1、第二章第二章 测量系统测量系统测量系统及其静、动态特性测量系统及其静、动态特性第二章第二章 测量系统测量系统2.1 概述概述2.1.1 2.1.1 测量系统的组成测量系统的组成u传感器：传感器：将被测特征量转换成电量信号u信号调理：信号调理：将传感器所得的信号进行放大、滤波、调制和解调等处理，转变为适合传输或后续处理的信号u信号分析处理信号分析处理：将调理后的信号送入计算机或微处理器做进一步的分析处理，如小波变换、频谱分析等u结果显示打印记录结果显示打印记录：将测量所得的信息变换成易于理解的形式输出被测被测对象对象被测量被测量传感器传感器信号调理信号调理单元单元信号分析信号分析处理单元处理单元
2、结果输出结果输出显示记录显示记录激励激励装置装置反馈反馈控制控制4测量原理：测量原理：测量的科学基础测量的科学基础长度测量：光干涉原理速度测量：多普勒效应测量方法：测量方法：按类别叙述的实现被测量和标准量相比较按类别叙述的实现被测量和标准量相比较的策略或方法的策略或方法接触测量和非接触测量直接测量和间接测量绝对测量与相对测量在线测量和离线测量原位测量和离位测量静态测量和动态测量2.1.2 2.1.2 测量原理、方法测量原理、方法接触测量和非接触测量接触测量和非接触测量5LEDExtender and Collimating LensLong-working-distance Objective
3、Reference MirrorPolariodAperture StopBeam SplitterZoom LensFrame GrabberDigital CCD CameraNano-PositionerControllerNano-PositionerMicro-DeviceLong-working-distance ObjectiveXYZ Precision Positioning StagesPositioning Stages Controller传感器（测头）是否与被测对象接触传感器（测头）是否与被测对象接触微型三坐标测头干涉法测量表面形貌STMSTM的基本结构的基本结构（非
4、接触式测量）非接触式测量）探针形变检测方式探针形变检测方式 AFM(AFM(接触式测量接触式测量)直接测量和间接测量直接测量和间接测量8微悬臂梁和微泵谐振频率的自由衰减法测试微悬臂梁和微泵谐振频率的自由衰减法测试纳米线材料的力学特性测量纳米线材料的力学特性测量被测量的获取方式被测量的获取方式原子力显微镜弯曲法测量杨氏模量振动法测量杨氏模量绝对测量与相对测量绝对测量与相对测量9被测量和标准量的比较方法被测量和标准量的比较方法纳米测量机量块比较仪在线测量和离线测量在线测量和离线测量10原位测量和离位测量原位测量和离位测量“线线”：生产线：生产线“位位”：工位：工位静态测量和动态测量静态测量和动态测
5、量11-0.35-0.3-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.15050100150200250300350400Motion Phase /In-plane displacement D/mY axis motionX axis motion被测量是否随时间变化被测量是否随时间变化一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置换成某种可用信号输出的器件和装置12常用的涡流探头前置器常用的涡流探头前置器加速度传感器加速度传感器力传感器力传感器智能式压力变送器智能式压力变送器2.1.
