測(cè)試系統(tǒng)特性分析PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 測(cè)試系統(tǒng)特性分析測(cè)試系統(tǒng)特性分析 汽車試驗(yàn)學(xué) 測(cè)試系統(tǒng)概論. 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性. 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性. 測(cè)試系統(tǒng)負(fù)載效應(yīng). 測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)測(cè)定. 測(cè)試裝置的不失真測(cè)量. 第1頁(yè)/共40頁(yè) 第2章 測(cè)試系統(tǒng)特性分析 測(cè)試系統(tǒng)是執(zhí)行測(cè)試任務(wù)的傳感器、儀器 和設(shè)備的總稱。 構(gòu)成：傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)記錄、數(shù)據(jù)采 集、數(shù)據(jù)處理與顯示等 2.1 測(cè)試系統(tǒng)概論 簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)(光電池) V 第2頁(yè)/共40頁(yè) 第2章 測(cè)試系統(tǒng)特性分析 復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)(軸承缺陷檢測(cè)) 加速度計(jì) 帶通濾波器 包絡(luò)檢波器 第3頁(yè)/共40頁(yè) )(tx 對(duì)象 被測(cè) )(tx 信號(hào) 傳感器 理單元 信號(hào)調(diào) 示單元 錄

2、、顯 信號(hào)記)(ty 信號(hào) 測(cè)試系統(tǒng) 第2章 測(cè)試系統(tǒng)特性分析 第4頁(yè)/共40頁(yè) 第2章 測(cè)試系統(tǒng)特性分析 試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)?zāi)康牟煌?，其測(cè)試系統(tǒng) 的組成會(huì)存在很大的差異 汽車試驗(yàn)工作之前解決： 如何選用測(cè)試儀器 如何組成測(cè)試系統(tǒng) 原則：技術(shù)上合理、經(jīng)濟(jì)上可行 第5頁(yè)/共40頁(yè) 第2章 測(cè)試系統(tǒng)特性分析 數(shù)學(xué)模型：一般測(cè)試系統(tǒng)由三個(gè)基本環(huán)節(jié)組成 上圖表示輸入信號(hào) x (t)送入此組件后經(jīng)過規(guī)定 的傳輸特性h(t)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?hào) y (t)。其中h(t)為由 此組件的物理性能決定的數(shù)學(xué)運(yùn)算法則。對(duì)比例放 大環(huán)節(jié)h(t)可寫成k（電子或機(jī)械裝置的放大系數(shù)） 2.2 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性 第6頁(yè)/共40頁(yè)

3、 一般的工程測(cè)試問題總是處理輸入量x(t)、系統(tǒng) 的傳輸轉(zhuǎn)換特性和輸出量y(t)三者之間的關(guān)系。 x(t)、y(t)是可以觀察的量，則通過x(t)、y(t)可推 斷測(cè)量系統(tǒng)的傳輸特性或轉(zhuǎn)換特性；（標(biāo)定） h(t)已知，y(t)可測(cè)，則可通過h(t)、y(t)推斷導(dǎo) 致該輸出的相應(yīng)輸入量x(t)，這是工程測(cè)試中最常 見的問題； 若x(t)、h(t)已知，則可推斷或估計(jì)系統(tǒng)的輸出 量。（測(cè)試） 第7頁(yè)/共40頁(yè) 理想的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該具有單值的、確定的輸入輸出 關(guān)系。其中以輸出和輸入成線性關(guān)系為最佳（線性度 ）。 在靜態(tài)測(cè)量中，測(cè)量系統(tǒng)的這種線性關(guān)系雖說總是所 希望的，但不是必須的，因?yàn)樵陟o態(tài)測(cè)量中可

4、用曲線 校正或輸出補(bǔ)償技術(shù)作非線性校正； 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，測(cè)量工作本身應(yīng)該力求是線性系統(tǒng) ，這不僅因?yàn)槟壳爸挥袑?duì)線性系統(tǒng)才能作比較完善的 數(shù)學(xué)處理與分析，而且也因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)測(cè)試中作非線性 校正目前還相當(dāng)困難。 第8頁(yè)/共40頁(yè) 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定與靜態(tài)特性 第9頁(yè)/共40頁(yè) 靜態(tài)標(biāo)定：就是將原始基準(zhǔn)器，或比被標(biāo)定系統(tǒng)準(zhǔn) 確度高的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器或已知輸入源作用于測(cè)量系統(tǒng) ，得出測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)響應(yīng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)操作。 要求：標(biāo)定時(shí)，一般應(yīng)在全量程范圍內(nèi)均勻地取定5 個(gè)或5個(gè)以上的標(biāo)定點(diǎn)（包括零點(diǎn)） 正行程：從零點(diǎn)開始，由低至高，逐次輸入預(yù)定的 標(biāo)定值此稱標(biāo)定的正行程。 反行程：再倒序依次輸入預(yù)定的標(biāo)定值，直至

