chp02测试系统基本特性081007.ppt
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1、复 习,第二章 测试系统的基本特性,第二章 测试系统的基本特性,测试就是通过合适的方法和系统,对被测对象进行变换和测量,获得有关信息,以便分析、研究和控制。测试技术则是为获得有关信息所采用的一系列手段和方法。因此,为保证测量结果的正确性,对于测量者来说,必须了解所使用的测试系统具有怎样的“输出和输入之间的关系”系统特性,从而可正确选择和使用测试系统,使得输出能够正确的反映输入。若盲目选用,就有可能使得测量结果成为无用信息、甚至是有害信息。,第二章 测试系统的基本特性,测试系统可分为:模拟系统把被测物理量变换成为电阻、电压、指针移位、记录曲线等模拟量;数字系统则是变换为二进制或十进制数码等数字量
2、。本章主要论述模拟式测试系统(以下简称测试系统)的静、动态特性和数字式测试系统的特性。,第二章 测试系统的基本特性,一测试系统的“内容”,二测试系统的基本要求,三测试系统及其主要性质,第一节 概述,简单系统,复杂系统,系统的各组成环节,如:简单的温度测试系统就只要一个液柱式温度计。,第一节 概述,一测试系统的“内容”,第一节 概述,简单系统,复杂系统,系统的各组成环节,如:振动测试系统、温度(180-200)的红外线测温仪等都是这样的一个复杂系统,它们均有传感器、测量电路、记录器等部分组成。,测试系统的“内容”,一测试系统的“内容”,第一节 概述,简单系统,复杂系统,系统的各组成环节,如:传感
3、器,记录器,放大器、甚至一个很简单的RC滤波单元等测量电路,控制电路环节。,测试系统的“内容”,一测试系统的“内容”,1通常,测试的“问题”是处理输入x(t)、系统特性h(t)、输出y(t)之间的关系(如右图所示):如x(t)、y(t)是已知可测的观察量,则可“了解”h(t);如h(t)已知、y(t)可测,则可“推断”出导致y(t)的相应x(t);如x(t)与h(t)已知,则可“估计”系统的y(t)。,第一节 概述,二测试系统的基本要求,二测试系统的基本要求,2理想测试系统的“要求”:,理想的测试系统应具有单值的、确定的、最好线性的输入-输出关系。,第一节 概述,三测试系统及其主要性质,1线性
4、系统的数学模型,理想的线性测试系统可用(2 1)式的“常系数线性微分方程式”作为数学模型来描述其输入和输出的关系,称为“时不变线性系统”(线性时不变系统、定常系统、常系数线性系统):,(2-1),1线性系统的数学模型,或改写为:,式中 和 是一些只与测量系统特征有关的结构常数,系统参数不随时间而变化。,三测试系统及其主要性质,2时不变线性系统的主要性质,同时作用的几个输入量所引起的输出量,等于这几个输入量单独作用引起的输入量之和:,则:,若,则:,2时不变线性系统的主要性质,若,则:,即系统对输入微分的响应等同于对原输入响应的微分。,且,则:,如系统的初始状态为零,,即系统对输入积分的响应等同
5、于对原输入响应的积分。,2时不变线性系统的主要性质,输出频率等于输入频率。若输入为某一频率的正弦(余弦)激励,则其稳态输出将有而且也只有该同一频率的简谐信号的响应,可利用时不变系统的性质、来证明:,若则按比例特性可知,对于某一已知频率有:又按微分特性得:再按叠加原理将上面两式叠加:现如令输入为一正弦激励信号记作:则其二阶微分为:,2时不变线性系统的主要性质,故此时有:则相应的也就应有:于是这种方程中的输出量唯一的一种可能解便就是:可见:则:,即:若输入x(t)为某一频率的正弦(或余弦)激励,则线性时不变测试系统的稳态输出y(t)将有、而且也只有该同一频率成分。,第二节 模拟式测试系统的静态特性
