電工量計(jì)及檢測技術(shù)第四章

電工量計(jì)及檢測技術(shù)第四章第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一傳感器濾波、放大、I/V、V/f…指示儀表、打印機(jī)、計(jì)算機(jī)…電路單元信號(hào)拾取信號(hào)加工信號(hào)記錄與分析基本功能被測信號(hào)輸入裝置中間變換裝置輸出裝置基本組成圖4.1測試系統(tǒng)的基本功能和組成第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一3.測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性

（1）靜態(tài)特性曲線

①定義：根據(jù)測量系統(tǒng)的輸入量值與輸出量值實(shí)測的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系所確定的曲線。②表達(dá)方式：

a.代數(shù)方程

—y=a0

+a1x+a2x2+…+anxn

（a0為零點(diǎn)漂移）

b.曲線

—以輸入量為橫坐標(biāo)，以與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的曲線。xy0圖4.3靜態(tài)特性曲線理論特性曲線“由設(shè)計(jì)部門預(yù)先給定的靜態(tài)特性曲線”

靜態(tài)校準(zhǔn)曲線“在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，由實(shí)測得到的輸入與輸關(guān)系的靜態(tài)特性曲線”

第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一①

定義：“靜態(tài)特性曲線的斜率”（2）靜態(tài)靈敏度②

表達(dá)方式：▲

多級(jí)測量系統(tǒng)的靈敏度▲數(shù)字顯示測量系統(tǒng)的靈敏度第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一例：將熱敏電阻的特性曲線在工作點(diǎn)T1附近用直線來代替。解：對(duì)任意函數(shù)f(x)在x1附近間隔為?x的相應(yīng)的級(jí)數(shù)展開為將上式用于本的例，可得將代入，得第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（3）線性度①定義：“線性度是指實(shí)測校準(zhǔn)曲線與某一參考直線偏離的程度”②表達(dá)方式：通常用校準(zhǔn)曲線偏離參考直線的最大偏差與滿量程輸出的百分比來表示。xy0YF.S△Lmax理論線性度xy0YF.S△Lmax獨(dú)立線性度圖4.6第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一xy0YF.S△Hmax圖4.7（4）滯后誤差（遲滯）①定義：滯后誤差是用來說明測量系統(tǒng)在正行程測量和逆行程測量時(shí)的輸入與輸出曲線不重合的程度.②表達(dá)方式：用整個(gè)測量范圍內(nèi)的最大滯后量與滿量程輸出量的百分比表示.③產(chǎn)生原因:……。第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一①分辨力：測量系統(tǒng)可能檢出被測信號(hào)最小變化量的能力。（表征測量系統(tǒng)有效辨別輸入量最小變化量的能力）◆它與量程有關(guān)◆模擬指針儀表

◆數(shù)字顯示儀表（5）分辨力、分辨率、靈敏度和靈敏限④靈敏限：在輸入量由零變化到使輸出量開始變化時(shí)的輸入量的值。②分辨率：分辨力與滿量程的百分比。③靈敏度：指單位輸入量變化對(duì)應(yīng)的輸出量變化。圖4.8xy0△xA第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（6）可靠性①定義：指裝置在規(guī)定期限內(nèi)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。②可靠性指標(biāo)：平均無故障時(shí)間，可信任概率，故障率，有效度。a.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，相鄰兩次故障間隔時(shí)間的平均值。b.可信任概率P：表征由于元件參數(shù)的漸變而使儀表誤差在給定時(shí)間內(nèi)仍然保持在技術(shù)條件規(guī)定限度以內(nèi)的概率。c.故障率（失效率）：它是平均無故障時(shí)間MTBF的倒數(shù)。d.有效度（可用度）A：MTTR—平均修復(fù)時(shí)間第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（8）穩(wěn)定性

指在規(guī)定工作條件范圍內(nèi)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)性能保持不便的能力。（9）影響系數(shù)

影響系數(shù)為指示值變化與影響量變化量的比值。

（10）輸入電阻與輸出電阻

第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一Aωω00x(t)y(t)Aωω00x(t)y(t)圖4.14方波信號(hào)通過兩種系統(tǒng)的波形變化第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一圖4.15方波信號(hào)通過不失真系統(tǒng)時(shí)的波形（a）│H(jω)│

ωφ(ω)

