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

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(yǔ)音片段1(Good)語(yǔ)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(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(lái)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(wú)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)試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性案例：物料配重自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)測(cè)量

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(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x(t)、系統(tǒng)傳輸特性h(t)和輸出y(t)三者之間的關(guān)系。x(t)h(t)y(t)輸入量系統(tǒng)特性輸出3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

y(t)=X(t)*h(t)卷積分卷積分第二章、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－頻域的一個(gè)橋梁。卷積的物理意義1）將信號(hào)x(t)分解為許多寬度為t的窄條面積之和，t=nt時(shí)的第n個(gè)窄條的高度為x(nt)，在t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。2.6卷積分tx(t)nt

x(nt)t2）在t=nt時(shí)刻，窄條脈沖引起的響應(yīng)為:

x(nt)th(t-nt)tx(nt)th(t-nt)02.6卷積分3）各脈沖引起的響應(yīng)之和即為輸出y(t)ty(t)02.6卷積分卷積與相關(guān)2.6卷積分如果則時(shí)域卷積定理卷積分的傅立葉變換計(jì)算法：3)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。(預(yù)測(cè))系統(tǒng)分析中的三類問(wèn)題：1)當(dāng)輸入、輸出是可測(cè)量的(已知)，可以通過(guò)它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。(系統(tǒng)辨識(shí))2)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。(反求)第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

x(t)h(t)y(t)測(cè)試系統(tǒng)基本要求

3.1測(cè)試系統(tǒng)概論

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線性關(guān)系最佳。xy線性xy線性xy非線性3.1測(cè)試系統(tǒng)概論

系統(tǒng)輸入x(t)和輸出y(t)間的關(guān)系可以用常系數(shù)線性微分方程來(lái)描述：線性系統(tǒng)(時(shí)域描述)一般在工程中使用的測(cè)試裝置都是線性系統(tǒng)。3.1測(cè)試系統(tǒng)概論

線性系統(tǒng)性質(zhì)：a)疊加性

系統(tǒng)對(duì)各輸入之和的輸出等于各單個(gè)輸入的輸出之和，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)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍，即:若x(t)→y(t)則kx(t)→ky(t)3.1測(cè)試系統(tǒng)概論

c)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)的微分，即若x(t)→y(t)則x'(t)→y'(t)d)積分性

當(dāng)初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的積分等于原輸出信號(hào)的積分，即若x(t)→y(t)則∫x(t)dt→∫y(t)dt3.1測(cè)試系統(tǒng)概論

e)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)的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號(hào)，即

若x(t)=Acos(ωt+φx)

則y(t)=Bcos(ωt+φy)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)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性傳遞函數(shù):直觀的反映了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同頻率成分輸入信號(hào)的扭曲情況。a)傳遞函數(shù)的測(cè)量(正弦波法)

依次用不同頻率fi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、相位，得到幅值比Ai、相位差φi。3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性依據(jù)：頻率保持性若x(t)=Acos(ωt+φx)則y(t)=Bcos(ωt+φy)第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，信號(hào)發(fā)生器，雙蹤示波器缺點(diǎn)：效率低

從系統(tǒng)最低測(cè)量頻率fmin到最高測(cè)量頻率fmax，逐步增加正弦激勵(lì)信號(hào)頻率f，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。3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

案例：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)：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)函數(shù)

若裝置的輸人為單位脈沖δ(t)，因δ(t)的傅立葉變換為1，有：Y(f)=H(f)，或y(t)=F-1[H(S)]3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)點(diǎn)：直觀缺點(diǎn)：簡(jiǎn)單系統(tǒng)識(shí)別記為h(t)，稱它為脈沖響應(yīng)函數(shù)。H(f)固頻、阻尼參數(shù)傅立葉變換3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性案例:鏜桿固有頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)：懸臂梁固有頻率測(cè)量3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性案例:橋梁固頻測(cè)量原理：在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車(chē)礙時(shí)的沖擊對(duì)橋梁進(jìn)行激勵(lì)，再通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。c)階躍響應(yīng)函數(shù)

若系統(tǒng)輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)，即x(t)=u(t)，則X(s)=1/s，此時(shí)Y(s)=H(s)/s3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性H(f)時(shí)域波形參數(shù)識(shí)別3.3測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性階躍響應(yīng)函數(shù)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)求階躍響應(yīng)函數(shù)簡(jiǎn)單明了，產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)，再測(cè)量系統(tǒng)輸出就可以了。原理：在橋中懸掛重物，然后突然剪斷繩索，產(chǎn)生階躍激勵(lì)，再通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。案例：橋梁固有頻率測(cè)量

