测试技术-4.ppt

第五章 测量系统的基本特性 测量是从客观事物取得有关信息的过程。在这过程中，借助专门的设备——测试系统，使用合适的实验方法和必要的数学处理方法，才取得所研究对象的有关信息。 这一章主要讨论测量装置与其输入、输出的关系，以及和周围环境的关系。 一、概述 典型的测试系统，如图 2-1 所示。然而，随着测量目的和要求的不同，测量系统的组成、复杂程度都有很大差别。这里所称的“测量系统”，有时是指由众多环节组成的复杂的测量系统，有时则是指测量系统中的各组成环节，例如传感器、各种中间变换器，甚至一个简单的RC滤波单元等等。此外，这里也常常将“系统”作为“装置”来看待。 在测量工作中，研究对象和测量系统并非总是分得开的。研究对象往往是测量系统的一部分，而测量系统的某个部分也可能是研究对象的一部分。当处在这种情况下，它们会相互影响，因此应该把研究对象和测量系统作为一个系统来考察。 通常的工程测量问题总是处理输入量 x（t）、装置（系统）的传输特性 h（t）和输出量y（t）三者之间的关系（图2-1）。即： （1） 当输入、输出是可以观察（已知）的量，就可以通过它们推断系统的传输特性。 （2）当系统特性已知，输出可测，可以通过它们推断导致该输出的输入量。 （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。 1）对测量系统的基本要求 ·理想的测量装置应该具有单值的、确定的输入—输出关系。即，对于每一输入量都应只有单一的输出量与之对应。知道其中的一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系为最佳。一些实际测量装置无法在较大工作范围内满足这种要求，而只能在较小工作范围内和在一定误差范围内满足这项要求。 2）线性系统及其主要性质 当系统的输入x（t）和输出y（t）之间的关系可用常系数线性微分方程 来描述时，则称该系统为时不变线性系统，也称定常线性系统。式中 t 为时间自变量。从数学来看，这种系统的系数an、 an-1、---、 a1、 a0和bm、 bm-1、---、 b1、 b0均为常数，既不随时间而变化，也不是自变量x、因变量y及它们各阶导数的函数。 严格地说，很多物理系统是时变的，因为构成物理系统的材料。元件、部件的特性并非稳定的。例如弹性材料的弹性模量，电子元件中的电阻、电容，半导体器件的特性都受温度的影响。而环境温度也是一个随时间而缓慢变化的量。它们的不稳定，会导致微分方程式的系数的时变性。但是在工程上，常可以以足够的精确度认为多数常见物理系统中的参数an、 an-1、---、 a1、 a0和bm、 bm-1、---、 b1、 b0是时不变的常数，而把一些实际上是时变线性系统当作时不变线性系统来处理。这里只限于讨论时不变线性系统。 如以 x（t）? y（t）表示上述系统的输入、输出的对应关系，则时不变线性系统具有以下一些主要性质。 （1）符合叠加原理。几个输入所产生的总输出是各个输入所产生的输出叠加的结果。若 （3）系统对输入导数的响应等于对原输入响应的导数，即 （4）如系统的初始状态均为零，则系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分 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意义。例如已知系统是线性的和其输入的频率，那么依据频率保持性，可以认定测得该系统的输出信号中只有与输入频率相同的成份才可能是由该输入引起的输出，而其他频率成分都是噪声（干扰）。进而可采用相应的滤波技术，在很强的噪声干扰下，把有用的信息提取出来。如前一章所述，信号的频域函数，是用信号的各频率成分的叠加来描述的。而且在频域处理问题，往往比较方便和简捷。这样，根据叠加原理和频率保持性，研究复杂输入信号所引起的输出时，就可以转换到频域中去研究，研究输入频域函数所产生的输出的频域函数。 3）测量装置的特性 为了获得准确的测量结果，对测量装置提出多方面的性能要求。这些性能大致上包括四方面的性能：静态特性、动态特性、负载效应和抗干扰特性。 对于那些用于静态测量的测量装置，一般只需利用静态特性、负载效应和抗干扰特性指标来考察其质量。在动态测量中，则需要用四方面的特性指标来考察测量仪器的质量，因为四方面的特性都将影响测量结果。 尽管静态特性和动态特性都影响测量结果，两者彼此也有一定联系，但是它们的分析和测试方法有着明显的差异，因此为了简明、方便，在目前阶段上，通常仍然把它们分开处理。 二、 测量系统的静态特性 在静态测量中，微分方程中各阶微分项均为零，因而定常线性系统的输入---输出微分方程式就