第3章 测量装置基本特性PPT讲稿.ppt

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1、第3章 测量装置基本特性第1页，共43页，编辑于2022年，星期一 测测量量装装置置作作为为系系统统看看待待。简简化化为为处处理理输输入入量量x(t)、系统传输特性系统传输特性h(t)和输出和输出y(t)之间关系之间关系x(t)h(t)y(t)3)输入和系统特性已知，推断系统输出量输入和系统特性已知，推断系统输出量(预测预测)1)输入、输出已知，推断系统的传输特性输入、输出已知，推断系统的传输特性(系统辨识系统辨识)2)系统特性已知，输出可测量，推断输入量系统特性已知，输出可测量，推断输入量(反求反求)第三章第三章 测量装置基本特性测量装置基本特性 物理量传感器传感器变换装置变换装置显示记录装

2、置第2页，共43页，编辑于2022年，星期一一、静态测试和动态测试一、静态测试和动态测试 1静态测试静态测试 输入量不随时间变化输入量不随时间变化 2 动态测试动态测试 输入和输出都是随时间变化的信号输入和输出都是随时间变化的信号 第三章第三章 测量装置基本特性测量装置基本特性 第3页，共43页，编辑于2022年，星期一二、测试系统基本要求二、测试系统基本要求 理想测试系统：理想测试系统：具有单值的、确定的输入输出关系。具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都只有单一的输出量与之对应。对于每一输入量都只有单一的输出量与之对应。以输出和输入成线性关系最佳。以输出和输入成线性关系最佳。xy

3、线性线性xy线性线性xy非线性非线性第三章第三章 测量装置基本特性测量装置基本特性 第4页，共43页，编辑于2022年，星期一第三章第三章 测量装置基本特性测量装置基本特性 四、测量装置数学模型四、测量装置数学模型 常系数线性微分方程常系数线性微分方程第5页，共43页，编辑于2022年，星期一 时不变线性系统性质时不变线性系统性质:1)叠加原理叠加原理2)比例特性比例特性第三章第三章 测量装置基本特性测量装置基本特性 3)频率不变原理频率不变原理(频率保持性频率保持性)输出信号频率等于输入输出信号频率。输出信号频率等于输入输出信号频率。第6页，共43页，编辑于2022年，星期一第二节第二节 测

4、量装置静态特性测量装置静态特性静态测量微分方程式静态测量微分方程式 静态测量：静态测量：测量装置的输入、输出信号不随时间而变化测量装置的输入、输出信号不随时间而变化 静态测量时，测试装置表现出的响应特性静态测量时，测试装置表现出的响应特性静态响应特性静态响应特性 参数：参数：线性度、滞后、重复度、灵敏度线性度、滞后、重复度、灵敏度第三章第三章 测量装置基本特性测量装置基本特性 第7页，共43页，编辑于2022年，星期一一、线性度一、线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程度标定曲线与拟合直线的偏离程度 若若在在标标称称(全全量量程程)输输出出范范围围A内内，标标定定曲曲线线偏偏离离拟拟合合曲曲线线的

5、最大偏差为的最大偏差为B 非线性度非线性度=B/A100%二、滞后二、滞后(回程误差、迟滞、滞环回程误差、迟滞、滞环)滞后产生原因：滞后产生原因：1)机械结构中存在摩擦和游隙机械结构中存在摩擦和游隙2)测试系统中有吸收能量的元件测试系统中有吸收能量的元件(滞后特性滞后特性)第二节第二节 测量装置静态特性测量装置静态特性第8页，共43页，编辑于2022年，星期一 增益、放大倍数增益、放大倍数 注意：注意：灵敏度越高，测量范围越窄，合理选择灵敏度。灵敏度越高，测量范围越窄，合理选择灵敏度。三、灵敏度三、灵敏度 当当测测试试装装置置的的输输入入x有有一一增增量量x，引引起起输输出出y发发生生相相应应

