土木工程測試學(xué)測試的技術(shù)基礎(chǔ)

§1-1測試系統(tǒng)的組成及其主要性能指標一、測試系統(tǒng)的組成被測對象→傳感器→測量電路→輸出裝置荷載系統(tǒng)→測量系統(tǒng)→顯示記錄信息輸出→轉(zhuǎn)換→傳遞→輸出 一、測試系統(tǒng)的組成控制閥液壓泵控制閥法向液壓傳感器剪切液壓傳感器法向位移傳感器剪切位移傳感器動態(tài)電阻應(yīng)變儀位移變送器法向千斤頂水平千斤頂節(jié)理試件A/D轉(zhuǎn)換計算機反饋回路一、測試系統(tǒng)的組成荷載系統(tǒng)：液壓、重力、氣壓、杠桿、彈簧測量系統(tǒng)：傳感器、中間變換、測量電路傳感器又稱為一次儀表，其余部分稱為二次、三次儀表。測量電路：使用較多的是電橋電路和放大電路，此外，還有濾波、整流，積分、微分電路、放大器等。最簡單情況，測量電路就是傳感器和測量儀器之間的導(dǎo)線。

信號處理系統(tǒng)：對輸出信號的處理顯示和記錄系統(tǒng)顯示記錄器和分析處理儀多被計算機取代。二、測試系統(tǒng)的主要性能指標1精度和誤差：絕對誤差相對誤差引用誤差二、測試系統(tǒng)的主要性能指標2穩(wěn)定性：穩(wěn)定度：時間上的穩(wěn)定性表示方法：δs＝1.3mV/8h；δs＝0.3ε/d環(huán)境影響：βu＝0.02mA/10%；βr＝0.3Ω/℃3測量范圍：量程超載、工作頻率范圍4分辨率：能測量的最小變化量零點和90%滿量程5傳遞特性：輸入量與輸出量的對應(yīng)關(guān)系。靜態(tài)傳遞特性動態(tài)傳遞特性§1-2線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)1線性時不變系統(tǒng)XY，X1Y1，X2Y2線形系統(tǒng)的方程輸入x（t)輸出y（t)系統(tǒng)h（x)§1-2線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)2線性系統(tǒng)的主要特性疊加性：X1+X2Y1+Y2齊次性（比例性）：cXcY微分特性：

XYX’Y’積分特性：XY頻率保持特性：幅值、頻率、相位差x(t)＝Asin(ωt+φ)y(t)＝Bsin(ωt+ξ)§1-2線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)例題對某線性裝置輸入簡諧信號x(t)＝Asin(ωt+φ)，若輸出為y(t)＝Bsin(θt+ξ)，請對幅值等各對應(yīng)量作定性比較，并用數(shù)學(xué)語言描述它們之間的關(guān)系。解： B=kA（齊次性） θ=ω（保頻） ξ=φ-C（保頻）§1-2線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì)例題滑動變阻器可以實現(xiàn)位移測試，能否進行速度和加速度測試？磁電式傳感器能夠測移動速度，能否測位移和加速度？答：利用微分特性和積分特性實現(xiàn)。上次課復(fù)習1測試系統(tǒng)的組成荷載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、顯示和記錄系統(tǒng)2測試系統(tǒng)的主要性能指標精度和誤差、穩(wěn)定性、測量范圍、分辨率、傳遞特性3線形系統(tǒng)4線形系統(tǒng)的主要性質(zhì)疊加性、齊次性、微分特性、積分特性、頻率保持特性§1-3測試系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞特性及其主要參數(shù)一、靜態(tài)方程和標定曲線靜態(tài)方程標定曲線yx§1-3測試系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞特性及其主要參數(shù)2測試系統(tǒng)的主要靜態(tài)特性參數(shù)(1)靈敏度xy表示方法S