5、返回 零點(diǎn)，此稱反行程。 靜態(tài)標(biāo)定 第10頁(yè)/共40頁(yè) 確定儀器或測(cè)量系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，賦予 儀器或測(cè)量系統(tǒng)分度值； 確定儀器或測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)； 消除系統(tǒng)誤差，改善儀器或測(cè)量系統(tǒng)的正確度 靜態(tài)標(biāo)定的主要作用 第11頁(yè)/共40頁(yè) 第2章、測(cè)試系統(tǒng)特性分析 第12頁(yè)/共40頁(yè) 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性 測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性：通過靜態(tài)標(biāo)定，可得 到測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)值yi和激勵(lì)值xi之間的一一對(duì)應(yīng) 關(guān)系，稱為測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性。 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性可以用一個(gè)多項(xiàng)式方程表 示，即 2 210 xaxaay 稱為測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型 第13頁(yè)/共40頁(yè) 工作曲線：方程 稱之為工作 曲線或靜態(tài)特性曲線。實(shí)

6、際工作中，一般用標(biāo)定過 程中靜態(tài)平均特性曲線來描述。 正行程曲線：正行程中激勵(lì)與響應(yīng)的平均曲線 反行程曲線：反行程中激勵(lì)與響應(yīng)的平均曲線 實(shí)際工作曲線：正反行程曲線之平均 工作曲線 2 210 xaxaay 第14頁(yè)/共40頁(yè) 正行程工作曲 線 反行程工作曲線 Y(t) 0 X(t) 實(shí)際工作曲線 工作曲線 第15頁(yè)/共40頁(yè) 理想的情況是測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)和激勵(lì)之間有線 性關(guān)系，這時(shí)數(shù)據(jù)處理最簡(jiǎn)單，并且可和動(dòng)態(tài)測(cè)量 原理相銜接。 由于原理、材料、制作上的種種客觀原因，測(cè) 量系統(tǒng)的靜態(tài)特性不可能是嚴(yán)格線性的。如果在測(cè) 量系統(tǒng)的特性方程中，非線性項(xiàng)的影響不大，實(shí)際 靜態(tài)特性接近直線關(guān)系，則常用一條參

7、考直線來代 替實(shí)際的靜態(tài)特性曲線，近似地表示響應(yīng)激勵(lì)關(guān) 系。 測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性 第16頁(yè)/共40頁(yè) 評(píng)價(jià)測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)特性的指標(biāo) 1、靈敏度 當(dāng)測(cè)試裝置的輸入x有一增量x,引起輸出y發(fā) 生相應(yīng)變化y時(shí),定義: S=y/x（放大倍數(shù)） y x x y 第17頁(yè)/共40頁(yè) 當(dāng)特性曲線呈非線性關(guān)系時(shí)，靈敏度的表達(dá) 式為： xyxys x ddlim 0 x x yy y y y x x 00 (a)(b) x 靈敏度 第18頁(yè)/共40頁(yè) FS max Y x F 第19頁(yè)/共40頁(yè) 重復(fù)性表示測(cè)量系統(tǒng)在同一工作條件下，按同 一方向作全量程多次(三次以上)測(cè)量時(shí)，對(duì)于同一 個(gè)激勵(lì)量其測(cè)量結(jié)果的接近程度

8、。 y YFS XFS R 0 x 3、重復(fù)性 第20頁(yè)/共40頁(yè) 重復(fù)性誤差為隨機(jī)誤差，引用誤差表示形式為 %100 FS R Y R R同一激勵(lì)量對(duì)應(yīng)多次循環(huán)的同向行程 響應(yīng)量的極差 第21頁(yè)/共40頁(yè) 2.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性 4、回程誤差 測(cè)試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測(cè)試過 程中，對(duì)于同一個(gè)輸入量所得到的兩個(gè)數(shù)值不同的 輸出量之間差值最大者為hmax，則定義回程誤差為: (hmax/A)100% y x hmax A 第22頁(yè)/共40頁(yè) 遲滯：亦稱滯后量、滯后或回程誤差，表征測(cè)量系統(tǒng)在全量程 范圍內(nèi)，輸入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)兩者靜態(tài) 特性不一致的程度。顯

9、然, 越小,遲滯性能越好 正行程工作曲線 反行程工作曲線 y 0 YFS XFS Hmax x H %100 max FS H y H 遲 滯 第23頁(yè)/共40頁(yè) 2.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性 5、線性度 標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是線性度。 線性度=B/A100% y x B 第24頁(yè)/共40頁(yè) 穩(wěn)定性：是指在一定工作條件下，當(dāng)輸入量不變 時(shí)，輸出量隨時(shí)間變化的程度。 第25頁(yè)/共40頁(yè) 7、 靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述 2.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性 精度：是與評(píng)價(jià)測(cè)試裝置產(chǎn)生的測(cè)量 誤差大小有關(guān)的指標(biāo) 靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來衡量測(cè)量 起始點(diǎn)不靈敏的程度。 測(cè)量范圍：是指測(cè)試裝置能正常測(cè)

