汽車(chē)試驗(yàn)學(xué)課件 第2章 汽車(chē)試驗(yàn)的基礎(chǔ)理論2

2.4汽車(chē)測(cè)試的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

汽車(chē)測(cè)試的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由傳感器、前置放大器（信號(hào)預(yù)處理裝置）、多路模擬開(kāi)關(guān)、采樣-保持器（S/H）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、計(jì)算機(jī)、顯示器等組成。圖2-12計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.4汽車(chē)測(cè)試的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.多路模擬開(kāi)關(guān)

多路模擬開(kāi)關(guān)的主要功用是把多個(gè)模擬量參數(shù)分時(shí)地接通并送達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換。

2.采樣-保持器

采樣器是一種開(kāi)關(guān)電路或裝置，它在固定時(shí)間點(diǎn)上取出被處理信號(hào)的值；保持器則把這個(gè)信號(hào)值放大后存儲(chǔ)起來(lái)，保持一段時(shí)間，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直到下一個(gè)采樣時(shí)間再取出一個(gè)模擬信號(hào)值來(lái)代替原來(lái)的值。圖2-12計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.4汽車(chē)測(cè)試的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）的功用是對(duì)采樣保持電路在時(shí)間上離散的模擬電壓值輸出一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)字量。

最常用的兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)是計(jì)數(shù)器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)為分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間。圖2-12計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.5汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建

汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建是根據(jù)被測(cè)對(duì)象的測(cè)量參數(shù)和汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的組成，利用已有的傳感器、前置放大器、示波器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等，構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)。

傳感器、前置放大器、示波器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等可從生產(chǎn)企業(yè)購(gòu)制，測(cè)試軟件、單片機(jī)等可自行開(kāi)發(fā)。1.利用示波器構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)

利用示波器構(gòu)建的汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)主要用于易于測(cè)量參數(shù)的靜態(tài)測(cè)量，如靜態(tài)的位移、溫度、電壓；也可用于傳動(dòng)軸振型等動(dòng)態(tài)測(cè)量。

傳感器與前置放大器連接，前置放大器直接與示波器連接。被測(cè)對(duì)象為汽車(chē)或汽車(chē)上的部件。傳感器和前置放大器來(lái)自傳感器的生產(chǎn)企業(yè)，示波器來(lái)自示波器的生產(chǎn)企業(yè)。

測(cè)試時(shí)，傳感器將被測(cè)對(duì)象的參數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)前置放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，在示波器上顯示波形。圖2-13

利用示波器構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的框圖2.利用數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)

利用數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)建的汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)可用于被測(cè)對(duì)象的不同參數(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。這種構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的方法，尤其適合構(gòu)建研究性試驗(yàn)、新的試驗(yàn)的汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)。

傳感器與前置放大器連接，前置放大器與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)連接。

測(cè)試時(shí)，傳感器將被測(cè)對(duì)象的參數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)前置放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理測(cè)試數(shù)據(jù)，并顯示測(cè)試結(jié)果。圖2-14

利用數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的框圖3.利用單片機(jī)和計(jì)算機(jī)構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)

利用單片機(jī)和計(jì)算機(jī)構(gòu)建的汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)可用于被測(cè)對(duì)象的單個(gè)參數(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。這種構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的方法，尤其適合構(gòu)建研究性試驗(yàn)、新的試驗(yàn)的測(cè)試儀器，對(duì)被測(cè)對(duì)象的單個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

傳感器與前置放大器連接，前置放大器與單片機(jī)連接，單片機(jī)通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接。

測(cè)試時(shí)，傳感器將被測(cè)對(duì)象的參數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)前置放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，通過(guò)單片機(jī)傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理測(cè)試數(shù)據(jù)，并顯示測(cè)試結(jié)果。圖2-15

利用單片機(jī)和計(jì)算機(jī)構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的框圖4.利用單片機(jī)構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)

利用單片機(jī)構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)可用于被測(cè)對(duì)象的不同參數(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。這類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)多由汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)構(gòu)建，并形成企業(yè)生產(chǎn)的汽車(chē)測(cè)試儀器。

傳感器與前置放大器連接，前置放大器與單片機(jī)連接。企業(yè)開(kāi)發(fā)單片機(jī)，利用單片機(jī)構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試儀器，并開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的測(cè)試軟件。

測(cè)試時(shí)，傳感器將被測(cè)對(duì)象的參數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)前置放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)處理測(cè)試數(shù)據(jù)，并顯示測(cè)試結(jié)果。圖2-16

利用單片機(jī)構(gòu)建汽車(chē)測(cè)試系統(tǒng)的框圖

1.測(cè)量及其分類(lèi)