6、的的变化变化y时，时，定义定义:S=y/x 系统灵敏度系统灵敏度 第二节第二节 测量装置静态特性测量装置静态特性xy第9页，共43页，编辑于2022年，星期一四、重复性四、重复性 在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量时，其测量结果间不一致的程度测量时，其测量结果间不一致的程度第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性 测量装置动态特性测量装置动态特性测量装置对随时间变化的输入量的响应特性。测量装置对随时间变化的输入量的响应特性。x(t)h(t)y(t)第二节第二节 测量装置静态特性测量装置静态特性第10页，共43页，编辑于2022年，星期

7、一目的：目的：1)根据信号频率范围及测量误差要求确定测量装置；根据信号频率范围及测量误差要求确定测量装置；2)已知测量装置动态特性，估算可测量信号的频率范围与对已知测量装置动态特性，估算可测量信号的频率范围与对应的动态误差。应的动态误差。第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性一、传递函数一、传递函数 初始条件为零时，系统输出的拉氏变换与输入的拉氏变初始条件为零时，系统输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比。换之比。第11页，共43页，编辑于2022年，星期一在初始条件为零的条件下，系统输出在初始条件为零的条件下，系统输出y(t)的傅氏变换的傅氏变换Y(j)与输入量与输入量x(t)的傅氏变换

8、的傅氏变换X(j)之比之比二、频率响应特性二、频率响应特性第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第12页，共43页，编辑于2022年，星期一 实验求传递函数原理实验求传递函数原理 依次用不同频率依次用不同频率fi的简谐信号去激励被测系统，同时测出激的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相位，得到幅值比励和系统的稳态输出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差、相位差i，绘制得到系统的幅频和相频特性曲线。绘制得到系统的幅频和相频特性曲线。依据：频率保持性依据：频率保持性 若若 x(t)=Asin(t+x)则则 y(t)=Bsin(t+y)第三节第三节 测试装置动态特性

9、测试装置动态特性第13页，共43页，编辑于2022年，星期一优点：优点：简单简单缺点：缺点：效率低效率低 第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第14页，共43页，编辑于2022年，星期一1.一一阶阶系系统统惯惯性性环环节节(非非周周期期环节环节)三、三、常用测试装置传递函数常用测试装置传递函数温度温度 湿度湿度 酒酒精精液柱式温度计、液柱式温度计、RC低通滤波器、弹簧低通滤波器、弹簧-阻尼系统等阻尼系统等(1)一阶系统微分方程一阶系统微分方程弹簧弹簧-阻尼系统阻尼系统kc y(t)x(t)令令时间常数，结构参数决定时间常数，结构参数决定 第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性

10、第15页，共43页，编辑于2022年，星期一(2)一阶系统传递函数一阶系统传递函数 (3)一阶系统频率特性一阶系统频率特性 传递函数传递函数幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第16页，共43页，编辑于2022年，星期一2.二阶系统二阶系统振荡环节振荡环节质量质量-弹簧弹簧-阻尼系统、阻尼系统、RLC电路、动圈式仪表电路、动圈式仪表系统的静态灵敏度系统的静态灵敏度 阻尼率；阻尼率；系统的固有频率；系统的固有频率；kc y(t)x(t)m(1)二阶系统微分方程二阶系统微分方程质量质量-弹簧弹簧-阻尼系统阻尼系统第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动

11、态特性弹弹簧簧秤秤第17页，共43页，编辑于2022年，星期一(2)(2)二阶系统传递函数二阶系统传递函数二阶系统传递函数二阶系统传递函数(3)二阶系统频率特性二阶系统频率特性 二阶系统动态特性参数：固有频率二阶系统动态特性参数：固有频率 和阻尼率和阻尼率 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第18页，共43页，编辑于2022年，星期一四、环节串联和并联四、环节串联和并联1.串联串联X(s)H(s)Z(s)H1(s)H2(s)Y(s)第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第19页，共43页，编辑于2022年，星期一2.并联并联H2(s)H1

