工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)第三章測(cè)試系統(tǒng)特性

第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)本章學(xué)習(xí)要求：1.建立測(cè)試系統(tǒng)的概念2.了解測(cè)試系統(tǒng)特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響3.了解測(cè)試系統(tǒng)特性的測(cè)量方法第三章、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、儀器和設(shè)備的總稱。3.1測(cè)試系統(tǒng)概論

簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)(光電池)V第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

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)檢波器第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

不失真測(cè)量：語音片段1(Good)語音片段2(bad)3.2測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性

第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

如果測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置的輸入、輸出信號(hào)不隨時(shí)間而變化，則稱為靜態(tài)測(cè)量。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。a)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第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

yx△x△y3.2測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性b)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=B/A×100%yxB3.2測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性c)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%yxhmaxAd)靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述3.2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。

分辨力：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能力。測(cè)量范圍：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范圍。3.2測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性

可靠性：是與測(cè)試裝置無故障工作時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)的一種描述。

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。3.2測(cè)試試系統(tǒng)靜態(tài)響響應(yīng)特性案例：物料配重自動(dòng)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的的靜態(tài)參數(shù)測(cè)測(cè)量靈敏度=△y/△x非線性度=B/A×100%回程誤差=(hmax/A)×100%測(cè)量范圍：無論復(fù)雜度如如何，把測(cè)量量裝置作為一一個(gè)系統(tǒng)來看看待。問題簡(jiǎn)簡(jiǎn)化為處理輸輸入量x(t)、系統(tǒng)傳傳輸特性h(t)和輸出出y(t)三三者之間的關(guān)關(guān)系。x(t)h(t)y(t)輸入量系統(tǒng)特性輸出3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性第三章、測(cè)試試系統(tǒng)特性y(t)=X(t)*h(t)卷積分卷積分第二章、信號(hào)號(hào)分析基礎(chǔ)卷積積分是一一種數(shù)學(xué)方法法，在信號(hào)與與系統(tǒng)的理論論研究中占有有重要的地位位。特別是關(guān)關(guān)于信號(hào)的時(shí)時(shí)間域與變換換域分析，它它是溝通時(shí)域域－頻域的一一個(gè)橋梁。卷積的物理意義1）將信號(hào)x(t)分解解為許多寬度度為t的窄窄條面積之和和，t=nt時(shí)時(shí)的第n個(gè)窄條的高高度為x(nt)，在t趨近于于零的情況下下，窄條可以以看作是強(qiáng)度度等于窄條面面積的脈沖。。2.6卷積積分tx(t)nt

