第四章测试系统特性

第四章测试系统特性

第四章测试系统特性

4.1 测试系统概述

测试系统是执行任务的传感器、仪器和设备的总称。现在习惯把具有自动化、智能化、可编程化等功能的测试系统称为现代测试系统。

这些装置和仪器对被测物理量进行传感、转换与处理、传送、显示、记录以及存储。测试系统的复杂程度取决于被测信息的难以程度以及所采用的试验方法。

典型测试系统的组成

研究测试系统的特性，就是研究系统的输入量x(t)、输出量y(t)和系统的传输特性h(t)三者之间的关系

系统分析中的三类问题：

1）当输入、输出是可测量的（已知），可以通

过它们推断系统的传递特性（系统辨识）

2）当系统的传递特性已知、输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量（反求）

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（预测）

理想的测试系统应该具有单值的、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出量与之对应。知道其中一个量就可

以确定另一个量。其中输入和输出成线性关系最佳。

测试装置能否实现准确测量，取决于其特性：

注：测试系统各特性是统一的，相互关联的。如动态特性方程一般可视为线性方程，但考虑静态特性的非线性、迟滞等因素，就成为了非线性方程。

1、静态特性：测量时，测试系统的输入和输出信号不随时间变化（或变化缓慢）。如温度测量、体重测量。静态测量时，测试系统表现出的响应特性称为静态响应特性。静态标准是一个试验过程，这一过程是在只改变测量系统的一个输入量，测量对应的输出量，由此得到输入与输出间的关系，作为静态特性。

静态特性包括线性度、灵敏度（Δy/Δx ）、分辨力（能够测量的最小变化量）、回程误差（也称为迟滞）、零点漂移和灵敏度漂移等

2、动态特性：当被测量（输入）随时间快速变化时，测量输入与相应输出之间动态关系的数学描述。如心电图测量测量，热处理过程的温度测量、铸造过程的流量测量。动态测量：输入随时间变化，输出也随输入而变化。对迅速变化的物理量进行测定，要求动态测试仪器具有较高的动态响应特性

测试系统的（动态）数学模型主要有三种形式：①时域分析用的微分方程；②频域方程用的频率特性；③复频域用的传递函数测量系统的微分方程（常系数微分方程、线性时不变系统）

传递函数 0

1110111)()()(a s a s a s a b s b s b s b s X s Y s H n n n n m m m m ++++++==---- 频响函数 )

()()(ωωωj X j Y j H = 3、负载特性当传感器安装到被测物体上或进入被测介质，要从物体与介质中吸收能量或产生干扰，使被测物理量偏离原来的量值，从而不可能实现理想的测量，这种现象称为负载效应。这种效应不仅发生在传感器和被测物体之间，还存在于测量系统的各个环节。对于电路间的级联来说，负载效应的程度决定于前级的输出阻抗和后级的输入阻抗。测量系统的负载特性是其固有特性，在进行测量或组成测量系统时，要考虑这种特性并将其影响降到最小。

4、抗干扰性测量过程中，常受到各种干扰，包括电源干扰、环境干扰（电磁场、声、光、温度、振动等）和信道干扰。这些干扰的影响决定于测量系统的抗干扰性，并且与所采取的抗干扰措施有关信道干扰，对于多通道测量系统，理想状况是各通道完全独立或完全隔离的，即通道间不发生耦合或相互影响。实际上通道间存在一定程度的影响，即信道干扰。多通道测量要考虑通道间的隔离性能。

4.3系统的静态特性测量时，测试系统的输入和输出信号不随时间变化（或变化缓慢）。

1、线性度测量系统的输入与输出之间的关系与理想比例关系（理想线性关系）的偏离程度。实际上由静态标定所得输入、输出的数据并不在一条直线上，这些点与理想直线最大的偏差值Δmax 称为线性误差，也可以由百分数表示线性误差

%100min

max max ?-?Y Y 线性误差＝ 2、灵敏度单位输入变化引起的输出的变化。通常使用理想直线的斜率作为测量装置的灵敏度。灵敏度的量纲为输出量的量纲与输入量的量纲之比。

3、系统能够检测出的最小变化量，表征测量系统的分别能力。（分辨力—绝对数值，如0.01mm，0.1g等；分别率—相对数值，能检测出的最小被测量的变换量相对于满量程的百分数，如0.1％，0.02％等；阈值—系统零输入点附近的分辨力。

4、回程误差，也称为迟滞。是描述测量系

统同输入变化方向有关的输入特性。

实际测量系统中同样的测量条件下，当输入量

由小到达或由大到小变化时，得到当输出量往

往存在差值。

4.3 系统的动态特性

研究测试系统的动态特性时，往往认为系

统参数是不变的，并忽略如迟滞、死区等非线性因素，即用常系数线性微分方程描述测量系统的输入输出关系。把测试系统视为定常线性系统，可用常系数线性微分方程进行描述输入、输出之间的关系，但使用不便。可以通过拉普拉斯变化建立传递函数；通过傅立叶转换可以建立频率特性函数，描述会更简洁有效。

测量系统的动态特性可由物理原理的理论分析和参数的试验估计得到，也可由系统的试验方法得到。前者适用于简单的测量系统，后者适用于普遍适用的方法。

测量系统的动态特性建模中，常常使用静态标定得到的灵敏度常数。在某些情况下，动态灵敏度不同于静态灵敏度。

确定测量系统动态特性的目的是为了了解其所能实现的不失真测量的频率范围。反之在确定了动态测量任务之后，则要选择满足这种测量要求的测量系统，必要时还要用试验的方法准确确定此装置的动态特性，从而得到可靠的测量结果和估计测量误差。

1、传输函数特点：不能简单的认为传输函数就是输出、输入两者拉普拉斯变化之比。只有在系统初始条件均为零时，才成立。

1）H(s)与输入x(t)及系统的初始状态无关，它只表达系统的输入特性。

2) H(s)是对物理系统的微分方程，它只反映系统传输特性而不拘泥于系统的物理结构。同一传输函数可以表征具有相同传输特性的不同物理系统。

3）对于实际的物理系统，输入x(t)和输出y(t)都有各自的量纲。用传递函数描述系统传输、转换特性应真实的反映量纲这种变换关系。微分方程中系数的的量纲将因具体的物理系统和输入输出的量纲而异。

4）H （s ）中的分母取决于系统的结构。分母中s 的幂次n 代表系统微分方程的阶数。分子则和系统同外界之间的关系，如输入点的