg蘋果、蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約 0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見，但該采購員對賣巧克力的商店意見 最大，是何原因？最大，是何原因？ 對于不同的被測量，用絕對誤差往往很難對于不同的被測量，用絕對誤差往往很難 評定其測量結(jié)果的優(yōu)劣，通常用相對誤差評定其測量結(jié)果的優(yōu)劣，通常用相對誤差 來評定。來評定。 SSPUSSPU 相對誤差及精度等級 示值相對誤差（測量誤差）: 通常通常,希望示值落在儀表滿度值的希望示值落在儀表滿度值的2/3 以上以上 %100 - 真值 真值裝置指示值 相對誤差 SSPUSSPU 滿度相對誤差(引

17、用誤差)： %100 - max 裝置的滿量程 真值指示值 引用誤差 我國規(guī)定電工儀表精確度等級有 0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七級。0.1 級即表示引用誤差是0.1%。 SSPUSSPU 儀表的準(zhǔn)確度等級和基本誤差 例：某指針式電壓表的精度為例：某指針式電壓表的精度為2.52.5 級，用它來測量電壓時(shí)可能產(chǎn)生的滿度級，用它來測量電壓時(shí)可能產(chǎn)生的滿度 相對誤差為相對誤差為+/-2.5% +/-2.5% 。 SSPUSSPU 例：溫度表例：溫度表: 0.5: 0.5級級, ,量程量程100100度度, ,可可 能產(chǎn)生的最大絕對誤差能產(chǎn)生的最大絕對誤差? ? 用其測用其測

18、8080度溫度時(shí)度溫度時(shí), ,示值相對誤差示值相對誤差? ? 10 10度溫度時(shí)度溫度時(shí), ,示值相對誤差示值相對誤差? ? 通常通常: : 最大絕對誤差不變最大絕對誤差不變, ,示值相對誤差示值相對誤差 隨示值的減小而增大隨示值的減小而增大 SSPUSSPU 例1：欲測240N左右的壓力，要求 測量示值相對誤差的絕對值不大于 0.6%，問若選用量程為250N的測 力計(jì)，其精度應(yīng)選哪一級？若選用 量程為300N和500N的測力計(jì)，其 精度又分別選哪一級？ SSPUSSPU 例2：已知待測溫度約為60左右?，F(xiàn) 有兩只溫度計(jì)，一只為0.5級，測量范圍 為0300；另一只為1.0級，測量范圍 為08

19、0。問選用哪一只溫度計(jì)較好？ 為什么？ SSPUSSPU 測測80度的溫度度的溫度, A: 0.5級的級的0-300度度 B: 1.0級級 0-100度度 通常通常,希望示值落在儀表滿度值的希望示值落在儀表滿度值的2/3 以上以上 SSPUSSPU 例：例：某指針式萬用表 的面板如圖所示，問： 用它來測量直流、交 流（）電壓時(shí)，可能 產(chǎn)生的滿度相對誤差 分別為多少？ SSPUSSPU 例：用指針式萬用表的 10V量程測量一只1.5V干 電池的電壓，示值如圖 所示，問：選擇該量程 合理嗎？ SSPUSSPU 用2.5V量程測量 同一只1.5V干電池的 電壓，與上圖比較， 問示值相對誤差哪一 個(gè)大

20、？ SSPUSSPU 第三章第三章 測試系統(tǒng)特性測試系統(tǒng)特性 測試裝置與線性系統(tǒng)測試裝置與線性系統(tǒng)1 2 3 不失真測試系統(tǒng)不失真測試系統(tǒng)4 本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求： 重點(diǎn)：重點(diǎn)： 測試系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性測試系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性 測試系統(tǒng)靜態(tài)特性測試系統(tǒng)靜態(tài)特性 測試系統(tǒng)動態(tài)特性測試系統(tǒng)動態(tài)特性 SSPUSSPU 1.測試裝置與線性系統(tǒng)測試裝置與線性系統(tǒng) 測試系統(tǒng)，依據(jù)研究對象不同，含義的伸縮性很大，測試系統(tǒng)，依據(jù)研究對象不同，含義的伸縮性很大， 既可指一個(gè)復(fù)雜裝置的測試系統(tǒng)，也可能是指該既可指一個(gè)復(fù)雜裝置的測試系統(tǒng)，也可能是指該 測試系統(tǒng)的各組成環(huán)節(jié)，例如傳感器、放大器、測試系統(tǒng)的各組

