能源化工测量装置基本特性

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1、河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第二章第二章 测量装置的基本特性测量装置的基本特性 本章学习要求：本章学习要求：1. 建立测量装置建立测量装置(系统系统)的概念；的概念； 2. 掌握测量装置特性对测量结果的影响；掌握测量装置特性对测量结果的影响； 3.了解测量装置特性参数的测量方法。了解测量装置特性参数的测量方法。工程测试技术基础工程测试技术基础河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第二章第二章 测量装置的基本特性测量装置的基本特性 测量装置测量装置是为了完成测量任务所必需的传感是为了完成测量任务所必需的传感器、仪器和设备的总称。器、仪器和设备的总称。 第一节第一节 测量装置测量装置

2、概述概述 简单测量装置简单测量装置(光电池、温度计光电池、温度计)V河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院复杂测量装置复杂测量装置(轴承缺陷检测轴承缺陷检测) 加速度计加速度计 带通滤波器带通滤波器 包络检波器包络检波器第一节第一节 测量装置概述测量装置概述 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院一一. 测量装置的基本要求测量装置的基本要求 理想的测量装置应该具有单值的、确定的输入理想的测量装置应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应，知道其中一个量就可以确定另一个出量与之对应，知道其中一个量就可以确定另一个

3、量，并且以输出和输入成量，并且以输出和输入成线性关系线性关系最佳。最佳。 xy线性线性xy线性线性xy非线性非线性第一节第一节 测量装置概述测量装置概述 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院二二. 测量装置的静态标定测量装置的静态标定 静态标定的目的静态标定的目的：确定确定x与与y之间的关系，从而确定线之间的关系，从而确定线性度、灵敏度、滞后量、重复性等静态性能指标。性度、灵敏度、滞后量、重复性等静态性能指标。 静态标定是静态标定是在规定条件下，利用一定在规定条件下，利用一定准确度等准确度等级的级的标准设备标准设备(比被标定设备高一个等级比被标定设备高一个等级)，产生已知，产生已知标准的静

4、态标准的静态量量(如标准压力、应变、位移等如标准压力、应变、位移等)作为测量作为测量装置的输入量，用实验方法进行多次重复测量，从装置的输入量，用实验方法进行多次重复测量，从而得到输出量的过程而得到输出量的过程。 第一节第一节 测量装置概述测量装置概述 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2. 静态标定的过程静态标定的过程（1）根据静态标定的条件，将传感器、标定设备以及测量仪）根据静态标定的条件，将传感器、标定设备以及测量仪 器连接好；器连接好；（2）在测量装置超载）在测量装置超载20%的全量程范围内分成若干等份的全量程范围内分成若干等份(6等等 份以上份以上)，保持一定时间均匀地进行逐级加

5、载和卸载，保持一定时间均匀地进行逐级加载和卸载， 并逐点记录静态标定数据；并逐点记录静态标定数据；（3）将静态标定数据用表格列出或绘出标定曲线，然后进行）将静态标定数据用表格列出或绘出标定曲线，然后进行 分析处理，从而确定测量装置的静态性能指标。分析处理，从而确定测量装置的静态性能指标。 无加速度、无振动、无冲击无加速度、无振动、无冲击(除非这些量本身就是被测量除非这些量本身就是被测量)，环境温度一般为室温环境温度一般为室温(205)，相对湿度不大于，相对湿度不大于85，大气压，大气压力为为力为为0.1MPa。1静态标定的条件静态标定的条件第一节第一节 测量装置概述测量装置概述 河南科技大学机

6、电学院河南科技大学机电学院 线性线性测量装置的测量装置的输入输入x(t)和输出和输出y(t)之之间的关系间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：可以用常系数线性微分方程来描述： 三三. 线性测量装置及其主要性质线性测量装置及其主要性质(时域描述时域描述) 一般在工程中使用的测量装置都是线性的。一般在工程中使用的测量装置都是线性的。)()()()(011n1n1nnnntyadttdyadttydadttyda )()()()(011m1m1mmmmtxbdttdxbdttxdbdttxdb 第一节第一节 测量装置概述测量装置概述 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院线性测量装置的性质：线性

