第三章测试系统特性一、概述测试系统特性包括多个方面，如响应特性、关于输入量的特性、对仪器和环境的要求：可靠性和易行性、性价比及其它诸多特性。在对测试系统的应用过程中，我们最关心的还是测试系统的响应特性、可靠性和易行性和对环境的要求三方面。测试系统的响应特性主要指输出与输入之间的关系。它包括静态响应特性和动态响应特性。为了降低或消除测试系统在测量控制系统中的误差，测试系统必须具有良好的静态和动态特性，才能使信号（或能量）按准确的规律转换。动态特性是指测试系统对于随时间变化的输入量的响应特性。静态特性是指测试系统在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。衡量测试系统静态特性的重要指标有：精度、线性度、灵敏度、分辨率、重复性、回差（迟滞）性、漂移及稳定性等八方面。二、测试系统的线性度（非线性误差）线性是指测试系统输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度（输出与输入之间保持常值比例关系的程度）。线性的好坏用线性度（也称非线性误差）表示。测试系统的线性度（非线性误差）是用测试系统校准曲线（标定曲线）与其理论拟合直线之间的最大偏差与测试系统满量程输出之比的百分数来表示，即：e, = ± ^max×100%YF.s式中：e，一一非线性误差（线性度）；△max一一校准曲线与拟合直线间的最大偏差；YF.s一一测试系统满量程输出。由此可知：非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理论直线为基准直线算出来的，因而拟合（基准）直线不同，所得线性度也不同。所以对同一测试系统
第三章 测试系统特性 一、概述 测试系统特性包括多个方面，如响应特性、关于输入量的特性、对仪器和环 境的要求；可靠性和易行性、性价比及其它诸多特性。 在对测试系统的应用过程中，我们最关心的还是测试系统的响应特性、可靠 性和易行性和对环境的要求三方面。 测试系统的响应特性主要指输出与输入之间的关系。它包括静态响应特性和 动态响应特性。为了降低或消除测试系统在测量控制系统中的误差，测试系统必 须具有良好的静态和动态特性，才能使信号（或能量）按准确的规律转换。 动态特性是指测试系统对于随时间变化的输入量的响应特性。 静态特性是指测试系统在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量 之间的关系。 衡量测试系统静态特性的重要指标有：精度、线性度、灵敏度、分辨率、重 复性、回差(迟滞)性、漂移及稳定性等八方面。 二、测试系统的线性度（非线性误差） 线性是指测试系统输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度（输 出与输入之间保持常值比例关系的程度）。 线性的好坏用线性度（也称非线性误差）表示。 测试系统的线性度（非线性误差）是用测试系统校准曲线（标定曲线）与其 理论拟合直线之间的最大偏差与测试系统满量程输出之比的百分数来表示，即： 100% max = Fs f Y e 式中： f e ——非线性误差（线性度）； max ——校准曲线与拟合直线间的最大偏差； YFs ——测试系统满量程输出。 由此可知：非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理论直线为基准直线算 出来的，因而拟合（基准）直线不同，所得线性度也不同。所以对同一测试系统
得出它的线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线。线性度反映了输出量与输入量之间保持线性关系的程度。一般来说，人们都希望输出与输入之间呈线性关系。因为在线性情况下，模拟式仪表的刻度就可以做成均匀刻度，而数字式仪表就可以不必采用线性化环节：此外，当线性的测试系统作为控制系统的一个组成部分时，它的线性性质常常可使整个系统的设计分析得到简化。三、测试系统的迟滞迟滞：指测试系统正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，其两条输出一输入特性曲线不重合的程度。迟滞误差是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。文称回程误差、滞后误差或变差。也就是说，在外界条件不变的情况下，对应于同一大小的输入信号，测试系统在正、反行程时输出信号的大小不相等。迟滞的大小一般由实验确定，其值用满量程输出的百分数表示即Amax×100%e.=±二YF.s式中：e.—一迟滞误差；Amax一一输出值在正、反行程间的最大偏差值；YF一一测试系统满量程输出。理想测量装置的输出、输入有完全单调的一一对应关系，不管输入由小增大还是由大减小，对一个给定的输入，输出总是相同的，但实际测量装置在同样的测试条件下，当输入量由小增大和由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量却往往存在着差值，即回程误差。四、测试系统的重复性重复性：指在同一工作条件下，测试系统输入量在同一方向（增加或减小）作全量程连续重复测量时所得输出一输入特性曲线不一致的程度
