第一章-3-5測(cè)量裝置的特性

測(cè)量裝置：

把被測(cè)參量F(t)經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換和放大，最后用記錄器記錄或數(shù)據(jù)處理儀處理。可能是復(fù)雜的測(cè)試裝置，也可能是組成環(huán)節(jié)復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)：(軸承缺陷檢測(cè))簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)V§1-3測(cè)量系統(tǒng)及其基本特性一、工程測(cè)量中常見問題1、系統(tǒng)的概念：從最初輸入信號(hào)到最終輸出信號(hào)的各個(gè)環(huán)節(jié)，是執(zhí)行測(cè)試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。

廣義系統(tǒng):輸入裝置輸出（1）已知測(cè)量系統(tǒng)的輸入量和輸出量,推斷測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性（2）已知測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性,輸出量可測(cè),推斷輸入量（3）已知測(cè)量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性和輸入量,推斷輸出量測(cè)試系統(tǒng)的功能：測(cè)試就是從被測(cè)信號(hào)中獲取所需的特征信息，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行削弱或去除，對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大和分析。因此測(cè)試系統(tǒng)將被測(cè)對(duì)象置于預(yù)定狀態(tài)下，并對(duì)被測(cè)對(duì)象所輸出的特征信息進(jìn)行拾取、轉(zhuǎn)換、放大、分析處理、顯示記錄等。1、傳感器的作用非電量轉(zhuǎn)換成電量2、測(cè)量系統(tǒng)的作用把傳感器的輸出量轉(zhuǎn)換成便于顯示和記錄的電壓或電流信號(hào)3、信息處理系統(tǒng)的作用對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、補(bǔ)償、數(shù)學(xué)運(yùn)算、模數(shù)轉(zhuǎn)換等4、顯示與記錄系統(tǒng)的作用用于模擬量的顯示和記錄測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)保證系統(tǒng)的信號(hào)輸出能精確地反映輸入。對(duì)于一個(gè)理想的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有確定的輸入與輸出關(guān)系。其中輸出與輸入成線性關(guān)系時(shí)為最佳。理想的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)（線性定常系統(tǒng)）。測(cè)量裝置基本要求：Fα線性Fα線性Fα非線性實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)系數(shù)若與時(shí)間無(wú)關(guān)，則裝置叫定常的，若與其各階導(dǎo)數(shù)都無(wú)關(guān)，則裝置叫線性的。若上述兩條件都滿足，則叫定常線性的。ai、bi—系數(shù)，取決于裝置的物理性質(zhì)，與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)若最高階導(dǎo)數(shù)是一階，為一階系統(tǒng)；若最高階導(dǎo)數(shù)是二階，為二階系統(tǒng)；其余依此類推。對(duì)于：其輸入與關(guān)系可用微分方程表述：測(cè)量裝置必須是線性定常的，才不會(huì)發(fā)生失真。測(cè)量裝置滿足不失真的條件：1)比例性

2)疊加性3)頻率不變性2、不失真的概念不發(fā)生失真：輸入量和輸出量能相似。其系數(shù)與時(shí)間及無(wú)關(guān)，因此水銀溫度計(jì)為線性定常系統(tǒng)，且為一階系統(tǒng)。水銀溫度計(jì)二、測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指輸入量為靜態(tài)時(shí)，輸出量與輸入量之間的關(guān)系。測(cè)量裝置的靜態(tài)特性可用精度、重復(fù)性、滯差、靈敏度、非線性度等來(lái)表征。

理想的情況是測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)和激勵(lì)之間有線性關(guān)系，這時(shí)數(shù)據(jù)處理最簡(jiǎn)單。由于原理、材料、制作上的種種客觀原因，測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性不可能是嚴(yán)格線性的。如果在測(cè)量系統(tǒng)的特性方程中，非線性項(xiàng)的影響不大，實(shí)際靜態(tài)特性接近直線關(guān)系，則常用一條參考直線來(lái)代替實(shí)際的靜態(tài)特性曲線，近似地表示響應(yīng)－激勵(lì)關(guān)系。1、精度測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度是指測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果與被測(cè)參量真值之間的吻合程度，常用的表征誤差的方法有絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差和引用誤差等。引用誤差是儀表中常用的誤差表示方法，它是相對(duì)于儀表滿量程的一種誤差，即測(cè)量的絕對(duì)誤差與儀表的滿量程值之比，常以百分?jǐn)?shù)表示。2、重復(fù)性重復(fù)性是指在相同的測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量連續(xù)多次進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其測(cè)試結(jié)果間的不一致程度。