6、,一、测试系统的静态特性,二、测试系统静态特性的重要指标参数静态特性参数,三、静态特性的测定方法,第二节 模拟式测试系统的静态特性,一、测试系统的静态特性,静态特性当输入为不随时间变化或变化极慢的信号时,系统输出和输入间的关系(即对静态量的影响)。,在静态测试中,由于输入与输出均不是t的函数,故只要用代数方程式来说明系统的输入 输出关系,此时,、,,,则式(2-1)变为:,(2-2),在这个代数方程式关系基础上所确定的系统性能参数称为静态特性参数。,第二节 测试系统的静态特性,二、测试系统的静态特性参数,第二节 模拟式测试系统的静态特性,如不考虑材料的力滞和“蠕变”效应等缺陷,则其静态特性一般
7、可用下列代数方程式(数学模型)来表示:,式中:y输出量,x输入量,a0零位输出;a1测试系统的灵敏度,a2 至an非线性项的“待定”系数。,第二节 测试系统的静态特性,系统特性的线性化:除理想线性关系外,其余三种情况视为在线性关系上叠加了非线性的高次分量,在实际情况下如非线性“方次”不高、非线性常数较小、输入量变化范围不大,则可用“切线或割线代替实际曲线的某一段”,使系统的静态特性近似于线性;另外,有时可采用“差动”技术来改善系统的线性特性(对于第3图的情况)。线性度(非线性误差、非线性度):它表示试验测出系统的实际输入-输出关系(I-O)曲线(称为定标、定度、“标定”、标准曲线)与理想拟合直
8、线(基准直线)之间的偏差,通常用“相对”误差表示其大小,即(见下图):,第二节 模拟式测试系统的静态特性,线性度的测定在静态标准“条件”(a、无加速度、摇动、冲击;b、室温205;c、相对湿度85%;d、大气压力76060,毫米汞柱)的工作状态下,利用一定等级的校准设备,对系统进行往复循环测试,得到的输出-输入数据,一般用表格列出或画出其曲线。,第二节 模拟式测试系统的静态特性,2.,灵敏度(“静态”、绝对灵敏度),第二节 模拟式测试系统的静态特性,线性系统的静态灵敏度,非线性系统的静态灵敏度,它是线性系统I/O的直线斜率。,例某位移传感器在 为 1.0mm1.1mm时,有u为10mv30mv
9、,则其:,它是该系统特性曲线的斜率,其随输入量而变化。表示为:,(2-3),第二节 模拟式测试系统的静态特性,关于灵敏度的大小,现设两个系统:,K x(测量范围窄、输入范围越小)抗干扰性(如有小噪声,则系统也马上响应)稳定性、且因k大而放大后成为较大的输出),第二节 模拟式测试系统的静态特性,产生原因:由于测试系统内的机械材料和电气材料的滞后特性、部件松动、间隙、摩擦、内部积塞灰尘等一般滞后现象引起的后果,也可能反映着由于摩擦力和机械部件之间的游隙造成仪器不存工作区(死区)的存在(即输入变化时输出无影响的范围)。,定义(回程误差、滞后量、变差):表示对同一个输入量由小增大和由大减小的过程中得到
10、的输出-输入曲线不重合的程度,即对于同一输入量正反行程时二个输出量的最大差异,其大小一般由实验确定:,第二节 模拟式测试系统的静态特性,定义表示(衡量)系统对同一输出量、按同一方向作全量程连续多次变动时,所得的曲线不一致的程度,其大小定义为:,式中 是正行程多次测量的各测试点输出值之间的最大偏差与反行程多次测量输出值之间最大偏差中的较大值。,第二节 模拟式测试系统的静态特性,分辨力:定义是指测试系统可能检测(能够测量)出被测信号最小变化量的能力;表示方法衡量分辨力的指标:,-输出量产生阶跃变化的的最大值,-输出量产生阶跃变化的输入量中的最大值,,则分辨率是上述两指标用满量程的百分比来表示:,第
11、二节 模拟式测试系统的静态特性,灵敏限(灵敏阈、“死区”):定义在输入量由零变化到使输出量开始变化时的输入量之值,它是衡量测试系统在量程零点不灵敏程度的指标。,第二节 模拟式测试系统的静态特性,灵敏度漂移,第二节 模拟式测试系统的静态特性,此外还有:精密度、准确度、精确度、零点漂 移、温度漂移、测量范围等。注意:上述参数的定义在国内外尚未完全统一,使用时要仔细搞清楚其确切的含义;对于某一个特定的测试系统,并不一定要按上述参数去一一衡量,而是应根据实际应用的要求和测试系统本身的特点,抓住几项主要参数来分析及衡量;一般地表征实际测试系统静态特性参数的主要是上述的前三项。,第二节 模拟式测试系统的静
