汽車測試技術第五章課件

第五章信號的記錄、補償與輸出測試系統(tǒng)的精度不僅與系統(tǒng)的動態(tài)特性或靜態(tài)特性有關，而且還與測試系統(tǒng)所處的環(huán)境及干擾有關，為了獲得滿意的測試結果，需對測試信號進行補償和修正；經補償、修正和調理后的測試信號還需將其記錄下來，以便對其進行分析、處理和輸出測試結果。

5.1信號的補償和修正

測試信號的補償與修正有多種不同的方法，常用的主要有：電橋補償函數(shù)補償通道補償均衡補償

一、電橋補償

電橋具有靈敏度高、測量范圍寬、容易實現(xiàn)對因環(huán)境變化所引起的測量誤差的補償，因此在測試工程中得到了廣泛的應用。電橋的電源可以是直流電，也可以是交流電。若接入電橋的激勵電壓（或稱供電電壓）是直流電，稱為直流電橋，若供電電壓是交流電，稱為交流電橋。

若電橋的輸出端所接的儀表或放大器的輸入阻抗很大時，可視為電橋的輸出端開路。據歐姆定理便可列出橋路a、b和a、d之間的電位差方程，即：輸出電壓為：[-]=-（5-1）

若接在四個橋臂上的四個電阻式傳感器的參數(shù)完全相同,即,且在測試過程中,各電阻式傳感器電阻量的變化均較小并同號,即。、、同時為正或同時為負，則式（5-1）可改寫為：

（5-2）式（5-2）就是電橋的加減特性。若式(5-2)中的、和是因環(huán)境變化(如溫度的變化)所引起的,且各電阻式傳感器均處于相同的測試環(huán)境,即,則電橋的輸出電壓，傳感器因環(huán)境的變化所引起的電阻輸出在電橋中自動被消除，這就是對測試信號進行補償?shù)墓ぷ髟?。事實上，信號的電橋補償只要將兩個相同的電阻式傳感器分別接到1、2或3、4兩個臂上即可。若電橋四個橋臂上的電阻值均隨被測量的變化,(見圖5-1(a)),稱為全臂電橋；若只有兩個橋臂上的電阻隨被測量而變，稱為雙臂半橋；若只有一個橋臂上的電阻值隨被測量變化，稱為單臂半橋。顯然，若要利用電橋進行信號補償，就必須采用雙臂半橋或全橋。若將欲組成差動結構的兩個傳感器分別接在電橋的1、2或3、4臂上，電橋不僅可實現(xiàn)兩個傳感器的差動連接，而且還自動地實現(xiàn)了信號地自動補償。式（5-2）還告訴我們，電橋的輸出與電橋供電電壓有關，電橋供電電壓的波動會帶來測量誤差。為了避免供電電壓波動對測試結果的影響，最簡單的方法是調節(jié)圖5-1(a)所示電橋中各橋臂上的電阻值、、和，使電橋的輸出電壓，這種電橋稱為平衡電橋。2、交流電橋

若將電容或電感式傳感器接入電橋，電橋的電源就不能是直流電，而應該向電橋供交流電。對于交流電橋，直流電橋所有的特性，如①利用加減特性對信號進行補償；②利用平衡電橋消除供電電壓對測試結果的影響等。交流電橋均有，所不同的是在直流電橋中，各橋臂上是純電阻；在交流電橋中，各橋臂上是復阻抗（即便是交流電橋臂上是純電阻器件，但由于電阻器件也存在分布電容，因此它仍然是復阻抗）。將復阻抗、、和去代換直流電橋中的、、和，則直流電橋的所有計算公式都適合于交流電橋。正因為如此，再加上受到篇幅的限制，在此不作詳細介紹。二、測試結果的函數(shù)補償測試結果的參數(shù)補償主要用于靜態(tài)測量，其補償方法有兩種：引入修正函數(shù)消除系統(tǒng)誤差1、引入修正函數(shù)在進行汽車試驗之前，先對測試系統(tǒng)進行精確地標定，以確定系統(tǒng)的輸出與輸入之間的修正函數(shù)。將試驗結果乘以修正函數(shù)便是被測參量地大小，即：

（5-5）這種補償方法在汽車試驗中經常用到。如進行汽車基本性能試驗及汽車排放和噪聲測試之前，通常應對測試系統(tǒng)（如五輪儀、燃油流量計、廢氣分析儀和聲級計）進行標定，以確定其修正函數(shù)。實現(xiàn)函數(shù)補償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：1）將修正函數(shù)輸入測試系統(tǒng)（鍵入或旋鈕調節(jié)），測試系統(tǒng)自動完成對測試結果的修正；2）人工處理，試驗人員通過手工計算來完成測試結果的修正工作。方法1）在汽車試驗中被廣泛采用，方法2）在某些特殊場合仍有采用，如汽車燃料經濟性的環(huán)境修正等。