測(cè)量就是以確定被測(cè)參數(shù)的數(shù)值為目的進(jìn)行的一系列試驗(yàn)操作。具體地說(shuō)，就是應(yīng)用某種測(cè)量?jī)x器，將被測(cè)量參數(shù)與同一物理量的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而確定該參數(shù)數(shù)值的過(guò)程。

測(cè)量包括直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N。2.6汽車(chē)測(cè)試的測(cè)量誤差及其分析

（1）直接測(cè)量

通過(guò)測(cè)試裝置，將被測(cè)量參數(shù)與同一物理量的標(biāo)準(zhǔn)量直接比較，或是用事先經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量校正的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，直接求得被測(cè)量參數(shù)的數(shù)值。

例如，用尺測(cè)量距離就屬于將被測(cè)距離與尺的量直接比較的直接測(cè)量，而用溫度計(jì)測(cè)量溫度則屬于用事先經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)量校正的溫度計(jì)進(jìn)行的直接測(cè)量。這些測(cè)量，均可從測(cè)量?jī)x器上直接讀出被測(cè)量參數(shù)的數(shù)值。1.測(cè)量及其分類(lèi)

（2）間接測(cè)量

被測(cè)量參數(shù)與某些獨(dú)立的參數(shù)存在確定的函數(shù)關(guān)系，對(duì)這些獨(dú)立的參數(shù)進(jìn)行直接測(cè)量，然后利用該函數(shù)關(guān)系計(jì)算得出被測(cè)量參數(shù)。

例如，對(duì)矩形的長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行直接測(cè)量，然后計(jì)算得出矩形面積，就是對(duì)矩形面積的間接測(cè)量，矩形面積不是直接測(cè)量得到的。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行直接測(cè)量，然后計(jì)算得到功率，也是功率的間接測(cè)量，功率不是直接測(cè)量得到的。1.測(cè)量及其分類(lèi)

（1）測(cè)量誤差

測(cè)量誤差是被測(cè)量參數(shù)的測(cè)量值l與真實(shí)值X之間的差值，簡(jiǎn)稱(chēng)誤差，即2.測(cè)量誤差及其分類(lèi)(2-20)

測(cè)量值l可通過(guò)儀器測(cè)量得到，真實(shí)值X往往難以得到。真實(shí)值簡(jiǎn)稱(chēng)真值，可來(lái)自被測(cè)量參數(shù)的理論值、規(guī)定值、標(biāo)準(zhǔn)中的值，在等精密度測(cè)量中，可取多個(gè)測(cè)量值的平均值。無(wú)論直接測(cè)量還是間接測(cè)量，測(cè)量結(jié)果都不等于被測(cè)量的真實(shí)值，也即測(cè)量存在誤差，難以避免誤差，只能減小誤差。2.測(cè)量誤差及其分類(lèi)

（2）按誤差的性質(zhì)分類(lèi)

1)系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差是保持一定大小、正負(fù)數(shù)值或按一定規(guī)律變化的誤差，是一種非隨機(jī)性誤差。系統(tǒng)誤差由測(cè)試系統(tǒng)中非隨機(jī)因素引起的誤差。

系統(tǒng)誤差的來(lái)源包括測(cè)量設(shè)備的基本誤差、偏離測(cè)試條件要求所產(chǎn)生的測(cè)試條件誤差、測(cè)量理論和方法不完善所帶來(lái)的理論誤差和方法誤差及試驗(yàn)人員測(cè)量技術(shù)不熟練或其他主觀原因造成的人員誤差等?？筛鶕?jù)測(cè)試系統(tǒng)的組成，逐個(gè)分析系統(tǒng)誤差的來(lái)源。

系統(tǒng)誤差是有規(guī)律的，這種規(guī)律體現(xiàn)在每一次具體的測(cè)量中。因此，通過(guò)試驗(yàn)找到這種規(guī)律之后，就可以對(duì)測(cè)定值進(jìn)行修正，以減小或消除系統(tǒng)誤差的影響。（2）按誤差的性質(zhì)分類(lèi)2)過(guò)失誤差

由于測(cè)量工作中的錯(cuò)誤、疏忽大意等原因引起的誤差，稱(chēng)為過(guò)失誤差，又可以稱(chēng)為“粗大誤差”。3)隨機(jī)誤差

即使在相同的條件下，對(duì)同一個(gè)參數(shù)重復(fù)地進(jìn)行多次測(cè)量，所得到的測(cè)量值也不可能完全相同。這時(shí)，測(cè)量誤差具有各不相同的數(shù)值與符號(hào)，這種誤差稱(chēng)為隨機(jī)誤差，或稱(chēng)偶然誤差。