7、测量装置的性质：1. 叠加性叠加性 测量装置对各输入之和的输出，等于各输入单测量装置对各输入之和的输出，等于各输入单独作用时对应输出的之和，即独作用时对应输出的之和，即 若若 x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 则则 x1(t) x2(t) y1(t) y2(t) 2. 比例性比例性 常数倍输入所得的输出，等于原输入所得输出常数倍输入所得的输出，等于原输入所得输出的常数倍，即的常数倍，即 c x(t) c y(t) (c为常数）为常数）第一节第一节 测量装置概述测量装置概述 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3. 微分性微分性 测量装置对输入信号的微分，等于原输入所得测量装置

8、对输入信号的微分，等于原输入所得输出信号的微分，即输出信号的微分，即 x(t) y(t) 4. 积分性积分性 当初始条件为零时，测量装置对输入信号的积当初始条件为零时，测量装置对输入信号的积分，等于原输入所得输出信号的积分，即分，等于原输入所得输出信号的积分，即 x(t) dt y(t) dt 第一节第一节 测量装置概述测量装置概述 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院5. 频率保持性频率保持性 若测量装置的输入为某一频率的谐波信号，则若测量装置的输入为某一频率的谐波信号，则测量装置的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即测量装置的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即 若若x(t) = x0 c

9、os(t +x ) 则则 y(t) = y0 cos(t +y )线性测量装置的这些性质，特别是叠加性和频线性测量装置的这些性质，特别是叠加性和频率保持性，在工程测试工作中具有重要作用。率保持性，在工程测试工作中具有重要作用。 第一节第一节 测量装置概述测量装置概述 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第二节第二节 测量装置测量装置(系统系统)的静态特性的静态特性 第二章第二章 测量装置的基本特性测量装置的基本特性 研究静态特性的目的研究静态特性的目的: (1)确定信号的大小；确定信号的大小； (2)确定误差的大小。确定误差的大小。河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 一一. 线性度线

10、性度(线性误差线性误差) 静态标定曲线与拟合静态标定曲线与拟合(理想理想)直线的偏离程度。直线的偏离程度。第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 C500C100 YYmaxmaxmin100% xymax maxY河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 拟合直线可通过多次测量得到的数据来求取，拟合直线可通过多次测量得到的数据来求取，包括包括端点连线法端点连线法、平均法平均法和和最小二乘法最小二乘法。bxay 设拟合直线为：设拟合直线为：（1）平均法：）平均法：把实验数据按输入量把实验数据按输入量由小到大由小到大依次排依次排 列，分成个数近似相等的两组，代入下式列，分成个数近似相

11、等的两组，代入下式 kiikiixbkay11 nkiinkiixbakny11)(2(nk )21 nk或或第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院（2）最小二乘法：）最小二乘法：拟合精度最高拟合精度最高 niiniixbyxnbyna111 niiniiininiiinininiiiiixxyyxxxnxyxnyxb1211122111)()()(11注意：注意：将将 代入代入 得得由此可见，最小二乘法的拟合直线通过由此可见，最小二乘法的拟合直线通过( , ) 点。点。xyxbya bxay )(xxbyy 第二节第二节 测量装置的静态特

12、性测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院二二. 灵敏度灵敏度 输出变化量与输入变化量之比，对于线性测量输出变化量与输入变化量之比，对于线性测量装置常用拟合直线的斜率来表示，即装置常用拟合直线的斜率来表示，即yxxybxyS 第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院三三. 回程误差回程误差(迟滞或滞后量迟滞或滞后量) 在在输入量由小增大和由大减小的测量过程中，输入量由小增大和由大减小的测量过程中，对于同一个输入量所得到的两个不同输出量之间对于同一个输入量所得到的两个不同输出量之间的最大差值，即的最大差值，即HYYmaxHm

13、axmin100% yxHmax Ymax第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院四四. 重复性重复性(重复误差重复误差) 输入量按同一方向变化时，在全量程范围内输入量按同一方向变化时，在全量程范围内重复进行测量所得到各特性曲线的重复程度，即重复进行测量所得到各特性曲线的重复程度，即RYYmaxRmaxmin100% xyYmax第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 Rmax河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院例：例：某力传感器的静态标定数据如下表，求：某力传感器的静态标定数据如下表，求：灵敏度、线性度和滞后量。灵敏度、线性

14、度和滞后量。x (kN)0246420y (mV)03.87.9128.14.20.1 (mV)0.044.028.0011.988.004.020.04解：解：用最小二乘法求拟合直线用最小二乘法求拟合直线99. 11871761 .361871152)(1121122111 niniiinininiiiiixnxyxnyxby 第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 (mV/kN)河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院04. 018799. 11 .3671111 niiniixnbyna99. 1 bSYYmaxmaxmin3.84.02100%100%1.83%12 HYY