6、3 2.1.3 传感器传感器对（传感器输出的）信号进行变换、隔离、滤波、放大、驱对（传感器输出的）信号进行变换、隔离、滤波、放大、驱动等，以便进一步传输和处理动等，以便进一步传输和处理13B&K 测量放大器测量放大器2525放大、自动量程放大、自动量程低通和高通滤波器（用户自定义）低通和高通滤波器（用户自定义）通道：通道：1 1 输入电荷量：输入电荷量：10104 4pC pC 增益：增益：1-1000mV/pC 1-1000mV/pC 输出：输出：5V5V滤波单元滤波单元 高阻输入、低阻输出高阻输入、低阻输出 规范输出规范输出2.1.4 2.1.4 信号调理信号调理对来自信号调理环节的信号，
7、进行各种运算、分析，并输对来自信号调理环节的信号，进行各种运算、分析，并输出结果出结果14 模拟信号处理模拟信号处理 运算：微分、积分、对数运算：微分、积分、对数 数字信号处理数字信号处理 信号量化信号量化 编程处理：信号分析编程处理：信号分析2.1.5 2.1.5 信号分析处理信号分析处理以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或者将测量以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或者将测量结果存储结果存储 152.1.6 2.1.6 显示记录显示记录举例：举例：测速系统方框图测速系统方框图16含噪声电压信号含噪声电压信号 去噪处理去噪处理 积分处理积分处理 放大处理放大处理第二章第二章 测量系
8、统测量系统2.2 测量系统的特性测量系统的特性2.2.2.12.1 测量系统的测量系统的输出输出输入特性输入特性18测量系统的输出测量系统的输出输入特性是测量系统的最基本传递输入特性是测量系统的最基本传递特性，系统的各种性能指标都是根据其输出和输入的特性，系统的各种性能指标都是根据其输出和输入的对应关系来描述的对应关系来描述的静态特性：静态特性：当被测量不随时间的变化而变化或变化十分缓慢（准静当被测量不随时间的变化而变化或变化十分缓慢（准静态）时态）时，输出和输入量之间的关系，输出和输入量之间的关系动态特性：动态特性：当被测量是瞬态值或随时间的变化值时，系统的输出信当被测量是瞬态值或随时间的变
9、化值时，系统的输出信号（响应）和输入信号（激励）之间的关系号（响应）和输入信号（激励）之间的关系h(t)H(t)x(t)X(t)y(t)Y(t)输入系统输出2.2.2 2.2 2 测量系统的静态特性测量系统的静态特性19测量范围、量程测量范围、量程灵敏度、分辨力灵敏度、分辨力线性度线性度重复性、稳定性重复性、稳定性测量误差测量误差准确度准确度测量不确定度测量不确定度测量范围与量程测量范围与量程20标称标称示值区间示值区间（nominal indication interval），），简称标称标称区间（区间（nominal interval）：当测量仪器或测量系统调节到）：当测量仪器或测量系统调
10、节到特定位置时获得并用于指明该位置的、化整或近似的极限特定位置时获得并用于指明该位置的、化整或近似的极限示值所界定的一组量值。示值所界定的一组量值。标称示值区间通常以它的最小和最大量值表示，例如100V200V。在某些领域，此术语也称“标称范围（nominal range）”。标称量值（标称量值（nominal quantity value），），简称标称值：测量标称值：测量仪器或测量系统特征量的经化整的值或近似值，以便为适仪器或测量系统特征量的经化整的值或近似值，以便为适当使用提供指导。当使用提供指导。标在标准电阻器上的标称量值：100标在单刻度量杯上的量值：1000mL盐酸溶液HCl的物质
11、的量浓度：0.1mol/L恒温箱的温度为-20标称示值区间的标称示值区间的量程（量程（span）：标称示值区间的两极限量值：标称示值区间的两极限量值之差的绝对值，主要用于计算测量系统的之差的绝对值，主要用于计算测量系统的引用误差引用误差。例：对从-10V+10V的标称示值区间，其标称示值区间的量程为20V。测量区间测量区间（measuring interval），），又称工作区间（工作区间（working interval）：在规定条件下，由具有一定的测量不确定度的测）：在规定条件下，由具有一定的测量不确定度的测量仪器或测量系统能够测量出的一组同类量的量值。量仪器或测量系统能够测量出的一组同类
