测量系统特性教学PPT机械工程测量技术.ppt

1第章第章测量系统的特性测量系统的特性学习导航学习导航3.1线性系统的主要性质（线性系统的主要性质（Main Properties of Linear System)3.2测试系统的静态特性（测试系统的静态特性（Measurement System Static Characters）3.3 测试系统动态特性（测试系统动态特性（Measurement System Dynamitic Characters）3.4测试系统典型输入下的响应测试系统典型输入下的响应（Response of Typical Input of Measurement System）3.5不失真测试的条件不失真测试的条件（Conditions of Non-distorted Measurement)3.6测试系统特性参数的测定测试系统特性参数的测定（Parameters Measurement Method of Measurement System）33.1测量系统及其主要性质测量系统及其主要性质 3.1.1测试系统概述测试系统概述 测量系统是完成测试任务的电子器件、电路、仪器的总称；测量系统是完成测试任务的电子器件、电路、仪器的总称；是由传感器、放大器、中间变换电路和显示、记录设备构成的。是由传感器、放大器、中间变换电路和显示、记录设备构成的。当测试的目的、要求不同时，则所采用的测量系统差别很大。当测试的目的、要求不同时，则所采用的测量系统差别很大。（也称测试装置）（也称测试装置）玻璃管温度计玻璃管温度计轴承故障轴承故障检测仪检测仪简单的温度测量系统只需一个液柱式温度计；简单的温度测量系统只需一个液柱式温度计；但较完整的动刚度测量系统，则测量系统庞大且复杂。但较完整的动刚度测量系统，则测量系统庞大且复杂。激起系统出现某种响应的外力或其它输入被称为激起系统出现某种响应的外力或其它输入被称为激励激励（excitationexcitation，stimulusstimulus）；）；系统受外力或其它输入作用时的输出称为系统受外力或其它输入作用时的输出称为响应响应（responseresponse）输入（激励）：外界对系统的作用（干扰）输入（激励）：外界对系统的作用（干扰）输出（响应）：系统对输入的反映（响应）输出（响应）：系统对输入的反映（响应）测量系统测量系统激励激励（输入）（输入）)(tx响应响应（输出）（输出）)(ty干扰干扰图图3.1测量系统的框图测量系统的框图 理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。输出关系。测量系统的特性指的是传输特性测量系统的特性指的是传输特性 即系统的激励与响应之间的关系。即系统的激励与响应之间的关系。分为分为:静态特性静态特性动态特性动态特性和和静态特性：静态特性：在测量不变或极缓慢变化的参量时，在测量不变或极缓慢变化的参量时，系统所具有的一系列静态参数性能，称之为系统所具有的一系列静态参数性能，称之为 。动态特性：动态特性：被测量极迅速变化时，要求测量系统的响应也必须被测量极迅速变化时，要求测量系统的响应也必须 极迅速，极迅速，系统所具有的一系列动态参数性能称之为系统所具有的一系列动态参数性能称之为 。5理想测试系统理想测试系统的输入与输出具有单值的、确定的关系，的输入与输出具有单值的、确定的关系，输出与输入应保持线性关系。输出与输入应保持线性关系。但是，实际测量系统只能在一定的工作范围和误差允许范但是，实际测量系统只能在一定的工作范围和误差允许范围内满足这项要求。围内满足这项要求。可可用线性微分方程描述输入与输出的关系用线性微分方程描述输入与输出的关系。6理想测试系统理想测试系统 一般在工程中使用的测量系统、测试装置、设备都是定常线性系统一般在工程中使用的测量系统、测试装置、设备都是定常线性系统。