三、通道補償測試信號的通道補償主要用于消除測試信號的干擾。在進行測試信號的采集和記錄時，專門拿出一個信號通道來記錄外界的干擾信號（該通道不記錄任何測試信號），這個通道稱為補償通道。在進行試驗數(shù)據處理之前，將測試信號與補償通道進行比較，這樣便可消除外界的干擾。這種補償方法在汽車試驗中經常用到，凡是采用磁帶記錄儀及計算機記錄的汽車測試系統(tǒng)，均采用這種信號補償方式。如進行汽車振動、噪聲和實驗模態(tài)分析時，都采用通道補償法。四、均衡補償

設汽車試驗中，某一測試系統(tǒng)的輸入(被測量)為，測試系統(tǒng)的輸出為，在理想情況下，我們都希望，然而，由于實際測量環(huán)節(jié)中的線性和非線性畸變，通常會出現(xiàn)的情況。欲將恢復成原被測信號就需采用一些特殊的處理，這種將測試系統(tǒng)的輸出恢復成輸入信號的過程稱為均衡補償。若僅考慮到線性時不變系統(tǒng)引起的畸變，則輸出與輸入的關系為：

（5-6）式中：—測試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

式(5-6)的離散富氏變換表達式為：

（5-7）欲消除信號的畸變，應為：

（5-8）即測試系統(tǒng)的輸出信號相對于輸入信號只有幅度上的增益和時間上的延時，而實際上的與式（5-8）所表達的理想情況有較大的差別。消除幅頻特性上的誤差，稱為幅度均衡；消除相頻特性上的誤差，稱為相位均衡，或稱相位補償。欲做到這些，常用的方法是設計一個數(shù)字濾波器（稱為均衡濾波器），使之滿足：

（5-9）

（5-10）式中：、—均衡濾波器的單位抽樣響應函數(shù)和頻率響應函數(shù)；、—均衡濾波器補償后的系統(tǒng)響應函數(shù)和頻響函數(shù)。從理論上講，均衡濾波器的頻率響應函數(shù)是測試系統(tǒng)傳輸函數(shù)頻率響應的逆函數(shù)，即:

(5-11)均衡濾波器的實值是設計一個滿足式（5-11）要求的數(shù)字均衡濾波器。

圖（5-2）是一典型數(shù)字存儲示波器的組成框圖，從圖中不難看出，數(shù)字存儲示波器就是一臺便攜式的專用記錄計算機。

圖5-2數(shù)字存儲示波器組成框圖事實上，無論哪一種數(shù)字記錄設備，其工作原理都基本相同，都是首先通過轉換器將模擬信號轉換成二進制的數(shù)字信號（即調碼），然后將其寫入記憶體（如磁帶、磁盤或硬盤）中。正因為如此，所以現(xiàn)在常將配有數(shù)據采集卡的數(shù)字計算機稱為通用的數(shù)字式記錄設備。數(shù)字式記錄設備的突出特點是，它采用脈碼調制方式記錄試驗信號，即經各種相應處理的模擬信號首先經過模數(shù)()轉換器將其轉換成二進制數(shù)，再將其記錄在數(shù)字存儲媒體（如磁帶、磁盤、光盤、新型的半導體存儲盤等）中。轉換器有8位、12位、16位、…之分。位數(shù)越高，則分辨率越高，即設定的額定最大輸出信號在幅值方向離散出的點數(shù)越多。信號的大小用一定位數(shù)（8位、12位、16位、…）的二進制編碼來表示（編碼規(guī)則見相應的國際標準），這種利用轉換器將模擬試驗信號轉換為數(shù)字信號的過程稱為脈碼調制（簡稱調碼）。一、數(shù)字式記錄設備的主要性能指標

數(shù)字記錄設備的性能在很大程度上取決于數(shù)據采集卡的性能，其評價指標主要有：

采樣頻率采樣延時信號記錄的分辨率量程2、采樣延時為了分析瞬態(tài)過程前后的信號狀態(tài)，通常在采集單次瞬態(tài)過程時需要有一定的負延時。若將觸發(fā)時刻定為時間坐標的零點，則在觸發(fā)時刻前的信號稱為負延時信號。

