工程测试技术基础-2测量装置基本特性.ppt

第二章 测量装置的基本特性,本章学习要求：,1.建立测量装置(系统)的概念；2.掌握测量装置特性对测量结果的影响；3.了解测量装置特性参数的测量方法。,工程测试技术基础,第二章 测量装置的基本特性,测量装置是为了完成测量任务所必需的传感器、仪器和设备的总称。,第一节 测量装置概述,简单测量装置(光电池、温度计),复杂测量装置(轴承缺陷检测),加速度计 带通滤波器 包络检波器,第一节 测量装置概述,一.测量装置的基本要求,理想的测量装置应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应，知道其中一个量就可以确定另一个量，并且以输出和输入成线性关系最佳。,第一节 测量装置概述,二.测量装置的静态标定,静态标定的目的：确定x与y之间的关系，从而确定线性度、灵敏度、滞后量、重复性等静态性能指标。,静态标定是在规定条件下，利用一定准确度等级的标准设备(比被标定设备高一个等级)，产生已知标准的静态量(如标准压力、应变、位移等)作为测量装置的输入量，用实验方法进行多次重复测量，从而得到输出量的过程。,第一节 测量装置概述,无加速度、无振动、无冲击(除非这些量本身就是被测量)，环境温度一般为室温(205)，相对湿度不大于85，大气压力为为0.1MPa。,1静态标定的条件,第一节 测量装置概述,线性测量装置的输入x(t)和输出y(t)之间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：,三.线性测量装置及其主要性质(时域描述),一般在工程中使用的测量装置都是线性的。,第一节 测量装置概述,线性测量装置的性质：,1.叠加性 测量装置对各输入之和的输出，等于各输入单独作用时对应输出的之和，即 若 x1(t)y1(t)，x2(t)y2(t)则 x1(t)x2(t)y1(t)y2(t),2.比例性 常数倍输入所得的输出，等于原输入所得输出的常数倍，即 c x(t)c y(t)(c为常数）,第一节 测量装置概述,3.微分性 测量装置对输入信号的微分，等于原输入所得输出信号的微分，即 x(t)y(t),4.积分性 当初始条件为零时，测量装置对输入信号的积分，等于原输入所得输出信号的积分，即 x(t)dt y(t)dt,第一节 测量装置概述,5.频率保持性 若测量装置的输入为某一频率的谐波信号，则测量装置的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即 若x(t)=x0 cos(t+x)则 y(t)=y0 cos(t+y),线性测量装置的这些性质，特别是叠加性和频率保持性，在工程测试工作中具有重要作用。,第一节 测量装置概述,第二节 测量装置(系统)的静态特性,第二章 测量装置的基本特性,研究静态特性的目的:(1)确定信号的大小；(2)确定误差的大小。,一.线性度(线性误差)静态标定曲线与拟合(理想)直线的偏离程度。,第二节 测量装置的静态特性,x,拟合直线可通过多次测量得到的数据来求取，包括端点连线法、平均法和最小二乘法。,设拟合直线为：,第二节 测量装置的静态特性,（2）最小二乘法：拟合精度最高,注意：将 代入 得由此可见，最小二乘法的拟合直线通过(,)点。,第二节 测量装置的静态特性,二.灵敏度 输出变化量与输入变化量之比，对于线性测量装置常用拟合直线的斜率来表示，即,第二节 测量装置的静态特性,三.回程误差(迟滞或滞后量)在输入量由小增大和由大减小的测量过程中，对于同一个输入量所得到的两个不同输出量之间的最大差值，即,第二节 测量装置的静态特性,四.重复性(重复误差)输入量按同一方向变化时，在全量程范围内重复进行测量所得到各特性曲线的重复程度，即,x,y,Ymax,第二节 测量装置的静态特性,Rmax,例：某力传感器的静态标定数据如下表，求：灵敏度、线性度和滞后量。,解：用最小二乘法求拟合直线,第二节 测量装置的静态特性,(mV/kN),(mV/kN),灵敏度:,线性度:,滞后量:,拟合直线求解的方法不同，计算结果是有差别的，其中最小二乘法计算结果可靠性最高。,第二节 测量装置的静态特性,(mV),五.静态特性的其他描述,灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。,分辨力：能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测量装置分辨输入量微小变化的能力。,零点漂移：输出零点偏离原始零点的距离。