測(cè)量 方法與測(cè)量系統(tǒng)PPT課件

1、2.1 電子測(cè)量的基本概念電子測(cè)量的意義 20世紀(jì)30年代，便開(kāi)始了測(cè)量科學(xué)與電子科學(xué)的結(jié)合，產(chǎn)生了電子測(cè)量技術(shù) 處理信息最有效、最成功的是電子科學(xué)技術(shù) 具有極快的速度 具有極精細(xì)的分辨能力，很寬的作用范圍。 極有利于信息傳遞 極為靈活的變換技術(shù)。 巨大的信息處理能力 第1頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量的特點(diǎn)（1）測(cè)量頻率范圍寬。被測(cè)信號(hào)的頻率范圍除測(cè)量直流外，測(cè)量交流信號(hào)的頻率范圍低至10-6Hz以下，高至THz（1THz=1012Hz）（2）量程范圍寬。如數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)電壓測(cè)量由納伏（nV）級(jí)至千伏（kV）級(jí)電壓，量程達(dá)12個(gè)數(shù)量級(jí) （3）測(cè)量準(zhǔn)確度高。例如，用電子測(cè)量方法對(duì)頻率和時(shí)間進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于

2、采用原子頻標(biāo)和原子秒作為基準(zhǔn)，可以使測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到10-1310-14的數(shù)量級(jí)。（4）測(cè)量速度快。因?yàn)殡娮訙y(cè)量是通過(guò)電子運(yùn)動(dòng)和電磁波傳播進(jìn)行工作 （5）易于實(shí)現(xiàn)遙測(cè) （6）易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化和測(cè)量?jī)x器智能化第2頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量的內(nèi)容 從廣義上說(shuō)，電子測(cè)量是泛指以電子科學(xué)技術(shù)為手段而進(jìn)行的測(cè)量，即以電子科技理論為依據(jù)，以電子測(cè)量?jī)x器和設(shè)備為工具，對(duì)電量和非電量進(jìn)行的測(cè)量。 從狹義上講，電子測(cè)量則是利用電子技術(shù)對(duì)電子學(xué)中有關(guān)的電量所進(jìn)行的測(cè)量。 第3頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量的內(nèi)容（續(xù)） 電子測(cè)量的內(nèi)容是：（1）按具體的測(cè)量對(duì)象來(lái)分類(lèi)，包括下列電參數(shù)的測(cè)量 電能量的測(cè)量 包括各種頻率及波形下的

3、電壓、電流、功率、電場(chǎng)強(qiáng)度等的測(cè)量。 電路參數(shù)的測(cè)量 包括電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)、電子器件參數(shù)等的測(cè)量。 電信號(hào)特征的測(cè)量 包括信號(hào)、頻率、周期、時(shí)間、相位、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)、失真度、噪音以及數(shù)字信號(hào)的邏輯狀態(tài)等的測(cè)量。 電子設(shè)備性能的測(cè)量 包括放大倍數(shù)、衰減、靈敏度、頻率特性、通頻帶、噪聲系數(shù)的測(cè)量。 特性曲線(xiàn)的測(cè)量 包括幅頻特性曲線(xiàn)、晶體管特性曲線(xiàn)等的測(cè)量和顯示。第4頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量的內(nèi)容（續(xù)） （2）按基本的測(cè)量對(duì)象來(lái)看，電子測(cè)量是對(duì)電信號(hào)和電系統(tǒng)的測(cè)量： 電子測(cè)量的基本對(duì)象是未知的信號(hào)與系統(tǒng) 電子測(cè)量的基本工具是已知的信號(hào)與系統(tǒng) 電子測(cè)量的基本工作機(jī)理是信號(hào)與系統(tǒng)的相互作

4、用h (t )系系 統(tǒng)統(tǒng)輸輸入入輸輸出出x ( t )y ( t )測(cè)測(cè)試試系系統(tǒng)統(tǒng)框框圖圖第5頁(yè)/共67頁(yè)2.2 2.2 電子測(cè)量的對(duì)象信號(hào)與系統(tǒng) 信號(hào)的基本概念 測(cè)量的目的是獲取被測(cè)對(duì)象的信息，信息描述了被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)及其變化方式。 信號(hào)就是信息的某種物理表現(xiàn)方式，信號(hào)是信息的載體，是物質(zhì)，具備能量。 同一個(gè)信息可以用不同的信號(hào)來(lái)運(yùn)載，反之，同一種信號(hào)也可以運(yùn)載不同的信息。第6頁(yè)/共67頁(yè)被測(cè)對(duì)象信號(hào)與系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類(lèi)信號(hào)的特點(diǎn)是： 信號(hào)是用變化著的物理量來(lái)表示信息的一種函數(shù)； 信號(hào)中包含著信息，它是信息的載體，具有能量（有能源）。被測(cè)對(duì)象的信息感知階段的任務(wù)，是要把信息變換成信號(hào)； 信號(hào)