7线性系统线性系统：微分方程式中不包含变量及各阶导数的非一次幂项；微分方程式中不包含变量及各阶导数的非一次幂项；定常线性系统定常线性系统)()()()()()()()(0111101111txbtdtxdbtdtxdbtdtxdbtyatdtydatdtydatdtydammmmmmnnnnnn（3.1）namb3.1.2线性系统的主要性质线性系统的主要性质其输入和输出之间的关系为其输入和输出之间的关系为、系统的结构特性参数、系统的结构特性参数系统的阶次：系统的阶次：输出量最高微分阶次；输出量最高微分阶次；时不变线性系统时不变线性系统：线性系统方程中各系数线性系统方程中各系数在工作过程中不随时间在工作过程中不随时间 和输入量的变化而变化。和输入量的变化而变化。描述描述系统系统输入输入输出输出特性特性的的8若，则若，则线性系统的主要性质线性系统的主要性质1.叠加性质叠加性质)()(11tytx)()(22tytx)()(21txtx)()(21tyty 对于线性系统，各个输入产生的响应互不影响，对于线性系统，各个输入产生的响应互不影响，系统对复杂激励的响应等于这些简单响应之和系统对复杂激励的响应等于这些简单响应之和化繁为简化繁为简2.比例性质比例性质)()(tytx)(tx)(ty若若，为常数，则为常数，则9若线性系统的输入为简谐信号，其稳态输出也为同频简谐信号。若线性系统的输入为简谐信号，其稳态输出也为同频简谐信号。若，则若，则5.频率保持性频率保持性txtxsin)(0)(sin)(0tyty4.积分性质积分性质00)(ttdty00)(ttdtx若系统的初始状态为零，则若系统的初始状态为零，则线性系统对输入积分的响应等于对该输入响应的积分。线性系统对输入积分的响应等于对该输入响应的积分。若，则若，则3.微分性质微分性质)()(tytxtdtxd)(tdtyd)(线性系统对输入导数的响应等于对该输入响应的导数。线性系统对输入导数的响应等于对该输入响应的导数。输出信号中只有与输入信号相同的频率成分才是由输入引起的。输出信号中只有与输入信号相同的频率成分才是由输入引起的。10设输入为已知频率的简谐信号设输入为已知频率的简谐信号 ，则根据线性系统的比例性质和微分性质，有则根据线性系统的比例性质和微分性质，有证明证明)()(22tytx2222)()(tdtydtdtxd)()()()(222222tytdtydtxtdtxd)(tx由叠加性质由叠加性质11设：输入信号为单一频率设：输入信号为单一频率 的简谐信号，即的简谐信号，即对相应的输出也应有：对相应的输出也应有：0)()(222tytdtyd于是输出的唯一可能解是于是输出的唯一可能解是)(sin)(0tyty)(ty0)()(222txtdtxd)()(222txtdtxd则有则有txtxsin)(0【此微分方程解的形式只能是此微分方程解的形式只能是】12在故障诊断中在故障诊断中 我们只能检测到含有输入和故障信号的综合频率成分，我们只能检测到含有输入和故障信号的综合频率成分，利用频率保持特性，找到产生各种频率成分的原因，利用频率保持特性，找到产生各种频率成分的原因，就可以辨别故障频率成分，进而消除该故障。就可以辨别故障频率成分，进而消除该故障。频率保持性的应用频率保持性的应用若系统输入是简谐信号，而输出却包含其它频率成分，则可以断定若系统输入是简谐信号，而输出却包含其它频率成分，则可以断定这些成分是由这些成分是由 外界干扰、外界干扰、系统内部噪声、非线性环节系统内部噪声、非线性环节 、或输入太大使系统进入非线性区域或输入太大使系统进入非线性区域 所引起。所引起。用于判定输入与输出的因果关系用于判定输入与输出的因果关系 用于故障诊断用于故障诊断133.2测量系统的静态特性测量系统的静态特性在这一关系基础上确定的测量系统的特性在这一关系基础上确定的测量系统的特性成为静态特性。成为静态特性。)