,第二节 测量装置的静态特性,测量范围(量程)：测量装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。,可靠性：与测量装置无故障工作时间长短有关的一种描述。,稳定性：在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。,第二节 测量装置的静态特性,案例：物料自动配重测量装置的静态特性,第二节 测量装置的静态特性,第三节 测量装置(系统)的动态特性,研究动态特性的目的:(1)波形失真情况；(2)响应快慢。,第二章 测量装置的基本特性,一.动态特性的数学描述,1.传递函数(复频率域描述),H(s)特点：与输入、物理结构及系统的初始状态无关，只反映系统的传输、转换和响应特性。分母取决于系统的结构，分子取决于输入方式等。,第三节 测量装置的动态特性,拉氏变换(数学定义)：,2.频率响应函数(频率域描述)(),第三节 测量装置的动态特性,频率响应函数的意义：直观地反映了测量装置对不同频率简谐信号激励下的失真情况。,幅频特性,相频特性,第三节 测量装置的动态特性,幅频特性：在不同频率的简谐信号激励下，稳态输出信号与输入信号的幅值比。,相频特性：在不同频率的简谐信号激励下，稳态输出信号与输入信号的相位差。,3.脉冲响应函数(时域描述),4.环节的串联与并联,串联环节：,并联环节：,由于,所以,1.一阶系统(装置),二.典型系统(装置)的动态特性,特征滞后,第三节 测量装置的动态特性,第三节 测量装置的动态特性,例：用 的一阶系统，去测量复合周期信号，求测量结果,故时间常数 越小失真越小。,理想情况：,解：当 时，,当 时，,由于时间常数 太大，测量结果与被测对象相差较大(误差大)，且频率越高误差越大。,第三节 测量装置的动态特性,若，则,一阶系统阶跃响应,一阶系统脉冲响应,时间常数越小，响应越快。,第三节 测量装置的动态特性,称重(应变片),2.二阶系统(装置),加速度计,第三节 测量装置的动态特性,LRC振荡回路,第三节 测量装置的动态特性,动圈式仪表,测力弹簧,特征振荡,第三节 测量装置的动态特性,理想情况：,阻尼度，固有频率 越 高，失真越小,第三节 测量装置的动态特性,二阶系统幅频特性,二阶系统相频特性,第三节 测量装置的动态特性,例：用，的二阶系统去测量的正弦变化力时，求幅值误差和相位误差。,解：,第三节 测量装置的动态特性,阻尼度，固有频率 越高，响应越快。,二阶系统脉冲响应,第三节 测量装置的动态特性,阻尼度和固有频率的作用：,第三节 测量装置的动态特性,测量装置的输出y(t)与输入x(t)应满足下列关系：,第五节 实现不失真测量的条件,第二章 测量装置的基本特性,该装置的输出波形与输入波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，时间上延迟了t0。这种情况下，认为测量装置具有不失真测量的特性。,第五节 实现不失真测试的条件,拉氏变换：,实际情况下，输入信号频率不同，输出的幅值和相位都不同，因此会产生幅值和相位失真，且频率越高失真越大。,第五节 实现不失真测试的条件,对二阶测量装置，阻尼度、固有频率 越高越好。幅频特性 接近于常数，相频特性 也近似于线性关系。失真小、响应快、满足不失真条件的频带宽。,第五节 实现不失真测试的条件,当，时，。,常数,一.频率响应法(正弦波激励法),第六节 测量装置动态特性参数的测量,第二章 测量装置的基本特性,根据频率保持性，用正弦信号 去激励测量装置，保持正弦信号的幅值 不变，依次改变其频率，同时测出激励和稳态输出的幅值 和相位，从而得到幅值比 和相位差。,由各频率对应的幅值比和相位差，绘制幅频特性和相频特性曲线，然后求取动态特性参数。,第六节 动态特性参数测量,1.用频率响应法测量时间常数,由幅频特性和相频特性可知：当幅频特性，相频特性 时，对应的横坐标，由此查出该点对应输入信号的频率，即可得到时间常数。,第六节 动态特性参数测量,2.用频率响应法测量 和 共振法,第六节 动态特性参数测量,当 很小时：,案例：音响系统性能评定,改进：脉冲/白噪声输入，测量其输出，然后再求输出的频谱。,飞机模态分析,第六节 动态特性参数测量,二.阶跃响应法,若测量装置的输入为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)，则X(s)=1/s，此时Y(s)=H(s)/s,H(s),阻尼度、固有频率,优点：直观缺点：简单装置识别,第六节 动态特性参数测量,1.