第三章测试装置的基本特性.

中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性1无论你怎样地表示愤怒，都不要做出任何无法挽回的事来。——弗兰西斯·培根FrancisBacon英国哲学家1561-1626中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性2第三章测试装置的基本特性§3.1概述§3.2测试系统的静态特性§3.3测试系统的动态特性§3.4系统实现不失真测量的条件§3.5典型系统的频率响应特性§3.6测试系统动态特性参数获取方法§3.7组成测试系统应考虑的因素▼▼▼▼▼▼▼中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性3§3.1概述测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。输入)(tx)(ty输出1.测试系统中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性4定义：完成某种物理量的测量而由具有某一种或多种变换特性的物理装置构成的总体。()()ytkxt输入(重量)输出(弹簧位移)x(t)y(t)弹簧(线性比例特性))(ty)(tx弹簧秤中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性5简单测试系统(红外体温计)复杂测试系统(振动测量装置)系统失真测试装置：可能是复杂的测试装置，也可能是组成环节。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性6测试系统的传递特性:由自身的物理结构所决定的测试系统对信号传递变换的影响特性。输入(激励)输出(响应)x(t)y(t)测试系统(对信号的传递特性)3)如果输入和系统特性已知，则可推断和估计系统的输出量。(预测)测试系统分析中的三类问题：1)当输入、输出是可测量的(已知)，可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，可通过其推断导致该输出的输入量。(反求)工程测试中最常见的问题。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性72.测试系统的基本要求理想测试系统应具有单值的、确定的输入——输出关系。对于每一输入量都应只有单一的输出量与之对应。已知其中一个量就可确定另一个量。以输出和输入成线性关系为最佳。x(t)y(t)线性线性y(t)x(t)非线性y(t)x(t)中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性8系统线性近似1110111101()()()()()()()()nnnnnnmmmmmmdytdytdytaaaaytdtdtdtdxtdxtdxtbbbbxtdtdtdt0)(tx)(ty线性段测试系统的局部线性实际系统中，系数都是随时间而缓慢变化的微变量；很多实际系统，都不可能在较大的工作范围内完全保持线性。实际物理系统，一般情况下都是mn，且输入只有一项。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性9当测试系统输入x(t)和输出y(t)之间的关系可以用常系数线性微分方程来描述时，即：1110111101()()()()()()()()nnnnnnmmmmmmdytdytdytaaaaytdtdtdtdxtdxtdxtbbbbxtdtdtdt在工程中使用的测试系统（装置）一般都是线性系统。2.线性定常系统及其主要性质该方程所描述的就是线性定常系统，也称线性时不变系统。式中，an、an-1、…、a0和bm、bm-1、…、b0均是只与系统特性有关的常数。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性10(1)叠加特性叠加特性示例00.511.522.53-10-50510(a)mm00.511.522.53-505(b)mm00.511.522.53-10010(c)mm00.511.522.53-10-50510(a)mm00.511.522.53-505(b)mm00.511.522.53-10010(c)mmx1(t)=A1Sin(ω1t+θ1)=10Sin(2π·3·t+π/6)00.511.522.53-10-50510(a)mm00.511.522.53-505(b)mm00.511.522.53-10010(c)mmx2(t)=A2Sin(ω2t+θ2)=5Sin(2π·2·t+π/3)x(t)=10Sin(2π·3·t+π/6)+5Sin(2π·2·t+π/3)(a)(b)(c)测试系统测试系统测试系统00.511.522.53-20-1001020tmm00.511.522.53-10-50510tmm00.511.522.53-20020tmmy1(t)=20Sin(2π·3·t+π/6)00.511.522.53-20-1001020tmm00.511.522.53-10-50510tmm00.511.522.53-20020tmmy2(t)=10Sin(2π·2·t+π/3)00.511.522.53-20-1001020tmm00.511.522.53-10-50510tmm00.511.522.53-20020tmmy(t)=20Sin(2π·3·t+π/6)+10Sin(2π·2·t+π/3)中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性11叠加特性：测试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)表明：同时作用的两个输入量所引起的输出互不影响。系统)(1tx)(1ty系统)(2tx)(2ty(a)系统)(1tx)()(21tyty(b)(c))(2tx线性系统的叠加特性中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性12(2)比例特性常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的相同的常数倍，即:若x(t)→y(t)则kx(t)→ky(t)比例特性示例(a)(b)00.511.522.53-20-1001020tmm00.511.522.53-10-50510tmm00.511.522.53-20020tmmx2(t)=2A1Sin(ω2t+θ2)=20Sin(2π·3·t+π/6)00.511.522.53-10-50510(a)mm00.511.522.53-505(b)mm00.511.522.53-10010(c)mmx1(t)=A1Sin(ω1t+θ1)=10Sin(2π·3·t+π/6)00.511.522.53-40-2002040tmm00.511.522.53-10-50510tmm00.511.522.53-20020tmmy2(t)=40Sin(2π·3·t+π/6)00.511.522.53-20-1001020tmm00.511.522.53-10-50510tmm00.511.522.53-20020tmmy1(t)=20Sin(2π·3·t+π/6)测试系统测试系统中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性13系统对输入信号导数的响应等于原输入信号响应的导数，即：若x(t)→y(t)则x'(t)→y'(t)当系统的初始条件为零时，系统对输入信号积分的响应等于对原输入响应的积分，即：若x(t)→y(t)则(3)微分特性(4)积分特性00()()ttxtdtytdt→中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性14若系统的输入为某一频率的简谐（正弦或余弦）信号，则系统的稳态输出必然是与该输入信号同一频率的简谐信号，即：若x(t)=Asin(wt+x)则y(t)=Bsin(wt+y)线性系统的这些特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在实际测试工作中具有重要意义。(5)频率保持特性▲中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性15若测量时，测试系统的输入、输出信号不随时间而变化（或变化极慢，在所观察的时间内可忽略其变化而视作常量），则称为静态测量。静态测量时，测试系统所表现出的特性称为静态特性。§3.2测试系统的静态特性0)(txt0x稳态信号)(tx0t-A0A0动态信号中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性16理想测试系统的输入、输出之间呈单调、线性比例关系。即输入、输出关系是一条理想的直线，斜率为S=b0/a0。)()()()()()(1)()(011110111txbdttdxbdttxdbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnn在静态测试中，输入和输出不随时间而变化，输入和输出的各阶导数均等于零。Sxxaby000)(tx)(ty线性段理想线性0)(txt0x静态输入1.理想测试系统的静态特性0)(tx)(ty线性段实际线性中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性17当测试系统的输入x有一增量x，引起输出y发生相应的变化y时，则灵敏度定义:如果是线性理想系统，则1.一位移传感器，当位移变化为1mm时，输出电压变化为300mV，则灵敏度2.一机械式位移传感器，输入位移变化为0.01mm时，输出位移变化为10mm，则常数00abxyxyS静态测试灵敏度S=300/1=300mV/mm灵敏度（放大倍数）S=10/0.01=1000(1)灵敏度S=y/x0输出输入21xy1——标定曲线2——拟合直线xy1x2x1y2y中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性18(2)线性度标定曲线与拟合直线0yx．．．．．．．．12345678(a)0yx．．．．．．．．12345678标定曲线(b)0yx．．．．．．．．12345678(c)拟合直线拟合直线0yx．．．．．．．．12345678标定曲线(d)中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第三章测试装置的基本特性19偏离程度：用线性误差来衡量。在系统标称输出范围(全量程)A内，标定曲线与其拟合直线的最大偏差Bmax与A的比值，即：线性误差＝Bmax/A×100％式中，A——输出信号的变化范