5、不是信息本身，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量后，才能從信號(hào)中提取出信息，這是電子測(cè)量的根本目的。第7頁(yè)/共67頁(yè)信號(hào)的分類(lèi)1.確定性信號(hào)和非確定性信號(hào)電子測(cè)量中被測(cè)信號(hào)大多是時(shí)間的函數(shù)x(t)，按其性質(zhì)不同可分類(lèi)如下： 確定性信號(hào)：在相同試驗(yàn)條件下，能夠重復(fù)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)。確定性信號(hào)又分為：恒定（直流）信號(hào)；周期信號(hào)（簡(jiǎn)諧周期信號(hào)和復(fù)雜周期信號(hào)）；非周期信號(hào)（準(zhǔn)周期信號(hào)和瞬變沖激信號(hào)）； 非確定性（隨機(jī)）信號(hào)：在相同試驗(yàn)條件下，不能夠重復(fù)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)。隨機(jī)信號(hào)又分為：平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)；非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。第8頁(yè)/共67頁(yè)信號(hào)的分類(lèi)（續(xù)） 2.周期性信號(hào)與非周期性信號(hào) 3.連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào) 表表 2-1信信號(hào)號(hào)的的分分

6、類(lèi)類(lèi)自自變變量量 t函函數(shù)數(shù)值值 f(t)信信號(hào)號(hào)分分類(lèi)類(lèi)連連續(xù)續(xù)模模擬擬信信號(hào)號(hào)連連續(xù)續(xù)時(shí)時(shí)間間信信號(hào)號(hào)離離散散量量化化信信號(hào)號(hào)連連續(xù)續(xù)采采樣樣信信號(hào)號(hào)離離散散時(shí)時(shí)間間信信號(hào)號(hào)離離散散數(shù)數(shù)字字信信號(hào)號(hào)第9頁(yè)/共67頁(yè)信號(hào)的分類(lèi)（續(xù)）4.時(shí)限信號(hào)和頻限信號(hào) 時(shí)限信號(hào)是指信號(hào)在時(shí)間的有限區(qū)間（t1，t2）內(nèi)有定義、在區(qū)間之外信號(hào)值恒等于零的信號(hào)，稱(chēng)為時(shí)域有限信號(hào)。 例如，矩形脈沖、正弦脈沖等。而周期信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)等，則為時(shí)域無(wú)限信號(hào)。 頻限信號(hào)是指在頻率域內(nèi)只占據(jù)有限的帶寬（f1f2）、在這一帶寬之外信號(hào)值恒等于零的信號(hào)，稱(chēng)為頻域有限信號(hào)。第10頁(yè)/共67頁(yè)信號(hào)的分類(lèi)（續(xù)）（5）信號(hào)的

7、時(shí)間特性和頻率特性 時(shí)間特性：反映在信號(hào)隨時(shí)間變化的波形上，包括信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間的先后、持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短、重復(fù)周期的大小、隨時(shí)間變化速率的快慢、幅度的大小等等。 頻率特性：一個(gè)復(fù)雜信號(hào)可以分解成許多不同頻率的正弦分量，即具有一定的頻率成分。將各個(gè)正弦分量的幅度和相位分別按頻率高低依次排列就成為頻譜。信號(hào)的頻譜包含了信號(hào)的全部信息。（6）信號(hào)的空間分布結(jié)構(gòu) 許多信號(hào)，既具有時(shí)間特性、也還具有空間特性 例如描述大氣壓隨海拔高度變化的信號(hào)，其自變量表示海拔高度；描述飛機(jī)機(jī)翼上應(yīng)變分布的信號(hào)，其自變量表示結(jié)構(gòu)尺寸；第11頁(yè)/共67頁(yè)系統(tǒng)的基本概念 信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理、存儲(chǔ)和再現(xiàn)都需要一定的物理裝置，這種

8、裝置通常就稱(chēng)為系統(tǒng)。 從一般意義講，系統(tǒng)是由若干相互依賴(lài)、相互作用的事物組合而成的具有特定功能的整體。1.系統(tǒng)的外部特性即系統(tǒng)的輸入與輸出之間的關(guān)系或系統(tǒng)的功能。h(t )系系 統(tǒng)統(tǒng)激激勵(lì)勵(lì)響響應(yīng)應(yīng)x ( t )y ( t )第12頁(yè)/共67頁(yè)系統(tǒng)的基本概念（續(xù)）2.系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 測(cè)量系統(tǒng)的外部特性是由其內(nèi)部參數(shù)也即系統(tǒng)本身的固有屬性決定。 系統(tǒng)模型指系統(tǒng)物理特性的數(shù)學(xué)抽象，即以數(shù)學(xué)表達(dá)式或具有理想特性的符號(hào)組合圖形來(lái)表征系統(tǒng)的輸入-輸出特性 22( )( )( )( )cccd u tdu tLCRCu te tdtdt0,0( ),0te tut第13頁(yè)/共67頁(yè)被測(cè)系統(tǒng)的分類(lèi) 1.單輸