用阶跃响应法测量,第六节 动态特性参数测量,若将阶跃响应函数表达式改写为：,两边取对数得：,则,这种方法运用了全部测量数据，即考虑了阶跃响应的全过程，且 Z 与 t 呈线性关系。若 Z 与 t 为非线性，则不是一阶测量装置。,第六节 动态特性参数测量,2用阶跃响应法测量 和 自振法,第六节 动态特性参数测量,例：给某加速度传感器突然加载，得到的阶跃响应曲线如下图所示，求该传感器的阻尼度和固有频率。,解：,第六节 动态特性参数测量,原理：在桥中悬挂重物，然后突然剪断绳索，产生阶跃激励，通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,案例：桥梁固有频率测量,第六节 动态特性参数测量,实验：悬臂梁固有频率测量,第六节 动态特性参数测量,三.脉冲响应法,若测量装置的输人为单位脉冲，由于 的拉氏变换为1，则 Y(s)=H(s)或 y(t)=L-1H(s)=h(t),第六节 动态特性参数测量,案例：镗杆固有频率测量,第六节 动态特性参数测量,案例：桥梁固频测量,原理：在桥中设置三角形障碍物，利用汽车路过障碍物时的冲击对桥梁进行激励，通过应变片测量桥梁的动态变形，从而得到桥梁的固有频率。,第六节 动态特性参数测量,在实际测量工作中，当测量装置联接到被测对象上或各测量环节互相联接时，必然对测量结果产生影响，即产生负载效应。传递函数也不再是各组成环节的简单叠加或乘积关系。,第七节 负载效应,第二章 测量装置的基本特性,第七节 负载效应,当没接电压表时：,当接上电压表后：,当 时，。取。,案例：物料配重自动测量系统,第七节 负载效应,1用一阶装置测量时引起的负载效应,两者没联接时：,两者联接后：,第七节 负载效应,为了使测量结果能尽量准确地反映被测对象的动态特性，应使。,故：，C2也尽量小。,第七节 负载效应,2用二阶装置测量时引起的负载效应,（1）静态情况：,第七节 负载效应,接上测力计后：,没接测力计时：,（2）动态情况,第七节 负载效应,第八节 测量装置的抗干扰技术,第二章 测量装置的基本特性,在测量结果中，除了有用的被测信号外，还混叠有无用的干扰信号，这些干扰信号严重歪曲测量结果。,二抗电磁干扰技术,抗电磁干扰技术又称为“电磁兼容技术”。电磁兼容(EMC)是指装置或系统在其设备的预定场所投入实际运行时，既不受周围电磁环境的影响，又不影响周围的环境，也不发生性能恶化和失误工作，而能按设计要求正常工作的能力。,干扰以电磁波辐射方式窜入测量装置。形成电磁干扰的三要素：向外发送干扰的源 噪声源；传播电磁干扰的途径噪声的耦合和辐射；承受电磁干扰的受体受扰设备。,第八节 测量装置的抗干扰技术,1信噪比,通道中有用信号成分与噪声信号成分之比称为信噪比。设有用信号功率为PS，有用信号电压为US，噪声功率为PN，噪声电压为UN，则有,常见噪声源：各种放电现象的放电噪声源、电气设备噪声源和固有噪声源。如：自然界雷电、有触点电器、放电管、工业用高频设备、电力输电线、机动车、大功率发射装置、超声波设备等。,第八节 测量装置的抗干扰技术,2抗电磁干扰的措施,（1）直接抑制，减弱或消除电磁干扰的噪声源；（2）切断或消弱电磁干扰到受扰设备的耦合通道；（3）加强受扰设备抗电磁干扰的能力。,第八节 测量装置的抗干扰技术,屏蔽的结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。,第八节 测量装置的抗干扰技术,三.电源干扰抑制技术,第八节 测量装置的抗干扰技术,C1、C3、C5、C7为电解电容，用来滤除低频干扰；C2、C4、C6、C8为陶瓷电容，用来滤除高频干扰。,2.直流电源干扰抑制技术,直流电源干扰的抑制可采用直流电源滤波器。,第八节 测量装置的抗干扰技术,四抗信道干扰技术,1信道干扰的种类,2抗信道干扰的措施,（1）合理选用电子元器件和电路设计方案；,（2）合理设计印制电路板：电子元器件要合理摆放；输出线避免靠近或平行；产生电磁辐射的电子元器件尽可能远离输入端；合理接地和屏蔽。,第八节 测量装置的抗干扰技术,（3）双绞线传输,抑制电磁干扰采用双绞线传输，一根做作屏蔽，另一根做信号传输线；抑制静电感应采用金属网屏蔽线，金属网做屏蔽层，芯线用于传输信号。,第八节 测量装置的抗干扰技术,五.接地技术,接地通常有两种含义，一是连接到系统基准地，二是连接到大地。从用途上分：一是抑制干扰接地，二是安全保护接地。,第八节 测量装置的抗干扰技术,2多点接地方式,多点接地可降低地线长度，减小高频时的接地阻抗。,第八节 测量装置的抗干扰技术,六.软件抗干扰技术,在内嵌微处理器的测试系统中，可采用硬件与软件(数字滤波)相结合的抗干扰技术。,第八节 测量装置的抗干扰技术,