測試裝置的特性研究 目錄 第一章 概述 1.1 測量裝置的靜態(tài)特性 8 1.2 標準和標準傳遞 9 1.3 測量裝置的動態(tài)特性 9 1.4 測量裝置的負載特性 9 1.5 測量裝置的抗干擾性 10 第二章 測試裝置的靜態(tài)特性 2.1 線性度 11 2.2 靈敏度 11 2.3 回程誤差 12 2.4 分辨率 12 2.5 零點漂移和靈敏度漂移 12 第三章 測試裝置的動態(tài)特性 3.1 動態(tài)特性的數(shù)學描述 13 3.2 一階、二階系統(tǒng)的特性 15 第四章 測試裝置對任意輸入的影響 4.1 系統(tǒng)對任意輸入的響應 18 4.2 系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應 18 第五章 實現(xiàn)不失真測量的條件 5.1 實現(xiàn)不失真測量的條件 20 第六章 測試裝置動態(tài)特性的測量 6.1 頻率響應法 21 6.2 階躍響應法 21 第七章 負載效應 7.1 負載效應 23 7.2 減輕負載效應的措施 23 第八章 測試裝置的抗干擾 8.1 測試裝置的干擾源 25 8.2 供電系統(tǒng)干擾及抗干擾 25 8.3 信道通道的干擾及抗干擾 26 8.4 接地設(shè)計 27 第九章 結(jié)論和展望 9.1 結(jié)論 29 9.2 展望 29 參考文獻 30 致謝 30 摘要 ： 進入 21 世紀，信息在制造業(yè)的作用更顯重要。獲取準確信息那就是測試技術(shù)，測試技術(shù)非常重要。測試技術(shù)就依靠測試裝置，而測試裝置獲取信息的準確度依靠測試裝置的特性。 本課題從測試裝置的特性出發(fā)，對各個特性進行分析，例如動態(tài)特性，靜態(tài)特性等等，解決如何才能提高測試裝置的 準確度；還要考慮測試裝置對 任意輸入的影響 ,實現(xiàn)不失真測量 ,這是測試裝置的關(guān)鍵；還要查看負載效應，減少對測試裝置的影響；最后是測量裝置的抗干擾，提高測試裝置的靈敏度。 關(guān)鍵詞 ： 信息、測試裝置、干擾 Abstract : Enters for the 21st century, the information reveals in the manufacturing industry function importantly.Gains accurate information that is tests the technology, the test technology is extremely important.Test technology on dependence testing device, but testing device gain information accuracy dependence testing device characteristic. This topic embarks from the testing device characteristic, carries on the analysis to each characteristic, for example does the dynamic characteristic, static characteristic and so on, how solve can enhance the testing devices the accuracy； Also must consider the testing device to the influence which inputs willfully, realizes the not distorted survey, this is the testing device key； Also must examine the loading effect, reduces to the testing device influence； Finally is the metering equipment antijamming, enhances the testing device the sensitivity. Key words: Information, Test Device, Disturbance 第一章 概 述 為實現(xiàn)某種量的測量而選擇或 設(shè) 測量裝置時，就必須考慮這些測量裝置能否準確獲取被測量的量值及其變化，即實現(xiàn)準確測量，而是否能實現(xiàn)準確測量，則決定于測量裝置的特性。這些特性包括靜態(tài)與動態(tài)特性、負載特性、抗干擾等。這種劃分只是為了研究上的方便，事實上測量裝置的特性是統(tǒng)一的，各種特性之間是相互聯(lián)系的。系統(tǒng)動態(tài)特性的性質(zhì)往往與某些靜態(tài)特性有關(guān)。