12、量的量值。在某些领域，此术语也称“测量范围（measuring range）或工作范围（working range）”。测量区间要小于等于标称区间。测量范围与量程测量范围与量程灵敏度、灵敏度、分辨力分辨力22灵敏度（灵敏度（sensitivity）：）：测量系统的示值变化除以相应被测量的量值变化所得的商对于线性系统，灵敏度与输入量的大小无关，是常数，可用测量仪器在稳态下输出增量与输入变化量之比来表示，即拟合直线的斜率；对于非线性误差较大的测量仪器，灵敏度与输入量的大小有关，应该用仪器输出量对输入量的导数来表示，或用某一较小输入量区域的拟合直线斜率表示。显示装置的显示装置的分辨力分辨力（reso
13、lution）：）：能有效辨别的显示示值间的最小差值测量仪器可处于不工作状态通常模拟式显示装置的分辨力为标通常模拟式显示装置的分辨力为标尺分度值的一半，数字式显示装置尺分度值的一半，数字式显示装置的分辨力为末位数字的一个数码的分辨力为末位数字的一个数码分辨分辨力力 or or 分辨分辨率率？分辨力（resolution）：smallest change in a quantity being measured that causes a perceptible change in the corresponding indicationNOTE Resolution can depend on
14、,for example,noise(internal or external)or friction.It may also depend on the value of a quantity being measured.引起相应示值产生可觉察到的变化的被测量的最小变化。引起相应示值产生可觉察到的变化的被测量的最小变化。【注注】分辨分辨力可能与诸如噪声（内部的或外部的）或摩擦有关，也可能与被测量力可能与诸如噪声（内部的或外部的）或摩擦有关，也可能与被测量值有关。值有关。23JCGM 200:2008，International vocabulary of metrology Basic a
15、nd general concepts and associated terms(VIM)分辨率：有效区域内水平和垂直方向上的像素数（国标分辨率：有效区域内水平和垂直方向上的像素数（国标GB18910.1）。）。对于测量系统或仪器，分辨率和有效分辨率应属于禁止使用的名词术语线性度线性度线性度是表征测量仪器输出线性度是表征测量仪器输出输入特性曲线与拟合直线之间输入特性曲线与拟合直线之间接近或偏离程度的指标，称为该测量仪器的接近或偏离程度的指标，称为该测量仪器的“非线性误差非线性误差”或或“线性度线性度”通常用量程内输入通常用量程内输入输出特性曲线与拟合直线的输出量最大输出特性曲线与拟合直线的输出
16、量最大偏差的绝对值与满量程输出值之比来表示线性度偏差的绝对值与满量程输出值之比来表示线性度静态测量系统的非线性一般采用静态测量系统的非线性一般采用参数变换法参数变换法、分段线性插值分段线性插值法法和和曲线拟合法曲线拟合法进行线性进行线性校正校正24max100%LFSeY测量重复性、复现性、中间精密度测量重复性、复现性、中间精密度重复性重复性测量条件条件 repeatability condition of measurementrepeatability condition of measurement：相同测量程序、相同操作者、相同测量系统、相同操作条件和相同地点，并在短时间内对同一或相类
17、似的被测对象重复测量的一组测量条件测量重复性重复性 measurement repeatabilitymeasurement repeatability：在一组重复性测量条件下的测量精密度复现性复现性测量条件条件 reproducibility condition of measurementreproducibility condition of measurement：不同地点、不同操作者、不同测量系统，对同一或相类似被测对象重复测量的一组测量条件测量复现性复现性 measurement reproducibilitymeasurement reproducibility：在复现性测量条件
