第章测试系统特性分析.ppt

第三章 测试系统特性分析Characteristic analysis of measurement systems 王伯雄 本章主要学习内容 3.1 概述 3.2 测量误差 3.3 测试系统的静态特性 3.4 测试系统的动态特性 3.5 测试系统实现精确测量的条件 3.6 测试系统的负载效应 3.1 概述 信号与系统紧密相关。 被测的物理量,亦即信号,作用于测试系统，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”后的信号进行输出。 输出信号的质量必定不好于输入信号的质量。 受测试系统的特性影响； 受信号传输过程中干扰（interference）的影响。 测试系统与其输入、输出间的3种关系 ： 已知输入量和系统的传递特性，求系统输出量。 已知输入和输出量，求系统传递特性。 已知系统的传递特性和输出量，求系统输入量。 希望输入与输出间是一种一一对应的确定关系，因此要求系统 传递特性是线性的。 对静态测量，系统的线性特性要求并非必须，采取曲线校正和补偿技术作非线性校正较为容易。 对动态测量 ，测试装置或系统的线性特性关系要求便是必须的。动态测量中，非线性校正和处理难于实现且昂贵。 3.2 测量误差 定义： 误差(error) E是指示值与真值或准确值的差： E=xm-x (3.1) xm－指示值(indication)； x－真值(true value)或准确值。 校正值或修正值(correction) B是与误差E的数值相等但符号相反的值 ： B=x-xm (3.2) 分类一（根据误差性质）： 系统误差(systematic error)： 定义：每次测量同一量时，呈现出相同的或确定性方式的测量误差。 产生原因：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，等等。 随机误差(random error)： 定义：每次测量同一量时，其数值均不一致，但却具有零均值的测量误差。 产生原因：测量人员的随机因素，设备受干扰，实验条件波动，测量仪器灵敏度不够等。 过失误差或非法误差(illegitimate error)： 意想不到而存在的误差。 如实验中因过失或错误引起的误差，实验之后的计算误差等。 随机误差具有明显的统计分布特性。常用统计分析来估计该误差的或然率大小。 系统误差不可以用统计方法来处理，系统误差是一个固定的值，并不呈现分布的特征。 系统误差和随机误差常常同时发生。 分类二（根据测量类型 ）： 静态误差(static error)： 定义：确定时不变测量值的线性测量仪器，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。称这种误差为静态误差。 动态误差(dynamic error)： 定义：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，还取决于测量值的时间过程。称这种误差为动态误差。 3.3 测试系统的静态特性 当被测量是恒定的、或是慢变的物理量时 ，涉及到系统的静态特性。 静态特性(static characteristics)包括： 重复性(repeatability)； 漂移(drift)； 误差(error)； 精确度(accuracy)； 分辨率(resolution)； 线性度(linearity)； 非线性(nonlinearity)。 重复性（精度，precision）： 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间的接近程度（closeness）。 表征测量仪器随机误差接近于零的程度。 漂移： 仪器的输入未变化时，输出发生的变化。 由仪器的内部温度变化和元件不稳定性引起。 精确度： 测量仪器的指示值和被测量真值的符合程度，通过所宣称的概率界限将仪器输出与被测量的真值关联起来。 精确度是由诸如非线性、迟滞、温度变化、漂移等一系列因素所导致的不确定度之和。 灵敏度(sensitivity)： 单位被测量引起的仪器输出值的变化。 灵敏度有时亦称增益(gain)或标度因子。 分辨率： 当被测量从一个相对于零值的任意值开始连续增加时，使指示值产生一定变化量所需的输入量的变化量 。 如果指示值不是连续的，将指示的不连续步距值称作分辨率 。 数显式仪器的分辨率是指显示值最后一位数的数距。 线性度 第一种定义： 用理论刻度的端点值来确定参考直线。一个无抑零 范围的测量仪器的这条直线规定为穿过零点和最大 值的终点。线性度按误差限的概念定义为最大的偏 离量并以示值范围的百分比给出 。 第二种定义： 用定标测量