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第三章 系统特性
* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 现以简单的电阻传感器测量直流电路为例来看负载效应的影响,见下图。R2是阻值随被测物理量变化的电阻传感器,通过测量直流电路将电阻变换转化为电压变化,通过电压表进行显示。 在实际测量工作中,测量系统和被测对象之间,测量系统内部各环节相互连接必然产生相互作用。接入的测量装置, 构成被测对象的负载;后接环节成为前面环节的负载。彼此间存在能量交换和相互影响,以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加(并联)或连乘(串联)。 3.7 负载效应 电阻传感器测量直流电路 未接入电压表测量电路时,电阻R2上的电压降为 (3.71) 接入电压表测量电路时,电阻R2上的电压降为 (3.72) 为了定量说明这种负载效应的影响程度,令R1=100 kΩ,R2=150kΩ,Rm=150 kΩ, E=150 V,带入式(3.71)和式(3.72), 可以计算得到,U0=90V,U1=64.3 V,误差达到28.6%。若将电压表测量电路负载电阻加大到1 MΩ,则U1=84.9V,误差减小为5.76%。此例充分说明了负载效应对测量结果的影响是很大的。 减小负载效应误差的措施有: (1) 提高后续环节(负载)的输入阻抗。 (2) 在原来两个相连接的环节中,插入高输入阻抗,低输出阻抗的放大器,以便一方面减少从前一环节吸取的能量, 另一方面在承受后一环节(负载)后又能减小电压输出的变化, 从而减轻总的负载效应。 (3) 使用反馈或零点测量原理, 使后面环节几乎不从前面环节吸取能量。 干扰形成的全过程是由干扰源发出的干扰信号,经过耦合通道达到受感器上,构成整个系统的干扰。干扰的三个环节,称之为干扰系统的三要素,如图所示。 3.8 测试系统的抗干扰 第三章测试系统 的基本特性 解决办法:找到干扰源、削弱通道对干扰耦合、提高受感器抗干扰。 3.8.1 测试系统外部的干扰 自然界干扰:包括地球外层间宇宙射电、太阳黑子的电磁辐射以及雷电、大气层的电场变化、电离层变化等。该干扰源的能量频谱主要集中在30MHz以下,对检测系统的影响较大。 外部干扰源分为两大类:自然界干扰源和人为干扰源。 第三章测试系统 的基本特性 3.8.2 测试系统外部的干扰 人为干扰源是检测系统的主要干扰。主要有:??? 1)射频干扰:??? 2)工频干扰:??? 3)静电干扰: ??4)放电干扰: ? 5)电子开关: 第三章测试系统 的基本特性 3.8.2 测试系统内部的干扰 内部干扰源: (1)电源干扰??? (2)地线干扰 (3)信号通道的耦合干扰 第三章测试系统 的基本特性 信道的耦合干扰 信道耦合干扰:容性(电场)耦合干扰 、感性(磁性)耦合 第三章测试系统 的基本特性 往往传感器设在生产现场,而显示、记录等测量装置则安置在离传感器有一定距离的控制室内。两者之间需要很长的信号传输线,信号在传输过程中很容量受到干扰,导致所传输的信号发生畸变或失真。 软件抗干扰技术 1、软件冗余技术 在双字节指令和三字节指令后面插入两个字节以上的NOP。 软件抗干扰技术 2、软件陷阱技术 用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向单片机复位入口地址0000H 软件抗干扰技术 3、看门狗技术 程序跑飞时如果没有在一定时间内“喂狗”,看门狗动作,强制系统复位。 软件抗干扰技术 4、数字滤波技术 通过一定的计算或者判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重。 * * * * * * * * * * * * * * * * * * 串联 当串联环节间无能量交换时,串联后系统的传递函数: 频率响应函数 幅频特性 相频特性 并联 并联后系统的传递函数: 频率响应函数: 时间常数: 静态灵敏度: 传递函数: 数学表述: 3.4 典型系统的频率响应特性 1、 一阶系统(First-order System) 令:K=1 灵敏度归一处理 第三章测试系统 的基本特性 在工程实际中,一个忽略了质量的单自由度振动系统,在施于A点的外力f(t)作用下,其运动方程为 典型系统的频率响应特性 温度 湿度 酒精 A(?)- ?曲线称为幅频特性曲线; ?(?)- ?曲线称为相频特性曲线。 负值表示相角的滞后 典型系统的频率响应特性 一阶系统的幅频函数和相频函数 将s=jw代入H(s) 传递函数 典型系统的频率响应特性 一阶系统的频率特性: 1、一阶系统是一个低通环节。只有当?远小于1/?时,幅频响应才接近于1,只适用于被测量缓慢
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