测试装置的基本特性概要.pptx
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1、1第一节第一节 概述概述第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性第四节第四节 测试装置对任意输入的影响测试装置对任意输入的影响第五节第五节 实现不失真测量的条件实现不失真测量的条件第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性第二章第二章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性22 2第一节第一节 概述概述测试是具有试验性质的测量,是从客观事物取得有关信息的过程。在这测试是具有试验性质的测量,是从客观事物取得有关信息的过程。在这过程中,借助专门的设备,即测试装置,通过合适的实验方法和必要的数学过程中,借助专门的设备,即测试装置,通过合适的实验方法和必要的数学处理方法,求得所研究对象
2、的有关信息。处理方法,求得所研究对象的有关信息。本章主要讨论测试装置及其与输入、输出的关系。本章主要讨论测试装置及其与输入、输出的关系。图图 2-0 典型的测试装置典型的测试装置3第一节第一节 概述概述一、对测试装置的基本要求一、对测试装置的基本要求通常的工程测试问题总是处理输入量通常的工程测试问题总是处理输入量x(t)、装置、装置(系统系统)的传输特性的传输特性h(t)和输和输出量出量y(t)三者之间的关系三者之间的关系(图图21)。即:。即:1、解决的问题、解决的问题图图 2-1 系统、输入和输出系统、输入和输出如果输入、输出是可以观察如果输入、输出是可以观察(已知已知)的量,则可以推断系
3、统的传输特性;的量,则可以推断系统的传输特性;如果系统特性已知,输出可测,则可以推断导致该输出的输入量;如果系统特性已知,输出可测,则可以推断导致该输出的输入量;如果输入和系统特性已知,则可以推断和估计与该输出对应的系统输如果输入和系统特性已知,则可以推断和估计与该输出对应的系统输出量。出量。4第一节第一节 概述概述一、对测试装置的基本要求一、对测试装置的基本要求2、基本要求、基本要求理想的测试装置应该具有理想的测试装置应该具有单值单值的、的、确定确定的输入的输入输出输出关系关系。即,对应于每一输入量,都应只有单一的输出量与之对应。知道。即,对应于每一输入量,都应只有单一的输出量与之对应。知道
4、其中的一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成其中的一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系线性关系为最佳。为最佳。一些实际测试装置无法在较大工作范围内满足这些要求,只能在较小工作范一些实际测试装置无法在较大工作范围内满足这些要求,只能在较小工作范围内和在一定误差允许范围内满足这些要求。围内和在一定误差允许范围内满足这些要求。图图 2-1 系统、输入和输出系统、输入和输出5第一节第一节 概述概述二、线性系统及其主要性质二、线性系统及其主要性质1、时不变线性系统、时不变线性系统(定常线性系统定常线性系统)满足微分方程满足微分方程(2-1)的系统称为时不变系统的系统称为时不变系统(