15、maxHmaxmin4.23.8100%100%3.3%12 (mV/kN)灵敏度灵敏度:线性度线性度:滞后量滞后量:拟合直线求解的方法不同，计算结果是有差别拟合直线求解的方法不同，计算结果是有差别的，其中最小二乘法计算结果可靠性最高。的，其中最小二乘法计算结果可靠性最高。第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 (mV)河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院五五. 静态特性的其他描述静态特性的其他描述灵敏阀：灵敏阀：又称为死区，用来衡量测又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。量起始点不灵敏的程度。 分辨力：分辨力：能引起输出量发生变化时能引起输出量发生变化时输入量的最小变化

16、量，表明测量装输入量的最小变化量，表明测量装置分辨输入量微小变化的能力。置分辨输入量微小变化的能力。零点漂移：零点漂移：输出零点偏离原始零点的输出零点偏离原始零点的距离。距离。第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院测量范围测量范围(量程量程)：测量装置能正常测量装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间测量最小输入量和最大输入量之间的范围。的范围。 可靠性：可靠性：与测量装置无故障工作与测量装置无故障工作时间长短有关的一种描述。时间长短有关的一种描述。 稳定性：稳定性：在一定工作条件下，当在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变输入量

17、不变时，输出量随时间变化的程度。化的程度。第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：物料自动配重测量装置的静态特性物料自动配重测量装置的静态特性 第二节第二节 测量装置的静态特性测量装置的静态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第三节第三节 测量装置测量装置(系统系统)的动态特性的动态特性 研究动态特性的目的研究动态特性的目的: (1)波形失真情况；波形失真情况； (2)响应快慢。响应快慢。第二章第二章 测量装置的基本特性测量装置的基本特性 )()()()(011n1n1nnnntyadttdyadttydadttyda

18、)()()()(011m1m1mmmmtxbdttdxbdttxdbdttxdb 一一. 动态特性的数学描述动态特性的数学描述河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院1. 传递函数传递函数(复频率域描述复频率域描述) 011n1nnn011m1mmm)()()(asasasabsbsbsbsXsYsH stL x tX sx t edt0 ( )( )( ) H(s)特点：特点：与输入、物理结构及系统的初始状态无与输入、物理结构及系统的初始状态无关关 ，只反映系统的传输、转换和响应特性，只反映系统的传输、转换和响应特性 。分母。分母取决于系统的结构，分子取决于输入方式等。取决于系统的结构，分子

19、取决于输入方式等。第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 拉氏变换拉氏变换(数学定义数学定义)：d x tLs X sdtnnn( )( ) 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2. 频率响应函数频率响应函数(频率域描述频率域描述) ( ) 011n1nnn011m1mmm)()()()()()()()()(ajajajabjbjbjbjXjYjH 第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 sj )()()()(22 QPjHA 频率响应函数的意义：频率响应函数的意义：直观地反映了测量装置对直观地反映了测量装置对不同频率简谐信号激励下的失真情况。不同频率简谐信号激励下

20、的失真情况。)()()( jQPjH )()( jeA )()(arctan)()( PQjH 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院)( )( A第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 幅频特性幅频特性 ：在不同频率的简谐信号激励下，稳态输出信在不同频率的简谐信号激励下，稳态输出信号与输入信号的幅值比。号与输入信号的幅值比。相频特性相频特性 ：在不同频率的简谐信号激励下，稳态输出信在不同频率的简谐信号激励下，稳态输出信号与输入信号的相位差。号与输入信号的相位差。A( ) ( ) X sLt( ) ( )1 3. 脉冲响应函数脉冲响应函数(时域描

21、述时域描述) yth tLH s1( )( )( ) 4. 环节的串联与并联环节的串联与并联串联环节：串联环节：H sH s Hs12( )( )( ) 并联环节：并联环节：)()()(21sHsHsH 由于由于所以所以河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院)()()(txtydttdykc )()()(uuutxtydttdyRC )()()(i00tTtTdttdTc )(itT)(otT1. 一阶系统一阶系统(装置装置) 二二. 典型系统典型系统(装置装置)的动态特性的动态特性特征特征滞后滞后第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院一

