2測試裝置的基本特性doc

1、1第二章第二章測試裝置的基本特性測試裝置的基本特性本章學(xué)習(xí)要求本章學(xué)習(xí)要求1.建立測試系統(tǒng)的概念2.了解測試系統(tǒng)特性對測量結(jié)果的影響3.了解測試系統(tǒng)特性的測量方法為實現(xiàn)某種量的測量而選擇或設(shè)計測量裝置時，就必須考慮這些測量裝置能否準(zhǔn)確獲取被測量的量值及其變化，即實現(xiàn)準(zhǔn)確測量，而是否能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測量，則取決于測量裝置的特性。這些特性包括靜態(tài)與動態(tài)特性、負(fù)載特性、抗干擾性等。這種劃分只是為了研究上的方便，事實上測量裝置的特性是統(tǒng)一的，各種特

2、性之間是相互關(guān)聯(lián)的。系統(tǒng)動態(tài)特性的性質(zhì)往往與某些靜態(tài)特性有關(guān)。例如，若考慮靜態(tài)特性中的非線性、遲滯、游隙等，則動態(tài)特性方程就稱為非線性方程。顯然，從難于求解的非線性方程很難得到系統(tǒng)動態(tài)特性的清晰描述。因此，在研究測量系統(tǒng)動態(tài)特性時，往往忽略上述非線性或參數(shù)的時變特性，只從線性系統(tǒng)的角度研究測量系統(tǒng)最基本的動態(tài)特性。2.1測試系統(tǒng)概論測試系統(tǒng)概論測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。當(dāng)測試的目的、要求不同時，所用的測試裝置差別

3、很大。簡單的溫度測試裝置只需一個液柱式溫度計，而較完整的動剛度測試系統(tǒng)，則儀器多且復(fù)雜。本章所指的測試裝置可以小到傳感器，大到整個測試系統(tǒng)。玻璃管溫度計軸承故障檢測儀圖2.11在測量工作中，一般把研究對象和測量裝置作為一個系統(tǒng)來看待。問題簡化為處理輸入量x(t)、系統(tǒng)傳輸特性h(t)和輸出y(t)三者之間的關(guān)系。常見系統(tǒng)分析分為如下三種情況：1)當(dāng)輸入、輸出能夠測量時(已知)，可以通過它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。－系統(tǒng)辨識2)當(dāng)系統(tǒng)特性已知

4、，輸出可測量，可以通過它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。－系統(tǒng)反求3)如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計系統(tǒng)的輸出量。－系統(tǒng)預(yù)測圖2.12系統(tǒng)、輸入和輸出2.1.1對測試系統(tǒng)的基本要求對測試系統(tǒng)的基本要求理想的測試系統(tǒng)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。其中以輸出和輸入成線性關(guān)系最佳。許多實際測量裝置無法在較大工作范圍內(nèi)滿足線性要求，但可以在有效測量范圍內(nèi)

5、近似滿足線性測量關(guān)系要求。一般把測試系統(tǒng)定常線性系統(tǒng)考慮。2.1.2線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)若系統(tǒng)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any(n)(t)an1y(n1)(t)…a1y(1)(t)a0y(0)(t)=bmx(m)(t)bm1x(m1)(t)b1x(1)(t)b0x(0)(t)(2.11)3反映測量工作的最常用的一個指標(biāo)是測量誤差，即％真值裝置指示值－真值測量誤差＝100?若有

6、相同的示值誤差，指示值愈小，相應(yīng)的測量誤差愈大。例如測量100mm和10mm長度，如果示值誤差都是0.01mm，顯然10mm的測量誤差大，也就是說，它的測量精度低。因此在選用測試裝置時應(yīng)注意使它的量程與被測量的大小相適應(yīng)，最好是被測量接近滿量程處，至少也要在滿量程的以上，才能得到較好測量精度。4)信噪比信噪比是信號功率與噪聲功率之比，用SNR表示，它的分貝數(shù)為)NnNslg(SNR10?也常用信號電壓和噪聲電壓來表示信噪比，其分貝數(shù)為)

7、VnVslg(SNR20?5)準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度表示測量結(jié)果與被測量真值之間的一致程度。誤差越小，測量結(jié)果愈準(zhǔn)確。2.2測試裝置的基本特性測試裝置的基本特性為了獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果，需要對測量系統(tǒng)提出多方面的性能要求。這些性能大致包括四個方面的性能：靜態(tài)特性、動態(tài)特性、負(fù)載效應(yīng)和抗干擾特性。對于那些用于靜態(tài)測量的測試系統(tǒng)，一般只需衡量其靜態(tài)特性、負(fù)載效應(yīng)和抗干擾特性指標(biāo)。在動態(tài)測量中，則需要利用這四方面的特性指標(biāo)來衡量測量儀器的質(zhì)量，因為它們都

8、將會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。2.2.1靜態(tài)特性靜態(tài)特性測量裝置的靜態(tài)特性是通過某種意義的靜態(tài)標(biāo)定過程確定的。靜態(tài)標(biāo)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，而其他所有的可能輸入嚴(yán)格保持為不變的情況下，測量對應(yīng)的輸出量，因此得到測量裝置輸入與輸出間的關(guān)系。通常以測量裝置所要測量的量為輸入，得到的輸入與輸出間的關(guān)系作為靜態(tài)特性。為了研究測量裝置的原理和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，還要確定其他各種可能輸入與輸出間的關(guān)系，從而得到所有感興趣的輸入與輸

9、出的關(guān)系。如圖2.21所示。第三版P43圖2－1測試裝置的靜態(tài)測量誤差與多種因素有關(guān)，包括測量裝置本身和人為的因素。本章只討論測量裝置本身的測量誤差。有一些測量裝置對靜態(tài)或低于一定頻率的輸入沒有相應(yīng)，例如壓電加速度計。這類測量裝置也需要考慮諸如靈敏度等類似于靜態(tài)特性的參數(shù)，此時則是以特定頻率的正弦信號為輸入，研究其靈敏度。這種特性稱為穩(wěn)態(tài)特性。2.2.2動態(tài)特性動態(tài)特性測試裝置的動態(tài)特性是當(dāng)被測量即輸入量隨時間快速變化時，測量輸入與相應(yīng)

10、輸出之間動態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。在研究測量裝置動態(tài)特性時，往往認(rèn)為系統(tǒng)參數(shù)是不變的，并忽略諸如遲滯、死區(qū)等非線性因素，即用常系數(shù)線性微分方程描述測量裝置輸入與輸出間的關(guān)系。測量裝置的動態(tài)特性也可用微分方程的線性變換描述，采用初始條件為零的Laplace變換可得到傳遞函數(shù)，采用初始條件為零時Fourier變換可得頻響函數(shù)。此外，測量裝置的動態(tài)特性也可用單位脈沖輸入的響應(yīng)來表示。測量裝置的微分方程any(n)(t)an1y(n1)(t)…a1y