電子測(cè)量第2章測(cè)量方法與測(cè)量系統(tǒng)匯編

1、第2章 測(cè)量(cling)方法與測(cè)量(cling)系統(tǒng)2. 1 電子測(cè)量的對(duì)象信號(hào)(xnho)與系統(tǒng)2. 2 靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量23 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性2. 4 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 共二十六頁2.1.1 信號(hào)(xnho)的特性1.信號(hào)的時(shí)間特性 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。2.頻率特性 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，將各個(gè)(gg)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。3.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

2、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；2.1 電子測(cè)量的對(duì)象信號(hào)與系統(tǒng) 共二十六頁2.1.2 系統(tǒng)(xtng)的基本概念 信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理(chl)、存儲(chǔ)和再現(xiàn)都需要一定的物理裝置，這種裝置通常就稱為系統(tǒng)。從一般意義講，系統(tǒng)是由若干相互依賴、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。共二十六頁2.1.2 系統(tǒng)(xtng)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

3、特性的符號(hào)組合圖形(txng)來表征系統(tǒng)的輸入-輸出特性 共二十六頁2.2 靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)(dngti)測(cè)量1.靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)(dngti)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) 。 共二十六頁2.2 靜態(tài)(jngti)、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)量過程不受時(shí)間限制，測(cè)量系統(tǒng)的輸出與輸入

4、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(pnl)為變量對(duì)被測(cè)線性系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。正弦測(cè)試技術(shù)可以測(cè)線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參量是指系統(tǒng)的阻抗、增益或損耗、相移、群延遲和非線性失真度，以及這些參量隨頻率變化的情況 共二十六頁2.2 靜態(tài)(jngti)、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(chn j)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)這類隨時(shí)間瞬變對(duì)象進(jìn)行測(cè)量

5、，稱為動(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（信號(hào)參量），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)量無源量（系統(tǒng)或元器件參量），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。 共二十六頁2.3 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)(jngti)特性2.3.1 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)的基本特性可由其輸入、輸出的關(guān)系來表征，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：一類被測(cè)量是靜止不變或變化極緩慢的情況(qngkung)，此時(shí)

6、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，稱為測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性；另一類是被測(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)系稱為測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 共二十六頁2.3.2 測(cè)量(cling)系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)1.靜態(tài)(jngti)特性的數(shù)學(xué)模型非線性時(shí)：獲得靜態(tài)特性的方法： 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)。 非線性共二十六頁2.3.2 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)(jngti)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(shz)零位值為 零位值應(yīng)設(shè)法從測(cè)量結(jié)果中消除。例如可以通過測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)零機(jī)構(gòu)

7、或者由軟件扣除。共二十六頁2.3.2 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性(txng)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(txng)為一直線時(shí)，直線的斜率即為靈敏度，且為一常數(shù) 共二十六頁2.3.2 測(cè)量系統(tǒng)(xtng)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(dl)的環(huán)節(jié)組成時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的總靈敏度S為共二十六頁2.3.2 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性(txng)指標(biāo)（續(xù)）（3）分辨力又稱靈敏度閾，它表征測(cè)量系統(tǒng)有效辨別輸入量的最小變化量的能力。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)

8、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(ybio)的要求是：靈敏度應(yīng)該大而分辨力應(yīng)該小. 共二十六頁2.3.2 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性(txng)指標(biāo)（續(xù)）（4）測(cè)量范圍、量程測(cè)量(cling)范圍測(cè)量(cling)系統(tǒng)所能測(cè)量(cling)到的最小被測(cè)量(cling)（輸入量）與最大被測(cè)量(cling)（輸入量）之間的范圍。量程測(cè)量系統(tǒng)在某一測(cè)量設(shè)置下，能測(cè)到的被測(cè)量的上限值與下限值之差的模即稱為量程。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 共二十六頁2.3.2 測(cè)量(cling)系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)（

9、續(xù)）3.靜態(tài)特性的質(zhì)量指標(biāo)（1）遲滯亦稱“滯后”或“回差”，表征測(cè)量系統(tǒng)(xtng)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。共二十六頁2.3.2 測(cè)量(cling)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)(jngti)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)偏差來計(jì)算 S子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差； K置信因子。共二十六頁2.3.2 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性(txng)指標(biāo)（續(xù)）（3）線性度測(cè)量系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系應(yīng)當(dāng)具有直線(zhxin)特性，線性度（又稱非線性誤差）說明輸出量與輸入量的

10、實(shí)際關(guān)系曲線偏離其擬合直線的程度選定的擬合直線不同，計(jì)算所得的線性度數(shù)值也就不同 共二十六頁2.3.2 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性(txng)指標(biāo)（續(xù)）（4）精確度 測(cè)量系統(tǒng)的精確度，俗稱精度，衡量測(cè)量結(jié)果偏離被測(cè)量真值多少的指標(biāo)。（5）可靠性平均無故障時(shí)間MTBF在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下不間斷地工作，直到發(fā)生故障而失去工作能力的時(shí)間稱作為無故障時(shí)間。可信任概率P表示儀表誤差在給定(i dn)時(shí)間內(nèi)仍然保持在技術(shù)條件規(guī)定限度以內(nèi)的概率。故障率或失效率平均無故障時(shí)間MTBFF的倒數(shù)。有效度或可用度 共二十六頁2.3.2 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)(jngti)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

11、件范圍之內(nèi)，在規(guī)定時(shí)間(shjin)內(nèi)系統(tǒng)或儀器性能保持不變的能力。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)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)共二十六頁2.3.2 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性(txng)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(z chn)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

12、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窮大。共二十六頁2.4 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(txng)2.4.1 測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述數(shù)學(xué)模型測(cè)量(cling)系統(tǒng)的特性用數(shù)學(xué)模型來描述，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.微分方程共二十六頁2.4.1 測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性(txng)的描述數(shù)學(xué)模型（續(xù)）2.傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)其表達(dá)式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。3.頻率響應(yīng)函數(shù)(hnsh) 對(duì)于穩(wěn)定的常系數(shù)線性系統(tǒng)，可用傅里葉變換代替拉氏

13、變換共二十六頁2.4.1 測(cè)試(csh)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(gibin)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共二十六頁測(cè)試(csh)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)特性（續(xù)）常見測(cè)量(cling)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型幅頻特性：相頻特性： 時(shí)間常數(shù)共二十六頁測(cè)試系統(tǒng)(xtng)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)(xtng)的階躍響應(yīng)特性與特性參數(shù) 當(dāng)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)x(t)時(shí),響應(yīng)為y(t) 0.95A共二十六頁內(nèi)容摘要第2章 測(cè)量方法與測(cè)量系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)（交流）測(cè)試技術(shù)：正弦測(cè)試技術(shù)。一種是測(cè)量有源量（信號(hào)參量），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)。（1）零位（零點(diǎn)）。當(dāng)靜態(tài)特性為一直線時(shí)，直線的斜率即為靈