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测量技术与信号处理测量技术与信号处理机械学院机械系机械学院机械系第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性n测试装置的基本特性包括测试装置的基本特性包括静态特性静态特性和和动态动态特性特性。n当被测量为恒定值或为缓变信号时，我们当被测量为恒定值或为缓变信号时，我们通常只考虑测试装置的通常只考虑测试装置的静态性能静态性能.n当对迅速变化的量进行测量时，就必须全当对迅速变化的量进行测量时，就必须全面考虑测试装置的面考虑测试装置的动态特性和静态特性动态特性和静态特性。只有当其满足一定要求时，我们才能从测只有当其满足一定要求时，我们才能从测试装置的输出中正确分析、判断其输入的试装置的输出中正确分析、判断其输入的变化，从而实现不失真测试。变化，从而实现不失真测试。第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性n第一节第一节 测试装置的组成测试装置的组成n第二节第二节 测试装置的基本特性测试装置的基本特性n第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件n第四节第四节 测试装置动态特性的测试测试装置动态特性的测试n第五节第五节 测试装置的负载效应和适配测试装置的负载效应和适配第一节第一节 测试装置的组成测试装置的组成输入装置输入装置中间处理装置中间处理装置输出装置输出装置输入输入核心是传感器，将非电量转换为核心是传感器，将非电量转换为电量的装置，是信息的采集者。电量的装置，是信息的采集者。既要能准确地感受被测量，既要能准确地感受被测量，并将被测量转换为电量后并将被测量转换为电量后不失真地传输给下一级，又不不失真地传输给下一级，又不能给被测对象以过大影响。能给被测对象以过大影响。伸缩性很大伸缩性很大第一节第一节 测试装置的组成测试装置的组成n测试的目的不同，要求不同，测试装置的测试的目的不同，要求不同，测试装置的差别很大。差别很大。n如：温度的测量有简单的液柱式温度计，如：温度的测量有简单的液柱式温度计，也有用于检测也有用于检测100以上的温度计（具有以上的温度计（具有传感元件、转换元件及显示装置等）。传感元件、转换元件及显示装置等）。n又如：长度的测量，有简单的百分表、杠又如：长度的测量，有简单的百分表、杠杆测微仪，也有复杂的激光干涉仪和光电杆测微仪，也有复杂的激光干涉仪和光电光波比长仪。光波比长仪。第一节第一节 测试装置的组成测试装置的组成 测测试试系系统统是是执执行行测测试试任任务务的的传传感感器器、仪仪器器和和设设备备的的总称。总称。复杂测试系统复杂测试系统(轴承缺陷检测轴承缺陷检测)简单测试系统简单测试系统(光电池光电池)V失真失真第一节第一节 概述概述n在工程上，测试问题是处理输入、输出及在工程上，测试问题是处理输入、输出及系统的传输或转换特性三者之间的关系。系统的传输或转换特性三者之间的关系。系统系统输入输入输出输出Xi（t）Xo（t）在在对对动动态态物物理理量量进进行行测测试试时时，测测试试装装置置的的输输出出变变化化是是否否能能真真实实地地反反映映输输入入变变化化，则则取取决决于于测测试试装装置置的的动动态态响响应应特特性。性。测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 属于：系统分析中的三类问题属于：系统分析中的三类问题3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。(预测和控制预测和控制)1)当输入、输出是可测量的当输入、输出是可测量的(已知已知)，可以通过它们推断系统的传输，可以通过它们推断系统的传输特性。特性。(系统辨识系统辨识)2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。输入量。(测试测试)第一节第一节 概述概述n基于上述关系，理想的测试装置应该具有：基于上述关系，理想的测试装置应该具有：n1 1、单值；、单值；n2 2、确定的输入输出关系（以线性关系最佳）。