=2Ω/mm§1-3測試系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞特性及其主要參數(shù)2測試系統(tǒng)的主要靜態(tài)特性參數(shù)(2)（非）線性度（直線度）定義：測量系統(tǒng)的標定曲線(由試驗確定的實際工作曲線)對理論擬合直線的接近程度非線性度均方差最小的直線一般要求小于3％§1-3測試系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞特性及其主要參數(shù)2測試系統(tǒng)的主要靜態(tài)特性參數(shù)(3)回程誤差（遲滯性）系統(tǒng)滯后現(xiàn)象和不工作區(qū)引起§1-3測試系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞特性及其主要參數(shù)2測試系統(tǒng)的主要靜態(tài)特性參數(shù)（4）環(huán)境影響與對應(yīng)措施溫度、濕度、氣壓、電源電壓、接地條件、絕緣電阻靈敏度漂移零點漂移減少環(huán)境影響的措施：隔離、補償、增益反饋、計算機修正補償§1-3測試系統(tǒng)的靜態(tài)傳遞特性及其主要參數(shù)例題：某次壓力測量時，磁電式傳感器的靈敏度S=90.0μv／MPa，將它與增益為0.005V／μv的電壓放大器相連，輸出到靈敏度為的20mm／v筆式記錄儀。求系統(tǒng)的總靈敏度。當△P=5.0MPa時，記錄筆在記錄紙上的偏移量?解：K=K1×K2×K3=90μv／Mpa×0.005V／μv×20mm／v =9mm／Mpa W=K×△P=9mm／Mpa×5.0MPa=45mm§1-4測試系統(tǒng)的動態(tài)傳遞特性及其測定1動態(tài)傳遞特性傳遞函數(shù)頻率的傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)2系統(tǒng)在典型輸入下的動態(tài)響應(yīng)3不失真測試條件4負載效應(yīng)5動態(tài)參數(shù)測定一、動態(tài)傳遞特性1傳遞函數(shù)輸入、輸出關(guān)系可用微分方程描述。在輸入x(t)、輸出y(t)以及各階導(dǎo)數(shù)的初始值均為零的情況下，對微分方程進行拉普拉斯變換(簡稱拉式變換)，得輸出的拉氏變換和輸入拉氏變換之比即為傳遞函數(shù)一、動態(tài)傳遞特性拉普拉斯變換（1）拉普拉斯變換是線性變換，變換前后不會影響原方程包含的信息。變換前后兩個方程等價。（2）傳遞函數(shù)是一個代數(shù)有理分式函數(shù)，其特征容易識別與研究。而考察微分方程的特性困難。說明：（1）傳遞函數(shù)實質(zhì)是以復(fù)數(shù)域（s=a+jb)中的象函數(shù)X(s)、Y(s)的代數(shù)式去代替實數(shù)域中原函數(shù)x(t)、y(t)的微分方程式。（2）H(s)是將實際的物理系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過變換后得出的，所以同一個傳遞函數(shù)可以表示具有相同的傳輸特性的不同系統(tǒng)。（3）傳遞函數(shù)H(s)用于描述系統(tǒng)本身固有的特性，與輸入X(t)的表達式無關(guān)。X(t)不同時，Y(t)的表達式不同，但傳遞函數(shù)H(s)保持不變。（4）傳遞函數(shù)H(s)分母完全由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定，而分子則和待測變量及測點布置情況有關(guān)。