9、入/輸出與多輸入/輸出系統(tǒng) 2.線(xiàn)性系統(tǒng)與非線(xiàn)性系統(tǒng) 線(xiàn)性系統(tǒng)滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件： 疊加原理。 系統(tǒng)的響應(yīng)與輸入信號(hào)的作用無(wú)關(guān)。 線(xiàn)性系統(tǒng)對(duì)任意輸入的響應(yīng)都可用傅氏變換表示。 輸出信號(hào)的頻譜函數(shù)為 線(xiàn)性系統(tǒng)具有頻率保持性。測(cè)量、分析或比較線(xiàn)性系統(tǒng)在正弦信號(hào)激勵(lì)下的響應(yīng)，就可以對(duì)系統(tǒng)的各種電氣特性作出全面的評(píng)價(jià)()()()YKX()( )jtXextd t 第14頁(yè)/共67頁(yè)被測(cè)系統(tǒng)的分類(lèi)（續(xù)） 3.即時(shí)系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 即時(shí)系統(tǒng)（瞬時(shí)系統(tǒng)或無(wú)記憶系統(tǒng)）：系統(tǒng)在任何時(shí)刻t的輸出都只與該時(shí)刻的輸入有關(guān)； 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（存儲(chǔ)系統(tǒng)或有記憶系統(tǒng)）：在時(shí)刻t的輸出不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，而且還與該時(shí)刻以前或以后的

10、輸入有關(guān)。記憶系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系是一般是微分或差分方程 。4.模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng) 模擬系統(tǒng)是分析和處理模擬信號(hào)的系統(tǒng)， 數(shù)字系統(tǒng)是分析和處理脈沖與數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)。 第15頁(yè)/共67頁(yè)系統(tǒng)的可測(cè)性與可控性 系統(tǒng)可觀測(cè)系統(tǒng)的屬性（事物內(nèi)部自身運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)）能通過(guò)周?chē)h(huán)境表現(xiàn)出來(lái)，也就是說(shuō)，能通過(guò)外部世界觀測(cè)到。 系統(tǒng)是可控系統(tǒng)（事物內(nèi)部運(yùn)動(dòng)）能接收周?chē)h(huán)境的影響，變更系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)內(nèi)部部狀狀態(tài)態(tài)s1、 s2、srx1x2xnv1v2vey1y2ym第16頁(yè)/共67頁(yè)2.3 2.3 測(cè)量方法的分類(lèi)概述直接測(cè)量與間接測(cè)量（1）直接測(cè)量用已標(biāo)定的儀器，直接地測(cè)量出某一待測(cè)未知量的量值。（2）間

11、接測(cè)量對(duì)與未知待測(cè)量y有確切函數(shù)關(guān)系的其他變量x（或n個(gè)變量）進(jìn)行直接測(cè)量，然后再通過(guò)函數(shù) ，計(jì)算出待測(cè)量y。（3）組合測(cè)量 12( )( ,)nyf xyf x xx或第17頁(yè)/共67頁(yè)有源參量與無(wú)源參量的測(cè)量被測(cè)對(duì)象可按有源量或無(wú)源量劃分為兩大類(lèi) 1. 有源量的測(cè)量2. 無(wú)源量的測(cè)量 被測(cè)對(duì)象被測(cè)對(duì)象（有源量）（有源量）測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)（已知系統(tǒng)）（已知系統(tǒng)）響應(yīng)的讀響應(yīng)的讀出與顯示出與顯示信號(hào)信號(hào)響應(yīng)響應(yīng)被被測(cè)測(cè)對(duì)對(duì)象象（無(wú)無(wú)源源量量）測(cè)測(cè)量量系系統(tǒng)統(tǒng)（已已知知系系統(tǒng)統(tǒng)）響響應(yīng)應(yīng)的的讀讀出出與與顯顯示示響響應(yīng)應(yīng) 1響響應(yīng)應(yīng) 2測(cè)測(cè)試試激激勵(lì)勵(lì)（信信號(hào)號(hào)源源）已已知知信信號(hào)號(hào)第18頁(yè)/共6

12、7頁(yè)有源參量與無(wú)源參量的測(cè)量（續(xù)） 3. 電子測(cè)量?jī)x器的功能結(jié)構(gòu) 被測(cè)對(duì)象的有源與無(wú)源特性決定了測(cè)量系統(tǒng)的組成方法和功能結(jié)構(gòu) 信號(hào)特性參量為常見(jiàn)的有源量，主要包含信號(hào)的電壓與功率、頻率與波長(zhǎng)、周期與時(shí)間、波形與頻譜等； 電壓表、電流表、功率計(jì)、頻率計(jì)、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等儀器不含激勵(lì)信號(hào)源 系統(tǒng)特性參數(shù)為常見(jiàn)的無(wú)源量，包括集總與分布參數(shù)系統(tǒng)的特性，例如，電阻、電感、電容、品質(zhì)因數(shù)、阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)、導(dǎo)磁率、駐波比、反射系數(shù)、散射系數(shù)、衰減以及單位階躍響應(yīng)或單位沖激（脈沖）響應(yīng)與傳遞函數(shù)等。 RLC測(cè)試儀、阻抗分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率特性測(cè)試儀（掃頻儀）、晶體管特性圖示儀等儀器，均包