在任何測(cè)量工作中，隨機(jī)誤差都是無(wú)法避免的。隨機(jī)誤差就其個(gè)體而言，是沒(méi)有規(guī)律、無(wú)法預(yù)先估計(jì)及不可控制的，但其總體卻符合統(tǒng)計(jì)學(xué)的規(guī)律，重復(fù)測(cè)量的次數(shù)越多，這種規(guī)律性就越明顯。因此，可以用概率統(tǒng)計(jì)的方法，計(jì)算隨機(jī)誤差給測(cè)量結(jié)果可能帶來(lái)的影響。（3）按誤差產(chǎn)生的原因分類(lèi)1)測(cè)試?yán)碚撜`差

測(cè)試?yán)碚撜`差是指由于測(cè)量理論本身不夠完善引起的誤差。例如，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上做測(cè)試時(shí)，車(chē)輪在滾筒上滾動(dòng)替代車(chē)輪在地面上滾動(dòng)，產(chǎn)生車(chē)輪滾動(dòng)的理論誤差。2)測(cè)試儀器誤差

測(cè)試儀器誤差是指由于儀器的結(jié)構(gòu)和制造不完善或調(diào)整、校正不當(dāng)或位感器的安裝位姿精度等原因引起的誤差。例如，傳感器在汽車(chē)上安裝，傳感器的坐標(biāo)與汽車(chē)坐標(biāo)間的誤差。

3)測(cè)試人員誤差

測(cè)試人員誤差是指由于測(cè)量者技術(shù)不熟練或受其他主觀因素引起的誤差。例如，駕駛員的駕駛水平與測(cè)試誤差有關(guān)，同一駕駛員及不同駕駛員操縱同一輛手動(dòng)擋汽車(chē)換擋，均有換擋的時(shí)間誤差，且不可控制；主觀評(píng)價(jià)汽車(chē)的平順性也會(huì)因人而異，產(chǎn)生主觀評(píng)價(jià)誤差。（3）按誤差產(chǎn)生的原因分類(lèi)4)被測(cè)對(duì)象誤差

被測(cè)對(duì)象誤差是指由于被測(cè)對(duì)象自身變化帶來(lái)的誤差。例如，汽車(chē)在冷態(tài)及熱態(tài)、跑合與未跑合、加潤(rùn)滑油等保養(yǎng)前后均會(huì)帶來(lái)動(dòng)力性、制動(dòng)性等測(cè)試誤差。

5)測(cè)試環(huán)境誤差

環(huán)境誤差是指由于各種環(huán)境因素與要求的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不一致而引起的測(cè)量裝置和被測(cè)量對(duì)象本身的變化所造成的誤差。例如，大氣的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向等變化引起測(cè)試的氣候環(huán)境誤差。

6)測(cè)試道路誤差

測(cè)試道路誤差是指由于測(cè)試道路引起的測(cè)試誤差。例如，道路有路面不平度并使汽車(chē)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)，引起測(cè)試誤差；車(chē)輪在道路及滾筒上滾動(dòng)，有滾動(dòng)誤差；在汽車(chē)?yán)@樁試驗(yàn)中，有汽車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差。3.測(cè)量誤差的表達(dá)方式

（1）絕對(duì)誤差

被測(cè)量參數(shù)的測(cè)定值與真實(shí)值之差為絕對(duì)誤差，見(jiàn)式(2-20)，可正可負(fù)。

（2）相對(duì)誤差

絕對(duì)誤差與真實(shí)值之比為相對(duì)誤差，通常用百分比表示，可正可負(fù)，即相對(duì)誤差（2-21）4.測(cè)試的精確度

（1）精密度

精密度是指對(duì)同一被測(cè)參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，各測(cè)定值之間的接近程度。測(cè)量的精密度受隨機(jī)誤差控制。

（2）準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度是指對(duì)同一被測(cè)參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與被測(cè)參數(shù)的真實(shí)值之間的接近程度。測(cè)量的準(zhǔn)確度受系統(tǒng)誤差控制。

（3）精確度

精確度就是精密度與準(zhǔn)確度的綜合。測(cè)量工作就是希望得到精確度高的結(jié)果。a)高準(zhǔn)確度低精密度b）低準(zhǔn)確度高精密度c）高精確度

圖2-17精密度、準(zhǔn)確度和精確度三者之間的關(guān)系5.隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律

隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布，其數(shù)學(xué)模型用概率密度函數(shù)描述為

隨機(jī)誤差具有以下特征：1)單峰性。2)對(duì)稱(chēng)性。3)有限性。

4)抵償性。（2-22）（2-23）a)正態(tài)分布曲線b）不同標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)分布曲線