18、下的测量精密度中间精密度中间精密度测量条件条件 intermediate precision condition of measurementintermediate precision condition of measurement：除了相同测量程序、相同地点，以及在一个较长时间内对同一或相类似被测对象重复测量的一组测量条件外，还可包括涉及改变的其它条件改变可包括新的校准、校准器、操作者和测量系统中间中间测量精密度精密度 intermediate measurement precisionintermediate measurement precision：在一组中间精密度测量条件下的测量
19、精密度25稳定性、漂移稳定性、漂移稳定性（稳定性（stability）：测量仪器保持其计量特性随时间恒）：测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。定的能力。用计量特性变化到某个规定的量所经过的时间间隔表示；用特性在规定时间间隔内发生的变化表示。漂移（漂移（drift）：）：由于测量仪器计量特性的变化引起的示值由于测量仪器计量特性的变化引起的示值在一段时间内的连续或增量变化在一段时间内的连续或增量变化温度、压力、湿度，仪器本身性能的不稳定26回程误差回程误差回程误差是指在相同条件下，测量仪器正（输入量增回程误差是指在相同条件下，测量仪器正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，输出输入曲线的大）
20、反（输入量减小）行程期间，输出输入曲线的不重合程度不重合程度这种现象称为迟滞，往往是由磁性材料的磁滞、弹性材料的变形迟滞、机械结构的摩擦及间隙等原因引起的测量时输入量要增大和减小各一次，再将两测量结果算术平均来减小回程误差的影响27100%hhFSeY测量误差测量误差测量测量误差误差 （error of measurement）测得的量值减去参考量值。测得的量值减去参考量值。1、测量误差的概念在以下两种情况下均可使用：当涉及存在单个参考量值，如果测得值的测量不确定度可忽略的测量标准进行校准，或约定量值给定时，测量误差是已知的；假设被测量使用唯一的真值或范围可忽略的一组真值表征时，测量误差是未知
21、的。2、测量误差不应与出现的错误或过失相混淆。相对误差（相对误差（relative error）测量误差除以被测量的真值相对误差只有大小和符号，而无量纲，一般用百分数来表示当被测量值相差较大时，用相对误差才能进行有效的测量水平比较28示值误差、最大允许误差、引用误差示值误差、最大允许误差、引用误差29示值误差示值误差（error of indication）：测量仪器示值与对：测量仪器示值与对应输入量的参考量值之差应输入量的参考量值之差就实物量具而言，示值就是赋予它的值最大允许测量误差最大允许测量误差（maximum permissible measurement errors），），简称最大
22、允许误差，最大允许误差，又称误误差限差限（limit of error）：对给定的测量仪器或测量系：对给定的测量仪器或测量系统，由规范或规程所允许的，相对于已知参考量值的统，由规范或规程所允许的，相对于已知参考量值的测量误差的极限值。测量误差的极限值。引用误差引用误差（fiducial error）：测量仪器或测量系统的：测量仪器或测量系统的误差除以仪器的特定值误差除以仪器的特定值该特定值一般称为引用值，例如，可以是测量仪器的量程或标称范围的上限（此时可称为满量程误差）。测量仪器的准确度测量仪器的准确度（accuracy of a measuring instrumentaccuracy of
23、 a measuring instrument）定义：定义：测量仪器给出接近于真值的响应的能力测量仪器给出接近于真值的响应的能力准确度是个定性的概念，不给出有数字的量值测量仪器准确度是表征其品质和特性的最主要的性能如何定量来描述？准确度等级准确度等级 accuracy class在规定工作条件下，符合规定的计量要求，使测量误差或仪器不确定度保持在规定极限内的测量仪器或测量系统的等别或级别。注：1、准确度等级通常用约定采用的数字或符号表示。2、准确度等级也适用于实物量具。例：（1）电工测量指示仪表分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等七级，指的是该仪器满量程的引用误差；（2
