2測(cè)試裝置的基本特性doc

1、1第二章第二章測(cè)試裝置的基本特性測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的概念2.了解測(cè)試系統(tǒng)特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響3.了解測(cè)試系統(tǒng)特性的測(cè)量方法為實(shí)現(xiàn)某種量的測(cè)量而選擇或設(shè)計(jì)測(cè)量裝置時(shí)，就必須考慮這些測(cè)量裝置能否準(zhǔn)確獲取被測(cè)量的量值及其變化，即實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，而是否能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，則取決于測(cè)量裝置的特性。這些特性包括靜態(tài)與動(dòng)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(shí)上測(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)特性的清晰描述。因此，在研究測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性時(shí)，往往忽略上述非線性或參數(shù)的時(shí)變特性，只從線性系統(tǒng)的角度研究測(cè)量系統(tǒng)最基本的動(dòng)態(tài)特性。2.1測(cè)試系統(tǒng)概論測(cè)試系統(tǒng)概論測(cè)試系統(tǒng)是執(zhí)行測(cè)試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。當(dāng)測(cè)試的目的、要求不同時(shí)，所用的測(cè)試裝置差別

3、很大。簡(jiǎn)單的溫度測(cè)試裝置只需一個(gè)液柱式溫度計(jì)，而較完整的動(dòng)剛度測(cè)試系統(tǒng)，則儀器多且復(fù)雜。本章所指的測(cè)試裝置可以小到傳感器，大到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。玻璃管溫度計(jì)軸承故障檢測(cè)儀圖2.11在測(cè)量工作中，一般把研究對(duì)象和測(cè)量裝置作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)看待。問(wèn)題簡(jiǎn)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(jiàn)系統(tǒng)分析分為如下三種情況：1)當(dāng)輸入、輸出能夠測(cè)量時(shí)(已知)，可以通過(guò)它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。－系統(tǒng)辨識(shí)2)當(dāng)系統(tǒng)特性已知

4、，輸出可測(cè)量，可以通過(guò)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(jì)系統(tǒng)的輸出量。－系統(tǒng)預(yù)測(cè)圖2.12系統(tǒng)、輸入和輸出2.1.1對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的基本要求對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的基本要求理想的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有單值的、確定的輸入－輸出關(guān)系。對(duì)于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對(duì)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線性關(guān)系最佳。許多實(shí)際測(cè)量裝置無(wú)法在較大工作范圍內(nèi)滿足線性要求，但可以在有效測(cè)量范圍內(nèi)

5、近似滿足線性測(cè)量關(guān)系要求。一般把測(cè)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(lái)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(cè)量工作的最常用的一個(gè)指標(biāo)是測(cè)量誤差，即％真值裝置指示值－真值測(cè)量誤差＝100?若有

6、相同的示值誤差，指示值愈小，相應(yīng)的測(cè)量誤差愈大。例如測(cè)量100mm和10mm長(zhǎng)度，如果示值誤差都是0.01mm，顯然10mm的測(cè)量誤差大，也就是說(shuō)，它的測(cè)量精度低。因此在選用測(cè)試裝置時(shí)應(yīng)注意使它的量程與被測(cè)量的大小相適應(yīng)，最好是被測(cè)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(cè)量精度。4)信噪比信噪比是信號(hào)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(hào)電壓和噪聲電壓來(lái)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(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值之間的一致程度。誤差越小，測(cè)量結(jié)果愈準(zhǔn)確。2.2測(cè)試裝置的基本特性測(cè)試裝置的基本特性為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出多方面的性能要求。這些性能大致包括四個(gè)方面的性能：靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、負(fù)載效應(yīng)和抗干擾特性。對(duì)于那些用于靜態(tài)測(cè)量的測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)量中，則需要利用這四方面的特性指標(biāo)來(lái)衡量測(cè)量?jī)x器的質(zhì)量，因?yàn)樗鼈兌?/p>

8、將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。2.2.1靜態(tài)特性靜態(tài)特性測(cè)量裝置的靜態(tài)特性是通過(guò)某種意義的靜態(tài)標(biāo)定過(guò)程確定的。靜態(tài)標(biāo)定是一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，這一過(guò)程是在只改變測(cè)量裝置的一個(gè)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(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出量，因此得到測(cè)量裝置輸入與輸出間的關(guān)系。通常以測(cè)量裝置所要測(cè)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(cè)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(cè)試裝置的靜態(tài)測(cè)量誤差與多種因素有關(guān)，包括測(cè)量裝置本身和人為的因素。本章只討論測(cè)量裝置本身的測(cè)量誤差。有一些測(cè)量裝置對(duì)靜態(tài)或低于一定頻率的輸入沒(méi)有相應(yīng)，例如壓電加速度計(jì)。這類測(cè)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(shí)則是以特定頻率的正弦信號(hào)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(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性測(cè)試裝置的動(dòng)態(tài)特性是當(dāng)被測(cè)量即輸入量隨時(shí)間快速變化時(shí)，測(cè)量輸入與相應(yīng)

10、輸出之間動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。在研究測(cè)量裝置動(dòng)態(tài)特性時(shí)，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(cè)量裝置輸入與輸出間的關(guān)系。測(cè)量裝置的動(dòng)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(shí)Fourier變換可得頻響函數(shù)。此外，測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)特性也可用單位脈沖輸入的響應(yīng)來(lái)表示。測(cè)量裝置的微分方程any(n)(t)an1y(n1)(t)…a1y