ωT0t輸入輸出a.輸出不失真地復(fù)現(xiàn)輸入的理想情況，實(shí)際中不可能完全滿足。只有在變化很慢（T0很大）的過程測量或靜態(tài)測量時(shí)，才可能近似此情況。第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一圖4.15方波信號(hào)通過不失真系統(tǒng)時(shí)的波形（b）│H(jω)│

ωφ(ω)

ωTdt輸入輸出b.輸出不失真地復(fù)現(xiàn)輸入，但產(chǎn)生滯后。只要不是用在控制系統(tǒng)中作為測量反饋信號(hào)，對(duì)測量來說應(yīng)算作不失真測量，也是一種理想情況.第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一圖4.15方波信號(hào)通過不失真系統(tǒng)時(shí)的波形（c）φ(ω)

ω

ωt輸入輸出│H(jω)│

ω上c.相頻特性是理想的，幅頻特性在ω上以下是理想的平直段。因此，對(duì)于輸入信號(hào)中大于ω上的頻率成分在輸出中基本得不到響應(yīng)，使得輸出會(huì)產(chǎn)生紋波，必須提高測量裝置的ω上。它適合于測量ω上以下頻率成分的信號(hào)第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一φ(ω)

ω

ωt輸入輸出│H(jω)│

ω下圖4.15方波信號(hào)通過不失真系統(tǒng)時(shí)的波形（d）d.高頻區(qū)特性理想，低頻特性不好。被測過程變化緩慢時(shí)，測量不準(zhǔn)。不適于測靜態(tài)量，特別適用于動(dòng)態(tài)測量第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一(2)實(shí)驗(yàn)方法——

①時(shí)域中的微分方程②頻域中的頻率特性③復(fù)頻域中的傳遞函數(shù)4.3測量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究方法(1)建立數(shù)學(xué)模型——第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一測量儀器的常用激勵(lì)信號(hào)的函數(shù)形式激勵(lì)函數(shù)

響應(yīng)函數(shù)正弦函數(shù)階躍函數(shù)脈沖函數(shù)正弦響應(yīng)函數(shù)階躍響應(yīng)函數(shù)脈沖響應(yīng)函數(shù)第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一4.4典型測量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析(1)一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

RCu0ui圖4.16一階系統(tǒng)—RC電路u0/ui0圖4.17一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)t/τ123τ小τ大幅度為k的階躍信號(hào)

τ=RC（時(shí)間常數(shù)）第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一幅頻特性：相頻特性：當(dāng)ω<1/τ時(shí)，

趨近于1

當(dāng)ω=1/τ時(shí)，

=0.707(-3dB）φ=45°當(dāng)ω=1/τ時(shí)，

時(shí)間常數(shù)τ是反映一階系統(tǒng)特性的特征參數(shù)1/τ點(diǎn)稱為截止頻率或拐角頻率

第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一0.10.20.51.025100.10.20.32.01.00.70.50.4圖4.18一階系統(tǒng)的幅頻特性ωτ|H（jω）|當(dāng)ω<1/τ時(shí)，

接近于1

第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一0.10.20.51.02510-80?-60?0?-20?-40?圖4.19一階系統(tǒng)的相頻特性ωτφ當(dāng)ω=1/τ時(shí)，

=0.707(-3dB),φ=45°

第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一RCu0ui圖4.20二階系統(tǒng)—RLC網(wǎng)絡(luò)L—系統(tǒng)固有角頻率—阻尼比(2)二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一120246810140.200.40.60.81.01.21.41.6ω0tD=0.25D=0.50D=0.707D=1.0圖4.21二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)幅度為1的階躍信號(hào)u0/ui第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一0.10.20.51.025100.010.1101.0圖4.22二階系統(tǒng)的幅頻特性ω/ω0|H（jω）|D=1D=0.4D=0.1D=0.707D小第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一0.10.20.51.02510-180?0?-90?圖4.23二階系統(tǒng)的相頻特性ω/ω0φD=0.707D=0.707D=0.1小D第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一二階系統(tǒng)固有角頻率ω0和阻尼比D對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響：

①D不同對(duì)應(yīng)不同的響應(yīng)曲線。即D值大小決定了階躍響應(yīng)趨于最終值的時(shí)間長短D值過大或過小趨于最終值的時(shí)間都過長。②D值一定時(shí)，ω0越大，則響應(yīng)速度越快，ω0越小，則響應(yīng)速度越慢。固有角頻率ω0和阻尼比D是反映二階系統(tǒng)特性的特性參數(shù)