24、）百分表分为0，1，2级，这是以示值最大允许误差来确定30误差（测量仪器）举例（误差（测量仪器）举例（1 1）示值误差：示值误差：被检电流表的示值被检电流表的示值I为为40A，用标准电流表检，用标准电流表检定，其电流实际值为定，其电流实际值为41A，那么示值，那么示值40A的误差的误差40411A示值示值误差：误差：JJG30-2002通用卡尺检定规程通用卡尺检定规程31误差（测量仪器）举例（误差（测量仪器）举例（2 2）引用误差引用误差：一台标称区间为：一台标称区间为0150V的电压表，当示值的电压表，当示值为为100.0V处，用标准电压表检定所得到的实际值为处，用标准电压表检定所得到的实际
25、值为99.4V，则，则该处该处的引用误差为（的引用误差为（100.099.4）/1501000.4满量程（Full scale）误差：0.4FS32采用引用误差表述测量仪器的准确度等级：指示式电工仪表分为采用引用误差表述测量仪器的准确度等级：指示式电工仪表分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七个准确度等级，都是仪表最大允许误差除以量七个准确度等级，都是仪表最大允许误差除以量程的百分数（）来表示的程的百分数（）来表示的测量仪器的测量仪器的精度精度？33准确度、正确度、精密度准确度、正确度、精密度测量准确度测量准确度 measurement accuracymeasureme
26、nt accuracy：被测量的测得值与其真值间的一致程度不是一个量，也不给出数值。当测量给出较小的测量误差时，就说该测量更准确测量正确度测量正确度 measurement truenessmeasurement trueness：无穷多次重复测量所得测得值的平均值与一个参考量值间的一致程度不是一个量，不能用数值表示与系统测量误差含义接近，不用来表示随机测量误差测量精密度测量精密度 measurement precisionmeasurement precision：在规定条件下，对同一或类似被测对象重复测量所得示值或测得值间的一致程度通常用不精密度以数字形式表示，如在规定测量条件下的标准偏差
27、、方差或变差系数规定条件可以是诸如重复性测量条件重复性测量条件、中间精密度测量条件中间精密度测量条件或再现性测量再现性测量条件条件测量精密度用于定义测量重复性测量重复性、中间测量精密度中间测量精密度和测量再现性测量再现性34测量仪器的其他特性测量仪器的其他特性零值误差（零值误差（zero errorzero error）：测得值为零值时的基值测量误差。）：测得值为零值时的基值测量误差。基值误差（datum error）：在规定的测得值上测量仪器或测量系统的测量误差。零值误差不应与没有测量误差相混淆。仪器偏移（仪器偏移（instrument instrument biasbias）：重复测量示值
28、的平均值减去参）：重复测量示值的平均值减去参考量值。考量值。参考工作条件（参考工作条件（reference reference operation operation conditionsconditions）：为测量）：为测量仪器或测量系统的性能评价或测量结果的相互比较而规定的工仪器或测量系统的性能评价或测量结果的相互比较而规定的工作条件。作条件。仪器测量不确定度为最小可能值的工作条件。仪器测量不确定度为最小可能值的工作条件。额定工作条件（额定工作条件（rated operating conditionsrated operating conditions）：为使测量仪）：为使测量仪器或测量
29、系统按设计性能工作，在测量时必须满足的工作条件器或测量系统按设计性能工作，在测量时必须满足的工作条件极限工作条件（极限工作条件（limiting operating conditionslimiting operating conditions）：为使测量）：为使测量仪器或测量系统所规定的计量特性不受损害也不降低，其后仍仪器或测量系统所规定的计量特性不受损害也不降低，其后仍可在额定工作条件下工作，所能承受的极端工作条件可在额定工作条件下工作，所能承受的极端工作条件35极限工作条件额定工作条件参考工作条件极限工作条件额定工作条件参考工作条件2.2.2 2.3 3 测量系统的动态特性测量系统的动态