例如，若考慮靜態(tài)特性中的非線性、遲滯、游隙等，則動態(tài)特性方程就成為非線性方程。顯然，從難于求解的非線性方程很難得到系統(tǒng)動態(tài)特性的清晰描述。因此，在研究測量系統(tǒng) 動態(tài)特性時，往往忽略上述非線性或參數(shù)的時變特性，只從線性系統(tǒng)的角度研究測量系統(tǒng)最基本的動態(tài)特性。 1 1 測量裝置的靜態(tài)特性 測量裝置的靜態(tài)特性是通過某種意義的靜態(tài)標定過程確定的，因此對靜態(tài)標定必須有一個明確定義。靜態(tài)標定是一個實驗過程，這一過程是在只改變測量裝置的一個輸人量，而其他所有的可能輸人嚴格保持為不變的情況下，測量對應的輸出量，由此得到測量裝置輸人與輸出間的關(guān)系。通常以測量裝置所要測量的量為輸人，得到的輸人與輸出間的關(guān)系作為靜態(tài)特性。為了研究測量裝置的原理和結(jié)構(gòu)細節(jié)，還要，確定其他各種可能輸人與輸 出間的關(guān)系，從而得到所有感興趣的輸人與輸出的關(guān)系。除被測量外，其他所有的輸人與輸出的關(guān)系可以用來估計環(huán)境條件的變化與干擾輸人對測量過程的影響或估計由此產(chǎn)生的測量誤差。 在靜態(tài)標定的過程中只改變一個被標定的量，而其他量只能近似保持不變，嚴格保持不變實際上是不可能的。因此實際標定過程中除用精密儀器測量輸人量（被測量）和被標定測量裝置的輸出量外，還要用精密儀器測量若干環(huán)境變量或干擾變量輸人和輸出，制造良好的測量裝置對環(huán)境變化與干擾的響應（輸出）應該很小。 測量裝置的靜態(tài)測量誤差與多種因素有關(guān)，包括測量裝置本身和人 為的因素。本章只討論測量裝置本身的測量誤差，特別是測量誤差是由組成測量裝置一些環(huán)節(jié)的誤差造成時，如何由各環(huán)節(jié)的誤差計算總誤差。 有一些測量裝置對靜態(tài)或低于一定頻率的輸人沒有響應，例如壓電加速度計。這類測量裝置也需要考慮諸如靈敏度等類似于靜態(tài)特性的參數(shù)， 此時則是以特定頻率的正弦信號為輸人，研究其靈敏度。這種特性稱為穩(wěn)態(tài)特性，本書將其歸人靜態(tài)特性中加以討論。 1 2 標準和標準傳遞 如果要得到有意義的標定結(jié)果，輸入和輸出變量的測量必須是精確的。用來定量這些變量的儀器（或傳感器）和技術(shù)統(tǒng)稱為標準。一個變量的測 量精度是指測量接近變量真值的程度。這種接近程度是根據(jù)測量誤差加以量化，即測量值與真值之差，于是存在著如何建立變量真值的問題。將一個變量的真值定義為用精度最高的最終標準得到的測量值。實際上可能無法使用最終標準來測量該變量，但是可以使用中間的傳遞標準 ， 這就引人逐級朔源的概念。測量所使用的傳感器用實驗室標準標定，實驗室標準用傳遞標準標定，傳遞標準用最終標準標定。這里的實例為壓力傳感器標準傳遞和標定，建立傳遞標準時，還需用最終標準確定祛碼加壓活塞的直徑，同時要確定當?shù)氐暮０胃叨?，以確定當?shù)刂亓铀俣?g ，而傳遞標準 祛碼則是要定期由國家計量院標定。 1.3 測量裝置的動態(tài)特性 測量裝置的動態(tài)特性是當被測量即輸人量隨時間快速變化時，測量輸人與響應輸出之間動態(tài)關(guān)系的數(shù)學描述。如前所述，在研究測量裝置動態(tài)特性時，往往認為系統(tǒng)參數(shù)是不變的，并忽略諸如遲滯、死區(qū)等非線性因素，即用常系數(shù)線性微分方程描述測量裝置輸入與輸出間的關(guān)系。測量裝置的動態(tài)特性也可用微分方程的線性變換描述，采用初始條件為零時 Fourier 變換可得傳遞函數(shù)，采用初始條件為零時 Fourier 變換可得頻響函數(shù)。此外，測量裝置的動態(tài)特性也可用單位脈沖輸人的響應來表示 。 1.4 測量裝置的負載特性 測量裝置或測量系統(tǒng)是由傳感器、測量電路、前置放大、信號調(diào)理、，二直到數(shù)據(jù)存儲或顯示等環(huán)節(jié)組成。若是數(shù)字系統(tǒng)，則信號要通過刀 D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)傳輸?shù)綌?shù)字環(huán)節(jié)或計算機，實現(xiàn)結(jié)果顯示一存儲或 D / A 轉(zhuǎn)換等。當傳感器安裝到被測物體上或進人被測介質(zhì)，要從物體與介質(zhì)中吸收能量或產(chǎn)生干擾，使被測物理量偏離原有的量值，從而不可能實現(xiàn)理想的測量，這種現(xiàn)象稱為負載效應。這種效應不僅發(fā)生在傳感器與被測物體之間，而且存在于測量裝置的上述各環(huán)節(jié)之間。