、确定的输入输出关系（以线性关系最佳）。n注意注意：n1 1、在静态测量过程中，这种关系虽然是我们所希望的，但不、在静态测量过程中，这种关系虽然是我们所希望的，但不是必须的，因为静态测量可进行校正和补偿；是必须的，因为静态测量可进行校正和补偿；n2 2、在动态测量中，测试装置应为线性系统，原因有二：、在动态测量中，测试装置应为线性系统，原因有二：一是数学处理和分析困难；二是在动态测试中非线性校一是数学处理和分析困难；二是在动态测试中非线性校正也相当困难。正也相当困难。xy线性线性xy线性线性xy非非线性线性第二节第二节 测试装置的基本特性测试装置的基本特性n一、线性系统及其主要性质、线性系统及其主要性质n二、测试装置的静态特性二、测试装置的静态特性n三、测试装置的动态特性三、测试装置的动态特性一、线性系统及其主要性质一、线性系统及其主要性质（1）n在对线性系统动态特性的研究中，通常用线在对线性系统动态特性的研究中，通常用线性微分方程描述输入输出之间的关系，即性微分方程描述输入输出之间的关系，即系数为常数时，其描述的为线性时不变系统系数为常数时，其描述的为线性时不变系统。一、线性系统及其主要性质一、线性系统及其主要性质（2）n叠加特性叠加特性n比例特性比例特性n微分特性微分特性n积分特性积分特性n频率保持特性频率保持特性叠加特性叠加特性n输入之和的输出为原输入中各个输输入之和的输出为原输入中各个输入所得输出之和入所得输出之和比例特性比例特性n常数倍输入的输出等于原输入所得常数倍输入的输出等于原输入所得输出乘以相同倍数。输出乘以相同倍数。微分特性微分特性n输入微分的输出等于原输入所得输输入微分的输出等于原输入所得输出的微分。出的微分。积分特性积分特性输入积分的输出等于原输入所得输输入积分的输出等于原输入所得输出的积分。出的积分。频率保持特性频率保持特性若若系系统统的的输输入入为为某某一一频频率率的的谐谐波波信信号号，则则系系统统的的稳稳态态输输出出将将为为同同一一频频率率的的谐谐波波信信号，即号，即 x(t)=Asin(t+x)则则 y(t)=Bsin(t+y)线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。频率保持特性频率保持特性n根据微分特性根据微分特性根据比例特性根据比例特性根据叠加特性根据叠加特性频率保持特性频率保持特性则其输出为则其输出为于是于是二、测试装置的静态特性二、测试装置的静态特性（1）如果测量时，测试装置的输入、输出信如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。号不随时间而变化，则称为静态测量。静态测量时，测试装置表现出的响应特静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。性称为静态响应特性。当输入输出不随时间变化时，输入输出的各当输入输出不随时间变化时，输入输出的各阶导数为零，由式（阶导数为零，由式（3-1）可知，）可知，y=b0/a0 x y=Sx由此得到的测量装置的性能参数静态响应特由此得到的测量装置的性能参数静态响应特性。性。二、测试装置的静态特性二、测试装置的静态特性（2）n描述测试装置静态特性参数描述测试装置静态特性参数:n线性度线性度n灵敏度灵敏度n回程误差回程误差n稳定度和漂移稳定度和漂移线性度线性度n为测量系统的标定曲线对理论拟合直线为测量系统的标定曲线对理论拟合直线的最大偏差的最大偏差B与满量程与满量程A的百分比，即的百分比，即基准直线的确定有多种原则，常用的一种是：基准直线与基准直线的确定有多种原则，常用的一种是：基准直线与标定曲线间偏差的均方值保持最小，且通过原点。标定曲线间偏差的均方值保持最小，且通过原点。灵敏度灵敏度n测试装置的输出量与输入量变化之比，测试装置的输出量与输入量变化之比，即即回程误差n就某一测试装置而言，当其输入由小变大再由大就某一测试装置而言，当其输入由小变大再由大变小时，对同一输入值来说，可能得到大小不同变小时，对同一输入值来说，可能得到大小不同的输出值，所得到的输出值的最大差别与满量程的输出值，所得到的输出值的最大差别与满量程输出的百分比称为回程误差，即输出的百分比称为回程误差，即稳定度和漂移稳定度和漂移n稳定度稳定度是指测量装置在规定的条件下保持是指测量装置在规定的条件下保持其测量值不变的能力。