动态测试技术_测试基本特性.

动态测试技术南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室吴义鹏[e-mail]测试系统基本特性机械结构力学及控制国家重点实验室2动态测试技术：测试系统的基本特性测试系统的静态特性测试系统的动态特性无失真测试条件测试系统的标定4.0概述机械结构力学及控制国家重点实验室3动态测试技术：测试系统的基本特性4.0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。当测试的目的、要求不同时，所用的测试装置差别很大。本章所指的测试装置可以小到传感器，大到整个测试系统。简单的测试装置复杂的测试系统机械结构力学及控制国家重点实验室4动态测试技术：测试系统的基本特性4.1概述系统、输入和输出1)当输入、输出能够测量时(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。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。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。许多实际测量装置无法在较大工作范围内满足线性要求，但可以在有效测量范围内近似满足线性测量关系要求。测试装置的基本要求机械结构力学及控制国家重点实验室5动态测试技术：测试系统的基本特性测试系统的静态参数与静态特性4.1测试系统的静态特性线性系统常微分方程110101()()()()()()()nnmnnmnnmdytdtdytdxtdxtaaaaytbbbxtdtdtdtdtdt00()()bytxtysxa在静态测试时，输入信号x(t)和输出信号y(t)不随时间变化，或者随时间变化但变化缓慢以至可以忽略时，测试系统输入与输出之间呈现的关系就是测试系统的静态特性。这时，描述测试系统的微分方程中各阶导数为零，于是微分方程就变为机械结构力学及控制国家重点实验室6动态测试技术：测试系统的基本特性测试系统的静态参数与静态特性实际的测试系统并非理想的线性时不变系统，其输出与输入往往不是理想直线。测试系统的静态特性分析就是研究静态测试情况下，实际测试系统与线性时不变系统的接近程度。4.1测试系统的静态特性机械结构力学及控制国家重点实验室7动态测试技术：测试系统的基本特性线性度迟滞重复性灵敏度与灵敏度误差分辨率与阈值稳定性温度稳定性静态误差多种抗干扰能力静态特性指标测量装置的静态特性具体由表达测量系统测量能力及测量结果正确性的一系列静态特性指标来描述。静态特性指标4.1测试系统的静态特性机械结构力学及控制国家重点实验室8动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标：线性度4.1测试系统的静态特性线性度----测量装置输出、输入之间保持常值比例关系的程度，通常用线性误差来表示。在静态测试过程中，通过“输入-输出”测试“入-出”关系,其测点组成的线——定标曲线。定标曲线一般并不是一条直线，要用最小二乘法拟合一条直线来代替。实际曲线与拟合直线的最大差于满量程输出之比——非线性度机械结构力学及控制国家重点实验室9动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标：线性度4.1测试系统的静态特性实际曲线与拟合直线的最大差于满量程输出之比——非线性度00100Ay线性误差任何系统都有一定的线性范围，线性范围越宽，测试系统的有效量程越大。机械结构力学及控制国家重点实验室10动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标：线性度4.1测试系统的静态特性机械结构力学及控制国家重点实验室11动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标：迟滞（回程误差）4.1测试系统的静态特性传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞（回程误差）。描述输出同输入变化方向有关的特性。迟滞大小一般由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示。00max100Ahh机械结构力学及控制国家重点实验室12动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标：迟滞（回程误差）4.1测试系统的静态特性00max100Ahh原因：①摩擦力，机械元件间隙②弹性元件，磁元件在过程中吸收能量机械结构力学及控制国家重点实验室13动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标：灵敏度4.1测试系统的静态特性灵敏度指测试系统在静态测量时，输出增量Δy与输入增量Δx之比xyS灵敏度反映了测试系统对输入量变化的反应能力。灵敏度的量纲等于输出量纲与输入量纲之比，当测试系统输入和输出量纲相同，灵敏度也叫做“放大倍数”或“增益”。测量系统灵敏度定义为单位输入量引起的输出变化量，也就是系统标定曲线在各点的斜率。机械结构力学及控制国家重点实验室14动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标:灵敏度漂移和零点漂移4.1测试系统的静态特性0x0yy时零点漂移sss由于材料性质的变化所引起的输入与输出关系的变化。灵敏度漂移测量系统的输出零点偏离原始零点的距离。总误差：机械结构力学及控制国家重点实验室15动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标4.1测试系统的静态特性分辨力：测量装置能测量到最小输入量变化的能力。通常用分辨率表示。用全量程范围内最大的输入量的变化量与测量系统满量程输出值的比值的百分数表示。稳定性：传感器在长时间工作情况下输出量发生的变化。有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。