22、阶系统频率响应一阶系统频率响应dy ty tSx tdt( )( )( ) 2)(11)( A)arctan()( ssXsYsH 11)()()( jjXjYjH 11)()()( 时间常数；时间常数；S 静态灵敏度。静态灵敏度。第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 dy taa y tb x tdt100( )( )( ) 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院例：例：用用 的一阶系统，去测量复合周期信号的一阶系统，去测量复合周期信号 ，求测量结果，求测量结果0.002s 故时间常数故时间常数 越小失真越小。越小失真越小。理想情况：理想情况：)( 1)(常常数数 A0)(

23、s2 . 0 tttx20sin3 . 02sin)( ?)( ty解：解：当当 时，时， ，2 93. 0)2( A38. 0)2( 当当 时，时， ， 32. 1)20( 24. 0)20( A20 )32. 120sin(072. 0)38. 02sin(93. 0)( ttty 由于时间常数由于时间常数 太大，测量结果与被测对象相太大，测量结果与被测对象相差较大差较大(误差大误差大)，且频率越高误差越大。，且频率越高误差越大。 第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 y t ( )0.999sin(2t0.004)0.299sin(20t0.04)若若 ，则，则河南科技大学

24、机电学院河南科技大学机电学院 /u1)()(tedtthty 一阶系统阶跃响应一阶系统阶跃响应一阶系统脉冲响应一阶系统脉冲响应 /11)()(tesHLth 时间常数越小，响应越快。时间常数越小，响应越快。第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院称重称重( (应变片应变片) )F2. 二阶系统二阶系统(装置装置)加速度计加速度计第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院LRC振荡回路振荡回路)()()()(uuu2u2txtydttdyRCdttydLC LC/1n 2/ LCR 1 Sn 固

25、有角频率；固有角频率； 阻尼度阻尼度(比比)；S 静态灵敏度。静态灵敏度。)()()(2)(u2nu2nun2u2txStydttdydttyd 第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院dtdtJcGtk i tdtdt2i2( )( )( )( ) 动圈式仪表动圈式仪表测力弹簧测力弹簧JG/n mk/n GJc 2/ kmc 2/ 特征特征振荡振荡GkS/i kS/1 第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 d y tdy tmcky tx tdtdt2f2( )( )( )( )河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院)(2)

26、(11)()()(n2n jjXjYjH 2n222n)(4)(1 1)( A2nn)(1)(2arctan )(2nn22n2)()()( sssXsYsHd y tdy ty tSx tdtdt22nnn2( )( )2( )( )理想情况：理想情况：)( 1)(常常数数 A )( 阻尼度阻尼度 ， 固有频率固有频率 越越 高，失真越小高，失真越小7 . 0 nf第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 d y tdy taaa y tb x tdtdt221002( )( )( )( )aan02/ aa a1022 Sba00/1河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院二阶系

27、统幅频特性二阶系统幅频特性二阶系统相频特性二阶系统相频特性第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院例：例：用用 ， 的二阶系统去测量的二阶系统去测量的正弦变化力时，求幅值误差和相位误差。的正弦变化力时，求幅值误差和相位误差。 fn800Hz 4 . 0 Hz400 f解：解：AAAA22( )(0)1( )118%(0)(10.5 )(20.40.5) 285 . 015 . 04 . 02arctan)0()()(2 5 . 0800/400/nn ff 由于阻尼度由于阻尼度 ，固有频率，固有频率 也较低，幅值也较低，幅值误差和相位误差都较

28、大。误差和相位误差都较大。7 . 0 nf第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院阻尼度阻尼度 ，固有频率，固有频率 越高，响应越快。越高，响应越快。7 . 0 nf二阶系统脉冲响应二阶系统脉冲响应二阶系统阶跃响应二阶系统阶跃响应01000二阶系统脉冲响应二阶系统脉冲响应01000第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院阻尼度和固有频率的作用：阻尼度和固有频率的作用：第三节第三节 测量装置的动态特性测量装置的动态特性 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 测量装置的输出测量装置的输出y(