10、量最小輸入量和最大輸入量之間的 范圍。 可靠性：是與測(cè)試裝置無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān) 的一種描述。 第26頁(yè)/共40頁(yè) 2.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性 案例：物料配重自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)測(cè)量 靈敏度=y/x 非線性度=B/A100% 回程誤差=(hmax/A)100% 測(cè)量范圍： 第27頁(yè)/共40頁(yè) 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 在測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，線性測(cè)量系統(tǒng)的輸出輸 入特性是一條直線，二者之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系， 而且因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄過程 不受時(shí)間限制。 測(cè)量系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量任務(wù)不僅需要精 確地測(cè)量信號(hào)幅值的大小，而且需要測(cè)量和記錄 動(dòng)態(tài)信號(hào)變化過程的波形，這就要求測(cè)量系統(tǒng)能 迅

11、速準(zhǔn)確地測(cè)出信號(hào)幅值的大小和無(wú)失真地再現(xiàn) 被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。 預(yù)備知識(shí)線性時(shí)不變系統(tǒng) 2.2 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 第28頁(yè)/共40頁(yè) 測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)（輸入 ）的響應(yīng)（輸出）特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的測(cè)量 系統(tǒng)，其輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律（變化曲線）， 將能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的規(guī)律（變化曲線 ），即具有相同的時(shí)間函數(shù)。 測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)保證系統(tǒng)的信號(hào)輸出能精確地反映輸 入。對(duì)于一個(gè)理想的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有確定的輸入 與輸出關(guān)系。其中輸出與輸入成線性關(guān)系時(shí)為最 佳，即理想的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)線性時(shí)不變系 統(tǒng)。 第29頁(yè)/共40頁(yè) 要精確地建立測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是很困難的。 從數(shù)學(xué)上可以

12、用常系數(shù)線性微分方程表示系統(tǒng)的輸 出量y與輸入量x的關(guān)系，這種方程的通式如下： )( d )(d d )(d d )(d 01 1 1 1 tya t ty a t ty a t ty a n n n n n n )( d )(d d )(d d )(d 01 1 1 1 txb t tx b t tx b t tx b m m m m m m 式中，an、an-1、a1、a0和bm、bm-1、b1、b0均為 與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)但與時(shí)間無(wú)關(guān)的常數(shù)。 第30頁(yè)/共40頁(yè) 2.1 測(cè)試系統(tǒng)概論 2.2.1 線性系統(tǒng)性質(zhì)： a)疊加性 系統(tǒng)對(duì)各輸入之和的輸出等于各單個(gè)輸入的 輸出之和，即 若 x1(

13、t) y1(t)，x2(t) y2(t) 則 x1(t)x2(t) y1(t)y2(t) b)比例性 常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的 常數(shù)倍，即: 若 x(t) y(t) 則 kx(t) ky(t) 說明： 系統(tǒng)不具備該性質(zhì) baxy 第31頁(yè)/共40頁(yè) 第32頁(yè)/共40頁(yè) 2.1 測(cè)試系統(tǒng)概論 c)微分性 系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的微分等于原輸出信號(hào)的微 分，即 若 x(t) y(t) 則 x(t) y(t) d)積分性 當(dāng)初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的積 分等于原輸出信號(hào)的積分，即 若 x(t) y(t) 則 x(t)dt y(t)dt 第33頁(yè)/共40頁(yè) 若輸入為正弦信號(hào): x (

14、t)=Asint 則輸出函數(shù)必為: y(t)=Bsin(t) 上式表明，在穩(wěn)態(tài)時(shí)線性系統(tǒng)的輸出，其 頻率恒等于原輸入的頻率，但其幅值與相角均 有變化。 e）頻率不變性 線性系統(tǒng)的這些主要特性，特別是符合 疊加原理和頻率保持性，在測(cè)量工作中具有 重要作用。 第34頁(yè)/共40頁(yè) n i n i ii tytx 11 )()( 第35頁(yè)/共40頁(yè) 第36頁(yè)/共40頁(yè) 對(duì)上式取拉氏變換，并認(rèn)為 和 及它們的各階 時(shí)間導(dǎo)數(shù)的初值 為零， )(tx)(ty )0( t 則得 01 1 1 01 1 1 )( )( asasasa bsbsbsb sX SY n n n n m m m m 上式等號(hào)右邊是一

15、個(gè)與輸入 無(wú)關(guān)的表達(dá)式，它只與 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，因而等號(hào)右邊是測(cè)量系統(tǒng)特性的一種 表達(dá)式，是一個(gè)描述測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)換及傳遞信號(hào)特性的函數(shù) )(tx )( d )(d d )(d d )(d 01 1 1 1 tya t ty a t ty a t ty a n n n n n n )( d )(d d )(d d )(d 01 1 1 1 txb t tx b t tx b t tx b m m m m m m 2.2.2 系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 第37頁(yè)/共40頁(yè) 定義其初始值為零時(shí)，輸出 的拉氏變換和輸入的拉氏變換 之比稱為測(cè)量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并記為 ，則 )(ty)(sY )(sX)(sH 引入傳遞函數(shù)概念之后，在 、 和 三者之中，知道任意兩個(gè)，第三個(gè)便可求得。