第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一v/(500V/div)i/(1A/div)阻性負(fù)載00t/(20μS/div)uiu00ii/(1A/div)u/(500V/div)t/(20μs/div)電弧離子鍍負(fù)載脈沖電源電弧離子鍍裝置【實(shí)例】如何分析和改善電氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一電弧離子鍍脈沖偏壓電源與負(fù)載的仿真模型esL0RPCPR0Plasmaload第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一iui/Au/kV4.03.02.01.000-0.5-1.0負(fù)載上電壓和電流波形（仿真）t/

(20μs/div)仿真條件：E=680V,L1=100μH,R1=0.3Ω,RL=2kΩ,RP=450Ω,CP=1800pFu00it/(20μs/div)負(fù)載上電壓和電流波形（實(shí)驗(yàn)）u/(500V/div)i/(1A/div)第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一120246810140.200.40.60.81.01.21.41.6ω0tD=0.25D=0.50D=0.70D=1.0電弧離子鍍負(fù)載回路對(duì)階躍上升信號(hào)的響應(yīng)u2/u1第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一t

/μs(b)L0=100μH0400102030506070802004006008001000u2/V增加回路電感對(duì)脈沖波形前沿的改善效果040010203050607080t

/μs(a)L0=3μH2004006008001000u2/V12001400模擬條件:U1=700V,R0=0.2Ω,CP=2nF,RP=400Ω第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一RPCPu2R0L0AIPPlasmaloadL1R1C1脈沖電源與電弧離子鍍負(fù)載間的匹配電路u1利用L1支路的幅頻特性與R1、C1支路的幅頻特性恰好相反的特點(diǎn)，將這二個(gè)支路并聯(lián)，使L1、R1、C1、R0和L0構(gòu)成的“傳輸單元”的幅頻特性與RP、CP構(gòu)成的“負(fù)載單元”的幅頻特性相一致，從而使u2/u1的頻響特性H(jω)可基本接近不失真系統(tǒng)頻響特性，達(dá)到抑制脈沖電壓的振蕩和提高脈沖電壓的上升速率的目的第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一模擬條件:

L1=50μH,C1=470nF,R1=60Ω,

L0=3μH,

R0=0.2Ω,

CP=2nF,RP=400Ω10710102103104106105f

/Hz-10-50-15-20-3020-50-100-150-200φ/(°)121-251.幅頻特性曲線;

2.相頻特性曲線u2/u1(dB)負(fù)載回路的頻響特性曲線（有匹配電路時(shí)）第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一10710102103104106105f

/Hz01020-10-20-3012120-50-100-150-200φ/(°)負(fù)載回路的頻響特性曲線（無匹配電路時(shí)）模擬條件:L0=3μH,R0=0.2Ω,Cp=2nF,Rp=400Ω1.幅頻特性曲線;2.相頻特性曲線u2/u1(dB)第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一040010203050607080t

/μs(b)CP=20nF,RP=150Ω,L0=3μH,R0=0.2Ω,RS=100Ω

CS=2nF,L1=40μH,C1=470nF,R1=20Ω2004006008001000u2/V12000t

/μs(a)CP=2nF,RP=400Ω,L0=3μH,R0=0.2Ω,RS=100Ω

CS=2nF,L1=50μH,C1=470nF,R1=60Ω2004006008001000u2/V12000401020305060708021211.匹配前2.匹配后第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一LM324f=500HzTL082f=500Hz第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一LM324f=50kHzTL082f=50kHz第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一TL082f=500kHz第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一5.測量系統(tǒng)的負(fù)載效應(yīng)

（1）“負(fù)載效應(yīng)”?

表征測量裝置或環(huán)節(jié)對(duì)被測對(duì)象或前一環(huán)節(jié)形成的影響，引起某些能量附加效果。它使被測量值或前一環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)發(fā)生某些偏離。被測對(duì)象測量裝置能量轉(zhuǎn)移圖4.28第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一電路ESZSESZSZLEm圖4.29（2）電子測量系統(tǒng)的負(fù)載效應(yīng)輸入儀表的實(shí)際信號(hào)為

第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一1.01.0E0/ESxi/xtRt/Ri增加Rt/Ri=0（b）圖4.30負(fù)載效應(yīng)分析—變阻器式位移傳感器ESxt+RtRiE0-xi+-MNP第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（3）廣義負(fù)載效應(yīng)阻抗(Z)=動(dòng)力參量/流動(dòng)參量①直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)

F—?jiǎng)恿⒘浚Γ?，v—流動(dòng)參量（速度）②旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)