29、t)与输入与输入x(t)应满足下列关系：应满足下列关系： 第五节第五节 实现不失真测量的条件实现不失真测量的条件第二章第二章 测量装置的基本特性测量装置的基本特性 该装置的输该装置的输出波形与输入波出波形与输入波形精确地一致，形精确地一致，只是幅值放大了只是幅值放大了A0倍，时间上延倍，时间上延迟了迟了t0。这种情。这种情况下，认为测量况下，认为测量装置具有不失真装置具有不失真测量的特性。测量的特性。tx(t)y(t)0t时域条件时域条件)()(00ttxAty 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第五节第五节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件拉氏变换：拉氏变换： )()(00tt

30、xAty )()(00sXeAsYst js 将将 代入上式，不失真测量系统条件为：代入上式，不失真测量系统条件为：频域条件频域条件AA0( ) 常数常数t0( ) 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 实际情况下，输入信号频率不同，输出的幅值实际情况下，输入信号频率不同，输出的幅值和相位都不同，因此会产生幅值和相位失真，且频和相位都不同，因此会产生幅值和相位失真，且频率越高失真越大。率越高失真越大。第五节第五节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院7 . 0 对一阶测量装置，对一阶测量装置，时间常数时间常数 越小越好越小越好。失真。失真小，响应

31、快，满足不失真测量条件的频带宽。小，响应快，满足不失真测量条件的频带宽。 当当 时，幅值误差时，幅值误差 。 0.2 A()1.9% A()2.5% n5 . 0 对二阶测量装置，对二阶测量装置，阻尼度阻尼度 、固有频、固有频率率 越高越好越高越好。幅频特性。幅频特性 接近于常数，相频接近于常数，相频特性特性 也近似于线性关系。失真小、响应快、满也近似于线性关系。失真小、响应快、满足不失真条件的频带宽。足不失真条件的频带宽。7 . 06 . 0 nf)( A)( 第五节第五节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 当当 ， 时，时， 。AA0() 常数常数 0)(t河南科技大学机电学院河南

32、科技大学机电学院一一. 频率响应法频率响应法(正弦波激励法正弦波激励法) 第六节第六节 测量装置动态特性参数的测量测量装置动态特性参数的测量第二章第二章 测量装置的基本特性测量装置的基本特性 根据频率保持性，用正弦信号根据频率保持性，用正弦信号 去激励测量装置，保持正弦信号的幅值去激励测量装置，保持正弦信号的幅值 不变，依不变，依次改变其频率次改变其频率 ，同时测出激励和，同时测出激励和稳态输出稳态输出的幅值的幅值 和相位和相位 ，从而得到幅值比，从而得到幅值比 和相位差和相位差 。 )( A)( iAi ifx tXft0( )sin2 X0河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 由各频率

33、对应的幅值比和相位差，绘制幅频特由各频率对应的幅值比和相位差，绘制幅频特性和相频特性曲线，然后求取动态特性参数。性和相频特性曲线，然后求取动态特性参数。 第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院1. 用频率响应法测量时间常数用频率响应法测量时间常数 由幅频特性和相频特性可知：由幅频特性和相频特性可知：当幅频特性当幅频特性 ，相频特性相频特性 时，时，对应的横坐标对应的横坐标 ，由此查出该点对应输入由此查出该点对应输入信号的频率，即可得到信号的频率，即可得到时间常数时间常数 。 707. 0)( A45)( 1 f1/ 2 第六节第六节 动态特性参

34、数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 n 0.7071 2 n122/ )( )( A)( 90 n 2. 用频率响应法测量用频率响应法测量 和和 共振法共振法 nf第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 rn212 A r21()21 当当 很小时：很小时： nr Ar()1/ 2 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：音响系统性能评定音响系统性能评定改进：改进：脉冲脉冲/ /白白噪声输入，测量噪声输入，测量其输出，然后再其输出，然后再求输出的频谱。求输出的频谱。飞机模态分析飞机模态分析第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技

35、大学机电学院河南科技大学机电学院二二. 阶跃响应法阶跃响应法 若测量装置的输入为单位阶跃信号，即若测量装置的输入为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)，则则X(s)=1/s，此时，此时Y(s)=H(s)/sH(s)阻尼度、固有频率阻尼度、固有频率优点：优点：直观直观缺点：缺点：简单装置识别简单装置识别第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院1. 用阶跃响应法测量用阶跃响应法测量 0.632 /u1)(tety 第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院若将阶跃响应函数表达式改写为若将阶跃响应函数表达式改