得出它的线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线。 线性度反映了输出量与输入量之间保持线性关系的程度。一般来说，人们都 希望输出与输入之间呈线性关系。因为在线性情况下，模拟式仪表的刻度就可以 做成均匀刻度，而数字式仪表就可以不必采用线性化环节；此外，当线性的测试 系统作为控制系统的一个组成部分时，它的线性性质常常可使整个系统的设计分 析得到简化。 三、测试系统的迟滞 迟滞：指测试系统正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，其两条输 出—输入特性曲线不重合的程度。 迟滞误差是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应 同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。又称回程误差、滞后误差 或变差。 也就是说，在外界条件不变的情况下，对应于同一大小的输入信号，测试系 统在正、反行程时输出信号的大小不相等。 迟滞的大小—般由实验确定，其值用满量程输出的百分数表示即： 100% max = FS z Y e 式中： z e ——迟滞误差； max ——输出值在正、反行程间的最大偏差值； YFs ——测试系统满量程输出。 理想测量装置的输出、输入有完全单调的一一对应关系，不管输入由小增大， 还是由大减小，对一个给定的输入，输出总是相同的，但实际测量装置在同样的 测试条件下，当输入量由小增大和由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输 出量却往往存在着差值，即回程误差。 四、测试系统的重复性 重复性：指在同一工作条件下，测试系统输入量在同一方向(增加或减小)作 全量程连续重复测量时所得输出—输入特性曲线不一致的程度
其指标用重复性误差表示：分别求出沿正、反行程多次循环测量的各个测试点输出值之间的最大偏差△m1和△m2，再取这两个最大偏差中较大者为△max，然后根据与满量程输出之比来计算重复性误差。即：Amax×100%e.=±YF-s式中：e.一重复性误差△max一一输出值最大偏差值；Yp.s一一测试系统满量程输出。多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越小。五、测试系统的灵敏度灵敏度指测试系统在到达稳定工作状态时输出量的变化量与引起此变化的输入量的变化量之比。当测试系统的输入x有一个变化量AX，它引起输出y发生相应的变化量△Y，则定义灵敏度：AYS=AX例如：某位移测试系统在位移变化1mm（输入信号的变化量）时，输出电压变化300mV（输出信号的变化量），则其灵敏度为300mV/mm。对于理想的定常线性测试系统，其灵敏度是一个常数，也就是静态特性曲线上各点的斜率，计算方法为：S=-=常数AXx非线性测试系统的灵敏度是一个变量（随输入量而变化），可用dY/X表示测试系统在某一工作点的灵敏度，其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜率。灵敏度用来描述测量装置对被测量变化的反应能力
其指标用重复性误差表示：分别求出沿正、反行程多次循环测量的各个测试 点输出值之间的最大偏差 Δm1 和 Δm2，再取这两个最大偏差中较大者为 Δmax，然 后根据与满量程输出之比来计算重复性误差。即： 100% max = FS c Y e 式中： c e ——重复性误差 max ——输出值最大偏差值； YFs ——测试系统满量程输出。 多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好，误差也越 小。 五、测试系统的灵敏度 灵敏度指测试系统在到达稳定工作状态时输出量的变化量与引起此变化的 输入量的变化量之比。 当测试系统的输入 x 有一个变化量∆X，它引起输出 y 发生相应的变化量∆Y， 则定义灵敏度： X Y S = 例如：某位移测试系统在位移变化 1mm（输入信号的变化量）时，输出电压 变化 300mV（输出信号的变化量），则其灵敏度为 300mV/mm。 对于理想的定常线性测试系统，其灵敏度是一个常数，也就是静态特性曲线 上各点的斜率，计算方法为： = = 常数 = x y X Y S 非线性测试系统的灵敏度是一个变量（随输入量而变化），可用 dY / dX 表示 测试系统在某一工作点的灵敏度，其数值等于所对应的最小二乘法拟合直线的斜 率。 灵敏度用来描述测量装置对被测量变化的反应能力
