測(cè)試系統(tǒng)特性

1、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性 工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.1.建立測(cè)試系統(tǒng)的概念建立測(cè)試系統(tǒng)的概念 2.2.了解測(cè)試系統(tǒng)特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響了解測(cè)試系統(tǒng)特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 3.3.了解測(cè)試系統(tǒng)特性的測(cè)量方法了解測(cè)試系統(tǒng)特性的測(cè)量方法華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性 測(cè)試系統(tǒng)是執(zhí)行測(cè)試任務(wù)的傳感器、儀器測(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。和設(shè)備的總稱。 4.1 4.1 測(cè)試系統(tǒng)概論測(cè)試系統(tǒng)概論 簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)(光電池光電池)V華中科技大

2、學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性 復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)( (軸承缺陷檢測(cè)軸承缺陷檢測(cè)) ) 加速度計(jì)加速度計(jì) 帶通濾波器帶通濾波器 包絡(luò)檢波器包絡(luò)檢波器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性 不失真測(cè)量：不失真測(cè)量：語(yǔ)音片段語(yǔ)音片段1(1(Good)Good)語(yǔ)音片段語(yǔ)音片段2(2(bad)bad)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.2 4.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性 第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性 如果測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置的輸入、輸出如果測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置的輸入、輸出信號(hào)不隨時(shí)間

3、而變化，則稱為靜態(tài)測(cè)量。信號(hào)不隨時(shí)間而變化，則稱為靜態(tài)測(cè)量。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 靜態(tài)測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置表現(xiàn)出的響應(yīng)特靜態(tài)測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置表現(xiàn)出的響應(yīng)特性稱為靜態(tài)響應(yīng)特性。性稱為靜態(tài)響應(yīng)特性。a)a)靈敏度靈敏度 當(dāng)測(cè)試裝置的輸入當(dāng)測(cè)試裝置的輸入x x有一增量有一增量x,x,引起輸出引起輸出y y發(fā)發(fā)生相應(yīng)變化生相應(yīng)變化y y時(shí)時(shí), ,定義定義: : S=S=y/y/x x第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性 y yx xx xy y華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性b)b)非線性度非線性度 標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程

4、度就是非線性度。標(biāo)定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。 非線性度非線性度= =B/AB/A100%100%y yx xB B華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性c)c)回程誤差回程誤差 測(cè)試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測(cè)試過(guò)測(cè)試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測(cè)試過(guò)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輸出量之間差值最大者為hmaxhmax，則定義回程誤差為，則定義回程誤差為: : ( (hmaxhmax/A)/A)100%100%y yx xhmaxhmaxA

5、A華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院d) d) 靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述4.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性精度：精度：是與評(píng)價(jià)測(cè)試裝置產(chǎn)生的測(cè)量是與評(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)誤差大小有關(guān)的指標(biāo) 靈敏閥：靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來(lái)衡量測(cè)量又稱為死區(qū)，用來(lái)衡量測(cè)量起始點(diǎn)不靈敏的程度。起始點(diǎn)不靈敏的程度。 分辨力：分辨力：指能引起輸出量發(fā)生變化時(shí)輸入量的最指能引起輸出量發(fā)生變化時(shí)輸入量的最小變化量，表明測(cè)試裝置分辨輸入量微小變化的小變化量，表明測(cè)試裝置分辨輸入量微小變化的能力。能力。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測(cè)量范圍：測(cè)量范圍：是指測(cè)

6、試裝置能正常測(cè)是指測(cè)試裝置能正常測(cè)量最小輸入量和最大輸入量之間的量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。范圍。4.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性 可靠性：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)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。的一種描述。 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：是指在一定工作條件下，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)間當(dāng)輸入量不變時(shí)，輸出量隨時(shí)間變化的程度。變化的程度。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.2 測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性案例：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 靈敏度靈敏度= =y/y

7、/x x非線性度非線性度= =B/AB/A100%100%回程誤差回程誤差= =( (hmaxhmax/A)/A)100%100%測(cè)量范圍：測(cè)量范圍：華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 無(wú)論復(fù)雜度如何，把測(cè)量裝置作為一個(gè)系統(tǒng)無(wú)論復(fù)雜度如何，把測(cè)量裝置作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)看待。問(wèn)題簡(jiǎn)化為處理輸入量來(lái)看待。問(wèn)題簡(jiǎn)化為處理輸入量x(t)x(t)、系統(tǒng)傳輸、系統(tǒng)傳輸特性特性h(t)h(t)和輸出和輸出y(t)y(t)三者之間的關(guān)系。三者之間的關(guān)系。x(t)h(t)y(t)輸入量輸入量系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性輸出輸出4.3 4.3 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四章、測(cè)試系