36、写为 ： /u)(1tety 两边取对数得：两边取对数得：Ztty )(1lnu则则Zt / 这种方法运用了全部测量数据，即考虑了阶跃这种方法运用了全部测量数据，即考虑了阶跃响应的全过程，且响应的全过程，且 Z 与与 t 呈线性关系。若呈线性关系。若 Z 与与 t 为为非线性，则不是一阶测量装置。非线性，则不是一阶测量装置。第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 2用阶跃响应法测量用阶跃响应法测量 和和 自振法自振法 nf第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 TdM1M2222nn4n 2dn1/1 Tfniinln MM M211/

37、()1ln 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院例：例： 给某加速度传感器突然加载，得到的阶跃响应给某加速度传感器突然加载，得到的阶跃响应曲线如下图所示，求该传感器的阻尼度和固有频率。曲线如下图所示，求该传感器的阻尼度和固有频率。M115mm M34mm n2 Td0.010.002444.1 (s)MM1n315lnln1.3224 2221.3220.1051.32242 n2225750.00244 10.105 (rad / s)fnn4102 (Hz)解：解： 第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院原理：在桥中悬挂重物，然后突然剪

38、断绳索，产生原理：在桥中悬挂重物，然后突然剪断绳索，产生阶跃激励，通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥阶跃激励，通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。梁固有频率。案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院实验：实验：悬臂梁固有频率测量悬臂梁固有频率测量第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院三三. 脉冲响应法脉冲响应法H(s)固有频率、阻尼度固有频率、阻尼度 若测量装置的输人为单位脉冲若测量装置的输人为单位脉冲 ，由于，由于 的的拉氏变换为拉氏变换为1

39、，则，则 Y(s)=H(s) 或或 y(t)=L-1H(s)=h(t)(t )(t 第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：镗杆镗杆固有频率测量固有频率测量第六节第六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：桥梁固频测量桥梁固频测量原理：在桥中设置三角形障碍物，利用汽车路过原理：在桥中设置三角形障碍物，利用汽车路过障碍物时的冲击对桥梁进行激励，通过应变片测障碍物时的冲击对桥梁进行激励，通过应变片测量桥梁的动态变形，从而得到桥梁的固有频率。量桥梁的动态变形，从而得到桥梁的固有频率。第六节第

40、六节 动态特性参数测量动态特性参数测量 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 在在实际测量工作中，当测量装置联接到被测对实际测量工作中，当测量装置联接到被测对象上或各测量环节互相联接时，必然对测量结果产象上或各测量环节互相联接时，必然对测量结果产生影响，即产生负载效应。传递函数也不再是各组生影响，即产生负载效应。传递函数也不再是各组成环节的简单叠加或乘积关系。成环节的简单叠加或乘积关系。 第七节第七节 负载效应负载效应 第二章第二章 测量装置的基本特性测量装置的基本特性 ER1R2V V=ER2/(R2+R1)VRmoU河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第七节第七节 负载效应负载效应

41、 当没接电压表时：当没接电压表时： ERRRU212o 当接上电压表后：当接上电压表后： om2m21m2m21m2o)(/UERRRRRRRERRRRRU k1001 Rk150m2 RRV150 EV90o UV3 .64o U%6 .28误差为：误差为：当当 时，时， 。取。取 。 mRooUU RRm2(10 20) 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例：案例：物料配重自动测量系统物料配重自动测量系统第七节第七节 负载效应负载效应 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院1用一阶装置测量时引起的负载效应用一阶装置测量时引起的负载效应 两者没联接时：两者没联接时：ssHii11)

42、( 2)1(， i两者联接后：两者联接后：221212112)(11)()()(ssCRsXsYsH 第七节第七节 负载效应负载效应 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 为了使测量结果能尽量准确地反映被测对象的为了使测量结果能尽量准确地反映被测对象的动态特性，应使动态特性，应使 。)()(1sHsH )()()(21sHsHsH 12 故：故： ，C2也尽量小。也尽量小。第七节第七节 负载效应负载效应 减小负载效应的措施：减小负载效应的措施：（1）提高后续环节）提高后续环节(负载负载)的输入阻抗；的输入阻抗； （2）在两个测量环节之间，插入高输入阻抗、）在两个测量环节之间，插入高输入阻抗