x(nt)t2）在t=nt時(shí)刻，窄窄條脈沖引起起的響應(yīng)為:x(nt)th(t-nt)tx(nt)th(t-nt)02.6卷積積分3）各脈沖引引起的響應(yīng)之之和即為輸出出y(t)ty(t)02.6卷積積分卷積與相關(guān)2.6卷積積分如果則時(shí)域卷積定理理卷積分的傅立立葉變換計(jì)算算法：3)如果輸入入和系統(tǒng)特性性已知，則可可以推斷和估估計(jì)系統(tǒng)的輸輸出量。(預(yù)預(yù)測(cè))系統(tǒng)分析中的的三類問題：：1)當(dāng)輸入、、輸出是可測(cè)測(cè)量的(已知知)，可以通通過它們推斷斷系統(tǒng)的傳輸輸特性。(系系統(tǒng)辨識(shí))2)當(dāng)系統(tǒng)特特性已知，輸輸出可測(cè)量，，可以通過它它們推斷導(dǎo)致致該輸出的輸輸入量。(反求)第三章、測(cè)試試系統(tǒng)特性x(t)h(t)y(t)測(cè)試系統(tǒng)基本本要求3.1測(cè)試試系統(tǒng)概論理想的測(cè)試系系統(tǒng)應(yīng)該具有有單值的、確確定的輸入－－輸出關(guān)系。。對(duì)于每一輸輸入量都應(yīng)該該只有單一的的輸出量與之之對(duì)應(yīng)。知道道其中一個(gè)量量就可以確定定另一個(gè)量。。其中以輸出出和輸入成線性關(guān)系最佳。xy線性xy線性xy非線性3.1測(cè)試試系統(tǒng)概論系統(tǒng)輸入x(t)和輸出出y(t)間間的關(guān)系可以以用常系數(shù)線線性微分方程程來描述：線性系統(tǒng)(時(shí)時(shí)域描述)一般在工程中中使用的測(cè)試試裝置都是線線性系統(tǒng)。3.1測(cè)試試系統(tǒng)概論線性系統(tǒng)性質(zhì)質(zhì)：a)疊加性系統(tǒng)對(duì)各輸入入之和的輸出出等于各單個(gè)個(gè)輸入的輸出出之和，即若x1(t)→→y1(t)，x2(t)→y2(t)則x1(t)±±x2(t)→y1(t)±y2(t)b)比例性常數(shù)倍輸入所所得的輸出等等于原輸入所所得輸出的常常數(shù)倍，即:若x(t)→→y(t)則kx(t)→→ky(t)3.1測(cè)試試系統(tǒng)概論c)微分性系統(tǒng)對(duì)原輸入入信號(hào)的微分分等于原輸出出信號(hào)的微分分，即若x(t)→y(t)則x'(t)→y'(t)d)積分性當(dāng)初始條件為為零時(shí)，系統(tǒng)統(tǒng)對(duì)原輸入信信號(hào)的積分等等于原輸出信信號(hào)的積分，，即若x(t)→y(t)則∫∫x(t)dt→∫∫y(t)dt3.1測(cè)試試系統(tǒng)概論e)頻率保持持性若系統(tǒng)的輸入入為某一頻率率的諧波信號(hào)號(hào)，則系統(tǒng)的的穩(wěn)態(tài)輸出將將為同一頻率率的諧波信號(hào)號(hào)，即若x(t)=Acos(ωt+φx)則y(t)=Bcos(ωt+φφy)線性系統(tǒng)的這這些主要特性性，特別是符符合疊加原理理和頻率保持持性，在測(cè)量量工作中具有有重要作用。。傳遞函數(shù)：拉氏變換(數(shù)學(xué)定義)：富氏變換(數(shù)字計(jì)算):3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性傳遞函數(shù):直觀的反映了了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)對(duì)不同頻率成成分輸入信號(hào)號(hào)的扭曲情況況。a)傳遞函數(shù)數(shù)的測(cè)量(正正弦波法)依次用不同頻頻率fi的簡(jiǎn)諧信號(hào)去去激勵(lì)被測(cè)系系統(tǒng)，同時(shí)測(cè)測(cè)出激勵(lì)和系系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸輸出的幅值、、相位，得到到幅值比Ai、相位差φi。3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性依據(jù)：頻率保保持性若x(t)=Acos(ωt+φφx)則y(t)=Bcos(ωt+φφy)第三章、測(cè)試試系統(tǒng)特性優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，信號(hào)發(fā)發(fā)生器，雙蹤蹤示波器缺點(diǎn)：效率低從系統(tǒng)最低測(cè)測(cè)量頻率fmin到最高高測(cè)量頻率fmax，逐逐步增加正弦弦激勵(lì)信號(hào)頻頻率f，記錄錄下各頻率對(duì)對(duì)應(yīng)的幅值比比和相位差，，繪制就得到到系統(tǒng)幅頻和和相頻特性。。3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性第三章、測(cè)試試系統(tǒng)特性案例：音響系統(tǒng)性能能評(píng)定y(t)=x(t)*h(t)Y(f)=X(f)H(f)