13、含有激勵(lì)信號(hào)源。第19頁(yè)/共67頁(yè)集中式與分布式的多路測(cè)量 1.集中式多路測(cè)試系統(tǒng) x1模模擬擬復(fù)復(fù)用用器器x2xnA/D處理器處理器D/A模模擬擬分分路路器器y1y2yn執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或顯示器或顯示器多多路路多多路路第20頁(yè)/共67頁(yè)集中式與分布式的多路測(cè)量（續(xù)） 2.分布式多路測(cè)量系統(tǒng) （a）網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量系統(tǒng) （b）無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)系統(tǒng) 發(fā)發(fā)射射機(jī)機(jī)載載波波調(diào)調(diào)制制多多路路測(cè)測(cè)量量設(shè)設(shè)備備傳傳感感器器傳傳感感器器傳傳感感器器信信息息信信息息信信息息接接收收機(jī)機(jī)載載波波調(diào)調(diào)制制分分路路設(shè)設(shè)備備記記錄錄處處理理或或計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)發(fā)發(fā)送送端端接接收收端端PLC前前端端機(jī)機(jī)計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)顯顯示示器器智智 能

14、能傳傳感感器器模模擬擬I/O開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)I/O數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)采采集集站站壓壓力力溫溫度度電電壓壓阻阻抗抗報(bào)報(bào)答答狀狀態(tài)態(tài)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)總總線(xiàn)線(xiàn)第21頁(yè)/共67頁(yè)頻域、時(shí)域、數(shù)域及隨機(jī)域測(cè)量1.頻域測(cè)量技術(shù)：幅值和相位隨頻率的變化（1）正弦波點(diǎn)頻法（2）正弦波掃頻法 2.時(shí)域測(cè)量技術(shù)： 幅值隨時(shí)間的變化測(cè)試信號(hào)是脈沖、方波及階躍信號(hào)3.頻域測(cè)量和時(shí)域測(cè)量比較頻域測(cè)量和時(shí)域測(cè)量是測(cè)量線(xiàn)性系統(tǒng)性能的兩種方法，是從兩個(gè)不同的角度去觀測(cè)同一個(gè)被測(cè)對(duì)象，其結(jié)果應(yīng)該是一致的。從理論上講，時(shí)域函數(shù)的付里葉變換就是頻域函數(shù)，而頻域函數(shù)的付里葉逆變換也就是時(shí)域函數(shù)。 第22頁(yè)/共67頁(yè)頻域、時(shí)域、數(shù)域及隨機(jī)域測(cè)量（續(xù)）4.隨機(jī)

15、測(cè)量技術(shù)：測(cè)量噪聲信號(hào)和使用隨機(jī)信號(hào)源噪聲是一種與時(shí)間因素有關(guān)的隨機(jī)變量，對(duì)噪聲的研究使用概率統(tǒng)計(jì)方法 主要包括下述三個(gè)內(nèi)容：（1）噪聲信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性的測(cè)量，如時(shí)域中的均值、均方根性，頻域中的頻譜密度函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等；（2）將已知特性的噪聲作激勵(lì)源對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性測(cè)量，研究被測(cè)系統(tǒng)的特性；（3）在背景噪聲信號(hào)不可忽略時(shí)對(duì)信號(hào)、特別是微弱信號(hào)的精確測(cè)量。第23頁(yè)/共67頁(yè)頻域、時(shí)域、數(shù)域及隨機(jī)域測(cè)量（續(xù)）5.數(shù)字測(cè)量技術(shù)：測(cè)量數(shù)字系統(tǒng)的功能和故障診斷 對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的基本方法是： 在輸入端加激勵(lì)信號(hào)，觀察由此產(chǎn)生的輸出響應(yīng)，并與預(yù)期的正確結(jié)果進(jìn)行比較，一致則表示系統(tǒng)正常；不一致則表示

16、系統(tǒng)有故障。 被被測(cè)測(cè)電電路路驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)器器電電平平比比較較器器邏邏輯輯比比較較器器波波形形合合成成器器實(shí)實(shí)效效存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器圖圖形形發(fā)發(fā)生生器器時(shí)時(shí)鐘鐘發(fā)發(fā)生生器器計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)測(cè)測(cè)量量結(jié)結(jié)果果輸輸出出測(cè)測(cè)量量程程序序輸輸入入測(cè)測(cè)量量系系統(tǒng)統(tǒng)總總線(xiàn)線(xiàn)參參考考電電壓壓LSILSI測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖 第24頁(yè)/共67頁(yè)靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量（續(xù)）1.靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本概念 靜態(tài)測(cè)量：對(duì)不隨時(shí)間變化的（靜止的）物理量進(jìn)行的測(cè)量 動(dòng)態(tài)測(cè)量：對(duì)隨時(shí)間不斷變化的物理量進(jìn)行的測(cè)量。 在電子測(cè)量中常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)有兩種： 幅值隨時(shí)間變化的信號(hào)：指非周期性信號(hào)、幅值瞬變或躍變信號(hào) ； 頻率隨時(shí)間