43、、低输出阻抗的放大器；低输出阻抗的放大器；（3）使用反馈或零点测量原理。）使用反馈或零点测量原理。河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2用二阶装置测量时引起的负载效应用二阶装置测量时引起的负载效应 测力计测力计被测对象被测对象（1）静态情况：）静态情况：112122FFkkkF )(12kk 第七节第七节 负载效应负载效应 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院接上测力计后：接上测力计后：)()()(2)(1 )(2)(1 1)(212n222n1n121nsHsHsssssH 没接测力计时：没接测力计时：)(2)(11)(nii2nii sssH 2)，1( i（2）动态情况）动态情况

44、 为了使测量结果能尽量准确地反映被测对象的动为了使测量结果能尽量准确地反映被测对象的动态特性，应使态特性，应使 。)()(1sHsH 故：故： ， ， 。7 . 06 . 0 1n2nff12SS 第七节第七节 负载效应负载效应 河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术 第二章第二章 测量装置的基本特性测量装置的基本特性 在测量结果中，除了有用的被测信号外，还混在测量结果中，除了有用的被测信号外，还混叠有无用的干扰信号，这些干扰信号严重歪曲测量叠有无用的干扰信号，这些干扰信号严重歪曲测量结果。结果。一一. 测量装置的干扰源测量装置的干扰源河

45、南科技大学机电学院河南科技大学机电学院二抗电磁干扰技术二抗电磁干扰技术 抗电磁干扰技术又称为抗电磁干扰技术又称为“电磁兼容技术电磁兼容技术”。电磁兼容电磁兼容(EMC)是指装置或系统在其设备的预定是指装置或系统在其设备的预定场所投入实际运行时，场所投入实际运行时，既不受周围电磁环境的影既不受周围电磁环境的影响，又不影响周围的环境，响，又不影响周围的环境，也不发生性能恶化和也不发生性能恶化和失误工作，而能按设计要求正常工作的能力失误工作，而能按设计要求正常工作的能力 。 干扰以电磁波辐射方式窜入测量装置。形成电干扰以电磁波辐射方式窜入测量装置。形成电磁干扰的三要素：向外发送干扰的源磁干扰的三要素

46、：向外发送干扰的源 噪声源；噪声源；传播电磁干扰的途径传播电磁干扰的途径噪声的耦合和辐射；噪声的耦合和辐射；承受承受电磁干扰的受体电磁干扰的受体受扰设备。受扰设备。 第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院1信噪比信噪比 通道中有用信号成分与噪声信号成分之比称为通道中有用信号成分与噪声信号成分之比称为信噪比信噪比。设有用信号功率为。设有用信号功率为PS，有用信号电压为，有用信号电压为US，噪声功率为噪声功率为PN，噪声电压为，噪声电压为UN，则有，则有NSNSlg20lg10UUPPNS 常见噪声源：各种放电现象的放电噪声源、电常见噪声源：

47、各种放电现象的放电噪声源、电气设备噪声源和固有噪声源。如：自然界雷电、有气设备噪声源和固有噪声源。如：自然界雷电、有触点电器、放电管、工业用高频设备、电力输电线、触点电器、放电管、工业用高频设备、电力输电线、机动车、大功率发射装置、超声波设备等。机动车、大功率发射装置、超声波设备等。第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2抗电磁干扰的措施抗电磁干扰的措施（1）直接抑制，减弱或消除电磁干扰的噪声源；直接抑制，减弱或消除电磁干扰的噪声源；（2）切断或消弱电磁干扰到受扰设备的耦合通道；）切断或消弱电磁干扰到受扰设备的耦合通道；（3）加强受扰）加

48、强受扰设备抗电磁干扰的能力。设备抗电磁干扰的能力。 电磁屏蔽就是利用高电导率和高磁导率的材料电磁屏蔽就是利用高电导率和高磁导率的材料制成封闭的低阻抗容器，制成封闭的低阻抗容器，将受扰电路置于该容器中将受扰电路置于该容器中，从而抑制该容器外的干扰与噪声对容器内电路的影从而抑制该容器外的干扰与噪声对容器内电路的影响。或响。或将产生干扰与噪声的电路置于该容器之中将产生干扰与噪声的电路置于该容器之中，从而减弱或消除其对外部电路的影响。从而减弱或消除其对外部电路的影响。 3. 电磁屏蔽技术电磁屏蔽技术第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 屏蔽的结