改進(jìn)：脈沖輸入/白噪聲輸入，測(cè)量輸出，再求輸出頻譜。飛機(jī)模態(tài)分析b)脈沖響應(yīng)應(yīng)函數(shù)若裝置的輸人人為單位脈沖沖δ(t)，，因δ(t)的傅立葉變變換為1，有有：Y(f)=H(f)，或或y(t)=F-1[H(S)]3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)點(diǎn)：直觀缺點(diǎn)：簡(jiǎn)單系統(tǒng)識(shí)別別記為h(t)，稱它為脈脈沖響應(yīng)函數(shù)數(shù)。H(f)固頻、阻尼參數(shù)傅立葉變換3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性案例:鏜桿固有頻率測(cè)量量實(shí)驗(yàn)：懸臂梁梁固有頻率測(cè)測(cè)量3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性案例:橋梁固頻測(cè)量量原理：在橋中中設(shè)置一三角角形障礙物，，利用汽車礙礙時(shí)的沖擊對(duì)對(duì)橋梁進(jìn)行激激勵(lì)，再通過過應(yīng)變片測(cè)量量橋梁動(dòng)態(tài)變變形，得到橋橋梁固有頻率率。c)階躍響響應(yīng)函數(shù)若系統(tǒng)輸入信信號(hào)為單位階階躍信號(hào)，即即x(t)=u(t)，，則X(s)=1/s，，此時(shí)Y(s)=H(s)/s3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性H(f)時(shí)域波形參數(shù)識(shí)別3.3測(cè)試試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)特性階躍響應(yīng)函數(shù)數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)求階躍響響應(yīng)函數(shù)簡(jiǎn)單單明了，產(chǎn)生生一個(gè)階躍信信號(hào)，再測(cè)量量系統(tǒng)輸出就就可以了。原理：在橋中中懸掛重物，，然后突然剪剪斷繩索，產(chǎn)產(chǎn)生階躍激勵(lì)勵(lì)，再通過應(yīng)應(yīng)變片測(cè)量橋橋梁動(dòng)態(tài)變形形，得到橋梁梁固有頻率。。案例：橋梁固有頻率測(cè)量設(shè)測(cè)試系統(tǒng)的的輸出y(t)與輸入x(t)滿足足關(guān)系y(t)=A0x(t-t0)3.4系統(tǒng)統(tǒng)不失真測(cè)量量條件第三章、測(cè)試試系統(tǒng)特性該系統(tǒng)的輸出出波形與輸入入信號(hào)的波形形精確地一致致，只是幅值值放大了A0倍，在時(shí)間上上延遲了t0而已。這種情情況下，認(rèn)為為測(cè)試系統(tǒng)具具有不失真的的特性。tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)時(shí)域條件y(t)=A0x(t-t0)Y(ωω)=A0e-jωωt0X(ωω)3.4系系統(tǒng)不不失真真測(cè)量量的條條件不失真真測(cè)試試系統(tǒng)統(tǒng)條件件的幅幅頻特特性和和相頻頻特性性應(yīng)分分別滿滿足A(ωω)=A0=常常數(shù)φ(ωω)=--t0ω做傅立立葉變變換頻域定義1一一階系系統(tǒng)3.5典典型系系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)第三章章、測(cè)測(cè)試系系統(tǒng)特特性溫度酒精濕度第三章章、測(cè)測(cè)試系系統(tǒng)特特性特征：：測(cè)量滯滯后階躍響應(yīng)傳遞函數(shù)第三章章、測(cè)測(cè)試系系統(tǒng)特特性一階系系統(tǒng)時(shí)時(shí)間常常數(shù)測(cè)測(cè)量：：階躍響應(yīng)0.63第三章章、測(cè)測(cè)試系系統(tǒng)特特性實(shí)驗(yàn)：：一階階系統(tǒng)統(tǒng)時(shí)間間常數(shù)數(shù)對(duì)測(cè)測(cè)量的的影響響2二二階系系統(tǒng)3.5典典型系系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)稱重(應(yīng)變片)F加速度3.5典典型系系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)特征：：震蕩脈沖響應(yīng)傳遞函數(shù)3.5典典型系系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)二階系系統(tǒng)參參數(shù)測(cè)測(cè)量脈沖響應(yīng)/階躍響應(yīng)函數(shù)法：tbM1M2fn=1/tb3.5典典型系系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)傳遞函函數(shù)法法0.7073.5典典型系系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)阻尼系系數(shù)和和固頻頻的作作用3.5典典型系系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)實(shí)驗(yàn)：：二階階系統(tǒng)統(tǒng)參數(shù)數(shù)對(duì)測(cè)測(cè)量的的影響響實(shí)際測(cè)測(cè)量工工作中中，測(cè)測(cè)量系系統(tǒng)和和被測(cè)測(cè)對(duì)象象會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生相相互作作用。。測(cè)量量裝置置構(gòu)成成被測(cè)測(cè)對(duì)象象的負(fù)負(fù)載。。彼此此間存存在能能量交交換和和相互互影響響，以以致系系統(tǒng)的的傳遞遞函數(shù)數(shù)不再再是各各組成成環(huán)節(jié)節(jié)傳遞遞函數(shù)數(shù)的疊疊加或或連乘乘。3.6負(fù)負(fù)載效效應(yīng)第三章章、測(cè)測(cè)試系系統(tǒng)特特性ER1R2V=ER2/(R2+R1)V=ER2Rm/[R1(Rm+R2)+RmR2]VRm令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得:U0=90V,U1=64.3V，，誤差達(dá)達(dá)28.6%。。第三章章、測(cè)測(cè)試系系統(tǒng)特特性案例：：物料配配重自自動(dòng)測(cè)測(cè)量系系統(tǒng)的的靜態(tài)態(tài)參數(shù)數(shù)測(cè)量量靈敏度度=△y/△△x非線性性度=B/A××100%回程誤誤差=(hmax/A)××100%測(cè)量范范圍：：測(cè)量過過程中中，除除待測(cè)測(cè)量信信號(hào)外外，各各種不不可見見的、、隨機(jī)機(jī)的信信號(hào)可可能出出現(xiàn)在在測(cè)量量系統(tǒng)統(tǒng)中。。這些些信號(hào)號(hào)與有有用信信號(hào)疊疊加在在一起起，嚴(yán)嚴(yán)重扭扭曲測(cè)測(cè)量結(jié)結(jié)果。。3.7測(cè)測(cè)量系系統(tǒng)的的抗干干擾第三章章、測(cè)測(cè)試系系統(tǒng)特特性測(cè)量系統(tǒng)信道干擾電磁干擾電源干擾3.7測(cè)測(cè)量系系統(tǒng)的的抗干干擾1)電電磁干干擾:干擾擾以電電磁波波輻射射方式式經(jīng)空空間串串入測(cè)測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)。2)信信道干干擾：：信號(hào)號(hào)在傳傳輸過過程中中，通通道中中各元元件產(chǎn)產(chǎn)生的噪噪聲或或非線線性畸畸變所所造成成的干干擾。。2)電電源干干擾：：這是是由于于供電電電源源波動(dòng)動(dòng)對(duì)測(cè)測(cè)量電電路引引起的干干擾。。一般說說來，，良好好的屏屏蔽及及正確確的接接地可可去除除大部部分的的電磁磁波干干擾。。使用用交流流穩(wěn)壓壓器、、隔離離穩(wěn)壓壓器可可減小小供電電電源源波動(dòng)動(dòng)的影影響。。信道道干擾擾是測(cè)測(cè)量裝裝置內(nèi)內(nèi)部的的干擾擾，可可以在在設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)選選用低低噪聲聲的元元器件件，印印刷電電路板板設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)元元件合合理排排放等等方式式來增增強(qiáng)信信道的的抗干干擾性性。3測(cè)測(cè)量系系統(tǒng)其它應(yīng)應(yīng)用：：