5、线性定常系统线性定常系统),实际中这种系统不是很多。但是,实际中这种系统不是很多。但是,只要工作范围比较小,一般系统都可以在满足一定精度要求作为时不变,只要工作范围比较小,一般系统都可以在满足一定精度要求作为时不变系统处理。系统处理。2、时不变线性系统、时不变线性系统(定常线性系统定常线性系统)的特性的特性为了描述特性方便,用为了描述特性方便,用x(t)y(t)表示上述系统的输入、输出的对应关系。表示上述系统的输入、输出的对应关系。叠加原理叠加原理6第一节第一节 概述概述二、线性系统及其主要性质二、线性系统及其主要性质比例特性比例特性(均匀性均匀性)微分特性微分特性初始状态为零的积分特性初始状
6、态为零的积分特性频率保持性频率保持性7第一节第一节 概述概述三、有关测试和测试装置的若干术语三、有关测试和测试装置的若干术语(一一)测量、计量和测试测量、计量和测试测量:测量:是指是指以确定被测对象量值为目的以确定被测对象量值为目的全部操作全部操作。计量:是指实现计量:是指实现单位统一单位统一和和量值准确可靠量值准确可靠的的测量测量。测试:是具有测试:是具有试验性质的测量试验性质的测量,也可理解为,也可理解为测量和试验的综合测量和试验的综合。根据被根据被测量测量是否随时间变化,可将测量分为是否随时间变化,可将测量分为动态测量动态测量和和静态测量静态测量。动态测量:是为动态测量:是为确定确定量的
7、量的瞬时值瞬时值及及(或或)其其随时间变化的量随时间变化的量所进行的测量。所进行的测量。静态测量:是指静态测量:是指测量期间被测量值可认为是恒定的测量测量期间被测量值可认为是恒定的测量。(二二)测量装置的误差和准确度测量装置的误差和准确度装置的示值误差:测量装置的装置的示值误差:测量装置的示值示值和被测量的和被测量的真值真值之间的之间的差值差值。若不会引起。若不会引起混淆,可简称为混淆,可简称为测量装置的误差测量装置的误差。8第一节第一节 概述概述三、有关测试和测试装置的若干术语三、有关测试和测试装置的若干术语(二二)测量装置的误差和准确度测量装置的误差和准确度在实际测量中只能用所谓的在实际测
8、量中只能用所谓的约定真值约定真值来代替真值。在实际测量中,通来代替真值。在实际测量中,通常利用被测量的实际值、己修正过的算术平均值、计量标准器所复现的量值常利用被测量的实际值、己修正过的算术平均值、计量标准器所复现的量值作为作为约定真值约定真值。其中,实际值是指满足规定准确度的可用来代替真值使用的。其中,实际值是指满足规定准确度的可用来代替真值使用的量值。如在计量检定中通常把高一等级计量标准所复现的量值称为实际值。量值。如在计量检定中通常把高一等级计量标准所复现的量值称为实际值。测量装置的准确度测量装置的准确度(也称为精确度也称为精确度):是表示测量装置给出接近于被测量真值的示值的能力。:是表
9、示测量装置给出接近于被测量真值的示值的能力。测量装置的准确度反映测量装置的总误差。该总误差包括系统误差和测量装置的准确度反映测量装置的总误差。该总误差包括系统误差和随机误差两部分。测量装置的随机误差分量可用对同一被测量在同一行程随机误差两部分。测量装置的随机误差分量可用对同一被测量在同一行程方向连续进行多次测量,其示值的方向连续进行多次测量,其示值的分散性来表述分散性来表述。通常这也称为测量装置。通常这也称为测量装置的的重复性误差重复性误差。在实际工作中,往往使用到测量装置的在实际工作中,往往使用到测量装置的引用误差引用误差一词。它是指测量装一词。它是指测量装置的置的示值绝对误差与引用值之比示
10、值绝对误差与引用值之比,并以百分数表示。,并以百分数表示。引用值引用值往往往往是指是指测量测量装置的装置的量程量程或示值范围的或示值范围的最高值最高值。9第一节第一节 概述概述三、有关测试和测试装置的若干术语三、有关测试和测试装置的若干术语(二二)测量装置的误差和准确度测量装置的误差和准确度测量装置的准确度等级是用来表达该装置在符合一定的计量要求情况测量装置的准确度等级是用来表达该装置在符合一定的计量要求情况下,能保持其误差在规定的极限范围内。多数的电工、热工仪表和部分无线下,能保持其误差在规定的极限范围内。多数的电工、热工仪表和部分无线电测量仪器采用电测量仪器采用引用误差的形式引用误差的形式
