工程测试技术基础(第三章测试系统特性)

重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性工程测试技术基础本章学习要求：1.建立测试系统的概念2.了解测试系统特性对测量结果的影响3.了解测试系统特性的测量方法重庆交通大学航海学院第三章、测试系统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。3.1测试系统概论简单测试系统(光电池)V重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性复杂测试系统(轴承缺陷检测)加速度计带通滤波器包络检波器重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性不失真测量：语音片段1(Good)语音片段2(bad)重庆交通大学航海学院3.2测试系统静态响应特性第三章、测试系统特性如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。重庆交通大学航海学院静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。a)灵敏度当测试装置的输入x有一增量△x,引起输出y发生相应变化△y时,定义:S=△y/△x第三章、测试系统特性yx△x△y重庆交通大学航海学院3.2测试系统静态响应特性b)非线性度标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。非线性度=B/A×100%yxB重庆交通大学航海学院3.2测试系统静态响应特性c)回程误差测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，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为hmax，则定义回程误差为:(hmax/A)×100%yxhmaxA重庆交通大学航海学院d)静态响应特性的其他描述3.2测试系统静态响应特性精度：是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。重庆交通大学航海学院测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。3.2测试系统静态响应特性可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。重庆交通大学航海学院3.2测试系统静态响应特性案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量灵敏度=△y/△x非线性度=B/A×100%回程误差=(hmax/A)×100%测量范围：重庆交通大学航海学院无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。x(t)h(t)y(t)输入量系统特性输出3.3测试系统的动态响应特性第三章、测试系统特性y(t)=X(t)*h(t)卷积分重庆交通大学航海学院卷积分第二章、信号分析基础卷积积分是一种数学方法，在信号与系统的理论研究中占有重要的地位。特别是关于信号的时间域与变换域分析，它是沟通时域－频域的一个桥梁。)()()()()(thtxdthxty重庆交通大学航海学院卷积的物理意义1）将信号x(t)分解为许多宽度为t的窄条面积之和，t=nt时的第n个窄条的高度为x(nt)，在t趋近于零的情况下，窄条可以看作是强度等于窄条面积的脉冲。2.6卷积分tx(t)ntx(nt)t重庆交通大学航海学院2）在t=nt时刻，窄条脉冲引起的响应为:x(nt)th(t-nt)tx(nt)th(t-nt)02.6卷积分重庆交通大学航海学院3）各脉冲引起的响应之和即为输出y(t)0)()()(ntntthtnxtyty(t)02.6卷积分重庆交通大学航海学院卷积与相关2.6卷积分);()()(*)();()();()(XHtxthXtxHthFTFTFT如果则时域卷积定理卷积分的傅立叶变换计算法：)(*)()(txthty)()()(XHY)]([)(1YFty重庆交通大学航海学院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。(预测)系统分析中的三类问题：1)当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。(系统辨识)2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。(反求)第三章、测试系统特性x(t)h(t)y(t)重庆交通大学航海学院测试系统基本要求3.1测试系统概论理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入－输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中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最佳。xy线性xy线性xy非线性重庆交通大学航海学院3.1测试系统概论系统输入x(t)和输出y(t)间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：线性系统(时域描述)一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。0111)(...)()(atyatyatyannnn0111)(...)()(btxbtxbtxbmmmm重庆交通大学航海学院3.1测试系统概论线性系统性质：a)叠加性系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)则x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)b)比例性常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即:若x(t)→y(t)则kx(t)→ky(t)重庆交通大学航海学院3.1测试系统概论c)微分性系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即若x(t)→y(t)则x'(t)→y'(t)d)积分性当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即若x(t)→y(t)则∫x(t)dt→∫y(t)dt重庆交通大学航海学院3.1测试系统概论e)频率保持性若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即若x(t)=Acos(ωt+φx)则y(t)=Bcos(ωt+φy)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作用。