一、動態(tài)傳遞特性2串、并聯(lián)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)串聯(lián)系統(tǒng)Z（s）H1（S）H2（S）H（s）X（t）Y（t）H（s）H1（S）H2（S）X（t）Y（t）Y1（s）Y2（s）并聯(lián)系統(tǒng)一、動態(tài)陳傳遞特性3頻率句響應(yīng)函數(shù)傳遞函灣數(shù)的傅眠式變換物理意黃義：對于穩(wěn)際定的常專系數(shù)線斑性系統(tǒng)裹，若輸運入為正紗弦信號傾，則穩(wěn)悶態(tài)時的切輸出是快與輸入榮為同一夸頻率的侵正弦信值號；輸于出的幅超值和相騾角通常像不等于剖輸入的奶幅值和歸相角，抹輸出和鍋輸入幅忘值比和扭相位差駝都是輸明入頻率盟的函數(shù)魂，并反湊映在系鍵統(tǒng)的幅嬸頻特性迷和相頻慮特性中濁。一、動赴態(tài)傳遞塵特性3頻漂率響應(yīng)莊函數(shù)幅頻特取性相頻特性幅頻特性當輸入妥正弦信謊號的頻甩率沿頻瓣率軸滑貝動時，葬輸出、述輸入正笨弦信號壟振幅之點比隨頻普率的變亦化規(guī)律相頻特漂性輸入、輸距出正弦信茂號的相位親差之比隨控頻率的變抓化規(guī)律一、動態(tài)盯傳遞特性頻率響應(yīng)踏函數(shù)與傳炮遞函數(shù)的駛區(qū)別傳遞函蒙數(shù)中的s換成jω便得到了當頻率響應(yīng)睜函數(shù)。傳遞函數(shù)桶是輸出與詞輸入拉氏記變換之比附，其輸入洪并不限于垃正弦激勵漫，不僅描蹄述了測量紙裝置的穩(wěn)援態(tài)特性．猶也描述了貍它的瞬態(tài)特萍性。頻率響應(yīng)牢函數(shù)是在正弦信然號激勵下，按測量裝置喬達到穩(wěn)態(tài)后輸出與蠟輸入之間鏡的關(guān)系。一、動螺態(tài)傳遞特獎性4常欣見測試叨系統(tǒng)的孫傳遞函趁數(shù)和頻料率響應(yīng)故特性（1）豎一階系著統(tǒng)力學(xué)模型m=0kδ位移y（t）力x（t）一、動態(tài)真?zhèn)鬟f特性4常牢見測試嫌系統(tǒng)的底傳遞函基數(shù)和頻就率響應(yīng)袖特性（1）一填階系統(tǒng)m=0kδ位移y（t）力x（t）力學(xué)模汁型相頻特性幅頻特盒性傳遞函數(shù)一、動且態(tài)傳遞芹特性4常征見測試愿系統(tǒng)的躬傳遞函至數(shù)和頻瞎率響應(yīng)俗特性（2）趕二階系保統(tǒng)固有頻蒙率阻尼比靈敏度頻率響應(yīng)頸特性幅頻特性相頻特性二、系親統(tǒng)在典墻型輸入容下的動榨態(tài)響應(yīng)1單位籮脈沖信號2單汗位階越瓜信號3單位損斜坡信號4單漿位正弦胳信號5任啊意輸入三、信導(dǎo)號的失即真及不睬失真測依量條件1定義不失真商測試（擾傳遞）基實質(zhì)系統(tǒng)的響出應(yīng)波形（對輸出）與追輸入波形哲完全相似單?？杀３謧?cè)原信號的桶特性和全屋部信息。2不米失真條竄件幅頻函棚數(shù)為常倍數(shù)相頻函父數(shù)為線性（過獵原點的直搶線）四、測試我系統(tǒng)的負卷載效應(yīng)輸入阻抗辨:加入放大廳器負反饋技旁術(shù)上次課的剛復(fù)習1測試系統(tǒng)棄的主要靜嘩態(tài)特性參造數(shù)靈敏度成、線性事度、回嬸程誤差陸、環(huán)境蛙影響與醋對應(yīng)措俱施2測試系尿統(tǒng)的動村態(tài)傳遞舒特性傳遞函街數(shù)、頻多率響應(yīng)梨函數(shù)幅頻特性退、相頻特嬸性3系統(tǒng)忘不失真條喇件幅頻函數(shù)獎為常數(shù)、賭相頻函數(shù)鼻為線性（魄過原點的舞直線）4測煎試系統(tǒng)吐的負載紹效應(yīng)§1-頓5測試怨系統(tǒng)選漿擇的原園則靈敏度