對于電路間的級連來說，負載效應的程度決定于前級的輸出阻 抗和后級的輸人阻抗。將其推廣到機械或其他非電系統(tǒng)，就是本章要討論的廣義負載效應和廣義阻抗的概念。測量裝置 的負載特性是其固有特性，在進行測量或組成測量系統(tǒng)時，要考慮這種特性并將其影響降到最小。 1.5 測量裝置的抗干擾性 測量裝置在測量溫度、振動等干擾，包括電源干擾、環(huán)境干擾（電磁場、聲、光、溫度、振動等干擾）和通信干擾。這些干擾的影響決定于測量裝置的抗干擾性能，并且與所采取的抗干擾措施有關(guān)。本章討論這些干擾與測量裝置的藕合機理與疊加到被測信號上形成的污染，同時討論有效的抗干擾技術(shù)（如合理接地等）。對于多通 道測量裝置，理想的情況應該是各通道完全獨立的或完全隔離的，即通道間不發(fā)生禍合與相互影響。實際上通道間存在一定程度的相互影響，即存在通道間的干擾。因此多通道測量裝置應該考慮通道間的隔離性能。 第二章 測量裝置的靜態(tài)特性 測量裝置的靜態(tài)特性是在靜態(tài)測量情況下描述實際測量裝置與理想時不變線性系統(tǒng)的接近程度。以下討論一些重要的靜態(tài)特性。 2.1 線性度 線性度是指測量裝置輸人、輸出之間的關(guān)系與理想比例關(guān)系（即理想直線關(guān)系）的偏離程度。實際上由靜態(tài)標定所得到的輸 人、輸出數(shù)據(jù)點并不在一條直線上，這些點與理想直線偏差的最大值 max 稱為線性誤差，也可以用百分數(shù)表示線性誤差。這里的“理想直線”通常有二種確定方法：一種是最小與最大數(shù)據(jù)值的連線，即端點連線， 另一種是數(shù)據(jù)點的最小二乘直線擬合得到的直線 。通常較常使用后者式中Ymin 和 Ymax -輸出的最小值和最大值； Xmin 和 Xmax - 輸人的最小值和最大值； max-最大的線性誤差 2.2 靈敏度 靈敏度定義為單位輸人變化所引起的輸出的變化，通常使用理想直線的斜率作為測量裝置的靈敏度值，即： 靈敏度是有量綱的，其量綱為輸出量的量綱與輸人量的量綱之比。 2.3 回程誤差 回程誤差也稱為遲滯，是描述測量裝置同輸人變化方向有關(guān)的輸出特性。理想測量裝置的輸人、輸出有完全單調(diào)的一一對應直線關(guān)系，不管輸人是由小增大，還是由大減小，對于一個給定的輸人，輸出總是相同的。但是實際測量裝置在同樣的測試條件下，當輸人量由小增大和由大減小時，對于同一個輸人量所得到的兩個輸出量卻往往存在差值。在整個測量范圍內(nèi)，最大的差值 h 稱為回程誤差或遲滯誤差。 磁性材料的磁化曲線和金屬材料的受力一變形曲線常?？梢钥吹竭@種回程誤 差。當測量裝置存在死區(qū)時也可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。 2.4 分辨力 引起測量裝置的輸出值產(chǎn)生一個可察覺變化的最小輸人量（被測量）變化值稱為分辨力。分辨力通常表示為它與可能輸人范圍之比的百分數(shù)。 2.5 零點漂移和靈敏度漂移 零點漂移是測量裝置的輸出零點偏離原始零點的距離，它可以是隨時間緩慢變化的量。靈敏度漂移則是由于材料性質(zhì)的變化所引起的輸人與輸出關(guān)系（斜率）的變化。因此，總誤差是零點漂移與靈敏度漂移之和，在一般情況下，后者的數(shù)值很小，可以略去不計，于是只考慮零點漂移。如需長時間測量，則需做出 24h 或更長時間的零點漂 移曲線。 第三章 測量裝置的動態(tài)特性 3.1 動態(tài)特性的數(shù)學描述 把測量裝置視為定常線性系統(tǒng)，可用常系數(shù)線性微分方程式來描述該系統(tǒng)以及它的輸出 y （ t） 和輸人 x ( t) 約之間的關(guān)系。但使用時有許多不便。如果通過拉普拉斯變換建立與其相應的“傳遞函數(shù)”，通過傅立葉變換建立與其相應的“頻率特性函數(shù)”，就可更簡便，更有效地描述裝置的特性和輸出 y （ t）約和輸人 x ( t ）之間的關(guān)系。 1 傳遞函數(shù) 設(shè) x ( , ）和 Y （。）分別為輸人 x ( t ）、輸出 y ( t ）的拉普拉斯變換。 獲得 其中 s為復變量， s = a 十 jw； Gx（ s）是與輸人和系統(tǒng)初始條件有關(guān)的；而且H （ s）卻與系統(tǒng)初始條件及輸人無關(guān)，只反映系統(tǒng)本身的特性。 H （ s）被稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 若初始條件全為零，則因 Gh（ s) = 0 ，便有 傳遞函數(shù)有以下幾個特點： l ) H( s )與輸人 x ( t ）及系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān)，它只表達系統(tǒng)的傳輸特性。