傳感與測試技術(shù)-測試裝置的基本特性

第二章測試裝置的基本特性有關(guān)概念測量裝置的靜態(tài)特性測量裝置的動態(tài)特性實現(xiàn)不失真測試的條件負載效應(yīng)測量裝置的抗干擾編輯ppt第二章測試裝置的基本特性本章內(nèi)容：圍繞測試結(jié)果能否如實反映被測信號這一測試中最重要的問題，探討測試裝置的靜態(tài)、動態(tài)特性和不失真測試條件。本章要求：了解并掌握裝置特性的描述方法與測定方法；熟悉常見的一階裝置的特性；掌握并能應(yīng)用不失真測試條件。本章難點：動態(tài)特性描述方法。有關(guān)概念的建立與理解，頻率響應(yīng)和不失真條件的應(yīng)用是本章的難點。編輯ppt第二章測試裝置的基本特性第一節(jié)概述學習要求了解測試裝置的主要特性了解線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)編輯ppt第一節(jié)概述測量過程：已知轉(zhuǎn)化量y(t)和測量裝置h(t)，求被測量x(t)的過程。測量裝置是否能夠?qū)崿F(xiàn)準確測量是由測量裝置的特性決定的。測量裝置h(t)x(t)y(t)被測量轉(zhuǎn)化量編輯ppt靜態(tài)特性是指輸入不隨時間而變化的特性，它表示測試裝置在被測量各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)下輸入輸出的關(guān)系。靜態(tài)特性是通過某種意義的靜態(tài)標定過程確定的。靜態(tài)標定是一個實驗過程，這一過程是在只改變測量裝置的一個輸入量，測量對應(yīng)的輸出量，由此得到測量裝置輸入與輸出的關(guān)系。一、測量裝置的靜態(tài)特性編輯ppt一、測量裝置的靜態(tài)特性電渦流傳感器測位移編輯ppt二、測量裝置的動態(tài)特性動態(tài)特性是指當被測量即輸入量隨時間快速變化時，測量輸入與響應(yīng)輸出之間動態(tài)關(guān)系的數(shù)學描述。在研究測量裝置的動態(tài)特性時，認為系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)可用微分方程、傳遞函數(shù)和頻響函數(shù)及單位脈沖響應(yīng)表示編輯ppt確定動態(tài)特性的目的：了解實現(xiàn)不失真測量的頻率范圍，可得到可靠的測量結(jié)果和估計測量誤差。二、測量裝置的動態(tài)特性測量鋁件的溫度編輯ppt實際測量工作中，測量系統(tǒng)和被測對象會產(chǎn)生相互作用。測量裝置構(gòu)成被測對象的負載。彼此間存在能量交換和相互影響，以致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不再是各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的疊加或連乘。負載特性是測試裝置的固有特性，進行測量或組成測量系統(tǒng)時，要考慮這種特性并將其影響降到最小。三、測量裝置的負載特性編輯ppt三、測量裝置的負載特性例：集成電路芯片的溫度測量，帶探針的溫度計會從芯片吸收可觀的熱源而成為芯片的散熱元件。用質(zhì)量為mf

的傳感器測量單自由度振動系統(tǒng)的振動（質(zhì)量塊質(zhì)量為m），參與振動的質(zhì)量成為m+mf

，從而導致系統(tǒng)固有頻率下降。編輯ppt四、測量裝置的抗干擾性在測量過程中要受到電源干擾、環(huán)境干擾和信道干擾等多種干擾，其對測量結(jié)果的影響決定于測量裝置的抗干擾能力和采取的抗干擾措施。編輯ppt第二章測試裝置的基本特性第二節(jié)測量裝置的靜態(tài)特性學習要求掌握測試裝置的線性度、分辨力和靈敏度的概念了解測試裝置其他靜態(tài)特性編輯ppt第二節(jié)測量裝置的靜態(tài)特性測試裝置的靜態(tài)特性就是在靜態(tài)測量情況下描述實際測試裝置與理想定常線性系統(tǒng)的接近程度人們總希望測試裝置的輸入與輸出成唯一的對應(yīng)關(guān)系，而且最好呈線性關(guān)系。但一般情況下，輸入輸出不會完全符合所要求的線性關(guān)系，因測試裝置本身存在著遲滯、摩擦等各種因素，以及受外界條件的各種影響。編輯ppt一、線性度線性度：指測量裝置輸出、輸入之間的關(guān)系與理想比例關(guān)系的偏離程度。用線性誤差表示。線性誤差：可用測量值與理想值之間的最大偏差來表示或用百分數(shù)表示。編輯ppt靈敏度：單位輸入變化引起的輸出的變化，即理想直線的斜率若測試系統(tǒng)的輸出和輸入的量綱相同，則靈敏度S無量綱，常稱"放大倍數(shù)"。二、靈敏度編輯ppt三、分辨力分辨力：引起測量裝置的輸出值產(chǎn)生一個可覺察變化的最小輸入量（被測量）變化值稱為分辨力。它表征測量系統(tǒng)有效辨別輸入量最小變化量的能力。