M—?jiǎng)恿⒘浚兀?，?/p>

—流動(dòng)參量（角速度）③液壓系統(tǒng)

P—?jiǎng)恿⒘浚ㄒ簤海琎—流動(dòng)參量（體流速）第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（4）測量儀表的輸入阻抗系統(tǒng)阻抗是在高頻下唯一實(shí)用的阻抗；由系統(tǒng)阻抗組成的系統(tǒng)，是在高頻下唯一實(shí)用的系統(tǒng)①高輸入阻抗

10kΩ~1MΩ.把電壓轉(zhuǎn)移效率放在首位.②系統(tǒng)輸入阻抗（特征阻抗）

50Ω、75Ω等.

把功率轉(zhuǎn)移效率放在首位.第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一【傳輸線基本知識(shí)】R0R0L0L0C0G0圖4.31傳輸線的等效電路電子在電路中的運(yùn)動(dòng)遵循電磁場理論.進(jìn)行能量與信息的傳遞.【1】傳輸線在電路中的作用信號(hào)線均存在一個(gè)截止頻率.

【2】特征阻抗在理想情況（無損線路中R0=G0=0）下，【3】反射系數(shù)ρρ為反射電壓與入射電壓的比.ρ=（ZL-Z0）/（ZL+Z0）

【4】阻抗匹配

傳輸線的負(fù)載阻抗等于傳輸線特性阻抗第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)射機(jī)放大器50Ω輸出阻抗50Ω輸入阻抗50Ω傳輸線50Ω傳輸線50Ω天線圖4.32射頻發(fā)射裝置50Ω輸出阻抗第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一6.示波器測量系統(tǒng)（2）示波器探頭

（3）示波器系統(tǒng)對(duì)被測量的影響

（4）示波器主要性能指標(biāo)

（1）示波器系統(tǒng)的組成

第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一（2）示波器探頭

①探頭的功能

從被測電路（信號(hào)）中吸取最小的能量,并最大的逼真度傳送到測量儀器.②

探頭的結(jié)構(gòu)和種類

結(jié)構(gòu)

探針絕緣手柄(或其它腔體)電路（衰減或其它）同軸電纜接頭（1）示波器系統(tǒng)的組成

示波器本體+探頭第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一種類

●按工作方式a.無源探頭●按測量信號(hào)的種類●按探頭地與示波器地的關(guān)系b.有源探頭電壓、電流、邏輯、其它（傳感器、變送器、特殊探頭）

a.單端探頭b.差分探頭第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一帶寬(上升時(shí)間)——探頭系統(tǒng)理想的-3dB衰減最高頻率BW·T上升≈0.35

負(fù)載效應(yīng)

探頭的負(fù)載效應(yīng)主要是由其輸入電阻和電容的反映.

在低頻（≤1MHZ）時(shí)，探頭的負(fù)載主要是阻抗作用；在高頻（≥10MHZ）時(shí)，探頭的負(fù)載主要是容抗作用.

衰減比

補(bǔ)償范圍

指輸入電容的調(diào)節(jié)范圍③探頭的主要性能指標(biāo)

測量范圍探頭的長度第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一④探頭的選用

■

在測試中盡量選用探頭和帶屏蔽的測試線■合理選擇探頭的帶寬■注意探頭的負(fù)載效應(yīng)■

探頭的補(bǔ)償問題■注意接地引線的電感■安全接地問題第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一探頭的補(bǔ)償?shù)?3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一①探頭和示波器的負(fù)載效應(yīng)導(dǎo)致被測電壓減小

在低頻時(shí)——該損耗取決于RS和Ri的電阻比值；在高頻時(shí)——信號(hào)源電阻和CS與Ci的容抗成為決定損耗的主要因素.

圖包括信號(hào)源和示波器測量系統(tǒng)的模型（3）示波器系統(tǒng)對(duì)被測量的影響

第54頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一重要公式—②導(dǎo)致系統(tǒng)帶寬減小和上升時(shí)間增加

t1—示波器系統(tǒng)上升時(shí)間t2—被測信號(hào)的實(shí)際上升時(shí)間t3—測得的信號(hào)上升時(shí)間第55頁，共61頁，2023年，2月20日，星期一高斯型頻率響應(yīng)—模擬示波器平坦型頻率響應(yīng)—數(shù)字示波器示波器的頻率響應(yīng)第56頁，共61頁，2023年，2月20日，