其测量值不变的能力。n漂移漂移是指测量装置的测量特性随时间的变是指测量装置的测量特性随时间的变化特性。化特性。n点漂点漂是指在规定的条件下，对于一个恒定是指在规定的条件下，对于一个恒定的输入在规定时间内的输出量的变化。标的输入在规定时间内的输出量的变化。标称范围内最低值处的点漂成为零点漂移，称范围内最低值处的点漂成为零点漂移，简称简称零漂零漂（即当输入为零时，测量装置有即当输入为零时，测量装置有输出）。输出）。静态响应特性的其它描述静态响应特性的其它描述 精精度度：是是与与评评价价测测试试装装置置产产生生的的测测量量误误差差大大小小有关的指标。有关的指标。灵灵敏敏阀阀：又又称称为为死死区区，用用来来衡衡量量测测量量起起始始点点不不灵敏的程度。灵敏的程度。分分辨辨力力：指指能能引引起起输输出出量量发发生生变变化化时时输输入入量量的的最最小小变变化化量量，表表明明测测试试装装置置分分辨辨输输入入量量微微小小变变化化的能力。的能力。测测量量范范围围：是是指指测测试试装装置置能能正正常常测测量量最最小小输输入入量和最大输入量之间的范围。量和最大输入量之间的范围。可可靠靠性性：是是与与测测试试装装置置无无故故障障工工作作时时间间长长短短有有关的一种描述。关的一种描述。三、测试装置的动态特性三、测试装置的动态特性 在在对对动动态态物物理理量量进进行行测测试试时时，测测试试装装置置的的输输出出变变化化是是否否能能真真实实地地反反映映输输入入变变化化，则则取取决于测试装置的动态响应特性。决于测试装置的动态响应特性。x(t)h(t)y(t)n描述动态特性常用的函数有描述动态特性常用的函数有:n传递函数传递函数n频率响应函数频率响应函数n脉冲响应函数脉冲响应函数三、测试装置的动态特性三、测试装置的动态特性1、传递函数n在输入在输入x(t)、输出输出y(t)以及各阶导数的初以及各阶导数的初始值为零的情况下对（始值为零的情况下对（3-1）式进行拉氏）式进行拉氏变换得：变换得：n则输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变则输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比称为系统的传递函数。换之比称为系统的传递函数。1、传递函数、传递函数n传递函数的特点：传递函数的特点：n传递函数是复变量传递函数是复变量s的有理分式；的有理分式；n传递函数描述了系统的固有特性，它只取传递函数描述了系统的固有特性，它只取决于测量系统本身的结构和参数，与系统决于测量系统本身的结构和参数，与系统的输入和初始条件无关；的输入和初始条件无关；n传递函数只反映系统的响应特性，而和具传递函数只反映系统的响应特性，而和具体的物理结构无关体的物理结构无关(系统的相似性系统的相似性,不同的不同的物理系统可以具有相同形式的数学模型物理系统可以具有相同形式的数学模型)。1、传递函数、传递函数n环节串联、并联的运算法则环节串联、并联的运算法则1、传递函数、传递函数n一阶系统的传递函数（惯性环节）一阶系统的传递函数（惯性环节）灵敏度灵敏度板书讲解推导过程1、传递函数、传递函数n二阶系统的传递函数（振荡环节）二阶系统的传递函数（振荡环节）2、频率响应函数、频率响应函数（1）n当系统输入不同频率的正弦信号时，其稳当系统输入不同频率的正弦信号时，其稳态输出与输入的复数比称为系统的频率响态输出与输入的复数比称为系统的频率响应函数，记作应函数，记作 。优点：优点：直直观观的的反反映映了了系系统统对对不不同同频频率率成成分分输输入入信信号的扭曲情况。号的扭曲情况。傅傅 氏变换之比氏变换之比2、频率响应函数、频率响应函数（2）n一阶系统的频率响应函数一阶系统的频率响应函数2、频率响应函数、频率响应函数（2）n二阶系统的频率响应函数二阶系统的频率响应函数2、频率响应函数、频率响应函数（3）2、频率响应函数、频率响应函数（4）2、频率响应函数、频率响应函数（5）频率响应函数测量频率响应函数测量 实验求频率特性的原理，简单明了。