机械结构力学及控制国家重点实验室16动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标4.1测试系统的静态特性温度稳定性：又称为温度漂移。它是指传感器在外界温度变化情况下输出量发生的变化。多种抗干扰能力：传感器对各种外界干扰的抵抗能力。例如抗冲击和振动能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等，评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。机械结构力学及控制国家重点实验室17动态测试技术：测试系统的基本特性静态特性指标4.1测试系统的静态特性量程：一个测试系统可测量的变量的范围称测量范围。重复性：在测试条件不变的情况下，测试系统按同一方向做全量程的多次重复的测量，静态特性曲线不一致，用重复性表示。%100maxHRR精度：准确度，表征测试系统的测量结果与被测量真值的符合程度。机械结构力学及控制国家重点实验室18动态测试技术：测试系统的基本特性动态特性概述4.2测试系统的动态特性对不断变化的信号进行测量，称之为动态测量。测量系统的动态特性就是其测量动态物理量时所表现出来的特性。研究目的：保证系统具有迅速准确地测出信号幅值大小和无失真地再现被测信号随时间变化的波形的能力。了解测试对象及测试装置综合系统的动态特性。机械结构力学及控制国家重点实验室19动态测试技术：测试系统的基本特性动态特性的数学模型4.2测试系统的动态特性测试系统动态特性用数学模型来描述，传递函数，频响函数，脉冲响应函数。传递函数——动态特性的复频域描述；频率响应函数——动态特性的频域描述；脉冲响应函数——动态特性的时域描述。机械结构力学及控制国家重点实验室20动态测试技术：测试系统的基本特性动态特性的数学模型4.2测试系统的动态特性机械结构力学及控制国家重点实验室21动态测试技术：测试系统的基本特性动态特性——传递函数4.2测试系统的动态特性方程两边取拉普拉斯变换sXbsXsbsXsbsYasYsasYsammmmnnnn011011sXsYsH机械结构力学及控制国家重点实验室22动态测试技术：测试系统的基本特性动态特性——传递函数4.2测试系统的动态特性串联系统12()()()HsHsHs()HssHnii1=并联系统12()()()HsHsHs1()()niiHsHs机械结构力学及控制国家重点实验室23动态测试技术：测试系统的基本特性动态特性——传递函数4.2测试系统的动态特性高阶系统可以分解为简单环节的串并联00()mmnnbsbHsasanm22201(2)nrnnnininiiasaass1riisp则22211()2nrriiiiininiasqiHsspiss即任何阶次可以分解为数个一阶系统和二阶系统的组合（串并联）因此实际中只研究一阶、二阶系统即可。机械结构力学及控制国家重点实验室24动态测试技术：测试系统的基本特性动态特性——频响函数4.2测试系统的动态特性011011ajajabjbjbjXjYjHnnnnmmmm频率响应函数是描述系统的简谐输入和相应的稳态输出比的关系。在测量系统频率响应函数时，应当在系统响应达到稳态阶段时才进行测量。定常线性系统在简谐信号的激励下，其稳态输出信号和输入信号的幅值比为系统的幅频特性，稳态输出对如入的相位差为系统的相频特性。频响函数:相频特性:幅频特性:jeAjHxyAAjHAxy机械结构力学及控制国家重点实验室25动态测试技术：测试系统的基本特性动态特性——线性常微分方程4.2测试系统的动态特性xbya00xbyatya001ddxbyatyatya001222dddd零阶环节一阶环节二阶环节机械结构力学及控制国家重点实验室26动态测试技术：测试系统的基本特性动态特性——分析方法4.3测试系统的动态响应特性频率响应分析法：以正弦信号作为系统的输入，研究系统对输入的稳态响应。瞬态响应分析法：以斜坡信号、阶跃信号或脉冲信号作为系统的输入，研究输出响应。机械结构力学及控制国家重点实验室27动态测试技术：测试系统的基本特性一阶系统的动态响应特性4.3测试系统的动态响应特性微分方程：拉氏变换：txbtyadttdya001sXbsYassYa001机械结构力学及控制国家重点实验室28动态测试技术：测试系统的基本特性4.3测试系统的动态响应特性传递函数：sksaaabsXsYsH11110100频响函数：jkjaaabjXjYjH11110100拉氏变换：sXbsYassYa001一阶系统的动态响应特性机械结构力学及控制国家重点实验室29动态测试技术：测试系统的基本特性4.3测试系统的动态响应特性幅频特性:相频特性:2)(11jHarctg传递函数：频响函数:ssH11jsH11一阶系统的动态响应特性机械结构力学及控制国家重点实验室30动态测试技术：测试系统的基本特性4.3测试系统的动态响应特性3)当激励频率远小于1/τ,其A(ω)→1,输出、输入幅值几乎相等。2)时间常数是反映一阶系统特性的重要参数，决定了该装置的使用的频率范围。一阶系统只适用于被测量缓慢变化或低频的参数。1)一阶系统是一个低通环节。5）时间常数越小，频率响应越好。4）ω=1/τ处，A(ω)为0.707，相角滞后45°。一阶系统的特点机械结构力学及控制国家重点实验室31动态测试技术：测试系统的基本特性4.3测试系统的动态响应特性二阶系统的动态响应特性微分方程：txbtyadttdyadttyda001222拉氏变换：sXbsYassYasYsa00122机械结构力学及控制国家重点实验室32动态测试技术：测试系统的基本特性4.3测试系统的动态响应特性传递函数：2021200012201aasaasabasasabsH频响函数：2021200012201aajaaabajajabjH拉氏变换：sXbsYassYasYsa00122二阶系统的动态响应特性机械结构力学及控制国家重点实验室33动态测试技术：测试系统的基本特性4.3测试系统的动态响应特性阻尼比固有频率n00abk202aan212aan2211211sssHnn传递函数：22