肌電誘發(fā)電位儀T生理信信號(hào)傳傳導(dǎo)速速度60m/s-70m/s9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中中黃葉葉樹，，燈下下白頭頭人。。。21:02:1121:02:1121:0212/28/20229:02:11PM11、以我獨(dú)獨(dú)沈久，，愧君相相見頻。。。12月-2221:02:1121:02Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。21:02:1121:02:1121:02Wednesday,December28,202213、乍見翻疑疑夢(mèng)，相悲悲各問年。。。12月-2212月-2221:02:1121:02:11December28,202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國(guó)見青青山。。28十二月月20229:02:11下午21:02:1112月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月229:02下下午午12月月-2221:02December28,202216、行行動(dòng)動(dòng)出出成成果果，，工工作作出出財(cái)財(cái)富富。。。。2022/12/2821:02:1121:02:1128December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時(shí)時(shí)，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點(diǎn)點(diǎn)的射線線向前。。。9:02:11下午午9:02下午午21:02:1112月-229、沒有有失敗敗，只只有暫暫時(shí)停停止成成功?。?。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很多事情情努力了未未必有結(jié)果果，但是不不努力卻什什么改變也也沒有。。。21:02:1121:02:1121:0212/28/20229:02:11PM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小努努力的積積累。。。12月-2221:02:1121:02Dec-2228-Dec-2212、世間成成事，不不求其絕絕對(duì)圓滿滿，留一一份不足足，可得得無限完完美。。。21:02:1121:02:1121:02Wednesday,December28,202213、不知香積寺寺，數(shù)里入云云峰。。12月-2212月-2221:02:1121:02:11December28,202214、意意志志堅(jiān)堅(jiān)強(qiáng)強(qiáng)的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥塊塊一一樣樣任任意意揉揉捏捏。。28十十二二月月20229:02:11下下午午21:02:1112月月-2215、楚塞三三湘接，，荊門九九派通。。。。十二月229:02下午午12月-2221:02December28,202216、少年十五二二十時(shí)，步行行奪得胡馬騎騎。。2022/12/2821:02:1121:02:1128December202217、空山新雨后后，天氣晚來來秋。。9:02:11下午9:02下下午21:02:1112月-229、楊柳散和和風(fēng)，青山山澹吾慮。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、閱閱讀讀一一切切好好書書如如同同和和過過去去最