依次用不同频率实验求频率特性的原理，简单明了。依次用不同频率fi的的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相位，得到幅值比幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差相位差i。从系统的最低测量频率从系统的最低测量频率fmin到系统的最高测量频率到系统的最高测量频率fmax，按一定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率按一定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就可以得到系统频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就可以得到系统的幅频和相频特性曲线。的幅频和相频特性曲线。依据：频率保持性依据：频率保持性 若若 x(t)=Acos(t+x)则则 y(t)=Bcos(t+y)2、频率响应函数、频率响应函数（6）优点：优点：简单，用信号发生器、简单，用信号发生器、双踪示波器就可以双踪示波器就可以缺点：缺点：效率低效率低 案例：案例：飞机模态分析飞机模态分析 根据振动理论根据振动理论,多自由度系统以某一固有频率振动所呈多自由度系统以某一固有频率振动所呈现出的振动形态称为现出的振动形态称为模态模态，此时系统各点的位移存在一定，此时系统各点的位移存在一定的比例关系，称之为的比例关系，称之为固有振型固有振型。不论何种阻尼情况，机械结构上对外力的响应都可以不论何种阻尼情况，机械结构上对外力的响应都可以表示为固有频率、阻尼比和振型等模态参数组成的各阶振表示为固有频率、阻尼比和振型等模态参数组成的各阶振动模态的叠加。动模态的叠加。计算结构固有频率和振型非常重要，可以估计构件与计算结构固有频率和振型非常重要，可以估计构件与支撑结构间的相互影响支撑结构间的相互影响,避免共振避免共振.模态分析模态分析一般用于确定设计结构或机械部件的振动一般用于确定设计结构或机械部件的振动特性特性,进行模态分析后可以了解结构的固有振动频率和进行模态分析后可以了解结构的固有振动频率和形式，并对此采取必要的措施，避免在使用中由于共振形式，并对此采取必要的措施，避免在使用中由于共振的因素造成的不必要的损失的因素造成的不必要的损失 3、脉冲响应函数、脉冲响应函数n系统对单位脉冲输入的响应系统对单位脉冲输入的响应h(t)称为脉冲称为脉冲响应函数，也叫权函数，它是系统动态特响应函数，也叫权函数，它是系统动态特性的时域描述。性的时域描述。n理想的单位脉冲输入是不存在的。工程上理想的单位脉冲输入是不存在的。工程上常把作用时间小于十分之一常把作用时间小于十分之一的短暂冲击输的短暂冲击输入近似地认为是单位脉冲输入。入近似地认为是单位脉冲输入。3、脉冲响应函数、脉冲响应函数时域波形参数识别时域波形参数识别优点：优点：直观直观缺点：缺点：简单系统识别简单系统识别3、脉冲响应函数、脉冲响应函数n一阶、二阶系统的脉冲响应函数一阶、二阶系统的脉冲响应函数3、脉冲响应函数、脉冲响应函数n一阶、二阶系统的脉冲响应函数一阶、二阶系统的脉冲响应函数案例案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车越碍时的冲原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车越碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。到桥梁固有频率。3、脉冲响应函数n任意输入下测试装置的响应3、脉冲响应函数n任意输入下测试装置的响应第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件n作为测试装置，只有当它的输出能如实作为测试装置，只有当它的输出能如实反映输入变化时，它的测量结果才是可反映输入变化时，它的测量结果才是可信的。相反，若测试系统的输出不能真信的。相反，若测试系统的输出不能真实、客观地反映输入信号，则为信号失实、客观地反映输入信号，则为信号失真。