17、變化的信號(hào)： 指正弦波掃頻信號(hào)或頻率瞬變的周期性信號(hào) 。 第25頁(yè)/共67頁(yè)靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量（續(xù)）2.靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本方法靜態(tài)（直流）測(cè)試技術(shù) 測(cè)量原理、方法、手段最簡(jiǎn)單，測(cè)量過(guò)程不受時(shí)間限制，測(cè)量系統(tǒng)的輸出與輸入二者之間有著簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系和理想的特性，而測(cè)量精度也最高。穩(wěn)態(tài)（交流）測(cè)試技術(shù)：正弦測(cè)試技術(shù) 用幅值隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的電信號(hào)（最簡(jiǎn)單的周期性信號(hào)）作被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)，然后觀測(cè)在此激勵(lì)下的輸出響應(yīng)，以頻率為變量對(duì)被測(cè)線(xiàn)性系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。 正弦測(cè)試技術(shù)可以測(cè)線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參量是指系統(tǒng)的阻抗、增益或損耗、相移、群延遲和非線(xiàn)性失真度，以及這些參量隨頻率

18、變化的情況 第26頁(yè)/共67頁(yè)靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量動(dòng)態(tài)（脈沖）測(cè)試技術(shù)， 自然界存在大量瞬變沖激的物理現(xiàn)象，如力學(xué)中的爆炸、沖擊、碰撞等，電學(xué)中的放電、閃電、雷擊等，對(duì)這類(lèi)隨時(shí)間瞬變對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)測(cè)量和瞬態(tài)測(cè)量。 瞬態(tài)測(cè)試技術(shù)有兩種方式： 一種是測(cè)量有源量，測(cè)量幅值隨時(shí)間呈非周期形變化（突變、瞬變）的電信號(hào)； 另一種是測(cè)量無(wú)源量，是以最典型的脈沖或階躍信號(hào)作被測(cè)系統(tǒng)的激勵(lì)，觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)（隨時(shí)間的變化關(guān)系），即研究被測(cè)系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。 第27頁(yè)/共67頁(yè)2.4 2.4 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性概述 測(cè)量系統(tǒng)(廣義)指單臺(tái)的測(cè)量?jī)x器，和由多臺(tái)儀器及設(shè)備等組成的完

19、整測(cè)試系統(tǒng)，也可指組成測(cè)量系統(tǒng)中的某一環(huán)節(jié)或單元。 測(cè)量系統(tǒng)的基本特性可由其輸入、輸出的關(guān)系來(lái)表征，它是測(cè)量系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的外部特性，并由其內(nèi)部參數(shù)也即系統(tǒng)本身的固有屬性所決定。 測(cè)量系統(tǒng)的基本特性可分為兩類(lèi)： 一類(lèi)被測(cè)量是靜止不變或變化極緩慢的情況，此時(shí)工作在靜止?fàn)顟B(tài)下的測(cè)量系統(tǒng)，其輸入與輸出量間的函數(shù)關(guān)系，稱(chēng)為測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性； 另一類(lèi)是被測(cè)量不斷變化的情況，此時(shí)，工作在動(dòng)態(tài)下的測(cè)量系統(tǒng)其輸入量與輸出量間的函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 第28頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)1.靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型不線(xiàn)性時(shí)：yS x2012( )yf xSS xS x獲得靜態(tài)特性的方法：獲得靜態(tài)特性的方

20、法： 對(duì)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定或定期進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定或定期進(jìn)行校準(zhǔn)。 即在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工作條件下（規(guī)定的溫度范圍、大氣壓即在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工作條件下（規(guī)定的溫度范圍、大氣壓力、濕度等），由高精度的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器給出一系列數(shù)值已知力、濕度等），由高精度的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器給出一系列數(shù)值已知的、準(zhǔn)確的、不隨時(shí)間變化的輸入量的、準(zhǔn)確的、不隨時(shí)間變化的輸入量x xj j，用高精度測(cè)量?jī)x器，用高精度測(cè)量?jī)x器測(cè)定被校測(cè)量系統(tǒng)對(duì)應(yīng)輸出量測(cè)定被校測(cè)量系統(tǒng)對(duì)應(yīng)輸出量y yj j, ,得到由得到由(x(xj j,y,yj j) )數(shù)值列出的數(shù)數(shù)值列出的數(shù)表、繪制曲線(xiàn)或求得數(shù)學(xué)表達(dá)式，即為被校準(zhǔn)的測(cè)量系統(tǒng)的表、繪制曲線(xiàn)