12、态特性,三、静态特性的测定方法,1、实际“应用的要求”:具有足够的灵敏度、非线性度与迟滞误差要尽可能小、重复性要好。对于测量工作者来说:必须了解所用的测试系统静态特性,做到心中有数;若静态参数不符合测试要求,则应找到根源所在,设法排除或改善,以致更换测量环节、装置或系统。2、静态特性参数的测定方法:通过施加一系列已知的输入信号,分别测出对应的输出信号,对这些数据按上述计算方法进行处理求出各个参数。,第三节 测试系统的动态特性,第三节 测试系统的动态特性,一测试系统的动态特性,1、定义,2、动态特性参数,3、动态特性的研究过程,5、研究动态特性的目的,4、动态特性的表示方法,1、定义:,2、动态
13、特性参数:,当输入是随时间变化的动态信号时,系统输出与输入之间的关系(即对动态量的响应)称为动态特性。,在动态测量中,常需用对t的常系数线性微分方程来描述输入-输出之间的关系,在此基础上得出的系统性能参数称为动态特性参数(包括:时间常数、固有频率、阻尼率等)。,3、动态特性的研究过程:,通过把实际测试系统的物理系统抽象成式(2-1)这个数学模型来描述x(t)与y(t)之间的关系,之后经过拉氏变换,建立传递函数的概念,来表示系统的动态特性。,一测试系统的动态特性,第三节 测试系统的动态特性,5、研究动态特性的目的:,4、动态特性的表示方法:,动态特性的时间域表示通过系统的阶跃响应(对典型的阶跃输
14、入的响应、瞬态响应)来研究测试系统在时间域的动态响应;动态特性的频率域表示通过系统频率响应通过系统的频率响应(对典型的正弦输入的响应、稳态响应)来研究测试系统在频率域的动态响应。,研究x(t)与y(t)之间的“差异(动态误差)”,分析决定这些差异的因素是什么,以便减小这些差异的因素是什么,便于减小这些动误差和评价测试系统的动态特性。,一测试系统的动态特性,第三节 测试系统的动态特性,二传递函数,1、定义,2、说明,3、传递函数H(S)的主要特点,1、定义:,若系统的“初始条件为零”(即在t0时其输入量、输出量及其各阶导数均为零),则可对系统的数学模型式(2-1)取“拉氏变换”,即用:,故得:,
15、则定义传递函数为:,四传递函数,第三节 测试系统的动态特性,2、说明:,复数S=a+jb=+j且0,它称为拉氏算子(算符);当分母中S的阶数为n(即也是系统微分方程的阶数),则称系统为n阶系统;如n=0、1、2,则称为零阶、一阶、二阶系统;常用的测试系统一般大多为零阶、一阶、二阶系统、或是由若干个这样的环节组成的系统,因此本节主要讨论分析零阶、一阶、二阶测试系统的动态特性;此时的静态灵敏度为:,二传递函数,3、传递函数H(S)的主要特点:,H(s)只反映描述系统本身的动态特性(结构形式)、而与输入量x(t)无关,从H(s)的定义式中可见,各个常数是由系统本身物理参数唯一确定的;由H(s)描述的
16、系统,对任一具体的x(t)都确定给出相应的y(t);H(s)中的分母完全由系统(包括研究对象和测试环节)的结构所决定,而分子则和输入点的位置(所测的变量、测点布置)情况有关。,二传递函数,3、传递函数H(S)的主要特点:,H(S)是一种对系统动态特性的解析描述,它包含了瞬态时间响应、稳态频率响应的全部信息:由拉氏变换定义可知:,且,当t时,指数衰减函数,故 只能起到反映时间域瞬态过程的作用;当系统经一段时间处于稳定状态时,则又有 这一项起作用、而且包括有频率域的信息。,H(S)与“具体”的物理系统“无关”:只要这些完全不同的物理系统(不管是机械系统、还是电路系统)具有相似的传递特性、相似的动态
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