3.靈敏度工作曲線上各點(diǎn)的斜率定義為各點(diǎn)的靈敏度若工作曲線是線性的,則各點(diǎn)的靈敏度相同,否則不同。Fαα△α△α△F△F00(a)(b)F△α△F測(cè)量裝置總的靈敏度等于各個(gè)環(huán)節(jié)靈敏度的連乘積。轉(zhuǎn)換器測(cè)量電路放大器記錄儀機(jī)械轉(zhuǎn)換器4.非線性度：靜態(tài)特性特性曲線偏離理論直線的程度。測(cè)量系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，輸入量為靜態(tài)量時(shí)，輸入輸出方程中的各階導(dǎo)數(shù)為零，方程變?yōu)?由于b0、a0并不是嚴(yán)格的常數(shù)。定義非線性度：實(shí)際靜態(tài)特性曲線理想直線在滿量程范圍內(nèi)，實(shí)際靜態(tài)特性曲線與理想直線的最大差值與其滿量程輸出量之比。Fα0實(shí)際工作曲線參考工作曲線FFS△Lmax

顯然越小，系統(tǒng)的線性程度越好，實(shí)際工作中經(jīng)常會(huì)遇到非線性較為嚴(yán)重的系統(tǒng)，此時(shí)，可以采取限制測(cè)量范圍、采用非線性擬合或非線性放大器等技術(shù)措施來(lái)提高系統(tǒng)的線性度。5.

滯差在全量程范圍內(nèi)，當(dāng)輸入由大變小，再由小變大時(shí)，對(duì)同一輸入量得到的兩個(gè)由輸出值之間的最大差值為滯差。滯差是由滯后性引起的，滯后性指輸入遞減的靜態(tài)特性曲線和輸入遞增的靜態(tài)特性曲線不重合的程度。輸入遞減靜態(tài)特性曲線輸入遞增靜態(tài)特性曲線最大差值與滿量程之比來(lái)表示測(cè)量系統(tǒng)的滯后性。6

分辨率

分辨率是指測(cè)量系統(tǒng)能測(cè)量到輸入量最小變化的能力，即能引起響應(yīng)量發(fā)生變化的最小激勵(lì)變化量，用△x表示。由于測(cè)量系統(tǒng)或儀器在全量程范圍內(nèi)，各測(cè)量區(qū)間的△x不完全相同，因此常用全量程范圍內(nèi)最大的△x即△xmax與測(cè)量系統(tǒng)滿量程輸出值YFS之比的百分率表示其分辨能力，稱為分辨率，用F表示，即為了保證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度，工程上規(guī)定：測(cè)量系統(tǒng)的分辨率應(yīng)小于允許誤差的1/3,1/5或1/10?？梢酝ㄟ^(guò)提高儀器的敏感單元的增益的方法來(lái)提高分辨率。測(cè)量?jī)x器必須有足夠高的分辨率。FSmaxYxFD=7穩(wěn)定性8漂移9閾值產(chǎn)生可測(cè)輸出變化量時(shí)的最小輸入量值長(zhǎng)期穩(wěn)定性標(biāo)定的有效期外界干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的變化。時(shí)間漂移（時(shí)漂）、溫度漂移（溫漂）零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移三、測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指輸入量為動(dòng)態(tài)量時(shí)，輸出量與輸入量的關(guān)系。在時(shí)域內(nèi)動(dòng)態(tài)信號(hào)千差萬(wàn)別，在頻域內(nèi)全由正弦信號(hào)組成，所以只要研究輸入量為正弦信號(hào)時(shí)的輸出量，就能了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。輸入信號(hào)：輸出信號(hào)：幅頻特性相頻特性幅頻特性和相頻特性合成系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。三、測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