30、特性36测量系统（仪器）的动态特性是指系统对随时间变化测量系统（仪器）的动态特性是指系统对随时间变化的输入量的响应特性，是系统的输出值能够真实地再的输入量的响应特性，是系统的输出值能够真实地再现变化着的输入量能力的反映现变化着的输入量能力的反映理论上，输出输入具有相同类型的时间函数实际上，输出信号不会与输入信号具有完全相同的时间函数响应时间（响应时间（response timeresponse time）：激励受到规定突变的）：激励受到规定突变的瞬间，与响应达到并保持其最终稳定值在规定极限内瞬间，与响应达到并保持其最终稳定值在规定极限内的瞬间，这两者之间的时间间隔的瞬间，这两者之间的时间间隔测
31、量系统的数学模型测量系统的数学模型37测量系统一般可视为线性定常系统（忽略系统的非线性及随机变化等测量系统一般可视为线性定常系统（忽略系统的非线性及随机变化等因素）因素）)()()()()()()()(0111101111txbdttdxbdttydbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnn 0101nmaaabbb、，、是与系统结构和特性参数有关而与时间无关的常数021mbbb测量系统的传递函数测量系统的传递函数 01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm拉普拉斯变换测量系统的数学模型测量系统的数学模型1.零阶系
32、统零阶系统(Zero-order System)理想理想系统，无任何失真和延迟系统，无任何失真和延迟2.一阶系统一阶系统(First-order System)3.二阶系统二阶系统(Second-order System)()(00txbtya)()()(00tKxtxabtyK=b0/a0 为系统静态灵敏度(Sensitivity)()()(001txbtyadttdya)()()(tKxtydttdy)()()()(001222txbtyadttdyadttyda)()()(2)(2222tKxtydttdydttydnnn=a1/a0 为系统时间常数(Time Constant)为系统无
33、阻尼固有频率(Intrinsic Frequency)(rad/s)20aan2012aaa为系统阻尼比(Damping Radio)测量系统的数学模型测量系统的数学模型39h(t)H(t)x(t)X(t)y(t)Y(t)输入系统输出u传递函数 反映的是系统本身的特性，只与系统结构参数ai、bj有关，而与输入量x(t)无关u已知系统的输入量和传递特性，可求出系统的输出量；已知系统的输入量和输出量，可求出系统的传递特性；已知系统的输出量和传递特性，可求出系统的输入量u同一个传递函数可能表征着两个或多个完全不同的物理系统，说明它们具有相似的传递特性。但不同的物理系统有不同的系数量纲测量系统的数学模
34、型测量系统的数学模型40X(s)Y(s)H1(s)H2(s)Hn(s)ninisHsHsHsHsH121)()()()()(X(s)Y(s)H1(s)H2(s)Hn(s)121()()()()()niniH sH sH sHsHs)()(1)()(211sHsHsHsH串联系统串联系统并联系统并联系统反馈系统反馈系统测量系统动态特性的分析测量系统动态特性的分析测量系统的动态特性一般并不是直接给出其微分方程测量系统的动态特性一般并不是直接给出其微分方程或传递函数，而是通过实验给出一些动态特性指标或传递函数，而是通过实验给出一些动态特性指标输出量达到稳定状态后与理想输出量之间的差别当输入量跃变时，