21、成環(huán)節(jié)，例如傳感器、放大器、 中間變換電路，記錄器。中間變換電路，記錄器。 為從測試裝置的輸出中識別其輸入，必須研究測試為從測試裝置的輸出中識別其輸入，必須研究測試 裝置輸出、輸入及測試裝置三者之間的關(guān)系。裝置輸出、輸入及測試裝置三者之間的關(guān)系。 工程測試一般總是希望測試裝置的測出信號能不失工程測試一般總是希望測試裝置的測出信號能不失 真地反映被測的信號，為此對測試裝置的傳輸特真地反映被測的信號，為此對測試裝置的傳輸特 性提出了一些基本要求。性提出了一些基本要求。 SSPUSSPU 1.1 測試系統(tǒng)基本要求測試系統(tǒng)基本要求 理想的測試系統(tǒng)應(yīng)該具有理想的測試系統(tǒng)應(yīng)該具有單一的、確定的單一的、確定

22、的輸入輸輸入輸 出關(guān)系。對于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之出關(guān)系。對于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之 對應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。其中以輸對應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。其中以輸 出和輸入成出和輸入成線性關(guān)系線性關(guān)系最佳。最佳。 x y 線性線性 x y 線性線性 x y 非線性非線性 SSPUSSPU 在實(shí)際測試工作中，把測試系統(tǒng)在一定條件下，看成在實(shí)際測試工作中，把測試系統(tǒng)在一定條件下，看成 一個(gè)線性系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。一個(gè)線性系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 測試裝置的輸入量測試裝置的輸入量x(t)和輸出量和輸出量y(t)都是時(shí)間的函數(shù)，都是時(shí)間的函數(shù)，

23、如果它們之間的關(guān)系可以用線性常微分方程來描述，如果它們之間的關(guān)系可以用線性常微分方程來描述， 即即 )( )()()( )( )()()( 01 1 1 1 01 1 1 1 txb dt tdx b dt txd b dt txd b tya dt tdy a dt tyd a dt tyd a m m m m m m n n n n n n 1.2 線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì) SSPUSSPU 稱該系統(tǒng)為時(shí)不變線性系統(tǒng)，也稱定常線性系統(tǒng)。通常，稱該系統(tǒng)為時(shí)不變線性系統(tǒng)，也稱定常線性系統(tǒng)。通常， nm，表明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，及系統(tǒng)的輸入不會使輸出發(fā)，表明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，及系統(tǒng)的輸入不

24、會使輸出發(fā) 散。系統(tǒng)均為常數(shù)，不隨時(shí)間變化。散。系統(tǒng)均為常數(shù)，不隨時(shí)間變化。 線性時(shí)不變系統(tǒng)有以下主要性質(zhì)：線性時(shí)不變系統(tǒng)有以下主要性質(zhì)： 1、疊加性、疊加性 )()( 11 tytx)()( 22 tytx )()()()( 2121 tytytxtx 作用于線性系統(tǒng)的各個(gè)輸入所產(chǎn)生的輸出是互不影響的。作用于線性系統(tǒng)的各個(gè)輸入所產(chǎn)生的輸出是互不影響的。 在分析眾多復(fù)雜輸入時(shí)，可以先分析單個(gè)輸入的作用時(shí)在分析眾多復(fù)雜輸入時(shí)，可以先分析單個(gè)輸入的作用時(shí) 的輸出，然后將所有輸出疊加即為總輸出。的輸出，然后將所有輸出疊加即為總輸出。 若若 則則 SSPUSSPU 2、比例特性、比例特性 若若 則對于

25、任意常數(shù)則對于任意常數(shù)k 3、微分特性：系統(tǒng)對輸入微分的響應(yīng)等于、微分特性：系統(tǒng)對輸入微分的響應(yīng)等于 對原輸入響應(yīng)的微分。對原輸入響應(yīng)的微分。 若若 則則 )()(tkytkx dt tdy dt tdx)()( )()(tytx )()(tytx SSPUSSPU 4、積分特性：如果系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，則系、積分特性：如果系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，則系 統(tǒng)對輸入積分的響應(yīng)等于原輸入響應(yīng)的積分統(tǒng)對輸入積分的響應(yīng)等于原輸入響應(yīng)的積分 若若 tt dttydttx 00 )()(則則 5、頻率保持特性、頻率保持特性 若若 則則)sin()()sin()( yiiixiii tYtytXtx 也就是說信號

