工程测试技术5.ppt
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1、工程测试技术 第五章 测试系统特性,本章学习要求: 建立测试系统的概念; 了解测量误差的概念; 了解测试系统特性对测量结果的影响; 了解测试系统特性的测量方法。,工程测试技术,2,本章目录,5.1 概述(2学时) 5.2 测量误差 5.3 测试系统的静态特性 5.4 测试系统的动态特性 5.5 测试系统实现精确测量的条件,工程测试技术,3,组建或选择合适而有效的测量系统时,除了需要了解信号的特点外,还需要了解测量系统的技术特性。 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。被测的物理量亦即信号作用于一个测试系统,而该系统在输入信号亦即激励的驱动下对它进行“加工”,并将经“加工”后的信号进
2、行输出。,5.1 概述,信号,前置处理,A/D 转换,数据输出,数字处理,工程测试技术,4,1. 测试系统与输入、输出之间的关系,若已知输入量和系统的传递特性,则可求出系统的输出量(系统辨识)。 已知系统的输入和输出量,求系统的传递特性(反求)。 已知系统的传递特性和输出量,来推知系统的输入量(预测)。,工程测试技术,5,希望输入与输出之间是一种一一对应的确定关系,因此要求系统的传递特性是线性的。 对于静态测量,系统的线性特性要求并非是必须的,采取曲线校正和补偿技术来作非线性校正较为容易。 对于动态测量,对测试装置或系统的线性特性关系的要求便是必须的。在动态测量的条件下,非线性的校正和处理难于
3、实现且十分昂贵。,2. 测量系统的基本要求,工程测试技术,6,5.2 测量误差,真值即真实值,是指在一定时间和空间条件下,被测物理量客观存在的实际值。真值通常是不可测量的未知量,一般说来,真值是指理论真值、规定真值和相对真值。 理论真值:理论真值也称绝对真值,如平面三角形内角之和恒为180。 规定真值:国际上公认的某些基准量值,如米是光在真空中(1/299792458)s时间间隔内所经路径的长度。这个米基准就当作计量长度的规定真值。规定真值也称约定真值。 相对真值:是指计量器具按精度不同分为若干等级,上一等级的指示值即为下一等级的真值,此真值称为相对真值。 输出信号的质量必定差于输入信号的质量
4、。 受测试系统的特性影响; 受信号传输过程中干扰的影响。,工程测试技术,7,5.2.1 误差的定义,误差存在于一切测量中,误差定义为测量结果减去被测量的真值: E=xx0 式中,E测量误差(又称真误差); x指示值; x0被测量的真值。 残余误差:测量结果减去被测量的最佳估计值 =xxa 式中,表示残余误差(简称残差); xa表示真值的最佳估计(也即约定真值)。,工程测试技术,8,系统误差 定义:每次测量同一量时,呈现出相同的或确定性方式的那些测量误差。 产生原因:由标定误差、持久发生的人为误差、不良仪器造成的误差、负载产生的误差、系统分辨率局限产生的误差等因素所产生。 随机误差 定义:每次测
5、量同一量时,其数值均不一致、但却具有零均值的那些测量误差。 产生的原因:测量人员的随机因素、设备受干扰、实验条件的波动、测量仪器灵敏度不够等。 过失误差或非法误差 意想不到而存在的误差。 如实验中因过失引起的误差,实验之后的计算误差等。,5.2.2 根据误差的性质分类,工程测试技术,9,随机误差具有明显的统计分布特性。常常采用统计分析来估计该误差的或然率大小。系统误差则不可以用统计方法来处理,因为系统误差是一个固定的值,它并不呈现一种分布的特征。系统误差和随机误差常常同时发生。,(a)系统误差大于随机误差 (b)随机误差大于系统误差,工程测试技术,10,静态误差 用来确定时不变测量值的线性测量
6、仪器,其传递特性为一常数。而相应的非线性测量仪器的输入-输出关系是用代数方程或超越方程来描述的。因而所产生的误差一般仅取决于测量值大小而其本身不是时间的函数。这种误差称静态误差。 动态误差 在测量时变物理量时,要用微分方程来描述输入-输出关系。此时产生的误差不仅取决于测量值的大小,而且还取决于测量值的时间过程。将这种误差称动态误差。,5.2.3 根据测量的类型分类,工程测试技术,11,5.2.4 误差的表示方法,绝对误差:绝对误差E,是指测得值x与真值x0之差,可表示为:Ex - x0; 相对误差:相对误差是指绝对误差与被测真值之比值,通常用百分数表示,即:rE/x0 *100% 引用误差(满