對具體系統(tǒng)而言，它的 H （ s）不會因輸人 x ( t ）變化而不同，卻對任一具體輸人 x （ t） 動都能確定地給出相應的、不同的輸出 。 2 ) H ( s ）是對物理系統(tǒng)的微分方程，它只反映系統(tǒng)傳輸特性而不拘泥于系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)。同一形式的傳遞函數(shù)可以表征具有相同傳輸特性的不同物理系統(tǒng)。例如液柱溫度計和 RC 低通濾波器同是一階系統(tǒng)，具有形式相似的傳遞函數(shù)，而其中一個是熱學系統(tǒng)，另一個卻是電學系統(tǒng)，兩者的物理性質(zhì)完全不同。 3 ）對于實際的物理系統(tǒng)，輸入 x( t ）和輸出 y ( t ）都具有各自的量綱。用傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)傳輸、轉(zhuǎn)換特性理應真實地反映量綱的這種變換關(guān)系。這關(guān)系正是通過系數(shù) a n、 a n-1 、 、 a1 、 a0 和 bm、 bm-1 、 、 bl 、 b 0 反映的。這些系數(shù)的量綱將因具體物理系統(tǒng)和輸入、輸出的量綱 而異。 4 ) H ( s）中的分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。分母中 s 最高冪次 n 代表系統(tǒng)微分方程的階數(shù)。分子則和系統(tǒng)同外界之間的關(guān)系，如輸人（激勵）點的位置、輸人方式、被測量及測點布置情況有關(guān)。 一般測量裝置總是穩(wěn)定系統(tǒng)，其分母中，的冪次總是高于分子中 s 的冪次，即 n m。 2 頻率響應函數(shù) 頻率響應函數(shù)是在頻率域中描述系統(tǒng)特性的，而傳遞函數(shù)是在復數(shù)域中來描述系統(tǒng)的特性的，比在時域中用微分方程來描述系統(tǒng)特性有許多優(yōu)點。許 多工程系統(tǒng)的微分方程式及其傳遞函數(shù)極難建立，而且傳遞函數(shù)的物理概念也很難理解。與傳遞函數(shù)相比較，頻率響應函數(shù)有著物理概念明確、容易通過實驗來建立及利用它和傳遞函數(shù)的關(guān)系，也極易由它求出傳遞函數(shù)等優(yōu)點。因此，頻率響應函數(shù)就成為實驗研究系統(tǒng)的重要工具。 (1 )幅頻特性、相頻特性和頻率響應函數(shù) 常線性系統(tǒng)的頻率保持性，系統(tǒng)在簡諧信號 x(t )=X0sinwt 的激勵下，所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)輸出也是簡諧信號， y ( t ) = Yosin （ wt+）。這一結(jié)論可從微分方程解的理論得出。此時輸人和輸出雖為同頻率的簡諧信 號，但兩者的幅值并不一樣。其幅值比 A=Y0/X0 和相位差 &都隨頻率 w而變，是 w的函數(shù)。定常線性系統(tǒng)在簡諧信號的激勵下，其穩(wěn)態(tài)輸出信號和輸人信號的幅值比被定義為該系統(tǒng)的幅頻特性，記為 A（ w）穩(wěn)態(tài)輸出對輸人的相位差被定義為該系統(tǒng)的相頻特性，記為 &(w)。兩者統(tǒng)稱為系統(tǒng)的頻率特性。因此系統(tǒng)的頻率特性是指系統(tǒng)在簡諧信號激勵下，其穩(wěn)態(tài)輸出對輸人的幅值比、相位差隨激勵頻率 w 變化的特性 ( 2 ）頻率響應函數(shù)的求法 在系統(tǒng)的傳遞函數(shù) H ( s ）已知的情況下，可令 H(s)中 s=jw,便可求得頻率響應函數(shù) H(w)。 頻率響應函數(shù)有時記為 H（ jw） , 以此來強調(diào)它來源于 H (s)|s=jw. 若研究在 t=0 時刻將激勵信號接入穩(wěn)定常系數(shù)線性系統(tǒng)時，令 s=jw, 代人拉普拉斯變換中，實際上就是將拉普拉斯變換變成傅里葉變換。同時考慮到系統(tǒng)在初始條件均為零時，有 H(s) 等于 Y(s) 和 X(s) 之比的關(guān)系，因而系統(tǒng)的頻率響應函數(shù) H(w) 就成為輸出 y(t) 的傅里葉變換 Y(w) 和輸人 x(t) 的傅里葉變換 X(w) 之比，即 這一結(jié)論有著廣泛用途。 3 脈沖響應函數(shù) 若裝置的輸人為單位脈沖 &(t), 現(xiàn) 因單位脈沖 &(t) 的拉普拉斯變換為 1 ，即 x ( s ) L&(t)=1因此裝置的輸出 y(t)& 的拉普拉斯變換必將是 H(s), 也即 y(t)&=L-1H(s), 并可以記為 h ( t ) ，常稱它為裝置的脈沖響應函數(shù)或權(quán)函數(shù)。