12、(s)H(s)X(s)Y(s)第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第20页，共43页，编辑于2022年，星期一五、对测量装置要求：五、对测量装置要求：频率特性好，灵敏度高，响应快，时间滞后小频率特性好，灵敏度高，响应快，时间滞后小 设测试系统的输出设测试系统的输出y(t)与输入与输入x(t)满足：满足：y(t)=A0 x(t-0)第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性y(t)=A0 x(t-0)y(t)=A0 x(t)0第21页，共43页，编辑于2022年，星期一y(t)=A0 x(t-0)傅立叶变换傅立叶变换 测量系统频率响应测量系统频率响应 波形不失真，波形不失真，满足：

13、满足：幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第22页，共43页，编辑于2022年，星期一一、阶跃响应一、阶跃响应1.1.一阶系统阶跃响应一阶系统阶跃响应当当A=1时，输入为单位阶跃信号时，输入为单位阶跃信号(函数函数)微分方程的解为微分方程的解为(令令S=1)若系统输入信号为单位阶跃信号，即若系统输入信号为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)，则，则X(s)=1/s，Y(s)=H(s)/s输入阶跃信号输入阶跃信号第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第23页，共43页，编辑于2022年，星期一0t ty(t)为指数曲线；为指数曲线；y(0)=0

14、，y()=1；在在0到到的时间范围内，的时间范围内，存在过渡响应动误差；存在过渡响应动误差；输出与输入差异越大。输出与输入差异越大。t=3或或4为响应时间。为响应时间。y(t)0.632小小大大 时间常数决定响应速度，时间常数决定响应速度，减小动误差：减小动误差：减小时间常数。减小时间常数。第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第24页，共43页，编辑于2022年，星期一例：例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理：原理：在桥中悬挂重物，突然剪断绳索，产生阶跃激励，通过在桥中悬挂重物，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，得到桥梁固有频率应变片测量桥梁动态变形，得到桥

15、梁固有频率第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第25页，共43页，编辑于2022年，星期一第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性小型火箭激励装置小型火箭激励装置第26页，共43页，编辑于2022年，星期一2.二阶系统阶跃响应二阶系统阶跃响应01(1(过阻尼状态过阻尼状态)稳态响应加上暂态响应项。暂态响应包括两个衰减的指稳态响应加上暂态响应项。暂态响应包括两个衰减的指数项，其中一个衰减很快可以忽略不计，无振荡。数项，其中一个衰减很快可以忽略不计，无振荡。第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第28页，共43页，编辑于2022年，星期一阶跃响应性质：阶跃响应性质：响应曲线

16、形状响应曲线形状3种；种；响应曲线形状取决于响应曲线形状取决于，在在0.60.8之间；之间；响应速度随固有频率的变化而不同响应速度随固有频率的变化而不同,当当一定，一定，n越大越大，响应速度越快。，响应速度越快。第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性y(t)nt第29页，共43页，编辑于2022年，星期一3)二阶系统时域动态性能指标二阶系统时域动态性能指标0.5tdtpMp延迟时间延迟时间td上升时间上升时间tr峰值时间峰值时间tp 响应时间响应时间t ts s超调量超调量ts允许误差允许误差0.05或或0.0201.00.10.9 tr第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第

17、30页，共43页，编辑于2022年，星期一二、频率响应二、频率响应 1.一阶系统一阶系统 输入正弦信号输入正弦信号x(t)=x0sint，频率响应函数，频率响应函数 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第31页，共43页，编辑于2022年，星期一特点：特点：当当1/时，时，|H(j)|接近于接近于1，输出与输入幅值几乎相等；，输出与输入幅值几乎相等；当当增大时，增大时，|H(j)|减小，减小，()增大；增大；当当=1/时，时，|H(j)|=0.707（-3dB），），=-45；=1/点点转折频率转折频率越小，工作频率范围越宽，响应速度越快。越小，工

