ch1测试系统基础知识

内燃机实验技术研究对象常规实验参数：功率、转速、压力、温度、流量、流速、噪声、排放特种测量：振动、燃油性质、空燃比、火焰传播、喷雾、瞬态参数测量意义日常生活科学进步生产发展高新技术、国防测试在内燃机中的地位理论发展产品质量评价新产品研发标准制定企业水平高低内燃机实验技术课程要求基本理论主要仪表的工作原理、结构、选用、校正主要测试方法设计实验方案正确测定性能和各种特性，并进行误差分析综合实验开拓思路，培养综合应用知识能力、实践能力培养严肃认真、求实求真的科学作风为进一步学习、研发工作打下良好基础内燃机实验技术第1章测试系统基础知识一、测试系统测试仪器系统被测对象测量人员测试仪器系统信息显示感知和识别测试系统对象属性影响影响影响测量策略、算法数据状态参数命令被测信息原理方法被测对象仪器系统测量人员测量环境激励信号选择仪器决定方法第1章测试系统基础知识二、基本术语被测参数：信号确定性信号：周期性、非周期性、常量非确定性信号：随机信号真值：在一定条件下约定真值：公认、最高基准的量值理论真值：设计给定值，用数学、物理公式计算值相对真值：标准仪器测定值，范型仪表测定值：误差：测定值—真值第1章测试系统基础知识三、本章内容测试系统的组成测试系统的特性测量误差分析测量数据处理1.1测试系统的组成及测量方法一、测试系统的组成被测对象传感器信号调节器记录.显示.分析处理伺服驱动机构被测信号U、IR、L、CU、I1、感受件要求：a)仅随被测参数变化b)单值函数关系c)灵敏度高、性能稳定d)感受件自振频率被测参数的变化频率1.1测试系统的组成及测量方法2、显示件显示、记录数据或曲线（变化过程）显示方式：指示式、记录式、数字式（仪表）3、中间件接受感受件的信号，对信号进行变换、调理取决于显示件的需要4、一次仪表与二次仪表一次仪表：能量转换一次，测量仪表，相当于感受件的作用二次仪表：能量转换二次，显示仪表，相当于中间件和显示件的作用1.1测试系统的组成及测量方法二、测量仪表的分类1、按原理分机械式仪表电测量仪表按转换原理分：a)电感式b)电容式c)电阻式d)电压式光学测量仪表2、按用途分（被测参数）测量电参数：电流表、电压表、频率计测量非电参数：测振仪、测速仪、测长仪、温度计1.1测试系统的组成及测量方法3、按使用场合分工程用仪表实验用仪表范型仪表4、按使用方式分安装式仪表便携式仪表5、按指示方法分指示式仪表记录式仪表数字显示式仪表1.1测试系统的组成及测量方法三、测量方法1、测量方式接触式非接触式2、测量方法直接测量直接比较法间接比较法间接测量被测量Y=f(X1,X2,…,Xn)实际测量X1,X2,…,Xn；比如功率Ne=k·Me·n3、测量值的读出方式偏差法：指针相对于刻度的偏差位移零位法微差法：偏差法与零位法相结合公式、曲线、表格被测量1.2测量仪表的主要技术指标仪表的特性：仪表的输出与输入之间的关系仪表（动、静态特性）+被测参数（性质、要求）——选用仪表一、静态特性输入信号不随时间变化或随时间变化很慢x(t)=C1、量程输入量：xmin～xmax满量程（满刻度指示）：输出量yf.s=ymax-ymin选用仪表，使被测值最好落在2/3量程附近2、精度和精度等级1）精度（精确度）：测量时仪表的测定值与真值相符合的程度准确度：测定值与真值的偏离程度精密度：测定值的分散性精确度是准确度与精密度的综合反映数据重复性好不等于精度高如果仪器安装不正确，尽管仪表精度高，也不能测到精度高的结果仪表精度测量结果精度1.2测量仪表的主要技术指标2）测量结果的精度表示方法误差：不精确度绝对误差：=|xi–x0|xi—仪表指示值（测定值），x0—一般用相对真值（范型仪表）相对误差：实际相对误差：=/x0x100%示值相对误差：=/xix100%（当较小时使用）例：x1=1000r/minx2=2000r/min=10r/min？测量结果精度高仪表精度？1.2测量仪表的主要技术指标3）仪表的精度等级最大量程相对误差（引用误差、折合误差）m=max/yf.sx100%max—仪表最大容许绝对误差精度等级K：K%=m一般K分0.05,0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0例：0～100℃1级精度温度计，x1=80℃,x2=20℃?测量结果精度高4）仪表选用范型仪表：0.05～0.2级实验室用仪表：0.2～0.5级一般工程用仪表：0.5级以下1.2测量仪表的主要技术指标3、灵敏度仪表输出增量与输入增量之比线性仪表：S=y/x非线性仪表：S=dy/dx一般希望测试系统的灵敏度高，且在满量程范围内恒定同样测量范围，S，y同样输出，S，yf.s，且稳定性差（示值波动大）4、分辨率测量仪表可能检测出的被测信号最小变化量的能力能引起仪表输出值有可见变化所必需的最小输入值对于指针式仪表，用最小分格值的一半表示5、线性度（非线性误差）仪表的实际特性曲线与理论曲线之间的符合程度1.2测量仪表的主要技术指标6、回差（滞后、迟滞）测试系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程），两者静态特性不一致的程度7、恒定度（稳定性、重复性）同一测量条件下，对同一被测量进行重复测量，其指示值的稳定程度变差：c=c/yf.sx100%同一测量条件下，多次测定某一不变值时各次测定值的最大差值原因：间隙、摩擦、弹性体弹性滞后、外磁场8、温度误差仪表在非标准常温下的输出值与在标准常温下的输出值之差t=yt-y20温