26、經(jīng)過測試裝置后，幅值可能放大或縮小，相位也可能發(fā)生也就是說信號經(jīng)過測試裝置后，幅值可能放大或縮小，相位也可能發(fā)生 變化，但頻率不會變化變化，但頻率不會變化 )()(tytx )()(tytx SSPUSSPU 判斷一個(gè)系統(tǒng)是否是線性系統(tǒng)，只要判斷該系統(tǒng) 是否滿足疊加性和比例性疊加性和比例性。若滿足就是線性系統(tǒng)。 線性時(shí)不變系統(tǒng)的這些性質(zhì)，特別是疊加特性和 頻率保持特性，對測試工作十分有用。例如，知 道了線性時(shí)不變系統(tǒng)的輸入激勵(lì)頻率，那么可以 判定所得的響應(yīng)信號中只有與輸入頻率同頻率的 分量才是輸入所引起的，而其他頻率分量都是噪 聲。 SSPUSSPU 2. 靜態(tài)特性（靈敏度、線性度、回程誤差）

27、：靜態(tài)特性（靈敏度、線性度、回程誤差）： 是指被測信號是常值時(shí)，其測是指被測信號是常值時(shí)，其測 出信號與被測信號之間所呈現(xiàn)出信號與被測信號之間所呈現(xiàn) 的關(guān)系的關(guān)系 SSPUSSPU a) 線性度線性度 線性度是指測試裝置的輸出與輸入的比值保 持常數(shù)比例關(guān)系的程度。 在進(jìn)行測試裝置靜態(tài)標(biāo)定時(shí)，一般用實(shí)驗(yàn)來 確定其輸出-輸入的對應(yīng)關(guān)系。由此繪制的 曲線稱為標(biāo)定曲線，對該曲線可用多種方法 （端值法，最小二乘法擬合出一條直線）。 SSPUSSPU 標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是線性度。標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是線性度。 線性誤差線性誤差=B/A100% 表征測試系統(tǒng)輸入、表征測試系統(tǒng)輸入、 輸

28、出關(guān)系保持常值線輸出關(guān)系保持常值線 性比例關(guān)系的程度，性比例關(guān)系的程度， 是測試系統(tǒng)一個(gè)非常是測試系統(tǒng)一個(gè)非常 重要的精度指標(biāo)重要的精度指標(biāo) B標(biāo)定曲線偏離擬合曲線的標(biāo)定曲線偏離擬合曲線的 最大偏差最大偏差 A輸出范圍輸出范圍 SSPUSSPU b)靈敏度（表征測試裝置對輸入量變化的反應(yīng)能力）靈敏度（表征測試裝置對輸入量變化的反應(yīng)能力） 當(dāng)測試裝置的輸入當(dāng)測試裝置的輸入x有一增量有一增量x，引起輸出，引起輸出y 發(fā)生相應(yīng)的變化發(fā)生相應(yīng)的變化y時(shí)，則定義時(shí)，則定義: S=y/x 理想測試裝置的靈敏度為 常數(shù)，而一般測試裝置的 靈敏度是一個(gè)變量，此時(shí) 常用擬合直線的斜率作為 該測試裝置的靈敏度。

29、SSPUSSPU 例如：有一位移傳感器，每給以例如：有一位移傳感器，每給以1um的位移量的位移量 （輸入信號的變化量），能得到（輸入信號的變化量），能得到0.2mV的輸出，的輸出， 則其靈敏度為則其靈敏度為S=0.2mV/um。 靈敏度的量綱由輸入和輸出的量綱決定。當(dāng)它們靈敏度的量綱由輸入和輸出的量綱決定。當(dāng)它們 的量綱相同時(shí)，靈敏度又稱為的量綱相同時(shí)，靈敏度又稱為“放大倍數(shù)放大倍數(shù)”或或 “增益增益”。靈敏度為常數(shù)是線性系統(tǒng)的特征之一。靈敏度為常數(shù)是線性系統(tǒng)的特征之一。 SSPUSSPU 分辨力分辨力 描述測量裝置對被測量變化的反應(yīng)能力，他是指輸出指描述測量裝置對被測量變化的反應(yīng)能力，他是指