脈沖響應函數(shù)可視為系統(tǒng)特性的時域描述。 至此，系統(tǒng)特性的時域、頻域和復數(shù)域可分別用脈沖響應函數(shù) h ( t ）、頻率響應函數(shù) H （ t） 和傳遞函數(shù) H (s) 來描述。三者存在著一一對應的關(guān)系。 h ( t ）和傳遞函數(shù) H (s) 是一對拉普拉斯變換對； h(t) 和頻率響應函數(shù) H(w) 又是一對傅里葉變換對。 4 環(huán)節(jié)的串聯(lián)和并聯(lián) 若兩個傳遞函數(shù)中各為 Hl(s) 和 H2(s) 的環(huán)節(jié)串聯(lián)時，它們之間沒有能量交換，則串聯(lián)后所組成的系統(tǒng)之傳遞函數(shù) H (s) 在初始條件為零 類似地，對幾個環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的系統(tǒng)，有 若兩個環(huán)節(jié)并聯(lián)則因 而有 3.2 一階、二階系統(tǒng)的特性 1 . 一階系統(tǒng) 一階系統(tǒng)的輸人、輸出關(guān)系用一階微分方程來描述。 實際上，最一般形式的一階微分方程為 可改寫為 一階裝置的脈沖響應函數(shù)為 一階系統(tǒng)的頻響函數(shù) 一階系統(tǒng)的伯德圖和奈魁斯特圖 2 二階系統(tǒng) 二階系統(tǒng)可用二階微分方程式描述。通常是如下兩種形式 或 二階系統(tǒng)頻響函數(shù)為 二階系統(tǒng)的脈沖響應函數(shù)為 以下是二階系統(tǒng)相應的伯德圖和奈魁斯特圖 第四章 測試裝置對任意輸入的影響 4.1 系統(tǒng)對任意輸入的影響 工程控制學指出：輸出 y （ t） 等于輸人 x ( t ）和系統(tǒng)的脈沖響應函數(shù) h ( t ）的卷積。即 它是系統(tǒng)輸人一輸出關(guān)系的最基本表達式，其形式簡單，含義明確。但是，卷積計算卻是一件麻煩事。利用 h （ t） 同 H(s)、 H(w) 的關(guān)系，以及拉普拉斯變換、傅立葉變換的卷積定理，可以將卷積運算變換成復數(shù)域、頻率域的乘法運算，從而大大簡化了計算工作。定常線性系統(tǒng)在平穩(wěn)隨機信號的作用下，系統(tǒng)的輸出也是平穩(wěn)隨機過程。 4.2 系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應 一、二階系統(tǒng)在單位階躍輸入 的作用下，其響應分別為 一階系統(tǒng) 二階系統(tǒng) 由于單位階躍函數(shù)可看成單位脈沖函數(shù)的積分，故單位階躍輸人作用下的輸出就是系統(tǒng)脈沖響應的積分。對系統(tǒng)的突然加載或者突然卸載可視為施加階躍輸人。施加這種輸人既簡單易行，又能充分揭示測量裝置的動態(tài)特性，故常被采用。 理論上看，一階系統(tǒng)在單位階躍激勵下的穩(wěn)態(tài)輸出誤差為零。系統(tǒng)的初始上升斜率為 1 /t。在 t =t 時 , y（ t ）二 0 . 632 ； t = 4 t 時， y（ t ) = 0 . 982 ； t = 5 t 時， y（ t ) = 0 . 993 。理論上系統(tǒng)的響應當 t 趨向于無窮大時達到穩(wěn)態(tài)。毫無疑義，一階裝置的時間常數(shù)：越小越好。 二階系統(tǒng)在單位階躍激勵下的穩(wěn)態(tài)輸出誤差也為零。但是系統(tǒng)的影響在很大程度上決定于阻尼比 &和固有頻率 wn 。系統(tǒng)固有頻率為系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。 Wn 越高，系統(tǒng)的響應越快。阻尼比 &直接影響超調(diào)量和振蕩次數(shù)。 & 0 時超調(diào)最大，為 100 % ，且持續(xù)不息地振蕩著，達不到穩(wěn)態(tài)。 &1 ，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)化到等同于兩個一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)。此時雖然不發(fā)生振 蕩（即不發(fā)生超調(diào)），但也需經(jīng)超長的時間才能達到穩(wěn)態(tài)。如果阻尼比 &選在 0 . 6 一 0 . 8 之間，則系統(tǒng)以較短時間 大約（ 5 一 7 ) Wn ，進人穩(wěn)態(tài)值相差士（ 2 一 5 % ）的范圍內(nèi)。這也是很多測量裝置的阻尼比取在這區(qū)間內(nèi)的理由之一。 