测试系统的特性分析.pptx

11 测试系统的静态特性测试系统的静态特性2 测试系统的动态特性测试系统的动态特性测试系统的特性分析测试系统的特性分析2测量的物理量基本上有两种形式：测量的物理量基本上有两种形式：u静态形式：信号不随时间变化（或变化很缓慢）静态形式：信号不随时间变化（或变化很缓慢）u动态形式：信号随时间变化而变化动态形式：信号随时间变化而变化测试系统的特性分析测试系统的特性分析测试系统：测试系统：u静态特性静态特性u动态特性动态特性一个高精度的测量系统，必须有良好的静态特性和一个高精度的测量系统，必须有良好的静态特性和动态特性，才能完成信号的不失真转换。动态特性，才能完成信号的不失真转换。31 1 测试系统的静态特性测试系统的静态特性指被测信号处于稳定状态时的输出输入之间的关系。指被测信号处于稳定状态时的输出输入之间的关系。基本要求是：基本要求是：输入为零时输出也为零，输入输出有唯一的对应关系，输入为零时输出也为零，输入输出有唯一的对应关系，且保持不变。且保持不变。主要指标有：主要指标有：线性度、灵敏度、回程误差、重复性。线性度、灵敏度、回程误差、重复性。4l实际的测量系统多是非线性的。l在输入量变化范围不大的情况下，可以用直线（切线或割线）来近似地代表实际特性曲线的一段。这种近似的过程称线性化，所采用的直线称为拟合曲线。l经过线性化处理后的输出值与实际输出值总存在一定的误差，为了衡量这种误差的大小，引入了“线性度线性度线性度线性度”的概念。l输入输出特性曲线与其理论拟合直线之间的偏差就输入输出特性曲线与其理论拟合直线之间的偏差就输入输出特性曲线与其理论拟合直线之间的偏差就输入输出特性曲线与其理论拟合直线之间的偏差就称为测试系统的称为测试系统的称为测试系统的称为测试系统的“线性度线性度线性度线性度”，也可称为，也可称为，也可称为，也可称为“非线性误非线性误非线性误非线性误差差差差”一、线性度一、线性度一、线性度一、线性度5一、线性度一、线性度一、线性度一、线性度用实际的输入输出特性曲线与其理论拟合直线之间的最大偏最大偏差与系统的标称输出范围差与系统的标称输出范围（满量程F.S）输出之比来表示。即6p线性度或非线性误差的大小是以一定的拟合直线作为基准计算出来的。p对于同一条实际的曲线，选取的基准拟合直线不同，所得出线性度大小也就不一样。p拟合直线的获得有多种方法，如理论直线法、端如理论直线法、端点直线法、等偏差直线法、最小二乘直线法等。点直线法、等偏差直线法、最小二乘直线法等。一、线性度一、线性度一、线性度一、线性度7指在稳定的工作状态下输出变化量指在稳定的工作状态下输出变化量dydy与引起此变化的输入变与引起此变化的输入变化量化量dxdx的比值，用的比值，用K K来表示。即来表示。即 二、灵敏度二、灵敏度二、灵敏度二、灵敏度线性系统：线性系统：灵敏度是一个灵敏度是一个常数；常数；非线性系统：非线性系统：是一个变量，是一个变量，随着输入量随着输入量x x的的不同而有所变不同而有所变化。化。8p也叫也叫迟滞或滞后迟滞或滞后。p是指在相同的工作条件下，输入信号从小到大增加（由零到是指在相同的工作条件下，输入信号从小到大增加（由零到满量程）时和输入信号从大到小减小（由满量程减到零）时，满量程）时和输入信号从大到小减小（由满量程减到零）时，输入输出特性曲线不重合的程度。输入输出特性曲线不重合的程度。p对于同样大小的输入量，正反行程时输出信号大小不一样。对于同样大小的输入量，正反行程时输出信号大小不一样。三、回程误差三、回程误差三、回程误差三、回程误差其值的大小用正反行程时不其值的大小用正反行程时不其值的大小用正反行程时不其值的大小用正反行程时不重合程度的最大偏差重合程度的最大偏差重合程度的最大偏差重合程度的最大偏差maxmaxmaxmax与满量程输出值与满量程输出值与满量程输出值与满量程输出值y y y yFSFSFSFS之比表示之比表示之比表示之比表示 maxmax9l输入量按同一方向在全测量范围内连续多次重复测量所得输入量按同一方向在全测量范围内连续多次重复测量所得到的一系列特性曲线的不一致性程度。到的一系列特性曲线的不一致性程度。l一系列特性曲线越一致，重复性就越好，误差也就越小。一系列特性曲线越一致，重复性就越好，误差也就越小。l重复性具有随机误差的性质，所反映的是测量中偶然误差重复性具有随机误差的性质，所反映的是测量中偶然误差的大小，并不能表示测量值与真值之间的差别。