7、量程误差):引用误差是指测量仪器的绝对误差除以仪器的满度值所得的值,即: rmE/xm*100% 式中,rm表示测量仪器的引用误差;xm表示测量仪器的满度值,一般又称为引用值,通常是测量仪器的量程。 引用误差实质是一种相对误差,可用于评价某些测量仪器的准确度高低。国际规定电测仪表的精度等级指数a分为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0共7个等级。,工程测试技术,12,5.3 测试系统的静态特性,当被测量是恒定的或慢变的物理量时,称为静态测量。 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,主要包括: 灵敏度 量程及测量范围 非线性 迟滞 重复性 准确度 分辨率 漂移。
8、,工程测试技术,13,1. 灵敏度(Sensitivity),定义:单位被测量引起的仪器输出值的变化。 理想的静态量测量装置应具有单调、线性的输入输出特性,其斜率为常数。这种情况下,仪器的灵敏度k就等于特性曲线的斜率,即 ky/xy/x常数 当特性曲线无线性关系时,灵敏度的表达式为: 灵敏度是一个有因次的量,因此在讨论测量系统的灵敏度时,必须确切地说明它的因次; 灵敏度有时亦称增益或标度因子。 许多测量单元的灵敏度是由其物理属性或结构所决定的。,工程测试技术,14,2. 量程(Span)及测量范围(FSR),定义:测量系统能测量的最小输入量(下限)至最大输入量(上限)之间的范围称为量程。测量上
9、限值与下限值的代数差称为测量范围。 如量程为-50200的温度计的测量范围是250。仪器的量程决定于仪器中各环节的性能,假如仪器中任一环节的工作出现饱和或过载,则整个仪器都不能正常工作。 有效量程或工作量程是指在此范围内测量仪器所侧得的数值,其误差均不会超过规定值。仪器量程的上限与下限构成了仪器可以进行测量的极限范围,但并不代表仪器的有效量程。,工程测试技术,15,3. 非线性(Nonlinearity),定义:非线性通常也称为线性度,是指测量系统的实际输人输出特性曲线对于理想线性输人输出特性的接近或偏离程度。它用实际输入输出特性曲线对理想线性输入输出特性曲线的最大偏差量与满量程的百分比来表示
10、,即,显然L越小,系统的线性越好,实际工作中经常会遇到非线性较为严重的系统,此时,可以采取限制测量范围、非线性拟合或非线性放大器等技术措施来提高系统的线性。,工程测试技术,16,4. 迟滞(Hysteresis),定义:迟滞性亦称滞后量、滞后或回程误差,表征测量系统在全量程范围内,输人量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)两者静态特性不一致的程度,用对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者与全量程之比的百分数表示: H=Hmax/YFS,工程测试技术,17,5. 重复性(Repeatability),表示由同一观察者采用相同的测量条件、方法及仪器对同一被测量所做的一组测量之
11、间的接近程度。 表征测量仪器随机误差接近于零的程度。,工程测试技术,18,6. 准确度(Combined Error),定义:准确度是指测量仪器的指示接近被测量真值的能力。准确度是重复误差和线性度等的综合。 准确度可以用输出单位来表示,例如温度表的准确度为1,干分尺的准确度为0.001mm等。但大多数测量仪器或传感器的准确度是用无量纲的百分比误差或满量程百分比误差来表示的,即 相对误差:E(%)= x/x0*100% 而在工程应用中多以仪器的满量程百分比误差来表示,即 满量程误差:E(%FSR)x/YFS*100% 准确度表示测量的可信程度,准确度不高可能是由仪器本身或计量基准的不完善两方面原
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