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1、第六讲 测试系统的基本特性,工程测试技术基础,一、测试系统的数学模型研究其输入输出之间的关系及特性，以便用理论指导其设计、制造、校准与使用。理论和技术上表征输入输出之间的关系通常是以建立数学模型来体现，这也是研究科学问题的基本出发点。,输入,输出,关系,静态特性,动态特性,微分方程描述,1、静态数学模型 在静态信号作用下，输出与输入间的一种函数关系。 若不考虑迟滞和蠕动，一般用n次多项式来表示： 式中 x 为输入量；y为输出量；a0为零输入时的输出，也叫零位输出；a1为传感器线性项系数也称线性灵敏度，常用K或S表示；a2 , a3 , , an为非线性项系数，其数值由具体传感器非线性特性决定2
2、、传感器动态数学模型（略）,二、测试系统的静态特性 静态特性是指被测值处于稳定状态时, 输出与输入的关系,主要由线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等性能来描述。（1）线性度 线性度是输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差。 YFS为满量程输出，Lmax为最大非线性绝对误差,（2）灵敏度 灵敏度是在稳态下输出增量与输入增量的比值。,对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率,对于非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量.,（3）回程误差 在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出-输入特性曲线不一致的程度。 磁性材料的磁滞、弹性材料迟滞现象、以及机
3、械结构中的摩擦和游隙等原因,（4）重复性 重复性是在输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。 主要由机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生,（5）稳定性 在室温条件下，经过相当长的时间间隔，输出与起始标定时的输出之间的差异。（6）漂移 时间漂移：在规定的条件下零点或灵敏度随时间的缓慢变化； 温度漂移：为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。,（7）综合误差计算静态误差精度,或,或用精度来表示,精度是指仪器指示值和被测量真值的符合程度，精度是由非线性、迟滞、温度变化、漂移等一系列因素所导致的不确定度之和。,静态特性测定是选择经
4、过校准的“标准”静态量作为输入，求出其输入/输出特性曲线。 “标准”输入量误差应当是测试结果误差的1/3 1/5 或更小。 具体的标定过程如下： 1.作输入-输出特性曲线 2.求重复性误差 3.求作正反行程的平均输入-输出曲线 4.求回程误差 5.求作定度曲线 6.求作拟合直线，计算非线性误差和灵敏度,三、测试系统的动态特性 动态特性是反映随时间变化的输入量的响应特性。 （1）输出量达到稳定状态以后与理想输出量之间的差别； （2）当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差。 工程上通常采用输入“标准”信号函数的方法进行分析，并据此确立若干评定动态特性的指标。,传递函
5、数：在初始条件为零时，系统输出量的拉氏变换与输入 量的拉氏变换之比。,H(s)与输入x(t)无关； 由H(s)所描述的系统对于任一具体的输入x(t)都有明确地相应输出y(t)等式中各系数是由测试系统本身结构特性所唯一确定的常数。,Y1(s),H1(s),H2(s),Y(s),X(s),H(s),X1(s),X2(s),+,+,付氏变换(单边):,频响函数：对于LTI系统，设 ,有,称为测试系统的频率响应函数。,系统的幅频特性：,系统的相频特性：,A()- 曲线称为幅频特性曲线，()- 曲线称为相频特性曲线。 20lgA()-lg和()-lg曲线，两者分别称为对数幅频曲线和对数相频曲线，总称为伯
6、德图（Bode图）。,一阶二阶系统的传递特性,任一系统可视为多个一阶、二阶系统的组合。,一阶系统,二阶系统,一阶二阶系统的频响函数,一阶系统数学表述传递函数,静态灵敏度,时间常数,x(t),y(t),一阶系统,一阶系统是一个低通环节。只有当远小于1/时，幅频响应才接近于1，因此一阶系统只适用于被测量缓慢或低频的参数。 幅频特性降为原来的0.707（即3dB)，相位角滞后45o ,时间常数决定了测试系统适应的工作频率范围。,二阶系统,数学表述传递函数频率响应函数：静态灵敏度 系统固有频率 阻尼比,弹簧质量阻尼系统RLC电路系统,Bode图,1.二阶系统是一振荡环节，当 是装置的共振点；2.二阶系
7、统是一个低通环节，当曲线呈水平状态，随w的增大，A(w)先进入共振区，后进入衰减区；3.当=0.7左右时， A(w)几乎无共振，其水平段最长，其相频几乎是一斜直线。,频响函数:直观的反映了测试系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况。,测试系统频率特性的确定,测定频响函数的目的：在作动态参数检测时，要确定系统的不失真工作频段是否符合要求。测定频响函数的方法：用标准信号输入，测出其输出信号，从而求得需要的特性。输入的标准信号有正弦信号、脉冲信号和阶跃信号。,a) 正弦波法,依次用不同频率fi的简谐信号去激励系统，测出激励和稳态输出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差i。,依据：频率保持性 若 x(t
8、)=Acos(t+x) 则 y(t)=Bcos(t+y),优点：简单，信号发生器，双踪示波器缺点：效率低,从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax，逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制就得到系统幅频和相频特性。,如果输入信号是单位脉冲信号，即: 经拉氏变换, h(t) 常称为脉冲响应函数.,b)脉冲响应函数,优点：直观缺点：简单系统识别,一阶系统,二阶系统,1.欠阻尼,2.临界阻尼,3.过阻尼,实验：悬臂梁固有频率测量,案例:桥梁固频测量,原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,c
9、) 阶跃响应函数,若系统输入信号为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)，则X(s)=1/s，此时Y(s)=H(s)/s,设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系 y(t)=A0x(t-t0),系统不失真测量条件,该系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。,y(t)=A0x(t-t0) Y()=A0e-jt0X(),不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足 A()=A0=常数 ()=-t0,做傅立叶变换,1 一阶系统,典型系统的动态响应,温度,酒精,湿度,特征：测量滞后,阶跃响应,一阶系统时间常
10、数测量：,阶跃响应,2 二阶系统,称重(应变片),加速度,特征：震荡,脉冲响应,二阶系统参数测量,脉冲响应/阶跃响应函数法：,传递函数法,阻尼系数和固频的作用,V,负载效应 实际测量工作中，测量系统和被测对象会产生相互作用。测量装置构成被测对象的负载。彼此间存在能量交换和相互影响，以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加或连乘。,令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得:U0=90V,U1=64.3V，误差达28.6%。,测量系统的抗干扰 测量过程中，除待测量信号外，各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。,1)电磁干扰:干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。 2)信道干扰：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。 3)电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的干扰。,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。,