21、或求得數(shù)學(xué)表達(dá)式，即為被校準(zhǔn)的測(cè)量系統(tǒng)的輸出與輸入的關(guān)系，亦稱(chēng)之為靜態(tài)特性。輸出與輸入的關(guān)系，亦稱(chēng)之為靜態(tài)特性。 xyy=sxY=s + s x0 10非線(xiàn)性非線(xiàn)性第29頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）2.靜態(tài)特性的基本參數(shù)（1）零位（零點(diǎn)） 當(dāng)輸入量為零x=0時(shí)，測(cè)量 系統(tǒng)的輸出量不為零的數(shù)值 零位值為 零位值應(yīng)設(shè)法從測(cè)量結(jié)果中消除。例如可以通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)零機(jī)構(gòu)或者由軟件扣除。0ySxyy=sxY=s + s x0 10第30頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）（2）靈敏度是描述測(cè)量系統(tǒng)對(duì)輸入量變化反應(yīng)的能力。靈敏度：當(dāng)靜態(tài)特性為一直線(xiàn)時(shí)，直線(xiàn)的斜率即為靈敏度，且為一常數(shù) (

22、)ydySfxxdx輸出量的變化量輸入量的變化量第31頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)） 多級(jí)測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度若測(cè)量系統(tǒng)是由靈敏度分別為S1，S2，S3等多個(gè)相互獨(dú)立的環(huán)節(jié)組成時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的總靈敏度S為 v u x y S1 S2 S3 123yvuySS S Sxxvu第32頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)） （3）分辨力 又稱(chēng)靈敏度閾，它表征測(cè)量系統(tǒng)有效辨別輸入量最小變化量的能力。 對(duì)模擬式測(cè)量系統(tǒng)，其分辨力一般為最小分度值的1/21/5。 對(duì)具有數(shù)字顯示器的測(cè)量系統(tǒng)，其分辨力是當(dāng)最小有效數(shù)字增加一個(gè)字時(shí)相應(yīng)示值的改變量，也即相當(dāng)于一個(gè)分度值。 對(duì)于一般測(cè)量?jī)x表的要求是：靈敏度

23、應(yīng)該大而分辨力應(yīng)該小. 第33頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)） （4）測(cè)量范圍、量程 測(cè)量范圍測(cè)量系統(tǒng)所能測(cè)量到的最小被測(cè)量（輸入量）與最大被測(cè)量（輸入量）之間的范圍。 量程測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍的上限值與下限值之差的模即稱(chēng)為量程。量程又稱(chēng)滿(mǎn)度值，表征測(cè)量系統(tǒng)能夠承受最大輸入量的能力。例如一溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍是60+1200C，那么它的量程為1800C maxmin|Rxx第34頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）3.靜態(tài)特性的質(zhì)量指標(biāo)（1）遲滯亦稱(chēng)“滯后”或“回差”，表征測(cè)量系統(tǒng)在全量程范圍內(nèi)，輸入量由小到大（正行程）或由大小到（反行程）兩者靜態(tài)特性不一致的程度。|100%mHF

24、SHY第35頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）（2）重復(fù)性 表征測(cè)量系統(tǒng)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)，靜態(tài)特性不一致的程度 重復(fù)性是指標(biāo)定值的分散性，是一種隨機(jī)誤差，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)計(jì)算 S子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差； K置信因子。100%RF SRY/RKSn第36頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)） （3）線(xiàn)性度 測(cè)量系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系應(yīng)當(dāng)具有直線(xiàn)特性， 線(xiàn)性度（又稱(chēng)非線(xiàn)性誤差）說(shuō)明輸出量與輸入量的實(shí)際關(guān)系曲線(xiàn)偏離其擬合直線(xiàn)的程度 選定的擬合直線(xiàn)不同，計(jì)算所得的線(xiàn)性度數(shù)值也就不同 xy0maxy a bx maxmax|100%Ly第37頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)） （

25、4）準(zhǔn)確度測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，俗稱(chēng)精度 用準(zhǔn)確度等級(jí)指數(shù)來(lái)表征： 準(zhǔn)確度等級(jí)指數(shù)a的百分?jǐn)?shù)a%所表示的相對(duì)值是代表允許誤差的大小 用不確定度來(lái)表征：在規(guī)定條件下系統(tǒng)或裝置用于測(cè)量時(shí)所得測(cè)量結(jié)果的不確定度。 簡(jiǎn)化表示： 一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定準(zhǔn)確度等級(jí)指數(shù)的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中，常用“精度”作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來(lái)表征該產(chǎn)品的準(zhǔn)確程度。通常精度A由線(xiàn)性度、滯環(huán)和重復(fù)性之和得出LHRA第38頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）（5）可靠性 裝置在規(guī)定的時(shí)期內(nèi)及在保持其運(yùn)行指標(biāo)不超限的情況下執(zhí)行其功能的性能。反映產(chǎn)品是否耐用的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。 平均無(wú)故障時(shí)間MTBF在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下不間斷地工作，直到發(fā)生故障而失去工作