30、輸出指 示裝置對輸入微小變化的響應(yīng)能力。示裝置對輸入微小變化的響應(yīng)能力。 一般規(guī)定數(shù)字裝置的分辨力就是最后一位變化一個(gè)字一般規(guī)定數(shù)字裝置的分辨力就是最后一位變化一個(gè)字 的大小，模擬裝置的分辨力是指示標(biāo)尺分度值的一半。的大小，模擬裝置的分辨力是指示標(biāo)尺分度值的一半。 某數(shù)字電壓表的量程為某數(shù)字電壓表的量程為2V，各位最大讀數(shù)為，各位最大讀數(shù)為1.9999V， 最末位變化一位的大小為最末位變化一位的大小為0.0001V，則其分辨力為，則其分辨力為0.1mV。 SSPUSSPU 注意注意：S并非越高越好，并非越高越好，S 越高，就越容易受到外界越高，就越容易受到外界 干擾的影響，即裝置的穩(wěn)干擾的影響

31、，即裝置的穩(wěn) 定性越差定性越差 靈敏度是否越高越好？靈敏度是否越高越好？ SSPUSSPU c) 回程誤差回程誤差 測試系統(tǒng)當(dāng)輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，測試系統(tǒng)當(dāng)輸入量由小增大和由大減小的測試過程中， 對于同一個(gè)輸入量，所得輸出量不一致的程度。對于同一個(gè)輸入量，所得輸出量不一致的程度。 在數(shù)值上用同一輸入量下所得到的兩個(gè)數(shù)值不同的在數(shù)值上用同一輸入量下所得到的兩個(gè)數(shù)值不同的 輸出量之間差值最大者為輸出量之間差值最大者為hmax與測量系統(tǒng)滿量程輸出值與測量系統(tǒng)滿量程輸出值 A比值的百分?jǐn)?shù)表示則定義回程誤差為比值的百分?jǐn)?shù)表示則定義回程誤差為 回程誤差回程誤差=(hmax/A)100%

32、為什么會產(chǎn)生為什么會產(chǎn)生 回程誤差？回程誤差？ 由由遲滯現(xiàn)象遲滯現(xiàn)象產(chǎn)生的，即由于裝置內(nèi)產(chǎn)生的，即由于裝置內(nèi) 部的彈性元件、磁性元件的滯后特性部的彈性元件、磁性元件的滯后特性 以及機(jī)械部分的摩擦、間隙、灰塵積以及機(jī)械部分的摩擦、間隙、灰塵積 塞等原因造成的。塞等原因造成的。 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 SSPUSSPU 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù) 3.動態(tài)特性：動態(tài)特性： 當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)，測試系統(tǒng)所表現(xiàn)出的響應(yīng)特性當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)，測試系統(tǒng)所表現(xiàn)出的響應(yīng)特性,測測 試系統(tǒng)的動態(tài)特性的好壞主要取決于測試系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)，試系統(tǒng)的動態(tài)特性的好壞主要取決于測試系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)， 而且與輸

33、入信號有關(guān)。而且與輸入信號有關(guān)。 時(shí)域微分方程時(shí)域微分方程 SSPUSSPU (1) 時(shí)域微分方程時(shí)域微分方程 已知系統(tǒng)輸入，通過求解微分方程，就可 求得系統(tǒng)的響應(yīng)，根據(jù)輸入輸出之間的傳 輸關(guān)系就可確定系統(tǒng)的動態(tài)特性。 求解復(fù)雜，使用不方便。 SSPUSSPU (2) 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 在初始條件為零的前提條件下，對微分方程的兩邊做拉普 拉斯變換，可以得到： )()( )()( 01 1 1 01 1 1 sXbsbsbsb sYasasasa m m m m n n n n 將輸出量和輸入量兩者的拉普拉斯變化之比定義為該系統(tǒng) 的傳遞函數(shù)H(s)，即 01 1 1 01 1 1 )( )( )