49、构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏屏蔽的结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。 屏屏蔽蔽与与接接地地相相结结合合第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院三三. 电源电源干扰抑制技术干扰抑制技术 电网干扰的抑制采用交流电源滤波器。电网干扰的抑制采用交流电源滤波器。L1、L2为共模扼流圈，抑制低频共模干扰；电容为共模扼流圈，抑制低频共模干扰；电容C1抑制差抑制差模干扰；电容模干扰；电容C2、C3抑制高频共模和差模干扰。抑制高频共模和差模干扰。 1. 电网干扰抑制技术电网干扰抑制技术电源电源输入输

50、入电源电源输出输出第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院C1、C3、C5、C7为电解电容，用来滤除低频干扰；为电解电容，用来滤除低频干扰； C2、C4、C6、C8为陶瓷电容，用来滤除高频干扰。为陶瓷电容，用来滤除高频干扰。2. 直流电源干扰抑制技术直流电源干扰抑制技术电源电源输入输入直流电源干扰的抑制可采用直流电源滤波器。直流电源干扰的抑制可采用直流电源滤波器。第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院四抗信道干扰技术四抗信道干扰技术1信道干扰的种类信道干扰的种类（1）信道通道中电子元器

51、件的噪声干扰；）信道通道中电子元器件的噪声干扰；（2）信号通道中信号的窜扰；）信号通道中信号的窜扰；（3）长线传输的干扰。）长线传输的干扰。2抗信道干扰的措施抗信道干扰的措施（1）合理选用电子元器件和电路设计方案；）合理选用电子元器件和电路设计方案；（2）合理设计印制电路板：电子元器件要合理摆）合理设计印制电路板：电子元器件要合理摆放；输出线避免靠近或平行；产生电磁辐射的电子放；输出线避免靠近或平行；产生电磁辐射的电子元器件尽可能远离输入端；合理接地和屏蔽。元器件尽可能远离输入端；合理接地和屏蔽。第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院（3

52、） 双绞线传输双绞线传输 抑制电磁干扰采用双绞线传输，一根做作屏蔽，抑制电磁干扰采用双绞线传输，一根做作屏蔽，另一根做信号传输线；抑制静电感应采用金属网屏另一根做信号传输线；抑制静电感应采用金属网屏蔽线，金属网做屏蔽层，芯线用于传输信号。蔽线，金属网做屏蔽层，芯线用于传输信号。外来磁场干扰引起的感外来磁场干扰引起的感应电流方向相反而抵消应电流方向相反而抵消第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院五五. 接地技术接地技术 接地通常有两种含义，一是连接到系统基准地，接地通常有两种含义，一是连接到系统基准地，二是连接到大地。从用途上分：二是连接到

53、大地。从用途上分：一是抑制干扰接地，一是抑制干扰接地，二是安全保护接地。二是安全保护接地。并联式不会产生公共阻抗干扰，并联式不会产生公共阻抗干扰，但接地线长而多，不经济。但接地线长而多，不经济。串联式各接地点的电平有差异，串联式各接地点的电平有差异，会影响弱信号电路的正常工作。会影响弱信号电路的正常工作。1. 单点接地方式单点接地方式第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2多点接地方式多点接地方式多点接地可降低地线长度，减小高频时的接地阻抗。多点接地可降低地线长度，减小高频时的接地阻抗。第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技

54、术3. 模拟地与数字地分开模拟地与数字地分开防止数字电路在开关状态下工作，通过地线干扰模拟电路。防止数字电路在开关状态下工作，通过地线干扰模拟电路。河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院六六. 软件抗干扰技术软件抗干扰技术 在内嵌微处理器的测试系统中，可采用硬件与在内嵌微处理器的测试系统中，可采用硬件与软件软件(数字滤波数字滤波)相结合的抗干扰技术。相结合的抗干扰技术。 对于外部环境中偶然因素引起的突变性扰动或对于外部环境中偶然因素引起的突变性扰动或内部不稳定引起误码等造成的尖脉冲干扰，常采用内部不稳定引起误码等造成的尖脉冲干扰，常采用限幅滤波法和中值滤波法等。限幅滤波法和中值滤波法等。 对于小幅度高频噪声，如电子器件热噪声、量对于小幅度高频噪声，如电子器件热噪声、量化噪声等，常采用算术平均滤波法、滑动平均滤波化噪声等，常采用算术平均滤波法、滑动平均滤波法、加权平均滤波法和复合滤波法。法、加权平均滤波法和复合滤波法。第八节第八节 测量装置的抗干扰技术测量装置的抗干扰技术