()()()()()()()(0111101111txbtdtxdbtdtxdbtdtxdbtyatdtydatdtydatdtydammmmmmnnnnnn)()(00txabty静态特性静态特性据性质，线性系统微分方程式中据性质，线性系统微分方程式中输出的各阶导数也均为零输出的各阶导数也均为零 在线性系统中，若输入信号的幅值不随时间变化或变得很慢，在线性系统中，若输入信号的幅值不随时间变化或变得很慢，则微分方程（则微分方程（3.13.1）简化为：）简化为：输入的各阶导数均为零输入的各阶导数均为零14实际测量系统并非是理想的线性时不变（定常）系统。实际测量系统并非是理想的线性时不变（定常）系统。测量系统的测量系统的静态特性静态特性就是在静态测量情况下，就是在静态测量情况下，描述实际测量装置与理想线性时不变系统的描述实际测量装置与理想线性时不变系统的。静态特性的主要参数静态特性的主要参数线性度线性度灵敏度灵敏度分辨率分辨率滞后滞后重复性重复性15线性度（线性度（linearity）标定曲线标定曲线拟合曲线拟合曲线是指测量系统的输入、是指测量系统的输入、输出保持线性关系的程度。输出保持线性关系的程度。在静态测量中，必须根据实测数据来确定测量系统的输入、在静态测量中，必须根据实测数据来确定测量系统的输入、输出关系。输出关系。若在直角坐标系中以输入作为自变量，若在直角坐标系中以输入作为自变量，相应的输出作为因变量而绘制的关系曲线，称为标定曲线。相应的输出作为因变量而绘制的关系曲线，称为标定曲线。用最小二乘法确定的拟合直线用最小二乘法确定的拟合直线【推荐推荐】。拟合原理拟合原理 使标定曲线上的所有点与拟合直线的偏差的平方之和最小。使标定曲线上的所有点与拟合直线的偏差的平方之和最小。16（3.8）图中：图中：A（）为系统的量程；为系统的量程；B（）为标定曲线与拟合曲线最大偏差。为标定曲线与拟合曲线最大偏差。%100FSmaxYll非线性度非线性度标定曲线与拟合直线的偏离程度。标定曲线与拟合直线的偏离程度。线性度定义线性度定义maxlFSY17用来描述测量系统对被测量变化的反应能力。用来描述测量系统对被测量变化的反应能力。定义为：输出量变化定义为：输出量变化 y 与引起该变化的输入量变化与引起该变化的输入量变化 x 之比。之比。即：即：灵敏度（灵敏度（sensitivity）（.93lim0 xdydxySx18的的是输入与输出关系曲线上指定点的是输入与输出关系曲线上指定点的，斜率越大，其灵敏度就越高。斜率越大，其灵敏度就越高。对于线性测量系统，其灵敏度为对于线性测量系统，其灵敏度为；对于非线性测量系统，其灵敏度是一个对于非线性测量系统，其灵敏度是一个，输入量不同，输入量不同，灵敏度就不同；灵敏度就不同；通常用拟合直线的斜率表示装置的平均灵敏度。通常用拟合直线的斜率表示装置的平均灵敏度。灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。等于各个环节等于各个环节灵敏度的乘积灵敏度的乘积如果测量系统有多个环节组成，如果测量系统有多个环节组成，那么总的灵敏度应该等于那么总的灵敏度应该等于？灵敏度越高，测量范围越窄，系统稳定性越差灵敏度越高，测量范围越窄，系统稳定性越差 。19的的是输入与输出关系曲线上指定点的是输入与输出关系曲线上指定点的，斜率越大，其灵敏度就越高。斜率越大，其灵敏度就越高。对于线性测量系统，其灵敏度为对于线性测量系统，其灵敏度为；对于非线性测量系统，其灵敏度是一个对于非线性测量系统，其灵敏度是一个，输入量不同，输入量不同，灵敏度就不同；灵敏度就不同；通常用拟合直线的斜率表示装置的平均灵敏度。通常用拟合直线的斜率表示装置的平均灵敏度。灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。等于各个环节等于各个环节灵敏度的乘积灵敏度的乘积如果测量系统有多个环节组成，如果测量系统有多个环节组成，那么总的灵敏度应该等于那么总的灵敏度应该等于？灵敏度越高，测量范围越窄，系统稳定性越差灵敏度越高，测量范围越窄，系统稳定性越差 。20分辨率（分辨力、灵敏阈、灵敏限）分辨率（分辨力、灵敏阈、灵敏限）分