18、作频率范围越宽，响应速度越快。一阶系统减小动误差一阶系统减小动误差措施：措施：采用时间常数小的测量系统。采用时间常数小的测量系统。第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性A()()0.1 0.2 0.5 1 2 5 101.00.50.30.20.10.1 0.2 0.5 1 2 5 10-80-40-40-60-20 0第32页，共43页，编辑于2022年，星期一2)二阶系统二阶系统输入正弦信号输入正弦信号x(t)=x0sint，频率响应函数，频率响应函数 第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性幅频特性幅频特性 相频特性相频特性 第33页，共43页，编辑于2022年，星期一特点

19、：特点：低频段：低频段：频率比频率比=/n很小时，很小时，A()1，()与与/n近似线性关系近似线性关系高频段：高频段：当频率比当频率比=/n1时，时，A()0，相位滞后近，相位滞后近180=/n=1时，时，A()=1/2，系统发生共振，幅频特性的幅值取决于，系统发生共振，幅频特性的幅值取决于，输出，输出相位滞后相位滞后90第34页，共43页，编辑于2022年，星期一=0.60.8存在谐振频率存在谐振频率 当当0.707 时时，信信号号频频率率等等于于谐谐振振频频率率时时系系统统发发生生共共振振；当当0.707时时，系系统统无无谐谐振振，频频率率特特性性的的模模|H(j)|随随增增加加而而减小

20、减小第35页，共43页，编辑于2022年，星期一3)动态误差与信号频率关系动态误差与信号频率关系广义动态误差：广义动态误差：测测量量系系统统频频率率特特性性H(j)，执执行行功功能能用用理理想想频频率率特特性性表表示示H(0)，二者之间存在误差，二者之间存在误差 动态幅值误差动态幅值误差相位误差相位误差 一阶系统动态误差一阶系统动态误差 动态幅值误差动态幅值误差 第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第36页，共43页，编辑于2022年，星期一相位误差就是一阶系统相频特性相位误差就是一阶系统相频特性 二阶系统动态误差二阶系统动态误差动态幅值误差动态幅值误差 相位误差就是二阶系统相频特性

21、相位误差就是二阶系统相频特性 第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第37页，共43页，编辑于2022年，星期一六、组建测量系统基本原则六、组建测量系统基本原则 测量系统基本参数、静态性能、动态性能达到预先规定的要求测量系统基本参数、静态性能、动态性能达到预先规定的要求 根据测量系统规定的要求，选择、确定系统各环节根据测量系统规定的要求，选择、确定系统各环节(传感器、调理电路、数传感器、调理电路、数据采集系统据采集系统)预估工作预估工作 环节性能好，成本高；环节性能低，系统性能达不到规定要求环节性能好，成本高；环节性能低，系统性能达不到规定要求例：例：传感器传感器S1，调理电路，调理电

22、路(简单：放大器简单：放大器)S2，A/D转换器转换器S3，为传感器和放大器的频率特性为传感器和放大器的频率特性1.基本参数预估基本参数预估基本参数预估项目主要是分辨力和量程基本参数预估项目主要是分辨力和量程第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性第38页，共43页，编辑于2022年，星期一 按系统分辨力与量程要求、工作环境条件要求，按系统分辨力与量程要求、工作环境条件要求，确定传感器类型及灵确定传感器类型及灵敏度；敏度；进行放大器增益进行放大器增益S2与与A/D转换器转换器S3的权衡的权衡 测量范围较大，初定测量范围较大，初定S2、S3往往不能同时满足分辨力、量程两方面要求，往往不能同