第五章 實現(xiàn)不失真測量的條件 5.1 實現(xiàn)不失真測量的條件 設(shè)有一個測量裝置，其輸出 y( t ）和輸人 x(t) 滿足下列關(guān)系 其中， Ao 和 At 都是常數(shù)。 此式表明這個裝 置輸出的波形和輸人波形精確地一致，只是幅值（或者說每個瞬時值）放大了 A 0 倍和在時間上延遲了 t0 而已。這種情況，被認為測量裝置具有不失真測量的特性。 現(xiàn)根據(jù)上式來考察測量裝置實現(xiàn)測量不失真的頻率特性。對該式作傅立葉變換，則 從實現(xiàn)測量不失真條件和其他工作性能綜合來看，對一階裝置而言，如果時間常數(shù) t 越小，則裝置的響應越快，近于滿足測試不失真條件的頻帶也越寬。所以一階裝置的時間常數(shù) t 原則上越小越好。 對于二階裝置，其特性曲線上有兩個頻段值得注意。在 w 0 . 3 wn 范圍內(nèi)，可司的數(shù)值較小，且 &(w） -w特性曲線接近直線。 A （ w）在該頻率范圍內(nèi)的變化不超過 10 % ，若用于測量，則波形輸出失真很小。在 w ( 2 . 5 一 3 ）wn 范圍內(nèi)， &(w)接近 180 ，且隨 w變化很小。此時如果在實際測量電路中或數(shù)據(jù)處理中減去固定相位差或者把測量信號反相 180 ，則其相頻特性基本上滿足不失真測量條件。但是此時幅頻特性 A （ w）太小，輸出幅值也太小。若二階裝置輸人信號的頻率 w在（ 0.3-2.5 ） wn 區(qū)間內(nèi)，裝置的頻率特性受夸的影響很大，需作具體分析。 一般來說， 在 &=0.6-0.8 時，可以獲得較為合適的綜合特性。計算表明，對二階系統(tǒng)，當 & 0 . 70 時，在 0-0.58 wn 的頻率范圍內(nèi)，幅頻特性 A （ w）的變化不超過 5 % ，同時相頻特性 &(w）也接近于直線，因而所產(chǎn)生的相位失真也很小。 測量系統(tǒng)中，任何一個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的波形失真，必然會引起整個系統(tǒng)最終輸出波形失真。雖然各環(huán)節(jié)失真對最后波形的失真影響程度不一樣，但是在原則上信號頻帶內(nèi)都應使每個環(huán)節(jié)基本上滿足不失真測量的要求。 第六章 測量裝置動態(tài)特性的測量 要使測量裝置精確可靠，不僅測量裝置的定度 應精確，而且要定期校準。定度和校準就其實驗內(nèi)容來說，就是對測量裝置本身特性參數(shù)的測量。 對裝置的靜態(tài)參數(shù)進行測量時，一般以經(jīng)過校準的“標準”靜態(tài)量作為輸人，求出輸人，輸出特性曲線。根據(jù)這條曲線確定其回程誤差，整理和確定其校準曲線、線性誤差和靈敏度。所采用的輸入量誤差應當是不大于所要求測量結(jié)果誤差的 1 / 3 -l / 5 或更小些。下面主要敘述對裝置本身動態(tài)特性的測量方法。 6.1 頻率響應法 通過穩(wěn)態(tài)正弦激勵試驗可以求得裝置的動態(tài)特性。對裝置施以正弦激勵，即輸人 x （ t） = Xosin2 ft, 在輸出達 到穩(wěn)態(tài)后測量輸出和輸人的幅值比和相位差。這樣可得該激勵頻率 f 下裝置的傳輸特性。測試時，對測量裝置施加峰一峰值為其量程 20 的正弦輸入信號，其頻率自接近零頻的足夠低的頻率開始，以增量方式逐點增加到較高頻率，直到輸出量減少到初始輸出幅值的一半止，即可得到幅頻和相頻特性曲線 A ( f ）和 &(f) 一般來說在動態(tài)測量裝置的性能技術(shù)文件中應附有該裝置的幅頻和相頻特性曲線。對于一 階裝置，主要的動態(tài)特性參數(shù)是時間常數(shù)：?？梢酝ㄟ^幅頻和相頻特性 直接確定 t值。 對于二階裝置，可以從相頻特性曲線直接估計其動態(tài)特性參數(shù)：固 有頻率wn 和阻尼比 &。在 w wn 處，輸出對輸人的相角滯后為 90，該點斜率直接反映了阻尼比的大小。但是一般來說相角測量比較困難。所以，通常通過幅頻曲線估計其動態(tài)特性參數(shù)。對于欠阻尼系統(tǒng)（ & 1 ) ，幅頻特性曲線的峰值在稍偏離wn 的 wr 處 ,且 或 6.2 階躍響應法 用階躍響應法求測量裝置的動態(tài)特性是一種時域測試的易行方法。實踐中無法獲得理想的單位脈沖輸人，從而無法獲得裝置的精確的脈沖響應函數(shù)；但是，實踐中卻能獲得足夠精確的單位脈 沖函數(shù)的積分 單位階躍函數(shù)及階躍響應函數(shù)。 在測試時，應根據(jù)系統(tǒng)可能存在的最大超調(diào)量來選擇階躍輸人的幅值，超調(diào)量大時，應適當選用較小的輸人幅值。 1 由一階裝置的階躍響應求其動態(tài)特性參數(shù) 簡單說來，若測得一階裝置的階躍響應，可取該輸出值達到最終穩(wěn)態(tài)值的63 所經(jīng)過的時間作為時間常數(shù)：。