工程測試技術(shù)基礎(chǔ)2測量裝置基本特性課件

1、第二章 測量裝置的基本特性 本章學(xué)習(xí)要求：1. 建立測量裝置(系統(tǒng))的概念； 2. 掌握測量裝置特性對測量結(jié)果的影響； 3.了解測量裝置特性參數(shù)的測量方法。工程測試技術(shù)基礎(chǔ)第二章 測量裝置的基本特性 測量裝置是為了完成測量任務(wù)所必需的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。 第一節(jié) 測量裝置概述 簡單測量裝置(光電池、溫度計)V復(fù)雜測量裝置(軸承缺陷檢測) 加速度計 帶通濾波器 包絡(luò)檢波器第一節(jié) 測量裝置概述 一. 測量裝置的基本要求 理想的測量裝置應(yīng)該具有單值的、確定的輸入輸出關(guān)系。對于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對應(yīng)，知道其中一個量就可以確定另一個量，并且以輸出和輸入成線性關(guān)系最佳。 xy線性x

2、y線性xy非線性第一節(jié) 測量裝置概述 二. 測量裝置的靜態(tài)標(biāo)定 靜態(tài)標(biāo)定的目的：確定x與y之間的關(guān)系，從而確定線性度、靈敏度、滯后量、重復(fù)性等靜態(tài)性能指標(biāo)。 靜態(tài)標(biāo)定是在規(guī)定條件下，利用一定準(zhǔn)確度等級的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(比被標(biāo)定設(shè)備高一個等級)，產(chǎn)生已知標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)量(如標(biāo)準(zhǔn)壓力、應(yīng)變、位移等)作為測量裝置的輸入量，用實驗方法進(jìn)行多次重復(fù)測量，從而得到輸出量的過程。 第一節(jié) 測量裝置概述 2. 靜態(tài)標(biāo)定的過程（1）根據(jù)靜態(tài)標(biāo)定的條件，將傳感器、標(biāo)定設(shè)備以及測量儀 器連接好；（2）在測量裝置超載20%的全量程范圍內(nèi)分成若干等份(6等 份以上)，保持一定時間均勻地進(jìn)行逐級加載和卸載， 并逐點(diǎn)記錄靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)

3、；（3）將靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)用表格列出或繪出標(biāo)定曲線，然后進(jìn)行 分析處理，從而確定測量裝置的靜態(tài)性能指標(biāo)。 無加速度、無振動、無沖擊(除非這些量本身就是被測量)，環(huán)境溫度一般為室溫(205)，相對濕度不大于85，大氣壓力為為0.1MPa。1靜態(tài)標(biāo)定的條件第一節(jié) 測量裝置概述 線性測量裝置的輸入x(t)和輸出y(t)之間的關(guān)系可以用常系數(shù)線性微分方程來描述： 三. 線性測量裝置及其主要性質(zhì)(時域描述) 一般在工程中使用的測量裝置都是線性的。第一節(jié) 測量裝置概述 線性測量裝置的性質(zhì)：1. 疊加性 測量裝置對各輸入之和的輸出，等于各輸入單獨(dú)作用時對應(yīng)輸出的之和，即 若 x1(t) y1(t)，x2(t)

4、y2(t) 則 x1(t) x2(t) y1(t) y2(t) 2. 比例性 常數(shù)倍輸入所得的輸出，等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍，即 c x(t) c y(t) (c為常數(shù)）第一節(jié) 測量裝置概述 3. 微分性 測量裝置對輸入信號的微分，等于原輸入所得輸出信號的微分，即 x(t) y(t) 4. 積分性 當(dāng)初始條件為零時，測量裝置對輸入信號的積分，等于原輸入所得輸出信號的積分，即 x(t) dt y(t) dt 第一節(jié) 測量裝置概述 5. 頻率保持性 若測量裝置的輸入為某一頻率的諧波信號，則測量裝置的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號，即 若x(t) = x0 cos(t +x ) 則 y(t) =

5、y0 cos(t +y )線性測量裝置的這些性質(zhì)，特別是疊加性和頻率保持性，在工程測試工作中具有重要作用。 第一節(jié) 測量裝置概述 第二節(jié) 測量裝置(系統(tǒng))的靜態(tài)特性 第二章 測量裝置的基本特性 研究靜態(tài)特性的目的: (1)確定信號的大??； (2)確定誤差的大小。 一. 線性度(線性誤差) 靜態(tài)標(biāo)定曲線與擬合(理想)直線的偏離程度。第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 xy 擬合直線可通過多次測量得到的數(shù)據(jù)來求取，包括端點(diǎn)連線法、平均法和最小二乘法。設(shè)擬合直線為：（1）平均法：把實驗數(shù)據(jù)按輸入量由小到大依次排 列，分成個數(shù)近似相等的兩組，代入下式或第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 （2）最小二乘法：擬合精度最高