8、統(tǒng)特性 y(t)=X(t)*h(t)卷積分卷積分華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院卷積分卷積分第二章、信號(hào)分析基礎(chǔ)第二章、信號(hào)分析基礎(chǔ) 卷積積分是一種數(shù)學(xué)方法，在信號(hào)與系統(tǒng)的卷積積分是一種數(shù)學(xué)方法，在信號(hào)與系統(tǒng)的理論研究中占有重要的地位。特別是關(guān)于信號(hào)的理論研究中占有重要的地位。特別是關(guān)于信號(hào)的時(shí)間域與變換域分析，它是溝通時(shí)域頻域的一時(shí)間域與變換域分析，它是溝通時(shí)域頻域的一個(gè)橋梁。個(gè)橋梁。 )()()()()(thtxdthxty華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院卷積的卷積的物理意義物理意義1 1）將信號(hào)）將信號(hào)x(t)x(t)分解分解為許多寬度為為許多寬度為 t t 的窄條面的窄

9、條面積之和，積之和，t= n t= n t t 時(shí)的第時(shí)的第n n個(gè)窄條的高度為個(gè)窄條的高度為x(n x(n t ) t )，在，在 t t 趨近于零的情況下，窄條可以看趨近于零的情況下，窄條可以看作是強(qiáng)度等于窄條面積的脈沖。作是強(qiáng)度等于窄條面積的脈沖。2.6 卷積分卷積分tx(t)n t x(n t ) t 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院2 2）在）在t=nt=n t t時(shí)刻，窄條脈沖引起的響應(yīng)為時(shí)刻，窄條脈沖引起的響應(yīng)為: : x(x(n n t)t) t h(t- t h(t- n n t)t)tx(nt) t h(t- nt)02.6 卷積分卷積分華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技

10、大學(xué)機(jī)械學(xué)院3 3）各脈沖引起的響應(yīng)之和即為輸出）各脈沖引起的響應(yīng)之和即為輸出y(t)y(t)0)()()(ntntthtnxtyty(t)02.6 卷積分卷積分華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院卷積與相關(guān)2.6 卷積分卷積分);()()(*)();()();()(XHtxthXtxHthFTFTFT如果如果則則時(shí)域卷積定理時(shí)域卷積定理卷積分的傅立葉變換計(jì)算法：卷積分的傅立葉變換計(jì)算法：)(*)()(txthty)()()(XHY)()(1YFty華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院3)3)如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計(jì)系統(tǒng)的輸出量。和估計(jì)

11、系統(tǒng)的輸出量。( (預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)) ) 系統(tǒng)分析中的三類問(wèn)題：系統(tǒng)分析中的三類問(wèn)題：1)1)當(dāng)輸入、輸出是可測(cè)量的當(dāng)輸入、輸出是可測(cè)量的( (已知已知) )，可以通，可以通過(guò)它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。過(guò)它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。( (系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí)) )2)2)當(dāng)系統(tǒng)特性已知，輸出可測(cè)量，可以通當(dāng)系統(tǒng)特性已知，輸出可測(cè)量，可以通過(guò)它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。過(guò)它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。 ( (反求反求) )第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性 x(t)h(t)y(t)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院測(cè)試系統(tǒng)基本要求測(cè)試系統(tǒng)基本要求 4.1 測(cè)試系統(tǒng)概論測(cè)試系統(tǒng)概論 理想的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具

12、有單值的、確定的輸理想的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有單值的、確定的輸入輸出關(guān)系。對(duì)于每一輸入量都應(yīng)該只有單一入輸出關(guān)系。對(duì)于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對(duì)應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定的輸出量與之對(duì)應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。其中以輸出和輸入成另一個(gè)量。其中以輸出和輸入成線性關(guān)系線性關(guān)系最佳。最佳。 xy線性線性xy線性線性xy非線性非線性華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.1 測(cè)試系統(tǒng)概論測(cè)試系統(tǒng)概論 系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入x(t)x(t)和輸出和輸出y(t)y(t)間的關(guān)系可以用常間的關(guān)系可以用常系數(shù)線性微分方程來(lái)描述：系數(shù)線性微分方程來(lái)描述： 線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)(時(shí)域描述時(shí)域描述)一

13、般在工程中使用的測(cè)試裝置都是線性系統(tǒng)。一般在工程中使用的測(cè)試裝置都是線性系統(tǒng)。0111)(.)()(atyatyatyannnn0111)(.)()(btxbtxbtxbmmmm華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.1 測(cè)試系統(tǒng)概論測(cè)試系統(tǒng)概論 線性系統(tǒng)性質(zhì)：線性系統(tǒng)性質(zhì)：a)a)疊加性疊加性 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，即輸出之和，即 若若 x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 則則 x1(t)x2(t) y1(t)y2(t) b)b)比例性比例性 常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入