11、来来表示其准确度等级表示其准确度等级,以允许,以允许引用误差值引用误差值来来作为作为准确度级别的代号准确度级别的代号。例如,。例如,“0.2级级”电压表表示该电压表允许的示值电压表表示该电压表允许的示值误差不超过电压表引用值的误差不超过电压表引用值的0.2。(三三)量程和测量范围量程和测量范围量程:测量装置的示值范围的量程:测量装置的示值范围的上、下限之差的模上、下限之差的模。测量范围:是指使该装置的误差处于允许极限内它所能测量的测量范围:是指使该装置的误差处于允许极限内它所能测量的被测量值的范被测量值的范围围。对于用于动态测量的装置还标明在允许误差极限内所能测量的。对于用于动态测量的装置还标
12、明在允许误差极限内所能测量的频率范围频率范围。(四四)信噪比信噪比信噪比:信号功率与干扰信噪比:信号功率与干扰(噪声噪声)功率之比,记为功率之比,记为SNR,单位为分贝,单位为分贝(dB)。10第一节第一节 概述概述三、有关测试和测试装置的若干术语三、有关测试和测试装置的若干术语(四四)信噪比信噪比信噪比信噪比SNR:有时也用信号电压和噪声电压来表示,单位为:有时也用信号电压和噪声电压来表示,单位为dB。(五五)动态范围动态范围动态范围动态范围DR:是指装置不受噪声影响而能获得不失真输出的测量上限值:是指装置不受噪声影响而能获得不失真输出的测量上限值ymax和下限值和下限值ymin之比值,单位
13、为分贝之比值,单位为分贝(dB)。四、测试装置的特性四、测试装置的特性静态特性静态特性:测试装置的静态持件就是在静态测量情况下:测试装置的静态持件就是在静态测量情况下描述描述实际测试装置与实际测试装置与理想定常线性系统的理想定常线性系统的接近程度接近程度;动态特性动态特性:当被测量即输入量随时间快速变化时,测量:当被测量即输入量随时间快速变化时,测量输入与相应输出之间输入与相应输出之间动态关系动态关系的的数学描述数学描述;负载特性:测试装置对被测对象的影响;负载特性:测试装置对被测对象的影响;抗干扰性:测试装置抑制干扰的能力;抗干扰性:测试装置抑制干扰的能力;11第二节第二节测试装置的静态特性
14、测试装置的静态特性根据根据(2-1)式,线性定常系统的静态特性:式,线性定常系统的静态特性:(2-10)实际测试装置并非理想线性定常系统实际测试装置并非理想线性定常系统,因此静态输入和静态输出的关系不符合,因此静态输入和静态输出的关系不符合式式(2-10)。测试装置的静态特性就是对实际测试测试装置的静态特性就是对实际测试装置静态输入与静态输出的关系接近式装置静态输入与静态输出的关系接近式(2-10)关系程度的描述。关系程度的描述。一、线性度一、线性度线性度是指测量装置静态输出、输入线性度是指测量装置静态输出、输入之间保持常值比例关系的程度。之间保持常值比例关系的程度。静态校准:在静态测量的情况
15、下,用实验来确静态校准:在静态测量的情况下,用实验来确定被测量的实际值和测量装置不值之间的函数定被测量的实际值和测量装置不值之间的函数关系的过程。关系的过程。图图 2-2 校准曲线与非线性度校准曲线与非线性度 1-校准曲线校准曲线 2-拟合直线拟合直线(独立直线独立直线)线性度衡量指标线性度衡量指标12第二节第二节测试装置的静态特性测试装置的静态特性一、线性度一、线性度图图 2-3 校准曲线与非线性度校准曲线与非线性度 1-校准曲线校准曲线 2-拟合直线拟合直线(端基直线端基直线)线性度衡量指标线性度衡量指标端基直线:是一条通过测量范围的端基直线:是一条通过测量范围的上下限点的直线。上下限点的