34、( asasasa bsbsbsb sX sY sH n n n n m m m m js SSPUSSPU (2) 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)特點(diǎn)：傳遞函數(shù)特點(diǎn)： 只反映系統(tǒng)本身的傳輸特性，與輸入和初始條件無只反映系統(tǒng)本身的傳輸特性，與輸入和初始條件無 關(guān)，與系統(tǒng)具體的物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。關(guān)，與系統(tǒng)具體的物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。 只反映系統(tǒng)本身的傳輸特性，與系統(tǒng)具體的物理結(jié)只反映系統(tǒng)本身的傳輸特性，與系統(tǒng)具體的物理結(jié) 構(gòu)無關(guān)。構(gòu)無關(guān)。 對實(shí)際的物理系統(tǒng)，輸入和輸出具有不同的量綱，對實(shí)際的物理系統(tǒng)，輸入和輸出具有不同的量綱， 傳遞函數(shù)通過系統(tǒng)反映出輸入輸出量綱的變換關(guān)系。傳遞函數(shù)通過系統(tǒng)反映出輸入輸出量綱的變

35、換關(guān)系。 分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分母的最高冪次代表了系分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分母的最高冪次代表了系 統(tǒng)的階數(shù)。統(tǒng)的階數(shù)。 SSPUSSPU (3) 頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù) 根據(jù)定常線性系統(tǒng)的頻率保持特性，若輸入為一正弦信號根據(jù)定常線性系統(tǒng)的頻率保持特性，若輸入為一正弦信號 )sin()( 0 tXtx則穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出是與輸入同頻率的正弦信號則穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出是與輸入同頻率的正弦信號 )sin()( 0 tYty 但其幅值和相位角通常不等于輸入信號的幅值和相位角。但其幅值和相位角通常不等于輸入信號的幅值和相位角。 輸出信號與輸入信號的幅值比和相位差都是輸入信號輸出信號與輸入信號的幅值比和相位差都是輸

36、入信號 頻率的函數(shù)頻率的函數(shù)。 SSPUSSPU (3) 頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù) 定常線性系統(tǒng)在正弦信號的激勵(lì)下起穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出定常線性系統(tǒng)在正弦信號的激勵(lì)下起穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出 信號和輸入信號的幅值比定義為該系統(tǒng)的信號和輸入信號的幅值比定義為該系統(tǒng)的幅頻特性幅頻特性。 穩(wěn)態(tài)輸出和輸入的相位差定義為該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出和輸入的相位差定義為該系統(tǒng)的相頻特性相頻特性。 二者統(tǒng)稱為系統(tǒng)的頻率特性。二者統(tǒng)稱為系統(tǒng)的頻率特性。 相頻和幅頻構(gòu)成的復(fù)數(shù)稱為頻率響應(yīng)函數(shù)。相頻和幅頻構(gòu)成的復(fù)數(shù)稱為頻率響應(yīng)函數(shù)。 )( )()( j eAH SSPUSSPU 在傳遞函數(shù)H(s)中，js令 0 即js 便可求得頻率響應(yīng)函數(shù)

37、)( )( )( jX jY jH 由于系統(tǒng)的初始條件為零，因此系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 函數(shù)就成為輸出的傅氏變換與輸入的傅氏變換之 比，即 )( )( )( X Y H SSPUSSPU (3) 頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù) 22 )(Im)(Re)()(jHjHjHA )(Im/)(Re)(jHjHarctg A 幅頻特性：幅頻特性： 相頻特性：相頻特性： SSPUSSPU 4. 一階系統(tǒng)動態(tài)特性：可用一階微分方程來描述的系統(tǒng)一階系統(tǒng)動態(tài)特性：可用一階微分方程來描述的系統(tǒng) 對于以上的微分方程，總可以將其改寫為標(biāo)準(zhǔn)歸一化的形式 對一般的一階系統(tǒng)，微分方程的一般形式為： )()( )( 001 txbtya

38、 dt tdy a )()( )( tSxty dt tdy 式中，=a1/a0,具有時(shí)間的量綱，稱為時(shí)間常數(shù)；S=b0/a0，是一 階系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度常數(shù)。 SSPUSSPU 對歸一化方程作拉氏變換得： )()()(sSXsYssY 一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： 1)( )( )( s S sX sY sH 1 1 )( j jH S為系統(tǒng)靈敏度,為了分析方便，令S=1,將系統(tǒng)作為歸一化系統(tǒng) 令js 可得一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) SSPUSSPU 幅頻特性： 相頻特性： )arctan()( A 2 )(1 1 )()( HA SSPUSSPU 一階系統(tǒng)特點(diǎn)：一階系統(tǒng)特點(diǎn)： （1）一階系統(tǒng)是一個(gè)低通