3、信號記錄的分辨率

信號記錄的分辨率由轉換器的位數(shù)決定，轉換器的位數(shù)越高、信號記錄的分辨率越高，模擬信號轉換為數(shù)字信號所帶來的量化誤差越小。8位轉換器，最低位的相對誤差為，即0.39％，12位轉換器最低位的相對誤差為＝0.024％，16位轉換器的最低位的相對誤差為＝0.0015％。3、觸發(fā)方式觸發(fā)方式即啟動設備開始進入數(shù)字記錄的操作方式。通常數(shù)字記錄設備都設有手動觸發(fā)、內觸發(fā)、單通道內觸發(fā)、全通道內觸發(fā)和外觸發(fā)等多種觸發(fā)方式。（1）手動觸發(fā)是指由儀器操作者直接操縱儀器給出記錄開始的觸發(fā)信號。（2）內觸發(fā)預設一觸發(fā)電平，當測試信號到達預設電平值時，便觸發(fā)儀器自動開始信號的記錄。（3）單通道內觸發(fā)只有當選定通道的測試信號達到預設電平值時，儀器才開始記錄。（4）全通道內觸發(fā)任一通道的測試信號達到預設電平值時，儀器才開始記錄。（5）外觸發(fā)通過輸入一脈沖來觸發(fā)儀器開始記錄。二、使用數(shù)字式記錄設備的注意事項

在使用數(shù)字式記錄設備之前，通常要對與測試信號記錄相關的量進行設置，以獲得一個好的記錄效果。

1、采樣頻率的選擇采樣頻率與測試信號的頻率有關，采樣頻率越高，會大大地增加數(shù)據記錄容量；采樣頻率太低，又會帶來信號的失真。為了較好地協(xié)調二者之間的矛盾，采樣頻率為信號頻率的5倍左右。

2、觸發(fā)方式的選擇內觸發(fā)方式簡便易行，因此被廣泛采用，但若要對測試信號進行挑選則最好采用手動觸發(fā)或外觸發(fā)方式。

3、量程的選擇量程的選擇是否合適，會影響到信號的記錄精度，通常測試信號的最大值應為所選量程的2/3。

5.3信號的輸出汽車試驗的最終目的是要獲得試驗結果，即要將所得到的測試信號從儀器中輸出。近些年信號輸出技術發(fā)展十分迅速，信號輸出的種類很多。如何選擇信號的輸出方式要視測試信號的類型、要求、方式、精度等而定。

一、信號的指針式輸出信號的指針式輸出方式是早期測試儀器設備較常用的一種輸出方式，由于此輸出方式的精度較差，因此現(xiàn)在在汽車測試儀器設備中已較少采用。但指針式輸出方式簡便直觀的獨特特點，使得它在輸出精度要求不高及輸出僅作指示和參考（如過程監(jiān)控儀表）的場合仍大量采用。在汽車試驗領域，目前仍采用指針式輸出方式的物理量主要有流體壓力、車速、轉速、噪聲、汽車排出廢氣中有害氣體的濃度。若這些量是汽車試驗的測試結果，目前已很少采用指針式輸出方式。

三、圖示顯示輸出現(xiàn)在眾多的汽車試驗項目，所需的輸出已不僅僅是數(shù)值量，往往需要輸出復雜的二維、三維曲線，有時還希望能實時顯示其多維運動學和動力學的圖像關系。欲滿足曲線和圖像輸出的要求，顯然前面所介紹的信號輸出設備均無能為力。需要用到圖視顯示輸出設備。近些年圖視顯示輸出設備的發(fā)展十分迅速，目前在用的有陰極射線管（Cathode－RayTube）圖視顯示器，簡稱CRT、液晶顯示器，又稱LCD圖視顯示器。CRT圖視顯示器已有100多年的發(fā)展歷史，其突出特點是品質好、性能穩(wěn)定可靠、尋址方式簡單、制造成本低、價格便宜。目前CRT圖視顯示器是電視機和計算機的主流顯示設備。CRT圖視顯示器的缺點也相當明顯，尤其是彩色CRT圖視顯示器，它不僅耗能高，而且輻射強，人體與之長期接觸會對健康構成危害。20世紀60年代，液晶光電效應的發(fā)現(xiàn)，人們便找到了一種重量輕、能耗低、輻射小、顯示面積大的理想片狀顯示設備。液晶（LCD）圖視顯示器經幾十年的發(fā)展，尤其是20世紀90年代初尋址薄膜晶體管陣列（TFT）器件的日趨成熟，便結束了LCD視圖顯示器的性能和穩(wěn)定性不如CRT圖視顯示器的歷史，揭開了便攜式圖視顯示技術的新紀元，也為圖視顯示設備和其它汽車試驗儀器同時上車以完成復雜的汽車試驗工作創(chuàng)造了物質條件。不僅如此，LCD圖視顯示技術的發(fā)展，還推動了虛擬儀器系統(tǒng)在汽車道路試驗中的應用。在過去欲完成汽車各項復雜的道路試驗工作，通常要來回更換沉重的各種不同的儀器，然而現(xiàn)在卻可以將過去各種復雜的汽車道路試驗儀器全部集成到一