重庆交通大学航海学院传递函数：)(/)()(sXsYsH拉氏变换(数学定义)：)(/)()(jXjYjH富氏变换(数字计算):22)](Im[)](Re[)()(jHjHjHA)])(Im[/)]((Re[)(jHjHarctg3.3测试系统的动态响应特性重庆交通大学航海学院3.3测试系统的动态响应特性传递函数:直观的反映了测试系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况。A重庆交通大学航海学院a)传递函数的测量(正弦波法)依次用不同频率fi的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差φi。3.3测试系统的动态响应特性依据：频率保持性若x(t)=Acos(ωt+φx)则y(t)=Bcos(ωt+φy)重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性优点：简单，信号发生器，双踪示波器缺点：效率低从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax，逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制就得到系统幅频和相频特性。重庆交通大学航海学院3.3测试系统的动态响应特性重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性案例：音响系统性能评定y(t)=x(t)*h(t)Y(f)=X(f)H(f)改进：脉冲输入/白噪声输入，测量输出，再求输出频谱。飞机模态分析重庆交通大学航海学院b)脉冲响应函数若装置的输人为单位脉冲δ(t)，因δ(t)的傅立叶变换为1，有：Y(f)=H(f)，或y(t)=F-1[H(S)]3.3测试系统的动态响应特性优点：直观缺点：简单系统识别记为h(t)，称它为脉冲响应函数。H(f)固频、阻尼参数傅立叶变换重庆交通大学航海学院3.3测试系统的动态响应特性案例:镗杆固有频率测量重庆交通大学航海学院实验：悬臂梁固有频率测量3.3测试系统的动态响应特性重庆交通大学航海学院3.3测试系统的动态响应特性案例:桥梁固频测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。重庆交通大学航海学院c)阶跃响应函数若系统输入信号为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)，则X(s)=1/s，此时Y(s)=H(s)/s3.3测试系统的动态响应特性H(f)时域波形参数识别重庆交通大学航海学院3.3测试系统的动态响应特性阶跃响应函数测量实验求阶跃响应函数简单明了，产生一个阶跃信号，再测量系统输出就可以了。原理：在桥中悬挂重物，然后突然剪断绳索，产生阶跃激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。案例：桥梁固有频率测量重庆交通大学航海学院设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系y(t)=A0x(t-t0)3.4系统不失真测量条件第三章、测试系统特性该系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)时域条件重庆交通大学航海学院y(t)=A0x(t-t0)Y(ω)=A0e-jωt0X(ω)3.4系统不失真测量的条件不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足A(ω)=A0=常数φ(ω)=--t0ω做傅立叶变换频域定义重庆交通大学航海学院1一阶系统3.5典型系统的动态响应第三章、测试系统特性温度酒精湿度重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性特征：测量滞后阶跃响应传递函数)()()(txtydttdy11)(jjH2)(11)(A重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性一阶系统时间常数测量：阶跃响应0.632)(11)(A重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性实验：一阶系统时间常数对测量的影响重庆交通大学航海学院2二阶系统3.5典型系统的动态响应称重(应变片)F加速度重庆交通大学航海学院3.5典型系统的动态响应特征：震荡脉冲响应传递函数A)()()()(001222txbtyadttdyadttyda222002)(nnnjabH重庆交通大学航海学院222002)(nnnjabH3.5典型系统的动态响应二阶系统参数测量脉冲响应/阶跃响应函数法：tbM1M2fn=1/tb2/ln1MM重庆交通大学航海学院3.5典型系统的动态响应传递函数法An0.70712n/)(12重庆交通大学航海学院3.5典型系统的动态响应nn阻尼系数和固频的作用重庆交通大学航海学院3.5典型系统的动态响应实验：二阶系统参数对测量的影响重庆交通大学航海学院实际测量工作中，测量系统和被测对象会产生相互作用。测量装置构成被测对象的负载。彼此间存在能量交换和相互影响，以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加或连乘。3.6负载效应第三章、测试系统特性ER1R2V=ER2/(R2+R1)V=ER2Rm/[R1(Rm+R2)+RmR2]VRm令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得:U0=90V,U1=64.3V，误差达28.6%。重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量灵敏度=△y/△x非线性度=B/A×100%回程误差=(hmax/A)×100%测量范围：重庆交通大学航海学院测量过程中，除待测量信号外，各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。3.7测量系统的抗干扰第三章、测试系统特性测量系统信道干扰电磁干扰电源干扰重庆交通大学航海学院3.7测量系统的抗干扰1)电磁干扰:干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。2)信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。2)电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的干扰。一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元器件，印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增