其测量结果毫无意义。真。其测量结果毫无意义。第三节 实现不失真测试的条件第三节 实现不失真测试的条件频域定义频域定义思考：一阶、二阶测试系统实现思考：一阶、二阶测试系统实现不失真测试的工作范围？不失真测试的工作范围？第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件n不能满足上述条件所引起的失真，分别被不能满足上述条件所引起的失真，分别被称为幅值失真和相位失真，只有同时满足称为幅值失真和相位失真，只有同时满足幅值条件和相位条件，才能真正实现不失幅值条件和相位条件，才能真正实现不失真测试。真测试。n在实际测量中，在实际测量中，绝对的不失真是不存在的绝对的不失真是不存在的，但必须把失真的程度控制在许可的范围内。但必须把失真的程度控制在许可的范围内。第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件n上述不失真测试的条件只适用于一般上述不失真测试的条件只适用于一般的测试目的。对于用于闭环控制系统的测试目的。对于用于闭环控制系统中的测试装置，时间滞后可能会破坏中的测试装置，时间滞后可能会破坏系统的稳定性，在这种情况下，应有：系统的稳定性，在这种情况下，应有：第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件n如何综合考虑实现测试波形不失真条件和如何综合考虑实现测试波形不失真条件和其它工作性能？其它工作性能？n对于对于一阶装置一阶装置来说，时间常数越小，则装来说，时间常数越小，则装置的响应越快；置的响应越快；n对斜坡函数的响应，时间常数越小，其时对斜坡函数的响应，时间常数越小，其时间滞后和稳态误差将越小；间滞后和稳态误差将越小；第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件n一阶装置对正弦信号的响应，时间常数越一阶装置对正弦信号的响应，时间常数越小，其幅值放大倍数增大。小，其幅值放大倍数增大。n所以，所以，一阶装置的时间常数原则上越小越好。一阶装置的时间常数原则上越小越好。第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件n对于二阶装置，其频率特性曲线中有对于二阶装置，其频率特性曲线中有两段值得注意。两段值得注意。幅值和相位基本不失真幅值和相位基本不失真幅值失真，但是相位基本不失真幅值失真，但是相位基本不失真幅值和相位基本不失真幅值和相位基本不失真幅值失真，但是相位基本不失真幅值失真，但是相位基本不失真n如果输入信号的频率范围在上述两者之间，如果输入信号的频率范围在上述两者之间，二二阶装置阶装置的频率特性受阻尼比影响较大，需要作的频率特性受阻尼比影响较大，需要作具体分析。具体分析。对于斜坡输入响应：对于斜坡输入响应：阻尼比越小，阻尼比越小，稳态误差越小。稳态误差越小。n如果输入信号的频率范围在上述两者之间，如果输入信号的频率范围在上述两者之间，二二阶装置阶装置的频率特性受阻尼比影响较大，需要作的频率特性受阻尼比影响较大，需要作具体分析。具体分析。对于斜坡输入响应：对于斜坡输入响应：阻尼比越小，阻尼比越小，稳态误差越小。稳态误差越小。n如果输入信号的频率范围在上述两者之间，如果输入信号的频率范围在上述两者之间，二二阶装置阶装置的频率特性受阻尼比影响较大，需要作的频率特性受阻尼比影响较大，需要作具体分析。具体分析。对于阶跃输入响应：对于阶跃输入响应：阻尼比越小，阻尼比越小，超调量增大，调整时间增长。超调量增大，调整时间增长。第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件n当阻尼比在当阻尼比在0.6-0.8之间时，可获得较之间时，可获得较为合适的综合特性。为合适的综合特性。n当阻尼比为当阻尼比为0.7，频率范围为：，频率范围为：n幅频特性的变化不超过幅频特性的变化不超过5%，相频特性，相频特性也接近于直线，相位失真很小。但如果也接近于直线，相位失真很小。但如果测试的频率范围较宽，则由于相位的失测试的频率范围较宽，则由于相位的失真，仍会导致一定程度的波形畸变。