39、環(huán)節(jié)，只有遠(yuǎn)小于1/時(shí)，幅 頻特性A()才接近為一階系統(tǒng)的幅頻曲線和相頻曲線1， 且相差沿近似斜直線趨近于0，信號通過系統(tǒng)后，各頻率 成分的幅值基本保持不變。因此一階裝置值適用于測量緩 變或低頻信號。 （2）時(shí)間常數(shù)決定了一階系統(tǒng)適用的頻率范圍，從幅頻 特性曲線和相頻特性曲線可以看到，當(dāng)= 1/時(shí)，輸出輸 入的幅值比A()降為0.707（-3dB），此點(diǎn)對應(yīng)著輸出信 號的功率衰減到輸入信號的半功率的頻率點(diǎn)，此點(diǎn)被視為 系統(tǒng)信號通過的截止點(diǎn)。是一階系統(tǒng)的重要特征參數(shù)，是一階系統(tǒng)的重要特征參數(shù)， 它決定了系統(tǒng)的動態(tài)特性。它決定了系統(tǒng)的動態(tài)特性。 越小，轉(zhuǎn)折頻率就越大，測越小，轉(zhuǎn)折頻率就越大，測 試

40、信號的動態(tài)范圍就越寬。試信號的動態(tài)范圍就越寬。 SSPUSSPU 求信號求信號x(t)=9cos(t+45) +12cos(4t+30),通過一通過一 階系統(tǒng)后的輸出階系統(tǒng)后的輸出y(t)。 設(shè)該系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)設(shè)該系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)=1s, 系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度為系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度為S=5。 SSPUSSPU 5. 二階系統(tǒng)動態(tài)特性：二階系統(tǒng)動態(tài)特性： 對一般的二階系統(tǒng)，微分方程的一般形式為： )()( )()( 001 2 2 2 txbtya dt tdy a dt tyd a 對于以上的微分方程，總可以將其改寫為標(biāo)準(zhǔn)歸一化的形式 )()( )( 2 )( 22 2 2 txSty dt tdy dt

41、tyd nnn 式中， 20 /aa n 是系統(tǒng)的固有頻率 20 1 2aa a 是系統(tǒng)的阻尼比（01）時(shí)，二階系統(tǒng)的頻率特性和一階系 統(tǒng)的頻率特性甚為接近，此時(shí)系統(tǒng)近似為一階系統(tǒng)。 當(dāng)很小（0 0.4）時(shí)，在= n處，系統(tǒng)發(fā)生共振。 當(dāng)選取=0.6-0.8， （0.6-0.8） n時(shí)，A() 1，對應(yīng)的 頻率范圍最大，()與近似線性關(guān)系，在這種情況下，系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的動態(tài)誤差較小。 SSPUSSPU n處是系統(tǒng)的共振點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)的幅值最大，相位 滯后90 作為實(shí)用裝置，要避免系統(tǒng)進(jìn)入該頻率點(diǎn)。 n段， ()很小，且和頻率近似成正比增加 n段， ()趨近于-180 ，即輸出信號幾乎和輸入信號 反相 在靠近n段， ()隨頻率的變化而劇烈變化，而且越小， 這種變化卻劇烈 n越大，系統(tǒng)保持動態(tài)誤差在一定范圍內(nèi)的工作頻率范圍就 越寬，反之，工作頻率范圍越窄。 SSPUSSPU 二階系統(tǒng)是一個(gè)振蕩環(huán)節(jié)。從測試工作的角度出發(fā)，總是希望 測試裝置在較大的頻率范圍內(nèi)，受系統(tǒng)的頻率特性影響所產(chǎn)生 的誤差盡可能小。所以，要選擇固有特性和阻尼比組合合適的 裝置，以便獲得較小的誤差和較寬的工作頻率范圍。 一般選取一般選取 （0.6-0.8）n， =0.65-0.7 SSP