對(duì)系統(tǒng)輸入不同頻率的正弦輸入信號(hào)，記錄輸出信號(hào)的幅值，求得輸出信號(hào)與輸入信號(hào)幅值的比值就可求得K(ω)。記錄輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的相差角就可求得Φ(ω)。若系統(tǒng)的微分方程已知，也可以通過(guò)解微分方程的方法求得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。一般認(rèn)為，測(cè)試系統(tǒng)在所考慮的測(cè)量范圍內(nèi)是線性系統(tǒng)，因此可以用線性時(shí)不變系統(tǒng)微分方程來(lái)描述測(cè)試系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系。介紹傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)—是在不同時(shí)域描述線性系統(tǒng)傳輸特性的方法。1、傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)定義為在初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。對(duì)常系數(shù)線性微分方程的拉氏變換2、頻率響應(yīng)函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)是在正弦信號(hào)激勵(lì)下，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，輸出的傅氏變換與輸入的傅氏變換之比。傅氏變換后的幅頻特性和相頻特性共同構(gòu)成函數(shù)的動(dòng)態(tài)特性。儀表的量程、準(zhǔn)確度靈敏度測(cè)遲滯有噪聲穩(wěn)定性重復(fù)性響應(yīng)時(shí)間§1-4測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)具有一定的靈敏度。測(cè)量裝置各個(gè)環(huán)節(jié)必須在線性狀態(tài)下工作，各環(huán)節(jié)的輸入輸出呈線性關(guān)系，以保證不產(chǎn)生非線性失真。測(cè)量裝置各個(gè)環(huán)節(jié)必須能保證被測(cè)量的各諧波分量在幅值上得到相同的放大，在相位上得到相應(yīng)的相移角，以保證不產(chǎn)生幅頻失真和相頻失真。測(cè)量裝置的響應(yīng)速度要快，能及時(shí)反映出被測(cè)量的變化。有良好的工作穩(wěn)定性和抗干擾能力。對(duì)測(cè)量裝置的基本要求§1-5測(cè)量工作中的失真1.非線性失真：由于電測(cè)裝量的工作曲線(即幅值特性曲線)的非線性所引起的。非線性失真、幅頻失真、相頻失真非線性失真的實(shí)質(zhì)就是由于工作曲線的非線性，而使輸出波形中產(chǎn)生了輸入波形中所沒有的諧波成分。非線性測(cè)量系統(tǒng)不能保證輸入與輸出信號(hào)頻率成分的不變性，從而產(chǎn)生非線性失真；但線性測(cè)量系統(tǒng)卻能保證頻率成分的不變性，不產(chǎn)生非線性失真。因此，要不產(chǎn)生非線性失真就要求電側(cè)裝置的工作曲線是線性的，即線性測(cè)量系統(tǒng)。由于系統(tǒng)總的工作曲線與各環(huán)節(jié)的工作曲線有關(guān)，所以也要求各環(huán)節(jié)要在線性狀態(tài)下工作。2.幅頻失真：幅頻失真是由于電測(cè)裝置對(duì)于輸入F(t)所包含的諧波分量具有不同的幅值比或放大倍數(shù)所引起的。假如電測(cè)裝置對(duì)F(t)的各諧波分量的幅值比不同，即各分量在幅值上得到不同的放大，那么就會(huì)引起輸出α(t)與輸入F(t)波形的不同，即產(chǎn)生了失真，稱幅頻失真。非線性失真2.幅頻失真：要不產(chǎn)生幅頻失真就要求電測(cè)裝量的幅頻特性曲線是水平直線。為了不產(chǎn)生幅頻失真，就要求電測(cè)裝量的幅頻特性曲線要平直而寬，起碼要使它的工作頻帶要與被測(cè)量的頻率范圍相適應(yīng)。由于整個(gè)電測(cè)裝置的幅頻特性與各組成環(huán)節(jié)的幅頻特性有關(guān)，因此要求各環(huán)節(jié)的幅頻特性曲線更要平直而寬。3.相頻失真：

由于電測(cè)裝置對(duì)輸入所含的諧波分量引起不協(xié)調(diào)的相位移的結(jié)果。如果電測(cè)裝置對(duì)F(t)各諧波分量的放大倍數(shù)雖然相同，但各諧波分量的相位