數(shù)字裝置的分辨力：最后位數(shù)的一個字 模擬裝置的分辨力：指示標尺分度值的一半編輯ppt回程誤差：在相同測試條件下和全量程范圍A內(nèi)，當輸入由小增大和由大減小的行程中，同一輸入值所得到的兩個輸出值之間的最大差值hmax即：一般是由滯后和死區(qū)造成的。xyAy20y10y0四、回程誤差編輯ppt漂移：測量裝置的特性隨時間的緩慢變化。靈敏度漂移零點漂移五、漂移編輯ppt第二章測試裝置的基本特性第三節(jié)測量裝置的動態(tài)特性學習要求了解測試裝置動態(tài)特性的數(shù)學描述了解一階系統(tǒng)的特性編輯ppt一、動態(tài)特性的數(shù)學描述定常線性系統(tǒng)的測試裝置，可用常系數(shù)線性微分方程來描述，但使用時有許多不便。因此，常通過拉普拉斯變換建立其相應(yīng)的“傳遞函數(shù)”，通過傅立葉變換建立其相應(yīng)的“頻率響應(yīng)函數(shù)”，以便更簡便地描述裝置或系統(tǒng)的特性。編輯ppt一、動態(tài)特性的數(shù)學描述1.傳遞函數(shù)測量裝置的微分方程為：在零初始條件下進行拉氏變換可得傳遞函數(shù)為：編輯ppt一、動態(tài)特性的數(shù)學描述傳遞函數(shù)特點與輸入及系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān),只表達了系統(tǒng)的傳輸特性.只反映了系統(tǒng)的傳輸特性而不拘泥于系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu).可以描述系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號不具有相同的量綱時的轉(zhuǎn)換及傳輸特性,正是通過系數(shù)來反映的,因此其系數(shù)具有量綱.傳遞函數(shù)中的分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),分子則和系統(tǒng)同外界之間的關(guān)系—如輸入點的位置、輸入方式、被測量等有關(guān)。編輯ppt一、動態(tài)特性的數(shù)學描述2.頻率響應(yīng)函數(shù)定義：定常線性系統(tǒng)在正弦輸入下的穩(wěn)態(tài)輸出為同頻率的正弦信號幅頻特性A(ω)：穩(wěn)態(tài)輸出與輸入信號的幅值比相頻特性φ(ω)：穩(wěn)態(tài)輸出對輸入信號的相位差頻率響應(yīng)函數(shù)：編輯ppt二、一階系統(tǒng)的特性一階系統(tǒng)典型的一階系統(tǒng)：編輯ppt一階系統(tǒng)的數(shù)學描述：頻率響應(yīng)函數(shù)：傳遞函數(shù)：微分方程：編輯ppt結(jié)論：一階測量裝置適用于測量緩變或低頻的被測量時間常數(shù)決定了該裝置使用的頻率范圍編輯ppt第二章測試裝置的基本特性第五節(jié)實現(xiàn)不失真測試的條件學習要求掌握實現(xiàn)不失真測試的一般條件了解一階、二階系統(tǒng)實現(xiàn)不失真測試的條件編輯ppt一、實現(xiàn)不失真測試的一般條件

1.

時域描述：設(shè)測試裝置的輸出y(t)和輸入x(t)滿足：

y(t)=A0*x(t-t0)其中A0和t0為常數(shù)

表明這個裝置輸出的波形和輸入的波形精確地一致，只是幅值放大了A0倍，在時間上延遲了t0而已

這種情況被認為測試裝置實現(xiàn)了不失真測試。tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)編輯ppt一、實現(xiàn)不失真測試的一般條件

2.

頻域描述：設(shè)測試裝置的頻域表達式為

Y(ω)=A(ω)

*ejφ(ω)

X(ω)

不失真條件的頻域描述

y(t)=A0*x(t-t0)

Y(ω)=A0*e-jωt0

X(ω)

A(ω)=A0=常數(shù)

φ(ω)=-t0

ω編輯ppt則頻率響應(yīng)函數(shù)：對式作傅立葉變換，有：

測量裝置實現(xiàn)測量不失真的頻率特性：輸出波形不失真的條件：

不等于常數(shù)時所引起的失真稱為幅值失真與之間的非線性關(guān)系所引起的失真稱為相位失真編輯ppt作業(yè)題用一個時間常數(shù)為的一階裝置去測量周期分別為1s，2s，5s的正弦信號，問幅值誤差將是多少？解：編輯ppt二、一階系統(tǒng)不失真測試的條件τ越小，測試裝置的響應(yīng)越快，滿足測試不失真條件的通頻帶也越寬。所以一階裝置的τ越小越好。A(ω)=A0=常數(shù)φ(ω)=-t0ω編輯ppt三、二階系統(tǒng)不失真測試的條件A(ω)=A0=常數(shù)φ(ω)=-t0ω編輯ppt第七節(jié)負載效應(yīng)一、負載效應(yīng)定義：某裝置由于后接另一裝置而產(chǎn)生的種種現(xiàn)象稱為負載效應(yīng)產(chǎn)生原因：一個裝置聯(lián)接到另一裝置上時發(fā)生了能量交換編輯ppt一、負載效應(yīng)ER1R2RmR1R2E編輯ppt二、減輕負載效應(yīng)的措施（電壓輸出環(huán)節(jié)）提高后續(xù)環(huán)節(jié)（負載）的輸入阻抗在兩個相聯(lián)接的環(huán)節(jié)中，插入高輸入阻抗、低輸出阻抗的放大器使用反饋或零點測量原理，使后面的環(huán)節(jié)幾乎不從前環(huán)節(jié)吸取能量在組成測試系統(tǒng)時，要充分考慮各組成環(huán)節(jié)之間連接時的負載效應(yīng)，盡量減小其影響。編輯ppt第八節(jié)測量裝置的抗干擾測量過程中，除待測量信號外，各種不可見的、隨機的信號可能出現(xiàn)在測量系統(tǒng)中。這些信號與有用信號疊加在一起，嚴重扭曲測量結(jié)果。

測量系統(tǒng)信道干擾電磁干擾電源干擾編輯ppt1)電磁干擾:干擾以電磁波輻射方式經(jīng)空間串入測量系統(tǒng)。良好的屏蔽及正確的接地可去除大部分的電