但這樣求得的：值僅取決于某些個別的瞬時值，未涉及響應的全過程，測量結(jié)果的可靠性差。如改用下述方法確定時間常數(shù)，可獲得較可靠的結(jié)果。一階裝置的階躍響應表達式，可改寫為 兩邊取對數(shù)，有 2 由二階裝置的階躍響應求其動態(tài)特性參數(shù) 該式為典型欠阻尼二階裝置的階躍響應函數(shù)表達式。它表明其瞬態(tài)響應是以圓頻率作衰減振蕩的。按照求極值的通用方法，可求得各振蕩峰值所對應的時間，將t= /wd 代人式 ,求得最大超調(diào)量 M 和阻尼比 &的關(guān)系式 整理后可得 簡化后可得 第七章 負載效應 在實際測量工 作中，測量系統(tǒng)和被測對象之間、測量系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)之間互相聯(lián)接必然產(chǎn)生相互作用。接人的測量裝置，構(gòu)成被測對象的負載；后接環(huán)節(jié)總是成為前面環(huán)節(jié)的負載，并對前面環(huán)節(jié)的工作狀況產(chǎn)生影響。兩者總是存在著能量交換和相互影響，以致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不再是各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的疊加（如并聯(lián)時）或連乘（如串聯(lián)時）。 7.1 負載效應 前面曾在假設(shè)相聯(lián)接環(huán)節(jié)之間沒有能量交換，因而在環(huán)節(jié)互聯(lián)前后各環(huán)節(jié)仍保持原有的傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上導出了環(huán)節(jié)串、并聯(lián)后所形成的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。然而這種只有信息傳遞而沒有能量交換的聯(lián)接，在實際系統(tǒng)中甚 少遇到。只有用不接觸的輻射源信息探測器，如可見光和紅外探測器或其他射線探測器，才可算是這類聯(lián)接。 當一個裝置聯(lián)接到另一個裝置上，并發(fā)生能量交換時，就會發(fā)生兩種現(xiàn)象：l ）前裝置的聯(lián)接處甚至整個裝置的狀態(tài)和輸出都將發(fā)生變化。 2 ）兩個裝置共同形成一個新的整體，該整體雖然保留其兩組成裝置的某些主要特征，但其傳遞函數(shù)已不能表達。某裝置由于后接另一裝置而產(chǎn)生的種種現(xiàn)象，稱為負載效應。 負載效應產(chǎn)生的后果，有的可以忽略，有的卻是很嚴重的，不能對其掉以輕心。下面舉一些例子來說明負載效應的嚴重后果。 集成電路芯片溫度雖高但功耗很小，約幾十毫瓦，相當于一個小功率的熱源。若用一個帶探針的溫度計去測其結(jié)點的工作溫度，顯然溫度計會從芯片吸收可觀的熱量而成為芯片的散熱元件，這樣不僅不能測出正確的結(jié)點工作溫度，而且整個電路的工作溫度都會下降。又如，在一個單自由度振動系統(tǒng)的質(zhì)量塊 m 上聯(lián)接一個質(zhì)量為 mf 的傳感器，致使參與振動的質(zhì)量成為 m + m f，從而導致系統(tǒng)固有頻率的下降。 7.2 減輕負載效應的措施 減輕負載效應所造成的影響，需要根據(jù)具體的環(huán)節(jié)、裝置來具體分析而后采取措施。對于電壓輸出的環(huán)節(jié)，減輕負載效應的辦法有 ： l ）提高后續(xù)環(huán)節(jié)（負載）的輸人阻抗。 2 ）在原來兩個相聯(lián)接的環(huán)節(jié)之中，插人高輸人阻抗、低輸出阻抗的放大器，以便一方面減小從前面環(huán)節(jié)吸取能量，另一方面在承受后一環(huán)節(jié)（負載）后又能減小電壓輸出的變化，從而減輕總的負載效應。 3 ）使用反饋或零點測量原理，使后面環(huán)節(jié)幾乎不從前環(huán)節(jié)吸取能量。例如用電位差計測量電壓等。 如果將電阻抗的概念推廣為廣義阻抗，那么就可以比較簡捷地研究各種物理環(huán)節(jié)之間的負載效應。 總之，在測試工作中，應當建立系統(tǒng)整體的概念，充分考慮各種裝置、環(huán)節(jié)聯(lián)接 時可能產(chǎn)生的影響。測量裝置的接人就成為被測對象的負載，將會引起測量誤差。兩環(huán)節(jié)的聯(lián)接，后環(huán)節(jié)將成為前環(huán)節(jié)的負載，產(chǎn)生相應的負載效應。在選擇成品傳感器時，必須仔細考慮傳感器對被測對象的負載效應。