的大小，并不能表示测量值与真值之间的差别。l重复性很好，但测量精度不一定很高。重复性很好，但测量精度不一定很高。四、重复性四、重复性四、重复性四、重复性10yiyi:测量值；测量值；/y y:测量值的算术平均值测量值的算术平均值n n:测量次数；测量次数；四、重复性四、重复性四、重复性四、重复性数值大小可用一系列测量值的正、反行程标准偏差最大值的数值大小可用一系列测量值的正、反行程标准偏差最大值的二倍或三倍与满量程输出二倍或三倍与满量程输出y yF.SF.S比值表示，即比值表示，即t:置信系数置信系数,2或或3(置信概率置信概率 99.4或或99.73)标准偏差标准偏差 若误差服从正态分布，则标准偏差可用贝塞尔公若误差服从正态分布，则标准偏差可用贝塞尔公式计算，即式计算，即112 2 测试系统的动态特性测试系统的动态特性p动态特性是指其对于随时间变化的输入量的响应特性。动态特性是指其对于随时间变化的输入量的响应特性。p被测信号大多数是时间的函数，被测信号大多数是时间的函数，pp为了使测量系统的输出信号和输入信号随时间的变化曲为了使测量系统的输出信号和输入信号随时间的变化曲为了使测量系统的输出信号和输入信号随时间的变化曲为了使测量系统的输出信号和输入信号随时间的变化曲一致或相近，就要求测量系统不仅要有优良的静态特性，一致或相近，就要求测量系统不仅要有优良的静态特性，一致或相近，就要求测量系统不仅要有优良的静态特性，一致或相近，就要求测量系统不仅要有优良的静态特性，而且还应具有很好的动态特性。而且还应具有很好的动态特性。而且还应具有很好的动态特性。而且还应具有很好的动态特性。p动态特性是其输出量能否真实再现随时间变化输入量的动态特性是其输出量能否真实再现随时间变化输入量的能力的体现。能力的体现。12热电偶测温过程热电偶测温过程热电偶测温过程热电偶测温过程环境温度环境温度环境温度环境温度T T0 0被测液体温度被测液体温度被测液体温度被测液体温度T TT TT T0 013二阶测量系统二阶测量系统二阶测量系统二阶测量系统上升时间上升时间上升时间上升时间T Tr r响应时间响应时间响应时间响应时间T Ts s超调量超调量超调量超调量a a1 1峰值时间峰值时间峰值时间峰值时间T Tp p延滞时间延滞时间延滞时间延滞时间T Td d衰减率衰减率衰减率衰减率稳态误差稳态误差稳态误差稳态误差14分析动态特性，首先建立起数学模型：分析动态特性，首先建立起数学模型：2 2 测试系统的动态特性测试系统的动态特性精确建立数学模型是非常复杂和困难精确建立数学模型是非常复杂和困难近似：忽略非线性和随机变化等复杂因素的影响，认为它近似：忽略非线性和随机变化等复杂因素的影响，认为它是一个连续的、线性的定常参数系统。是一个连续的、线性的定常参数系统。因此，输出因此，输出y(t)y(t)与输入与输入x(t)x(t)之间关系可以用常系数线性微之间关系可以用常系数线性微分方程来描述，即分方程来描述，即 求解微分方程可得到动态响求解微分方程可得到动态响应及动态性能指标。应及动态性能指标。微分方程微分方程微分方程微分方程15通常给测试系统一个通常给测试系统一个通常给测试系统一个通常给测试系统一个典型的标准信号典型的标准信号典型的标准信号典型的标准信号输入来评价其动输入来评价其动输入来评价其动输入来评价其动态响应情况态响应情况态响应情况态响应情况阶跃函数阶跃函数：最常用的瞬态输入信号；：最常用的瞬态输入信号；正弦函数正弦函数：最常用的周期函数，因为任何周期函数都可以：最常用的周期函数，因为任何周期函数都可以通过傅里叶级数展开成许多正弦函数之和；通过傅里叶级数展开成许多正弦函数之和；有限带宽的白噪声有限带宽的白噪声（等功率谱）：最常用的随机输入信（等功率谱）：最常用的随机输入信号。号。2 2 测试系统的动态特性测试系统的动态特性162 2 测试系统的动态特性测试系统的动态特性为了分析和计算的方便，微分方程用拉氏变换方法转换成代为了分析和计算的方便，微分方程用拉氏变换方法转换成代数方程来研究。从而引入：数方程来研究。从而引入：传递函数传递函数传递函数传递函数l可以用瞬态响应法和频率响应法在时域和频域内进行分析可以用瞬态响应法和频率响应法在时域和频域内进行分析时域：如阶跃、脉冲、斜坡等函数的响应。时域：如阶跃、脉冲、斜坡等函数的响应。频域：一般用正弦函数输入频域：一般用正弦函数输入 用傅里叶变换的方法得到频率响应特性。用傅里叶变换的方法得到频率响应特性。