六、测试系统的漂移漂移：是指在测试系统的连续使用中，即使输入量一定，输出也会向一定方向偏离的现象。人们时常提到的漂移一般指零漂。测试系统在无输入（零输入）状态下，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值）即为零点漂移，也称为稳定性误差。它包括时间漂移和温度漂移（温漂）两种时间漂移一般指在规定的条件下，室温不变，输出随时间缓慢的变化：对于有源的测试系统，则指的是在标准工作电压条件下，零输出的变化情况。温漂是指在规定的工作条件下（工作电源），环境温度每变化1℃，零点输出（灵敏度)变化值。七、测试系统的稳定性所谓测试系统的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一月或一年，测试系统的输出与起始标定时的输出之间的差异。稳定性表示测试系统在较长的时间内保持其性能参数的能力（或在规定条件下保持其测量特性恒定不变的能力）。稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于测试系统常用长期稳定性描述其稳定性。一方面随着时间的增加，测试系统的特性将发生变化，即使在同样环境下，同一输入量，其输出量也会不相同。这是由于敏感元件及其构件的特性随着时间的流逝而产生失效变化缘故。另一方面，由于室温大气压、振动、工作电压等外部环境状态变化，测试系统的特性也将发生变化。一般来说，人们都希望测试系统的稳定性越高越好。八、测试系统的可靠性测试系统的可靠性是与测试系统使用寿命有关的特性以及当测试系统工作方式改变时，对被测对象可能带来有害影响的任何特性
六、测试系统的漂移 漂移：是指在测试系统的连续使用中，即使输入量一定，输出也会向一定方 向偏离的现象。 人们时常提到的漂移一般指零漂。 测试系统在无输入（零输入）状态下，每隔一段时间进行读数，其输出偏离 零值（或原指示值）即为零点漂移，也称为稳定性误差。 它包括时间漂移和温度漂移(温漂)两种． 时间漂移一般指在规定的条件下，室温不变，输出随时间缓慢的变化；对于 有源的测试系统，则指的是在标准工作电压条件下，零输出的变化情况． 温漂是指在规定的工作条件下(工作电源)，环境温度每变化 1℃，零点输出(灵 敏度)变化值。 七、测试系统的稳定性 所谓测试系统的稳定性是指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一月 或一年，测试系统的输出与起始标定时的输出之间的差异。 稳定性表示测试系统在较长的时间内保持其性能参数的能力（或在规定条件 下保持其测量特性恒定不变的能力）。 稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。对于测试系统常用长期稳定性描述 其稳定性。 一方面随着时间的增加，测试系统的特性将发生变化，即使在同样环境下， 同一输入量，其输出量也会不相同。这是由于敏感元件及其构件的特性随着时间 的流逝而产生失效变化缘故。 另一方面，由于室温大气压、振动、工作电压等外部环境状态变化，测试系 统的特性也将发生变化。 一般来说，人们都希望测试系统的稳定性越高越好。 八、测试系统的可靠性 测试系统的可靠性是与测试系统使用寿命有关的特性以及当测试系统工作 方式改变时，对被测对象可能带来有害影响的任何特性
它包括以下几个方面：1）工作寿命：是指测试系统平均无故障的连续工作或以规定的断续工作时间，其工作特性不超过规定允差的最短时间。2）循环寿命：是指测试系统在满量程条件下（或规定的局部量程条件下）工作的最少次数，并且在此循环期间，测试系统的工作特性不超过规定的允差。3）储存寿命：是指测试系统以规定的储存条件（温度、湿度等）下其工作性能保持在规定的充差内的最短时间。4）自损后的影响：是指测试系统被损坏或失效后，它将对被检测对象、工作区域内的工作人员、环境等产生的影响
它包括以下几个方面： 1）工作寿命：是指测试系统平均无故障的连续工作或以规定的断续工作时 间，其工作特性不超过规定允差的最短时间。 2）循环寿命：是指测试系统在满量程条件下（或规定的局部量程条件下） 工作的最少次数，并且在此循环期间，测试系统的工作特性不超过规定的允差。 3）储存寿命：是指测试系统以规定的储存条件（温度、湿度等）下其工作 性能保持在规定的允差内的最短时间。 4）自损后的影响：是指测试系统被损坏或失效后，它将对被检测对象、工 作区域内的工作人员、环境等产生的影响