6、注意：將 代入 得由此可見，最小二乘法的擬合直線通過( , ) 點(diǎn)。第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 二. 靈敏度 輸出變化量與輸入變化量之比，對于線性測量裝置常用擬合直線的斜率來表示，即yxxy第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 三. 回程誤差(遲滯或滯后量) 在輸入量由小增大和由大減小的測量過程中，對于同一個輸入量所得到的兩個不同輸出量之間的最大差值，即yxHmax Ymax第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 四. 重復(fù)性(重復(fù)誤差) 輸入量按同一方向變化時，在全量程范圍內(nèi)重復(fù)進(jìn)行測量所得到各特性曲線的重復(fù)程度，即xyYmax第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 Rmax例：某力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)如下表，求：靈敏度、線

7、性度和滯后量。x (kN)0246420y (mV)03.87.9128.14.20.1 (mV)0.044.028.0011.988.004.020.04解：用最小二乘法求擬合直線第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 (mV/kN)(mV/kN)靈敏度:線性度:滯后量:擬合直線求解的方法不同，計算結(jié)果是有差別的，其中最小二乘法計算結(jié)果可靠性最高。第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 (mV)五. 靜態(tài)特性的其他描述靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來衡量測量起始點(diǎn)不靈敏的程度。 分辨力：能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量，表明測量裝置分辨輸入量微小變化的能力。零點(diǎn)漂移：輸出零點(diǎn)偏離原始零點(diǎn)的距離。第二節(jié) 測量裝置的靜

8、態(tài)特性 測量范圍(量程)：測量裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。 可靠性：與測量裝置無故障工作時間長短有關(guān)的一種描述。 穩(wěn)定性：在一定工作條件下，當(dāng)輸入量不變時，輸出量隨時間變化的程度。第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 案例：物料自動配重測量裝置的靜態(tài)特性 第二節(jié) 測量裝置的靜態(tài)特性 第三節(jié) 測量裝置(系統(tǒng))的動態(tài)特性 研究動態(tài)特性的目的: (1)波形失真情況； (2)響應(yīng)快慢。第二章 測量裝置的基本特性 一. 動態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述1. 傳遞函數(shù)(復(fù)頻率域描述) H(s)特點(diǎn)：與輸入、物理結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān) ，只反映系統(tǒng)的傳輸、轉(zhuǎn)換和響應(yīng)特性 。分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分子取決于輸入

9、方式等。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 拉氏變換(數(shù)學(xué)定義)：2. 頻率響應(yīng)函數(shù)(頻率域描述) ( ) 第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 頻率響應(yīng)函數(shù)的意義：直觀地反映了測量裝置對不同頻率簡諧信號激勵下的失真情況。 幅頻特性 相頻特性第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 幅頻特性 ：在不同頻率的簡諧信號激勵下，穩(wěn)態(tài)輸出信號與輸入信號的幅值比。相頻特性 ：在不同頻率的簡諧信號激勵下，穩(wěn)態(tài)輸出信號與輸入信號的相位差。3. 脈沖響應(yīng)函數(shù)(時域描述) 4. 環(huán)節(jié)的串聯(lián)與并聯(lián)串聯(lián)環(huán)節(jié)：并聯(lián)環(huán)節(jié)：由于所以1. 一階系統(tǒng)(裝置) 二. 典型系統(tǒng)(裝置)的動態(tài)特性特征滯后第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 一階系統(tǒng)頻率響應(yīng) 時間常數(shù)；

10、靜態(tài)靈敏度。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 例：用 的一階系統(tǒng)，去測量復(fù)合周期信號 ，求測量結(jié)果故時間常數(shù) 越小失真越小。理想情況：解：當(dāng) 時， ，當(dāng) 時， ， 由于時間常數(shù) 太大，測量結(jié)果與被測對象相差較大(誤差大)，且頻率越高誤差越大。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 若 ，則一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)一階系統(tǒng)脈沖響應(yīng)時間常數(shù)越小，響應(yīng)越快。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 稱重(應(yīng)變片)F2. 二階系統(tǒng)(裝置)加速度計第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 LRC振蕩回路 固有角頻率； 阻尼度(比)； 靜態(tài)靈敏度。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 動圈式儀表測力彈簧特征振蕩第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 理想情況： 阻尼度 ， 固有頻

11、率 越 高，失真越小第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 二階系統(tǒng)幅頻特性二階系統(tǒng)相頻特性第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 例：用 ， 的二階系統(tǒng)去測量的正弦變化力時，求幅值誤差和相位誤差。 解： 由于阻尼度 ，固有頻率 也較低，幅值誤差和相位誤差都較大。第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 阻尼度 ，固有頻率 越高，響應(yīng)越快。二階系統(tǒng)脈沖響應(yīng)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)二階系統(tǒng)脈沖響應(yīng)第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 阻尼度和固有頻率的作用：第三節(jié) 測量裝置的動態(tài)特性 測量裝置的輸出y(t)與輸入x(t)應(yīng)滿足下列關(guān)系： 第五節(jié) 實現(xiàn)不失真測量的條件第二章 測量裝置的基本特性 該裝置的輸出波形與輸入波形精確地一致，只是幅值放大了A0倍