真，仍会导致一定程度的波形畸变。第三节第三节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 当二阶系统阻尼比分别为当二阶系统阻尼比分别为 和和 时，请时，请分析比较哪一个系统更适合作为测试装置？为什么？分析比较哪一个系统更适合作为测试装置？为什么？阻尼比为阻尼比为 系统更适合作为测试装置。因为系统更适合作为测试装置。因为（1）时，复现能力好，相同幅值误差要求的情时，复现能力好，相同幅值误差要求的情况下工作频率范围最宽，况下工作频率范围最宽，（不失真工作频率范围较宽不失真工作频率范围较宽）（2）时，不出现谐振峰值。时，不出现谐振峰值。（3）时，时，最大超调量较小。最大超调量较小。（4）时，调整时间最短。时，调整时间最短。2011年考研题第四节第四节 测试装置动态特性的测试测试装置动态特性的测试n 要使测试装置精确可靠，不仅测试要使测试装置精确可靠，不仅测试装置的定度应当精确，而且应当定期校装置的定度应当精确，而且应当定期校准。定度和校准是对测试装置本身各种准。定度和校准是对测试装置本身各种特性参数进行的测试。特性参数进行的测试。n 在进行测试装置静态参数的测试时，在进行测试装置静态参数的测试时，通常是以经过校准的标准量作为输入，通常是以经过校准的标准量作为输入，求出其输入输出曲线。根据这条曲线，求出其输入输出曲线。根据这条曲线，确定其静态参数。确定其静态参数。第四节第四节 测试装置动态特性的测试测试装置动态特性的测试n本节主要叙述测试装置本身动态特性的测试。测试方法主要包括频率响应法频率响应法和阶跃响应法阶跃响应法。频率响应法（频率响应法（1）n对测试装置施加正弦激励对测试装置施加正弦激励x(t)=x0sinwt，在输出达到稳态后，测量其输出与输入的在输出达到稳态后，测量其输出与输入的幅值比和相位差，从而可得到该装置在这幅值比和相位差，从而可得到该装置在这一激励频率下的传输特性。一激励频率下的传输特性。逐点逐点改变输入改变输入的激励频率，就可以得到幅频和相频特性的激励频率，就可以得到幅频和相频特性曲线。曲线。频率响应法（频率响应法（1）频率响应法（频率响应法（2）n对于一阶装置，动态参数的测定主要是时对于一阶装置，动态参数的测定主要是时间常数间常数的测定，可以由幅频特性和相频特的测定，可以由幅频特性和相频特性直接测定。性直接测定。频率响应法（频率响应法（2）n对于二阶装置，动态参数的测定主要是固对于二阶装置，动态参数的测定主要是固有频率有频率n和阻尼比和阻尼比。n1、可以从相频曲线直接估计，在可以从相频曲线直接估计，在=n处，处，输出与输入的相角差为输出与输入的相角差为90，相频曲线在该，相频曲线在该点的斜率直接反映阻尼比的大小。但相角点的斜率直接反映阻尼比的大小。但相角的准确测量比较困难，所以该方法不常用。的准确测量比较困难，所以该方法不常用。频率响应法（3）n2、通过对数幅频特性估计二阶装置的动态参数。对于欠阻尼系统，幅频响应的峰值在稍偏离n的处。频率响应法（3）n3、通过幅频特性估计二阶装置的动态参数(1)。频率响应法（3）n3、通过幅频特性估计二阶装置的动态参数、通过幅频特性估计二阶装置的动态参数(2)。0.707阶跃响应法阶跃响应法n用阶跃响应法求取系统的特性参数，首用阶跃响应法求取系统的特性参数，首先要了解不同系统对阶跃输入的响应。先要了解不同系统对阶跃输入的响应。一阶系统和二阶系统的阶跃响应分别为：一阶系统和二阶系统的阶跃响应分别为：1、用阶跃响应法求取一阶装置特性参数、用阶跃响应法求取一阶装置特性参数n对一阶装置施加阶跃激励，测得其响应，对一阶装置施加阶跃激励，测得其响应，并取输出达稳态值的并取输出达稳态值的63%所经过的时间，所经过的时间，即为时间常数即为时间常数。不可靠不可靠。阶跃响应阶跃响应0.631、用阶跃响应法求取一阶装置特性参、用阶跃响应法求取一阶装置特性参数数n一阶装置的阶跃响应一阶装置的阶跃响应函数为函数为可以根据斜率求出时间常数，这样，求取一阶装置可以根据斜率求出时间常数，这样，求取一阶装置特性参数考虑了瞬态响应的全过程。特性参数考虑了瞬态响应的全过程。