35、输出量由一个稳态到另一个稳态之间的过渡状态中的误差在实际测量中，选定几种最典型、最简单标准信号作在实际测量中，选定几种最典型、最简单标准信号作为输入函数，将其代入系统的典型环节中来研究系统为输入函数，将其代入系统的典型环节中来研究系统的响应特性的响应特性常用的输入标准信号有阶跃函数、正弦函数、指数函数及冲击函数等阶跃函数和正弦函数阶跃函数和正弦函数既易于实现，又便于求解，因此是研究系统动态特性最常用的输入信号41测量系统动态特性的分析测量系统动态特性的分析以阶跃信号函数作为输入信号研究系统动态特性的方以阶跃信号函数作为输入信号研究系统动态特性的方法，称为阶跃响应法，也叫时域的瞬态响应法法，称为
36、阶跃响应法，也叫时域的瞬态响应法常用上升时间、响应时间、上升时间、响应时间、超超调量调量等参数来综合描述采用正弦信号作为输入信号研究系统的动态特性的方采用正弦信号作为输入信号研究系统的动态特性的方法，称为频率响应法法，称为频率响应法一般使用幅频特性与相频特性进行描述，评价指标为频带宽度，简称带宽带宽，即系统输出增益变化不超出某一规定分贝值的频率范围42阶跃响应及时域特性阶跃响应及时域特性单位阶跃函数单位阶跃函数43一阶环节的阶跃响应二阶环节的阶跃响应TrTpm0100)(ttyxcy时间常数（时间常数（）：）：输值由零上升到稳态值 的63.2所需的时间；它越短，表示系统响应越快上升时间（上升时
37、间（）：）：输出值从稳态值 的10上升到90所需的时间响应时间（响应时间（）：）：响应曲线衰减到与稳态值之差不超过（通常取2或5）所需的时间最大超调量（最大超调量（）：）：响应曲线的最大峰值与稳态值之差，即峰值时间（峰值时间（）：）：响应超过稳态值，达到第一个峰值所需的时间延滞时间（延滞时间（）：）：响应曲线达到稳态值50所需的时间稳态误差：稳态误差：无限长时间后系统的稳态输出值与目标值之间的偏差的相对值rTcysTmcmyymaxPTdT频率响应及频域特性频率响应及频域特性根据线性系统的频率保持特性，输出与输入的频率相同，但其幅值和相位角差都是频率的函数。幅值、相位与频率之间关系称为频率响应
38、特性440()sinx tXt0()sin()y tYt01110111)()()()()()()()()(ajajajabjbjbjbjXjYjHnmnmmmmm频率响应函数也可定义为系统稳态输出量的傅里叶变换与输入量的傅里叶变换之比A()为系统的幅频特性，A()曲线称为幅频特性曲线()为系统的相频特性，()曲线称为相频特性曲线()()()jH jAe()()AH j表示输出与输入幅值比随频率而变化的关系)Im()Re()(jjH)()(Re)()(Imarctan)(jXjYjXjY不失真测试系统的频率响应不失真测试系统的频率响应4500()()y tA x tt不失真测试系统的时域波形不
39、失真测试系统的时域波形00()()()j tY jH jA eX j00()()AAt 一阶系统的频率特性一阶系统的频率特性46)()()(0001txabtydttdyaa()()()dy ty tx tdt1()1Hss2211()11()1()Hjjj2)(11)(A)arctan()(时间常数时间常数静态灵敏度静态灵敏度1/()1A一阶测试系统是一个低通环节，只适用于被一阶测试系统是一个低通环节，只适用于被测量缓变或低频的参数，时间常数越小，则测量缓变或低频的参数，时间常数越小，则响应越快响应越快()二阶系统的频率特性二阶系统的频率特性472222)(nnnsssH)(2)(1 1)(
40、2nnjjH12 2222()1()4()nnA2)(1)(2arctan)(nn20aan2012aaa传递函数传递函数幅频特性幅频特性相频特性相频特性固有角频率固有角频率阻尼系数阻尼系数221002()()()()d y tdy taaa y tb x tdtdt1/n，很小时，很小时，()1A()很小很小，相位差与频率成线性关系相位差与频率成线性关系/1n，系统发生共振，若此时系统阻尼系数较小，系统发生共振，若此时系统阻尼系数较小，()A急剧增大，增大幅度与阻尼系数成反比，输出相位角总是滞后急剧增大，增大幅度与阻尼系数成反比，输出相位角总是滞后90二阶系统是个振荡环节，为了使测试结果能精