圖2-18隨機(jī)誤差的正態(tài)分布曲線6.等精密度測(cè)量的算術(shù)平均值與真實(shí)值的關(guān)系

對(duì)某個(gè)參數(shù)進(jìn)行n次等精密度測(cè)量，即得到

，

，…，

等n個(gè)測(cè)量值，根據(jù)式(2-20)，且考慮真實(shí)值只有一個(gè)，則有

，

，…，

。如以

表示測(cè)量值的算術(shù)平均值，即

進(jìn)一步得（2-24）

當(dāng)測(cè)量次數(shù)無(wú)限增加時(shí)，可使得

，此時(shí)，測(cè)量值的算術(shù)平均值就等于被測(cè)參數(shù)的真實(shí)值，即（2-25）（2-26）

測(cè)量值

與算術(shù)平均值

之差，稱(chēng)為殘余誤差，簡(jiǎn)稱(chēng)殘差（或稱(chēng)偏差），以

表示，則有6.等精密度測(cè)量的算術(shù)平均值與真實(shí)值的關(guān)系(2-27)

將各測(cè)量值的殘差值相加，再根據(jù)式(2-24)，可得(2-28)

可見(jiàn)，各測(cè)量值殘差的代數(shù)和等于零。殘差的這個(gè)性質(zhì)可用來(lái)檢查算術(shù)平均值的計(jì)算是否正確。7.汽車(chē)測(cè)試誤差的分析

（1）汽車(chē)測(cè)試誤差分析的意義

在汽車(chē)測(cè)試設(shè)計(jì)、過(guò)程中及獲得測(cè)試結(jié)果后，一定要進(jìn)行汽車(chē)測(cè)試誤差分析。如果不知道測(cè)試的誤差、精密度和準(zhǔn)確度，那么汽車(chē)測(cè)試結(jié)果將失去意義。

在測(cè)試設(shè)計(jì)中，進(jìn)行測(cè)試誤差分析，是要防止、避免較大的理論誤差，在測(cè)試?yán)碚撝笇?dǎo)下，選擇合適的測(cè)試方法和儀器，制定高精度的測(cè)試方案，為高精度的汽車(chē)測(cè)試打下理論和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

在測(cè)試過(guò)程中，進(jìn)行測(cè)試誤差分析，是要保證測(cè)試過(guò)程的正確，正確使用測(cè)試儀器，減小測(cè)試過(guò)程中的操作誤差，防止、避免測(cè)試過(guò)程中的過(guò)失誤差，達(dá)到汽車(chē)測(cè)試設(shè)計(jì)要求的精度。

在獲得測(cè)試結(jié)果后，進(jìn)行測(cè)試誤差分析，是要知道哪些測(cè)試有較大誤差，對(duì)測(cè)試結(jié)果有何影響，測(cè)試數(shù)據(jù)可信度，評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果是否達(dá)到測(cè)試精度的要求，并給出結(jié)論；通過(guò)測(cè)試誤差分析，也為繼續(xù)做好汽車(chē)測(cè)試工作打下基礎(chǔ)。7.汽車(chē)測(cè)試誤差的分析

（2）汽車(chē)測(cè)試誤差分析的目的汽車(chē)測(cè)試誤差分析的目的，不是要消除它，因?yàn)檫@是不可能的；也不是使它小到不能再小，這不一定必要，因?yàn)檫@要花費(fèi)大量的人力和物力；而是在一定的條件下，把誤差減少到最低限度，得到更接近于真實(shí)值的最佳測(cè)量結(jié)果，使汽車(chē)測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足精度要求。7.汽車(chē)測(cè)試誤差的分析

（3）汽車(chē)測(cè)試誤差分析的任務(wù)汽車(chē)測(cè)試誤差分析的任務(wù)就是研究誤差來(lái)源及其產(chǎn)生誤差原因、誤差的性質(zhì)和規(guī)律，其主要內(nèi)容是：

1）分析汽車(chē)測(cè)試?yán)碚?、設(shè)備及其誤差，分析測(cè)試結(jié)果的誤差及其精度；

2）研究和確定汽車(chē)測(cè)試過(guò)程中的過(guò)失誤差和巨大隨機(jī)誤差之間的界限，以便舍棄那些含有過(guò)失誤差的汽車(chē)測(cè)試值；

3）研究隨機(jī)誤差的分布規(guī)律，分析和確定測(cè)量的精密度；研究系統(tǒng)誤差的規(guī)律，尋找把系統(tǒng)誤差從隨機(jī)誤差中分離出來(lái)的方法，并設(shè)法消除它的影響；

4）從一系列汽車(chē)測(cè)量值中，求出最接近于被測(cè)參數(shù)真實(shí)值的測(cè)量結(jié)果。7.汽車(chē)測(cè)試誤差的分析

（4）汽車(chē)測(cè)試