2、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数tr2、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数n典型的欠阻尼二阶装置的阶跃响应函数表典型的欠阻尼二阶装置的阶跃响应函数表明，它的瞬态响应以明，它的瞬态响应以d为角频率作衰减为角频率作衰减振荡。该角频率称为有阻尼固有频率。振荡。该角频率称为有阻尼固有频率。求阻尼比方法求阻尼比方法1：2、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数图5-11 二阶系统=0.3时的单位阶跃响应曲线求阻尼比方法求阻尼比方法2：利用任意两个超调量来求利用任意两个超调量来求阻尼比阻尼比2、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数求阻尼比方法求阻尼比方法2：2、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数、用阶跃响应法求取二阶装置特性参数阶跃响应函数阶跃响应函数fn=1/Tb 实验求阶跃响应函数简单明了，产生一个阶跃信号，实验求阶跃响应函数简单明了，产生一个阶跃信号，再测量系统输出就可以了。再测量系统输出就可以了。案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理：在桥中悬挂重物，然后突然剪断绳索，产生阶跃激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。2.用阶跃响应法求取二用阶跃响应法求取二 阶装置特性参数阶装置特性参数第五节第五节 测试装置的负载效应和适配测试装置的负载效应和适配n在实际测试中，被测信号和测试装置的特在实际测试中，被测信号和测试装置的特性是由多种测试装置组合而成的测试系统，性是由多种测试装置组合而成的测试系统，往往是相当复杂的。因而，必须考虑测试往往是相当复杂的。因而，必须考虑测试装置之间的匹配问题。装置之间的匹配问题。负载效应负载效应n 两个装置相接后，后一级的装置对前两个装置相接后，后一级的装置对前一级装置来说是负载，即前一级的输出为一级装置来说是负载，即前一级的输出为后一级的输入。后一级的输入。n 一般情况下，后一级对前一级可能产一般情况下，后一级对前一级可能产生影响，这一影响称为生影响，这一影响称为负载效应负载效应。n 如果负载效应的影响超过一定的限度，如果负载效应的影响超过一定的限度，测试系统就不能有效地进行工作了。测试系统就不能有效地进行工作了。n 为保证测试装置的合理组合，以装置为保证测试装置的合理组合，以装置或环节的或环节的单向性单向性为前提。为前提。负载效应未接入测量电路时，未接入测量电路时，R2上的电压降为：上的电压降为：接入测量电路后，接入测量电路后，R2上的电压降为：上的电压降为：令令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得得:U0=90V,U1=64.3V，误差达误差达28.6%。若将电压表测量电路负载电阻加大到若将电压表测量电路负载电阻加大到1M，则则 U1=84.9V，误差减小为误差减小为5.76%。说明说明:负载电阻加大负载电阻加大,使前一级的负载效应减小使前一级的负载效应减小被测信号被测信号频率特性曲线测试装置1频率特性曲线测试装置2频率特性曲线测试装置1静态特性曲线灵敏度高测试装置2静态特性曲线线性度好测试装置的抗干扰测试装置的抗干扰n在测试过程中，除了被测信号外，各种在测试过程中，除了被测信号外，各种不可见的、随机的信号都可能出现在测不可见的、随机的信号都可能出现在测试系统中。这些信号与有用信号迭加在试系统中。这些信号与有用信号迭加在一起，严重歪曲测量结果。一起，严重歪曲测量结果。n一个测试系统抗干扰能力的大小在很大一个测试系统抗干扰能力的大小在很大程度上决定了该系统的可靠性，是测试程度上决定了该系统的可靠性，是测试系统重要特性之一。系统重要特性之一。n因此，认识干扰信号，重视抗干扰设计因此，认识干扰信号，重视抗干扰设计是测试工作中不可忽视的问题。是测试工作中不可忽视的问题。