12、，時間上延遲了t0。這種情況下，認(rèn)為測量裝置具有不失真測量的特性。tx(t)y(t)時域條件第五節(jié) 實現(xiàn)不失真測試的條件拉氏變換： 將 代入上式，不失真測量系統(tǒng)條件為：頻域條件常數(shù) 實際情況下，輸入信號頻率不同，輸出的幅值和相位都不同，因此會產(chǎn)生幅值和相位失真，且頻率越高失真越大。第五節(jié) 實現(xiàn)不失真測試的條件 對一階測量裝置，時間常數(shù) 越小越好。失真小，響應(yīng)快，滿足不失真測量條件的頻帶寬。當(dāng) 時，幅值誤差 。 對二階測量裝置，阻尼度 、固有頻率 越高越好。幅頻特性 接近于常數(shù)，相頻特性 也近似于線性關(guān)系。失真小、響應(yīng)快、滿足不失真條件的頻帶寬。第五節(jié) 實現(xiàn)不失真測試的條件 當(dāng) ， 時， 。常數(shù)

13、一. 頻率響應(yīng)法(正弦波激勵法) 第六節(jié) 測量裝置動態(tài)特性參數(shù)的測量第二章 測量裝置的基本特性 根據(jù)頻率保持性，用正弦信號 去激勵測量裝置，保持正弦信號的幅值 不變，依次改變其頻率 ，同時測出激勵和穩(wěn)態(tài)輸出的幅值 和相位 ，從而得到幅值比 和相位差 。 由各頻率對應(yīng)的幅值比和相位差，繪制幅頻特性和相頻特性曲線，然后求取動態(tài)特性參數(shù)。 第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 1. 用頻率響應(yīng)法測量時間常數(shù)由幅頻特性和相頻特性可知：當(dāng)幅頻特性 ，相頻特性 時，對應(yīng)的橫坐標(biāo) ，由此查出該點(diǎn)對應(yīng)輸入信號的頻率，即可得到時間常數(shù) 。 第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 0.7072. 用頻率響應(yīng)法測量 和 共振法第六節(jié) 動態(tài)特

14、性參數(shù)測量 當(dāng) 很小時：案例：音響系統(tǒng)性能評定改進(jìn)：脈沖/白噪聲輸入，測量其輸出，然后再求輸出的頻譜。飛機(jī)模態(tài)分析第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 二. 階躍響應(yīng)法 若測量裝置的輸入為單位階躍信號，即x(t)=u(t)，則X(s)=1/s，此時Y(s)=H(s)/sH(s)阻尼度、固有頻率優(yōu)點(diǎn)：直觀缺點(diǎn)：簡單裝置識別第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 1. 用階躍響應(yīng)法測量 0.632第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 若將階躍響應(yīng)函數(shù)表達(dá)式改寫為 ：兩邊取對數(shù)得：則 這種方法運(yùn)用了全部測量數(shù)據(jù)，即考慮了階躍響應(yīng)的全過程，且 Z 與 t 呈線性關(guān)系。若 Z 與 t 為非線性，則不是一階測量裝置。第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量

15、2用階躍響應(yīng)法測量 和 自振法 第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 TdM1M2例： 給某加速度傳感器突然加載，得到的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示，求該傳感器的阻尼度和固有頻率。解： 第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 原理：在橋中懸掛重物，然后突然剪斷繩索，產(chǎn)生階躍激勵，通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。案例：橋梁固有頻率測量第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 實驗：懸臂梁固有頻率測量第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 三. 脈沖響應(yīng)法H(s)固有頻率、阻尼度 若測量裝置的輸人為單位脈沖 ，由于 的拉氏變換為1，則 Y(s)=H(s) 或 y(t)=L-1H(s)=h(t)第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 案例：鏜桿固有頻率測量第六

16、節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 案例：橋梁固頻測量原理：在橋中設(shè)置三角形障礙物，利用汽車路過障礙物時的沖擊對橋梁進(jìn)行激勵，通過應(yīng)變片測量橋梁的動態(tài)變形，從而得到橋梁的固有頻率。第六節(jié) 動態(tài)特性參數(shù)測量 在實際測量工作中，當(dāng)測量裝置聯(lián)接到被測對象上或各測量環(huán)節(jié)互相聯(lián)接時，必然對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，即產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)。傳遞函數(shù)也不再是各組成環(huán)節(jié)的簡單疊加或乘積關(guān)系。 第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng) 第二章 測量裝置的基本特性 ER1R2V=ER2/(R2+R1)VRm第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng) 當(dāng)沒接電壓表時： 當(dāng)接上電壓表后： 誤差為：當(dāng) 時， 。取 。 案例：物料配重自動測量系統(tǒng)第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng) 1用一階裝置測量時引起的負(fù)載效應(yīng) 兩