41、确地再现被测信号的波形二阶系统是个振荡环节，为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形0.6 0.7/0.3n 幅频和相频特性接近一条直线幅频和相频特性接近一条直线第二章第二章 测量系统测量系统2.3 测量系统的标定测量系统的标定2.2.3 3 测量系统静态、动态特性参数的测定测量系统静态、动态特性参数的测定实验确定测量仪器或系统静态、动态特性指标实验确定测量仪器或系统静态、动态特性指标静态特性指标：输出输入关系（系统标定系统标定）动态特性指标：以一个标准激励信号作输入，测出其输出信号，从而求得需要的特性参数瞬态函数，如阶跃波、半正弦波等，以阶跃波最为常用周期函数，如正弦波、三角波等，以正弦波为
42、常用49检定和校准哪个更接近于标定？检定和校准哪个更接近于标定？50检定（检定（verification verification）：）：查明和确定计量器具是否符合法定要求的查明和确定计量器具是否符合法定要求的程序，它包括检查、加标记和（或）出具检定证书程序，它包括检查、加标记和（或）出具检定证书具有法制性具有法制性，其对象是法制管理范围内的计量器具JJF10012011通用计量术语及定义 第9部分法制计量和计量管理；VIM verification（验证）：提供客观证据证明给定项目满足规定的要求校准（校准（calibrationcalibration）：）：在规定条件下的一组操作，其第一步是
43、确定由测量标准提供的量值与相应示值之间的关系，这里测量标准提供的量值与相应示值都有测量不确定度，第二步则是用此信息确定由示值获得测量结果的关系。校准可以用文字说明、校准函数、校准图、校准曲线或校准表格的形式表示。某些情况下，可以包含示值的具有测量不确定度的修正值或修正因子校准结果可以记录在校准证书或校准报告中测量系统的调整：测量系统的调整：为使测量系统提供相应于给定被测量值的指定示值，对测量系统进行的一组操作，如：零位调整、偏置量调整、量程调整输出输出输入关系输入关系的的标定标定标定标定（calibration）：与：与“校准校准”常是同等使用常是同等使用误用：具有“检定”的意思校准和标定存在
44、的习惯用法校准和标定存在的习惯用法在制造或调试过程中对已有标尺作量值传递或准确度测试的操作称作“校准”确定对应于传递量值位置并刻录（或确定仪表系数）的操作称作“标定”51中国制造计量器具许可证（中国制造计量器具许可证（CMCCMC，China Metrology Certification China Metrology Certification）52动态特性的阶跃信号响应法动态特性的阶跃信号响应法一阶系统时间常数的测定一阶系统时间常数的测定53xbyadtdya001/)/exp(1)(tkAty01/aa00/abk 时间常数静态灵敏度)/()(1lnkAtyZ/tZ)/exp()/()
45、(1tkAty/tZKA动态特性的阶跃信号响应法动态特性的阶跃信号响应法二阶系统阻尼比和固有频率的测定二阶系统阻尼比和固有频率的测定542221()1sin(1arctan)1ntney tt 阶跃响应函数阶跃响应函数21n最大超调量最大超调量为圆频率作衰减振荡，称为有为圆频率作衰减振荡，称为有阻尼固有频率阻尼固有频率12exp()1M211()1lnM阻尼比阻尼比22211dndT固有频率固有频率利用任意两个超调量来确定利用任意两个超调量来确定221i ninntt22ln1ii nMnM减少了信号幅值不理想带来的影响35动态特性的正弦信号响应法动态特性的正弦信号响应法一阶系统时间常数的测定
46、一阶系统时间常数的测定二阶系统阻尼比和固有频率的测定二阶系统阻尼比和固有频率的测定通常通过幅频特性曲线估计其固有频率和阻尼比55()()()()()jY jH jAeX j 逐点改变正弦信号的频率逐点改变正弦信号的频率 ，测得系统的输出信，测得系统的输出信号对应各频率的幅值号对应各频率的幅值 和相位和相位 ，即可得，即可得到系统的幅频和相频特性曲线到系统的幅频和相频特性曲线()A()2)(11)(A)arctan()(212rn12 2222()1()4()nnA2()1(0)21rAA变速扫描原子力显微镜变速扫描原子力显微镜AFMAFM5643254320.010170.023010.010250.082550.2908()0.890.14350.45350.01890.1713zzzzG zzzzzz白噪声辨白噪声辨识出系统识出系统传递函数传递函数幅频幅频/相频相频特性特性和和单位单位阶跃阶跃响应响应系统系统仿真仿真实实 验验 验验 证证本章结束！本章结束！