26、能力的時(shí)間稱(chēng)作為無(wú)故障時(shí)間。 可信任概率P表示儀表誤差在給定時(shí)間內(nèi)仍然保持在技術(shù)條件規(guī)定限度以?xún)?nèi)的概率。 故障率或失效率平均無(wú)故障時(shí)間MTBFF的倒數(shù)。 有效度或可用度 MTBFMTBF+MTTRA平均無(wú)故障時(shí)間平均無(wú)故障時(shí)間平均修復(fù)時(shí)間第39頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）（6）穩(wěn)定性和影響系數(shù) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在規(guī)定工作條件范圍之內(nèi)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)或儀器性能保持不變的能力。如：2.1mV8h， 一年不超過(guò)1滿(mǎn)量程輸出。 影響系數(shù)指示值變化與影響量變化量的比值 一般儀器都有給定的標(biāo)準(zhǔn)工作條件，例如環(huán)境溫度20oC、相對(duì)濕度60%、大氣壓力10133kPa、電源電壓220V等。 又規(guī)

27、定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作條件的允許變化范圍：環(huán)境溫度(202)oC、相對(duì)濕度6015、電源電壓(2205)V等。 如電源電壓變化10引起示值變化1(相對(duì)誤差)； 溫度變化1oC引起示值變化3.110-3(引用誤差)第40頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（續(xù)）(7)輸入電阻與輸出電阻 輸入電阻與輸出電阻值對(duì)于組成測(cè)量系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)而言甚為重要。 前一環(huán)節(jié)的輸出電阻R01相當(dāng)于后面環(huán)節(jié)的信號(hào)源內(nèi)阻，所以輸出電阻理想值應(yīng)為零。 后一環(huán)節(jié)的輸入電阻Ri2相當(dāng)于前面環(huán)節(jié)的負(fù)載；輸入電阻理想值為無(wú)窮大。第41頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量?jī)x器的技術(shù)條件及誤差的表示方法1.技術(shù)條件 技術(shù)條件是規(guī)定儀器的用途、工作特性、工作條件

28、，以及運(yùn)輸、貯存條件的技術(shù)文件。所以，它既是設(shè)計(jì)制造廠商的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，也是用戶(hù)正確使用和維護(hù)儀器的重要依據(jù)。 儀器的用途：是研制或使用儀器的目的，它決定了儀器的功能，同時(shí)與儀器的工作條件、工作特性等密切相關(guān)。 測(cè)量?jī)x器的工作特性：是用數(shù)值、公差范圍等來(lái)表征儀器性能的量值，習(xí)慣上又稱(chēng)為技術(shù)指標(biāo)。 分為電氣工作特性和一般工作特性?xún)深?lèi) 儀器的工作條件： 分基準(zhǔn)、額定和極限三種。第42頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量?jī)x器的技術(shù)條件及誤差的表示方法（續(xù)）2.工作特性及儀器誤差 測(cè)量?jī)x器的工作特性（技術(shù)指標(biāo)）包括誤差；穩(wěn)定性；分辨力；有效范圍（量程）；測(cè)試速率；可靠性 等 測(cè)量?jī)x器的容許誤差可用工作誤差、固有誤差、影響

29、誤差、穩(wěn)定誤差等來(lái)描述。 為了保證測(cè)量?jī)x器示值的準(zhǔn)確，儀器出廠前必須由檢驗(yàn)部門(mén)對(duì)誤差指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。 在使用期間，必須定期進(jìn)行校準(zhǔn)檢定，凡各項(xiàng)誤差指標(biāo)在容許誤差范圍之內(nèi)，儀器視為合格。（1）工作誤差工作誤差是在額定工作條件下儀器誤差的極限值 第43頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量?jī)x器的技術(shù)條件及誤差的表示方法（續(xù)）（2）固有誤差：固有誤差在規(guī)定的一組影響量的基準(zhǔn)條件下給出的誤差 第44頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量?jī)x器的技術(shù)條件及誤差的表示方法（續(xù)） （3）影響誤差 影響誤差是用來(lái)表明一個(gè)影響量對(duì)儀器測(cè)量誤差的影響。例如溫度誤差、頻率誤差。它是當(dāng)一個(gè)影響量在其額定使用范圍內(nèi)（或一個(gè)影響特性在其有效范圍內(nèi)）取任一值，而