14、所得輸出的常數(shù)倍，即常數(shù)倍，即: : 若若 x(t) y(t) x(t) y(t) 則則 kx(t) kykx(t) ky(t) (t) 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.1 測(cè)試系統(tǒng)概論測(cè)試系統(tǒng)概論 c)c)微分性微分性 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，即分，即 若若 x(t) y(t) x(t) y(t) 則則 x(t) y(t) x(t) y(t) d)d)積分性積分性 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，即分等于原輸出信號(hào)的積分，即 若若 x(t) y(t) x

15、(t) y(t) 則則 x(t)dt y(t)dt x(t)dt y(t)dt 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.1 測(cè)試系統(tǒng)概論測(cè)試系統(tǒng)概論 e)e)頻率保持性頻率保持性 若系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號(hào)，則系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號(hào)，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號(hào)，即的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號(hào)，即 若若 x(t)=Acosx(t)=Acos(t+x) (t+x) 則則 y(t)=Bcosy(t)=Bcos(t+y)(t+y) 線性系統(tǒng)的這些主要特性，特別是符合線性系統(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)量工作中具有疊加原理和頻率保持性，在測(cè)

16、量工作中具有重要作用。重要作用。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： )(/ )()(sXsYsH拉氏變換拉氏變換( (數(shù)學(xué)定義數(shù)學(xué)定義) )：)(/ )()(jXjYjH富氏變換富氏變換(數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算):22)(Im)(Re)()(jHjHjHA)(Im/)(Re)(jHjHarctg4.3 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.3 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù):直觀的反映了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同頻率成分直觀的反映了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同頻率成分輸入信號(hào)的扭曲情況。輸入信號(hào)的扭曲情況。A華中科

17、技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院a)傳遞函數(shù)的測(cè)量傳遞函數(shù)的測(cè)量(正弦波法正弦波法) 依次用不同頻率依次用不同頻率f fi i的簡(jiǎn)諧信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)系的簡(jiǎn)諧信號(hào)去激勵(lì)被測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)測(cè)出激勵(lì)和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出的幅值、相統(tǒng)，同時(shí)測(cè)出激勵(lì)和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出的幅值、相位，得到幅值比位，得到幅值比A Ai i、相位差、相位差ii。 4.3 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 依據(jù)：頻率保持性依據(jù)：頻率保持性 若若 x(t)=Acosx(t)=Acos(t+x) (t+x) 則則 y(t)=Bcosy(t)=Bcos(t+y)(t+y)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四

18、章、測(cè)試系統(tǒng)特性 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單，信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器，雙蹤示波器雙蹤示波器缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：效率效率低低 從系統(tǒng)最低測(cè)量頻率從系統(tǒng)最低測(cè)量頻率fminfmin到最高測(cè)量頻率到最高測(cè)量頻率fmaxfmax，逐，逐步增加正弦激勵(lì)信號(hào)頻率步增加正弦激勵(lì)信號(hào)頻率f f，記錄下各頻率對(duì)應(yīng)的幅，記錄下各頻率對(duì)應(yīng)的幅值比和相位差，繪制就得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性。值比和相位差，繪制就得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性。 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院4.3 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性第四章、測(cè)試系統(tǒng)特性 案例：案例：音響系統(tǒng)性能

19、評(píng)定音響系統(tǒng)性能評(píng)定y(t)=x(t)*h(t) Y(f)=X(f)H(f) 改進(jìn)：改進(jìn)：脈沖輸入脈沖輸入/ /白白噪聲輸入，測(cè)量輸噪聲輸入，測(cè)量輸出，再求輸出頻譜。出，再求輸出頻譜。飛機(jī)模態(tài)分析飛機(jī)模態(tài)分析華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院b)b)脈沖響應(yīng)函數(shù)脈沖響應(yīng)函數(shù) 若裝置的輸人為單位脈沖若裝置的輸人為單位脈沖(t)(t)，因，因(t)(t)的的傅立葉變換為傅立葉變換為1 1，有：，有： Y(f)=H(f)Y(f)=H(f)，或，或y(t)=Fy(t)=F-1-1H(S)H(S)4.3 測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：直觀直觀缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：簡(jiǎn)單系統(tǒng)識(shí)別簡(jiǎn)單系統(tǒng)識(shí)別記為記為h(t)h(t)，稱它為脈沖響應(yīng)函數(shù)。，稱它為脈沖響應(yīng)函數(shù)。 H(f)固頻、阻尼參數(shù)固頻、阻尼參數(shù)傅立葉傅立葉變換變換華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中