测试装置的抗干扰测试装置的抗干扰n测试装置的干扰源测试装置的干扰源n供电系统干扰及其抗干扰供电系统干扰及其抗干扰n信道通道的干扰及其抗干扰信道通道的干扰及其抗干扰n接地设计接地设计测试装置的干扰源（测试装置的干扰源（1）n测试装置的干扰源来自多方面。机械振动或冲击会对测试装置的干扰源来自多方面。机械振动或冲击会对测试装置（尤其是传感器）产生严重的干扰；光线对测试装置（尤其是传感器）产生严重的干扰；光线对测试装置中的半导体器件会产生干扰；温度的变化会测试装置中的半导体器件会产生干扰；温度的变化会导致电路参数的变动，产生干扰；电磁干扰等等。导致电路参数的变动，产生干扰；电磁干扰等等。测试装置的干扰源（测试装置的干扰源（2）n干扰窜入测试装置的主要途径：干扰窜入测试装置的主要途径：n1）电磁干扰。以电磁波辐射的方式经空）电磁干扰。以电磁波辐射的方式经空间窜入测试装置。间窜入测试装置。n2）信道干扰。信号在传输过程中，通道）信道干扰。信号在传输过程中，通道中各元件产生的噪声或非线性畸变所造成中各元件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。的干扰。n3）电源干扰。由于电源波动、市电电网）电源干扰。由于电源波动、市电电网干扰信号的窜入以及装置供电电源电路内干扰信号的窜入以及装置供电电源电路内阻引起各单元电路互相耦合造成的干扰阻引起各单元电路互相耦合造成的干扰。测试装置的干扰源（测试装置的干扰源（3）n 一般来说，良好的屏蔽及正确的接地可去除一般来说，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。大部分的电磁波干扰。n 绝大部分测试装置都需要供电，所以外部电绝大部分测试装置都需要供电，所以外部电网对装置的干扰以及装置内部通过电源内阻互相网对装置的干扰以及装置内部通过电源内阻互相耦合造成的干扰对装置的影响最大。耦合造成的干扰对装置的影响最大。n 因此，如何克服通过电源造成的干扰应重点因此，如何克服通过电源造成的干扰应重点注意。注意。噪声删除技术噪声删除技术（noise cancelling）n从信号中删除噪声一直是信号处理中的从信号中删除噪声一直是信号处理中的一个重要研究课题。但是，如果噪声的一个重要研究课题。但是，如果噪声的频带处于有用信号的频带之内或者当噪频带处于有用信号的频带之内或者当噪声是宽带时，采用常规的滤波方法就无声是宽带时，采用常规的滤波方法就无能为力了。能为力了。n自适应滤波技术极为有效。自适应滤波技术极为有效。n飞行员在飞行时需要与地面进行联系，但飞行员在飞行时需要与地面进行联系，但同时在飞机座舱里又存在很强的引擎噪声，同时在飞机座舱里又存在很强的引擎噪声，这种噪声有很强的周期成分和丰富的谐波，这种噪声有很强的周期成分和丰富的谐波，而且这些成分中的大部分还处于飞行员的而且这些成分中的大部分还处于飞行员的讲话频带之中。讲话频带之中。n长途电话中的回声删除技术。长途电话中的回声删除技术。接地设计接地设计n测量装置中的测量装置中的地线是所有电路公共的零地线是所有电路公共的零电平参考点电平参考点。理论上所有位置的电平应理论上所有位置的电平应该相同该相同。然而，由于各点之间必须由具。然而，由于各点之间必须由具有一定电阻的导线相连，一旦有电流流有一定电阻的导线相连，一旦有电流流过，就可能产生电位差。同时，所有信过，就可能产生电位差。同时，所有信号电流都经过地线，就可能产生公共地号电流都经过地线，就可能产生公共地电阻的耦合干扰。地线的多点相连也会电阻的耦合干扰。地线的多点相连也会产生环路电流。产生环路电流。n所以要认真设计地线和接地点。所以要认真设计地线和接地点。第三章 测试装置的基本特性n线性系统线性系统：性质性质、概念、概念n静态特性描述：静态特性描述：灵敏度灵敏度、线性度、回程误差、线性度、回程误差n动态特性描述：动态特性描述：传递函数、频响函数（幅频特性、传递函数、频响函数（幅频特性、相频特性）、脉冲响应函数相频特性）、脉冲响应函数n不失真测试的条件：不失真测试的条件：幅值、幅值、相位相位n动态特性的测试方法动态特性的测试方法：频率响应法、阶跃响应法：频率响应法、阶跃响应法n负载效应负载效应