30、其它影響量和影響特性均處于基準(zhǔn)條件時(shí)所測(cè)得的誤差。 （4）穩(wěn)定誤差 穩(wěn)定誤差是儀器的標(biāo)稱(chēng)值在其他影響量和影響特性保持恒定的情況下，于規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的誤差極限。 我國(guó)新的部頒標(biāo)準(zhǔn)采用上述誤差表示方法。 原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)把測(cè)量?jī)x器的誤差用基本誤差和附加誤差來(lái)表示。第45頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量?jī)x器的技術(shù)條件及誤差的表示方法（續(xù)）3.測(cè)量?jī)x器誤差表示 以量程（滿(mǎn)度值）的百分?jǐn)?shù)（即滿(mǎn)度誤差，引用誤差）的形式，給出儀器的準(zhǔn)確度等級(jí)（或稱(chēng)精度等級(jí)）s。此時(shí)儀器誤差為： 以讀數(shù)誤差和滿(mǎn)度誤差的形式，給出儀器容許誤差或基本誤差，此時(shí)儀器誤差為： %mmmxxsx %mmxmxxxsxxx( %)mxaxbx ( %)m

31、xxxabxx 第46頁(yè)/共67頁(yè)電子測(cè)量?jī)x器的技術(shù)條件及誤差的表示方法（續(xù)）第47頁(yè)/共67頁(yè)2.5 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述數(shù)學(xué)模型 測(cè)量系統(tǒng)的特性用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，主要有三種形式：時(shí)域中的微分方程； 復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)； 頻域中的頻率特性。 1.微分方程1101( )( )( )( )nnnnnnnd y fdy tdy taaaa y tdtdtdt11101()()()()mmmmmmd xtdxtdxtbbbbxtdtdtdt第48頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述數(shù)學(xué)模型（續(xù)）2.傳遞函數(shù) 為簡(jiǎn)化運(yùn)算，通常采用拉普拉斯變換來(lái)研究線(xiàn)性微分方程。 傳遞函數(shù)其表達(dá)式為在

32、初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。11101110( )( )( )mmmmnnnnb sbsb sbY sH sX sa sasa sa11110110( )()( )()nnmmnnmmY s a sa sas aX s b sb sbs b0( )( )(,0)stY sy t e dtsj 0( )( )stXsx t edt第49頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述數(shù)學(xué)模型（續(xù)）傳遞函數(shù)有以下特點(diǎn)： H(S)和輸入x(t)無(wú)關(guān)，它只反映測(cè)量系統(tǒng)本身固有的特性 H(S)反映系統(tǒng)的響應(yīng)特性，包含瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)的時(shí)間響應(yīng)和頻率響應(yīng)的全部信息，而與具體的物理結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。 不

33、同的物理系統(tǒng)可以有相同的傳遞函數(shù)。 傳遞函數(shù)與微分方程等價(jià)。第50頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述數(shù)學(xué)模型（續(xù)）3.頻率響應(yīng)函數(shù) 對(duì)于穩(wěn)定的常系數(shù)線(xiàn)性系統(tǒng)，可用傅里葉變換代替拉氏變換 頻率特性是在初始條件為零的情況下，輸出的傅里葉變換和輸入的傅里葉變換之比 從物理意義上說(shuō)，通過(guò)傅里葉變換可把滿(mǎn)足一定條件的任意信號(hào)分解成不同頻率的正弦信號(hào)之和。 頻率響應(yīng)函數(shù)在頻率域中反映一個(gè)系統(tǒng)對(duì)正弦輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，故又稱(chēng)其為正弦傳遞函數(shù) 0()( )jtYjy t edt0()( )jtXjx t edt11101110()()()()()()()()()mmmmnnnnbjbjb jbY jH jX ja

34、jaja ja第51頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述數(shù)學(xué)模型（續(xù)） （1）幅頻特性和相頻特性 幅頻特性當(dāng)輸入正弦信號(hào)的頻率改變時(shí)，輸出、輸入正弦信號(hào)的振幅之比隨頻率的變化 相頻特性輸出、輸入正弦信號(hào)的相位差隨頻率的變化|( )|( )|( )|( )|YAHX( ) arctan ( )H 第52頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)特性（續(xù)） 常見(jiàn)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 1 .一階系統(tǒng)21( ) |( )|1 ()AH幅頻特性：幅頻特性：( )arctan 相頻特性：相頻特性： 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 第53頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)特性（續(xù)）一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性與特性參數(shù) 當(dāng)系統(tǒng)

35、輸入階躍信號(hào)x(t)時(shí),響應(yīng)為y(t) 0,0()cos ,0txtAnt t( )(1)ty tAe0.95A第54頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)特性（續(xù)）2.二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型微分方程 為系統(tǒng)固有角頻率， 為阻尼比 傳遞函數(shù) 頻率特性 2()()()12nnYKHXj22( )( )12( )1nnYsKHsXsss2221( )2( )( )( )nnd y tdy ty tKx tdtdtn第55頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)特性（續(xù)）二階系統(tǒng)的頻率特性幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性第56頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)特性（續(xù)） 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 第57頁(yè)/共67頁(yè)測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其測(cè)量 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可用動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)?？刹捎脙煞N方法： 采用階躍信號(hào)作為系統(tǒng)輸入量，獲得系統(tǒng)對(duì)階躍響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)與在時(shí)域中描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)； 采用正弦信號(hào)作為系統(tǒng)輸入量，獲得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性與在頻域中描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)。第5