在組成測試系統(tǒng)時，要考慮各組成環(huán)節(jié)之間聯(lián)接時的負載效應，盡可能減小負載效應的影響。對于成套儀器系統(tǒng)來說，各組成部分之間相互影響，儀器生產(chǎn)的廠家應該有了充分的考慮，使用者只需考慮傳感器對被測對象所產(chǎn)生的負載效應。 第八章 測試裝置的抗干擾 在測試過程中，除了待 測信號以外，各種不可見的、隨機的信號可能出現(xiàn)在測量系統(tǒng)中。這些信號與有用信號疊加在一起，嚴重歪曲測量結(jié)果。輕則測量結(jié)果偏離正常植，重則淹沒了有用信號，無法獲得測量結(jié)果。測量系統(tǒng)中的無用信號就是干擾。顯然，一個測試系統(tǒng)抗干擾能力的大小在很大程度上決定了該系統(tǒng)的可靠性，是測量系統(tǒng)重要特性之一。因此，認識了干擾信號，重視抗干擾設(shè)計是測試工作中不可忽視的問題。 8.1 測量裝置的干擾源 測量裝置的干擾來自多方面。機械振動或沖擊會對測量裝置（尤其傳感器）產(chǎn)生嚴重的干擾；光線對測量裝置中的半導體器件會產(chǎn)生干擾；溫度的 變化會導致電路參數(shù)的變動，產(chǎn)生干擾；以及電磁的干擾，等等。 干擾竄人測量裝置有三條主要途徑 : l ）電磁場干擾干擾以電磁波輻射的方式經(jīng)空間竄人測量裝置。 2 ）信道干擾信號在傳輸過程中，通道中各元器件產(chǎn)生的噪聲或非線性畸變所造成的干擾。 3 ）電源干擾這是由于電源波動、市電電網(wǎng)干擾信號的竄人以及裝置供電電源電路內(nèi)阻引起各單元電路相互藕合造成的干擾。 一般說來，良好的屏蔽及正確的接地可除去大部分的電磁波干擾。而絕大部分測量裝置都需要供電，所以外部電網(wǎng)對裝置的干擾以及裝置內(nèi)部通過電源內(nèi)阻相互藕合造成的干擾對裝 置的影響最大。因此，如何克服通過電源造成的干擾應重點注意。 8.2 供電系統(tǒng)干擾及抗干擾 由于供電電網(wǎng)面對各種用戶，電網(wǎng)上并聯(lián)著各種各樣的用電器。用電器（特別是感應性用電器，如大功率電動機）在開、關(guān)機時都會給電網(wǎng)帶來強度不一的電壓跳變。這種跳變的持續(xù)時間很短，人們稱之為尖峰電壓。在有大功率耗電設(shè)備的電網(wǎng)中，經(jīng)?？梢詸z測到在供電的 50HZ 正弦波上疊加著有害的 l000 V 以上的尖峰電壓。它會影響測量裝置的正常工作。 1 電網(wǎng)電源噪聲 把供電電壓跳變的持續(xù)時間 t 1s 者，稱為過壓和欠壓噪聲。供電電 網(wǎng)內(nèi)阻過大或網(wǎng)內(nèi)用電器過多會造成欠壓噪聲。三相供電零線開路可能造成某相過壓。供電電壓跳變的持續(xù)時間 1s t1ms 者，被稱為浪涌和下陷噪聲。它主要產(chǎn)生于感應性用電器（如大功率電動機）在在開、關(guān)機時產(chǎn)生的感應電動勢。 供電電壓跳變的持續(xù)時間 t lms 者，被稱為尖峰噪聲。這類噪聲產(chǎn)生的原因較復雜，用電器間斷的通斷產(chǎn)生的高頻分量、汽車點火器所產(chǎn)生的高頻干擾禍合到電網(wǎng)都可能產(chǎn)生尖峰噪聲。 2 供電系統(tǒng)的抗干擾 供電系統(tǒng)常采用下列幾種抗干擾措施： ( 1 ）交流穩(wěn)壓器它可消除過壓、欠壓造成的影響，保證 供電的穩(wěn)定。 ( 2 ）隔離穩(wěn)壓器由于浪涌和尖峰噪聲主要成分是高頻分量，它們不通過變壓器級圈之間互感藕合，而是通過線圈間寄生電容禍合的。隔離穩(wěn)壓器一次、二次側(cè)間用屏蔽層隔離，減少級間藕合電容，從而減少高頻噪聲的竄人。 ( 3 ）低通濾波器它可濾去大于 50Hz 市電基波的高頻干擾。對于 50HZ 市電基波，則通過整流濾波后也可完全濾除。 ( 4 ）獨立功能塊單獨供電電路設(shè)計時，有意識地把各種功能的電路（如前置、放大、 A/D 等電路）單獨設(shè)置供電系統(tǒng)電源。這樣做可以基本消除各單元因共用電源而引起相互藕合所造成的干 擾。 8.3 信道通道的干擾及抗干擾 1.0 信道干擾的種類 信道干擾有下列幾種： ( 1 ）信道通道元器件噪聲干擾它是由于測量通道中各種電子元器件所產(chǎn)生的熱噪聲（如電阻器的熱噪聲、半導體元器件的散粒噪聲等）造成的。 ( 2 ）信號通道中信號的竄擾元器件排放位置和線路板信號走向不合理會造成這種干擾。 ( 3 ）長線傳輸干擾對于高頻信號來說，當傳輸距離與信號波長可比時，應該考慮此種干擾的影響。 2 信道通道的抗干擾措施 信道通道通常采用下列一些抗干擾措施： ( l ）合理選用元器件和設(shè)計方案如盡量采用 低噪聲材料、放大器采用低噪聲設(shè)計、根據(jù)測量信號頻譜合理選擇濾波器等。 ( 2 ）印制電路板設(shè)計時元器件排放要合理小信號區(qū)與大信號