第一章-3-5測量裝置的特性

測量裝置：

把被測參量F(t)經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換和放大，最后用記錄器記錄或數(shù)據(jù)處理儀處理?？赡苁菑碗s的測試裝置，也可能是組成環(huán)節(jié)復雜測試系統(tǒng)：(軸承缺陷檢測)簡單測試系統(tǒng)V§1-3測量系統(tǒng)及其基本特性一、工程測量中常見問題1、系統(tǒng)的概念：從最初輸入信號到最終輸出信號的各個環(huán)節(jié)，是執(zhí)行測試任務的傳感器、儀器和設備的總稱。

廣義系統(tǒng):輸入裝置輸出（1）已知測量系統(tǒng)的輸入量和輸出量,推斷測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性（2）已知測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性,輸出量可測,推斷輸入量（3）已知測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換特性和輸入量,推斷輸出量測試系統(tǒng)的功能：測試就是從被測信號中獲取所需的特征信息，對干擾信號進行削弱或去除，對有用信號進行放大和分析。因此測試系統(tǒng)將被測對象置于預定狀態(tài)下，并對被測對象所輸出的特征信息進行拾取、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3、信息處理系統(tǒng)的作用對信號進行放大、補償、數(shù)學運算、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量系統(tǒng)應保證系統(tǒng)的信號輸出能精確地反映輸入。對于一個理想的測量系統(tǒng)應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)系時為最佳。理想的測量系統(tǒng)應當是一個線性時不變系統(tǒng)（線性定常系統(tǒng)）。測量裝置基本要求：Fα線性Fα線性Fα非線性實際測量系統(tǒng)系數(shù)若與時間無關(guān)，則裝置叫定常的，若與其各階導數(shù)都無關(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)若最高階導數(shù)是一階，為一階系統(tǒng)；若最高階導數(shù)是二階，為二階系統(tǒng)；其余依此類推。對于：其輸入與關(guān)系可用微分方程表述：測量裝置必須是線性定常的，才不會發(fā)生失真。測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)與時間及無關(guān)，因此水銀溫度計為線性定常系統(tǒng)，且為一階系統(tǒng)。水銀溫度計二、測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指輸入量為靜態(tài)時，輸出量與輸入量之間的關(guān)系。測量裝置的靜態(tài)特性可用精度、重復性、滯差、靈敏度、非線性度等來表征。

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

3.靈敏度工作曲線上各點的斜率定義為各點的靈敏度若工作曲線是線性的,則各點的靈敏度相同,否則不同。Fαα△α△α△F△F00(a)(b)F△α△F測量裝置總的靈敏度等于各個環(huán)節(jié)靈敏度的連乘積。轉(zhuǎn)換器測量電路放大器記錄儀機械轉(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。測量系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，輸入量為靜態(tài)量時，輸入輸出方程中的各階導數(shù)為零，方程變?yōu)?由于b0、a0并不是嚴格的常數(shù)。定義非線性度：實際靜態(tài)特性曲線理想直線在滿量程范圍內(nèi)，實際靜態(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，實際工作中經(jīng)常會遇到非線性較為嚴重的系統(tǒng)，此時，可以采取限制測量范圍、采用非線性擬合或非線性放大器等技術(shù)措施來提高系統(tǒng)的線性度。5.

滯差在全量程范圍內(nèi)，當輸入由大變小，再由小變大時，對同一輸入量得到的兩個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表示測量系統(tǒng)的滯后性。6

分辨率

分辨率是指測量系統(tǒng)能測量到輸入量最小變化的能力，即能引起響應量發(fā)生變化的最小激勵變化量，用△x表示。由于測量系統(tǒng)或儀器在全量程范圍內(nèi)，各測量區(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，即為了保證測量系統(tǒng)的測量準確度，工程上規(guī)定：測量系統(tǒng)的分辨率應小于允許誤差的1/3,1/5或1/10。可以通過提高儀器的敏感單元的增益的方法來提高分辨率。測量儀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)生可測輸出變化量時的最小輸入量值長期穩(wěn)定性標定的有效期外界干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的變化。時間漂移（時漂）、溫度漂移（溫漂）零點漂移、靈敏度漂移三、測量系統(tǒng)的動態(tài)特性

測量系統(tǒng)的動態(tài)特性是指輸入量為動態(tài)量時，輸出量與輸入量的關(guān)系。在時域內(nèi)動態(tài)信號千差萬別，在頻域內(nèi)全由正弦信號組成，所以只要研究輸入量為正弦信號時的輸出量，就能了解系統(tǒng)的動態(tài)特性。輸入信號：輸出信號：幅頻特性相頻特性幅頻特性和相頻特性合成系統(tǒng)的頻率響應特性。三、測量系統(tǒng)的動態(tài)特性

對系統(tǒng)輸入不同頻率的正弦輸入信號，記錄輸出信號的幅值，求得輸出信號與輸入信號幅值的比值就可求得K(ω)。記錄輸出信號對輸入信號的相差角就可求得Φ(ω)。若系統(tǒng)的微分方程已知，也可以通過解微分方程的方法求得系統(tǒng)的動態(tài)特性。一般認為，測試系統(tǒng)在所考慮的測量范圍內(nèi)是線性系統(tǒng)，因此可以用線性時不變系統(tǒng)微分方程來描述測試系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系。介紹傳遞函數(shù)、頻率響應函數(shù)和脈沖響應函數(shù)—是在不同時域描述線性系統(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，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。對常系數(shù)線性微分方程的拉氏變換2、頻率響應函數(shù)頻率響應函數(shù)是在正弦信號激勵下，系統(tǒng)達到穩(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)的動態(tài)特性。儀表的量程、準確度靈敏度測遲滯有噪聲穩(wěn)定性重復性響應時間§1-4測量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標具有一定的靈敏度。測量裝置各個環(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。測量裝置各個環(huán)節(jié)必須能保證被測量的各諧波分量在幅值上得到相同的放大，在相位上得到相應的相移角，以保證不產(chǎn)生幅頻失真和相頻失真。測量裝置的響應速度要快，能及時反映出被測量的變化。有良好的工作穩(wěn)定性和抗干擾能力。對測量裝置的基本要求§1-5測量工作中的失真1.非線性失真：由于電測裝量的工作曲線(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。非線性測量系統(tǒng)不能保證輸入與輸出信號頻率成分的不變性，從而產(chǎn)生非線性失真；但線性測量系統(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裝置對于輸入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。假如電測裝置對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量的頻率范圍相適應。由于整個電測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：

由于電測裝置對輸入所含的諧波分量引起不協(xié)調(diào)的相位移的結(jié)果。如果電測裝置對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