17、者沒聯(lián)接時：兩者聯(lián)接后：第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng) 為了使測量結(jié)果能盡量準(zhǔn)確地反映被測對象的動態(tài)特性，應(yīng)使 。故： ，C2也盡量小。第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng) 減小負(fù)載效應(yīng)的措施：（1）提高后續(xù)環(huán)節(jié)(負(fù)載)的輸入阻抗； （2）在兩個測量環(huán)節(jié)之間，插入高輸入阻抗、低輸出阻抗的放大器；（3）使用反饋或零點(diǎn)測量原理。2用二階裝置測量時引起的負(fù)載效應(yīng) 測力計被測對象（1）靜態(tài)情況：第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng) 接上測力計后：沒接測力計時：（2）動態(tài)情況 為了使測量結(jié)果能盡量準(zhǔn)確地反映被測對象的動態(tài)特性，應(yīng)使 。故： ， ， 。第七節(jié) 負(fù)載效應(yīng) 第八節(jié) 測量裝置的抗干擾技術(shù) 第二章 測量裝置的基本特性 在測量結(jié)果中，除了有用的被測信號

18、外，還混疊有無用的干擾信號，這些干擾信號嚴(yán)重歪曲測量結(jié)果。一. 測量裝置的干擾源二抗電磁干擾技術(shù) 抗電磁干擾技術(shù)又稱為“電磁兼容技術(shù)”。電磁兼容(EMC)是指裝置或系統(tǒng)在其設(shè)備的預(yù)定場所投入實際運(yùn)行時，既不受周圍電磁環(huán)境的影響，又不影響周圍的環(huán)境，也不發(fā)生性能惡化和失誤工作，而能按設(shè)計要求正常工作的能力 。 干擾以電磁波輻射方式竄入測量裝置。形成電磁干擾的三要素：向外發(fā)送干擾的源 噪聲源；傳播電磁干擾的途徑噪聲的耦合和輻射；承受電磁干擾的受體受擾設(shè)備。 第八節(jié) 測量裝置的抗干擾技術(shù)1信噪比 通道中有用信號成分與噪聲信號成分之比稱為信噪比。設(shè)有用信號功率為PS，有用信號電壓為US，噪聲功率為PN

19、，噪聲電壓為UN，則有 常見噪聲源：各種放電現(xiàn)象的放電噪聲源、電氣設(shè)備噪聲源和固有噪聲源。如：自然界雷電、有觸點(diǎn)電器、放電管、工業(yè)用高頻設(shè)備、電力輸電線、機(jī)動車、大功率發(fā)射裝置、超聲波設(shè)備等。第八節(jié) 測量裝置的抗干擾技術(shù)2抗電磁干擾的措施（1）直接抑制，減弱或消除電磁干擾的噪聲源；（2）切斷或消弱電磁干擾到受擾設(shè)備的耦合通道；（3）加強(qiáng)受擾設(shè)備抗電磁干擾的能力。 電磁屏蔽就是利用高電導(dǎo)率和高磁導(dǎo)率的材料制成封閉的低阻抗容器，將受擾電路置于該容器中，從而抑制該容器外的干擾與噪聲對容器內(nèi)電路的影響?；?qū)a(chǎn)生干擾與噪聲的電路置于該容器之中，從而減弱或消除其對外部電路的影響。 3. 電磁屏蔽技術(shù)第八節(jié) 測量裝置的抗干擾技術(shù) 屏蔽的結(jié)構(gòu)形式主要有屏蔽罩、屏蔽柵網(wǎng)、屏蔽銅箔、隔離倉和導(dǎo)電涂料等。 屏蔽與接地相結(jié)合第八節(jié) 測量裝置的抗干擾技術(shù)三. 電源干擾抑制技術(shù) 電網(wǎng)干擾的抑制采用交流電源濾波器。L1、L2為共模扼流圈，抑制低頻共模干擾；電容C1抑制差模干擾；電容C2、C3抑制高頻共模和差模干擾。 1. 電網(wǎng)干擾抑制技術(shù)電源輸入電源輸出第八節(jié) 測量裝置的抗干擾技術(shù)C1、C3、C5、C7為電解電容，用來濾除低頻干擾； C2、C4、C6、C8為陶瓷電容，用來濾除高頻干擾。2. 直流電源干擾抑制技術(shù)電源輸入直流電源干擾的抑制可采用直流電源濾波器。第八節(jié) 測量裝置的抗干擾技術(shù)四抗信道干擾技