16、直线。独立直线:与校准曲线间的偏差独立直线:与校准曲线间的偏差Bi的平方和最小,即的平方和最小,即Bi2 最小的拟合直线。最小的拟合直线。13第二节第二节测试装置的静态特性测试装置的静态特性二、灵敏度、鉴别力阈、分辨力二、灵敏度、鉴别力阈、分辨力灵敏度、鉴别力阂,都是用来描述测量装置对被测量变化的反应能力的。灵敏度、鉴别力阂,都是用来描述测量装置对被测量变化的反应能力的。当装置的输入当装置的输入x有一个变化量有一个变化量 x,它引起输出,它引起输出y发生相应的变化量发生相应的变化量 y,则定义灵敏度则定义灵敏度S显然,对于理想的定常线性系统,灵敏度应当是显然,对于理想的定常线性系统,灵敏度应当
17、是一般的测试装置总不是理想定常线性系统,其校准曲线不是直线,曲线一般的测试装置总不是理想定常线性系统,其校准曲线不是直线,曲线上各点的斜率不是常数,即各点的灵敏度不是常数。尽管如此,却总是用其上各点的斜率不是常数,即各点的灵敏度不是常数。尽管如此,却总是用其拟合直线的斜率来作为该装置的灵敏度。拟合直线的斜率来作为该装置的灵敏度。灵敏度的量纲取决于输入、输出量的量纲。当输入、输出两者单位一灵敏度的量纲取决于输入、输出量的量纲。当输入、输出两者单位一样,灵敏度是一个无量纲的比例常数,这时也称之为样,灵敏度是一个无量纲的比例常数,这时也称之为“放大比放大比”或或“放大倍放大倍数数”。14第二节第二节
18、测试装置的静态特性测试装置的静态特性二、灵敏度、鉴别力、分辨力二、灵敏度、鉴别力、分辨力通常,把引起测量装置输出值产生一个可察觉变化的最小被测量变化值通常,把引起测量装置输出值产生一个可察觉变化的最小被测量变化值称为鉴别力阈称为鉴别力阈(也称为灵敏闭或灵敏限也称为灵敏闭或灵敏限)。它用来描述装置对输入微小变化的。它用来描述装置对输入微小变化的响应能力。响应能力。某些测试装置使用了一般术语某些测试装置使用了一般术语“分辨力分辨力”。它是指指示装置有效地辨别。它是指指示装置有效地辨别紧密相邻量值的能力。一般认为数字装置的分辨力就是最后位数的一个字,紧密相邻量值的能力。一般认为数字装置的分辨力就是最
19、后位数的一个字,模拟装置的分辨力为指示标尺分度值的一半。模拟装置的分辨力为指示标尺分度值的一半。三、回程误差三、回程误差图图2-4 回程误差回程误差回程误差也称为滞后或变差。它是描述回程误差也称为滞后或变差。它是描述测试装置的输出同输入变化方向有关的特性测试装置的输出同输入变化方向有关的特性。如图。如图2-4,理想装置的输出、输入有完全单调的一,理想装置的输出、输入有完全单调的一一对应的关系,不管输入是由小增大,还是一对应的关系,不管输入是由小增大,还是由人减小,对一个给定输入,输出总是相同由人减小,对一个给定输入,输出总是相同的,如图中细斜线。但是实际装置在同样的的,如图中细斜线。但是实际装
20、置在同样的测试条件下,当输入量由小增大和测试条件下,当输入量由小增大和15第二节第二节测试装置的静态特性测试装置的静态特性三、回程误差三、回程误差图图2-4 回程误差回程误差由大减小时,对于同一输入量所得到的两个由大减小时,对于同一输入量所得到的两个输出量却往往存在着差值。把在全测量范围输出量却往往存在着差值。把在全测量范围内,最大的差值内,最大的差值h称为回程误差或滞后误差称为回程误差或滞后误差,如图,如图2-4中,中,h=y20-y10 回程误差可以是一般滞后现象的后果,也回程误差可以是一般滞后现象的后果,也可能反映着装置死区的存在。前者在磁性材料的可能反映着装置死区的存在。前者在磁性材料