度相对误差t=t/yf.s.20x100%yf.s.20—仪表在20℃工作环境下满量程的输出值1.2测量仪表的主要技术指标9、漂移恒定度机械仪表零漂无信号输入时，标定原点随时间的变化动漂在测试条件不变的情况下，当输入某一固定信号时，其输出信号随时间的稳定程度1.2测量仪表的主要技术指标二、动态特性输入信号随时间变化时，仪表输出信号的特性动态测量误差仪表在动态下的读数和它在同一瞬间相应量值的静态读数之差1、线性定常系统测量系统x(t)系统y(t)xtxtxtxytytyty011-m1-m1-mmmm011-n1-n1-nnnnbddbddbddbaddaddaddaan，bm——由系统的物理性质决定的常数2、频率响应函数对于线性定常系统)j(0j0e)(e)(:ttytyxtx则输出：输入)()j(H)(txty011-n1-nnn011-m1-mmma)j(a)j(a)j(ab)j(b)j(b)j(b)j(H1.2测量仪表的主要技术指标t=0时，)j(H0j00je)j(H)j(Hexxy相频特性=H(j)幅频特性y0/x0=|H(j)|若系统的H(j)已知，对于简谐输入x(t)，即可确定y(t)3、频率响应分析(1)零阶测量装置输入信号x(t)的频率足够低时，x(t)与y(t)的频率均在系统通频带范围内时域a0y(t)=b0x(t)y(t)=b0/a0x(t)=Sx(t)S=b0/a0测量装置的静态灵敏度1.2测量仪表的主要技术指标频率响应H(j)=b0/a0=S零阶测量装置不存在动态测量误差延时环节y(t)=kx(t-t0)kx(t-t0)=kx0ej(t-t0)=ke-jt0x0ejty(t)=y0ej(t+)|H(j)|=k，()=H(j)=-t0不失真测量条件(2)一阶测量装置时域ww00dtdTcc)(badda1TTTtTTxyty如热电偶1.2测量仪表的主要技术指标频率响应S=b0/a0，静态灵敏度=a1/a0，时间常数幅频特性、相频特性时间常数当0时，()=arctan()()/=arctan()/-)arctan(j2100e)(-11Sj11Sjaab)j(H)arctan()()(11)(2A1.2测量仪表的主要技术指标(3)二阶测量装置时域阻尼比—）（静态灵敏度—）（系统的固有频率—式中，如单质量振动系统mk2cωm1Sm/kω)(Sddω2ξddω1)(kddcddmbaddadda2000222022002212tFytytytFytytyxytyty1.2测量仪表的主要技术指标频率响应)arctan()()2()1(1)(ω/j2-1S)(j2)(-1S)j(H2001222202ω2ω相频特性：幅频特性：频率比—式中，A1.2测量仪表的主要技术指标幅频特性分析阻尼比—频率比—式中，幅频特性：)mkc/(2ξω/)ξ2()1(1)(0222Ayita10.50.250.150.10.0501111110.20.9615381.0197711.0360611.0396381.0407641.0414410.40.8620691.0748341.1581031.1785111.1851141.1891290.60.7352941.1399021.414781.5041421.5357381.5556780.80.6097561.1399021.8582352.3112512.5383652.71163110.5123.3333335101.20.4098360.7823971.3440081.7589941.9952172.1926451.40.3378380.5890920.8416750.95433111.0307641.60.2808990.44750.5703960.6126790.627950.637681.80.2358490.3479950.4142430.4339960.4407720.44499420.20.277350.3162280.326860.3304090.3325952.20.1712330.225960.2503480.2566530.2587240.259992.40.1479290.1875890.203710.2077210.2090240.2098182.60.1288660.1582370.1693510.1720410.1729080.1734352.80.1131220.1353010.1432290.1451090.1457110.14607630.10.1170410.1228590.1242160.124650.124912图1.2.9二阶测量装置幅频特性曲线0123456701234A()1.000.500.250.150.100.05=0，A()=1，A()0=0=0.707,Amax()=1二阶测量装置总存在幅值、相位失真幅值测量误差1.2测量仪表的主要技术指标4、阶跃响应分析（时间响应、动态响应）单位阶跃输入信号动态响应特性：输入信号从一个稳定状态突然跃变到另一个稳定状态时，测量装置输出信号的跟踪能力(1)零阶测量装置不存在动态测量误差(2)一阶测量装置y(t)=1-e-t/稳定时间：y达到稳定值的95%时所用的时间t/y000.20.1812690.40.329680.60.4511880.80.55067110.6321211.20.6988061.40.7534031.60.7981031.80.83470120.8646652.20.8891972.40.9092822.60.92572