23、时满足分辨力、量程两方面要求，解决办法：解决办法：1)设置多种增益设置多种增益 测量值较小用大增益，测量值较大用小增益测量值较小用大增益，测量值较大用小增益 2)一种增益多位一种增益多位A/D转换器转换器(8、10、12位位)测温分辨力要求测温分辨力要求0.1，量程上限量程上限160.0，8位位A/D有有256个分度值，个分度值，10位位A/D有有1024个分度值均不个分度值均不能满足要求能满足要求(160/0.1=1600)，必须选用，必须选用11为以上的为以上的A/D(12位位A/D有有4096个个分度值分度值)1.动态性能预估动态性能预估 测量动态信号的系统要满足动态性能要求测量动态信号

24、的系统要满足动态性能要求例：例：动态信号最高频率动态信号最高频率fm=1kHz，动态幅值误差不大于，动态幅值误差不大于5%，预估，预估 分别预估测量系统中模拟部分分别预估测量系统中模拟部分(传感器与放大器传感器与放大器)、数字部分、数字部分(数据采集数据采集系统系统)，从系统动态性能出发确定组成系统各环节的动态性能，从系统动态性能出发确定组成系统各环节的动态性能第39页，共43页，编辑于2022年，星期一1)模拟部分模拟部分传感器与放大器的频率特性为传感器与放大器的频率特性为模拟部分总频率特性模拟部分总频率特性 动态幅值误差动态幅值误差传感器与放大器均为一阶系统传感器与放大器均为一阶系统传感器

25、的时间常数；放大器的时间常数，通常放大器给出的指标是带宽传感器的时间常数；放大器的时间常数，通常放大器给出的指标是带宽第40页，共43页，编辑于2022年，星期一传感器二阶系统，放大器一阶系统传感器二阶系统，放大器一阶系统选定选定值值(取取代入代入计算出动态幅值误差应满足允许值计算出动态幅值误差应满足允许值 2)数字部分数字部分 数字部分与动态误差有关的指标：数字部分与动态误差有关的指标：A/D转换器的转换时间转换器的转换时间TC、采样、采样/保持器的孔径时间保持器的孔径时间TAP与孔径抖动时间与孔径抖动时间TAJ不知道不知道数值，按数值，按=0=0预估预估 第41页，共43页，编辑于2022

26、年，星期一 转换时间转换时间TC选取选取 保证保证A/D转换器转换误差不大于量化误差条件下，被测信号频率最大值转换器转换误差不大于量化误差条件下，被测信号频率最大值测量系统最高频率测量系统最高频率不满足，则不满足，则A/D转换器前必须有转换器前必须有S/H。一般通过软件消除。一般通过软件消除TAP的延的延时影响，故被测信号的频率最大值受限于孔径抖动时间时影响，故被测信号的频率最大值受限于孔径抖动时间TAJ，即，即 孔径时间孔径时间TAP与孔径抖动时间与孔径抖动时间TAJ选取选取上面测量系统的最高频率上面测量系统的最高频率第42页，共43页，编辑于2022年，星期一测量系统最高频率测量系统最高频

27、率含有传感器的测量系统，系统的动态特性主要受传感器限制含有传感器的测量系统，系统的动态特性主要受传感器限制 3静态性能预估静态性能预估 按总误差的限定值对组成系统环节进行误差分配按总误差的限定值对组成系统环节进行误差分配 根据各环节可能达到的误差范围进行分配；根据各环节可能达到的误差范围进行分配；核对合成误核对合成误差；检验是否达到总体精度要求差；检验是否达到总体精度要求 合成误差合成误差(系统不确定性误差系统不确定性误差)，采用均方根合成法：，采用均方根合成法：已知系统总误差，简单办法：已知系统总误差，简单办法：假定各分项误差相等，求得平均分假定各分项误差相等，求得平均分项误差值；项误差值；根据实际情况，适当调整分项误差值根据实际情况，适当调整分项误差值 传感器、放大器、多路转换开关、传感器、放大器、多路转换开关、S/H、A/D第43页，共43页，编辑于2022年，星期一