21、的磁化和一般材料受力变形的过程中都会发生。磁化和一般材料受力变形的过程中都会发生。四、稳定度和漂移四、稳定度和漂移稳定度:是指测量装置在规定条件下保持其测量稳定度:是指测量装置在规定条件下保持其测量特性恒定不变的能力特性恒定不变的能力。通常在不指明影响量时,稳定度是指装置不受时间变化影响的能力。如果是通常在不指明影响量时,稳定度是指装置不受时间变化影响的能力。如果是对其它影响量来考察其稳定度时,则需特别说明。对其它影响量来考察其稳定度时,则需特别说明。测量装置的测量特性随时间的慢变化,称为测量装置的测量特性随时间的慢变化,称为漂移漂移。在规定条件下,对某。在规定条件下,对某个恒定的输入在规定时
22、间内的输出变化,称为个恒定的输入在规定时间内的输出变化,称为点漂点漂;标称范围最低值处的点;标称范围最低值处的点漂,称为零点漂移,简称漂,称为零点漂移,简称零漂零漂。16第二节第二节测试装置的静态特性测试装置的静态特性四、稳定度和漂移四、稳定度和漂移17第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性一、测试装置动态特性的数学描述一、测试装置动态特性的数学描述线性定常测试装置的输入、系统和输出之间的关系可以用式线性定常测试装置的输入、系统和输出之间的关系可以用式(2-1)描述,即描述,即使用该式有许多不便。因此,通过系统的传递函数、频率响应函数和系使用该式有许多不便。因此,通过系统的传递函数、频
23、率响应函数和系统的脉冲输响应来描述装置或系统的动态特性。统的脉冲输响应来描述装置或系统的动态特性。(一一)传递函数传递函数1.传递函数定义传递函数定义18第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性一、测试装置动态特性的数学描述一、测试装置动态特性的数学描述(一一)传递函数传递函数式中式中s为复变量,为复变量,sd d+jw w;Gh(s)是与输入和系统初始条件有关的项;而是与输入和系统初始条件有关的项;而H(s)与系统初始条件及输入无与系统初始条件及输入无关,只反映系统本身的特性。将关,只反映系统本身的特性。将H(s)称为系统的传递函数。称为系统的传递函数。显然,若初始条件全为零,则因显然
24、,若初始条件全为零,则因Gh(s)0,便有,便有1.传递函数定义传递函数定义设设X(s)和和Y(s)分别为输入分别为输入x(t)、输出、输出y(t)的拉普拉斯变换。对式的拉普拉斯变换。对式(2-1)取拉普拉斯变换取拉普拉斯变换(拉氏变换拉氏变换)得:得:传递函数就是初始条件为零时,系统的输出拉氏变换与输入拉氏变换之比。传递函数就是初始条件为零时,系统的输出拉氏变换与输入拉氏变换之比。19第三节第三节 测试装置动态特性测试装置动态特性一、测试装置动态特性的数学描述一、测试装置动态特性的数学描述(一一)传递函数传递函数2.传递函数的特点传递函数的特点一般测试装置总是稳定系统,其分母中一般测试装置总
25、是稳定系统,其分母中s的幂次总是高于分子中的幂次总是高于分子中s的幂次的幂次(nm)H(s)与输入与输入x(t)及系统的初始状态无关,它只表达了系统的传输特性。及系统的初始状态无关,它只表达了系统的传输特性。H(s)所描述的系统对任一具体输入所描述的系统对任一具体输入x(t)都有相应的输出都有相应的输出y(t)。H(s)是把物理系统的微分方程取拉氏变换得到的,它反映物理系统传输是把物理系统的微分方程取拉氏变换得到的,它反映物理系统传输特性。不同物理系统,只要其微分方程一样,它们的传输特性都是一样特性。不同物理系统,只要其微分方程一样,它们的传输特性都是一样的,因此可以通过研究一个物理系统的传输
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