設(shè)測(cè)試系統(tǒng)的輸出y(t)與輸入x(t)滿足關(guān)系

y(t)=A0x(t-t0)3.4系統(tǒng)不失真測(cè)量條件第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

該系統(tǒng)的輸出波形與輸入信號(hào)的波形精確地一致，只是幅值放大了A0倍，在時(shí)間上延遲了t0而已。這種情況下，認(rèn)為測(cè)試系統(tǒng)具有不失真的特性。tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)時(shí)域條件y(t)=A0x(t-t0)Y(ω)=A0e-jωt0X(ω)3.4系統(tǒng)不失真測(cè)量的條件不失真測(cè)試系統(tǒng)條件的幅頻特性和相頻特性應(yīng)分別滿足

A(ω)=A0=常數(shù)φ(ω)=--t0ω做傅立葉變換

頻域定義1一階系統(tǒng)3.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

溫度酒精濕度第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

特征：測(cè)量滯后階躍響應(yīng)傳遞函數(shù)第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)測(cè)量：階躍響應(yīng)0.63第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

實(shí)驗(yàn)：一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)對(duì)測(cè)量的影響2二階系統(tǒng)3.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)稱重(應(yīng)變片)F加速度3.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征：震蕩脈沖響應(yīng)傳遞函數(shù)3.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)二階系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量脈沖響應(yīng)/階躍響應(yīng)函數(shù)法：tbM1M2fn=1/tb3.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳遞函數(shù)法0.7073.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)阻尼系數(shù)和固頻的作用3.5典型系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)：二階系統(tǒng)參數(shù)對(duì)測(cè)量的影響

實(shí)際測(cè)量工作中，測(cè)量系統(tǒng)和被測(cè)對(duì)象會(huì)產(chǎn)生相互作用。測(cè)量裝置構(gòu)成被測(cè)對(duì)象的負(fù)載。彼此間存在能量交換和相互影響，以致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不再是各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的疊加或連乘。

3.6負(fù)載效應(yīng)

第三章、測(cè)試系統(tǒng)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)28.6%。第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

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

靈敏度=△y/△x非線性度=B/A×100%回程誤差=(hmax/A)×100%測(cè)量范圍：

測(cè)量過(guò)程中，除待測(cè)量信號(hào)外，各種不可見(jiàn)的、隨機(jī)的信號(hào)可能出現(xiàn)在測(cè)量系統(tǒng)中。這些信號(hào)與有用信號(hào)疊加在一起，嚴(yán)重扭曲測(cè)量結(jié)果。3.7測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾

第三章、測(cè)試系統(tǒng)特性

測(cè)量系統(tǒng)信道干擾電磁干擾電源干擾3.7測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾

1)電磁干擾:干擾以電磁波輻射方式經(jīng)空間串入測(cè)量系統(tǒng)。2)信道干擾：信號(hào)在傳輸過(guò)程中，通道中各元件產(chǎn)生的噪聲或非線性畸變所造成的干擾。2)電源干擾：這是由于供電電源波動(dòng)對(duì)測(cè)量電路引起的干擾。

一般說(shuō)來(lái)，良好的屏蔽及正確的接地可去除大部分的電磁波干擾。使用交流穩(wěn)壓器、隔離穩(wěn)壓器可減小供電電源波動(dòng)的影響。信道干擾是測(cè)量裝置內(nèi)部的干擾，可以在設(shè)計(jì)時(shí)選用低噪聲的元器件，印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)元件合理排放等方式來(lái)增強(qiáng)信道的抗干擾性。

3測(cè)量系統(tǒng)其它應(yīng)用：

肌電誘發(fā)電位儀T生理信號(hào)傳導(dǎo)速度60m/s-70m/s樹(shù)立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識(shí)。7月-237月-23Thursday,July27,2023人生得意須盡歡，莫使金樽空對(duì)月。11:11:5711:11:5711:117/27/202311:11:57AM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦繃。7月-2311:11:5711:11Jul-2327-Jul-23加強(qiáng)交通建設(shè)管理，確保工程建設(shè)質(zhì)量。11:11:5711:11:5711:11Thursday,July27,2023安全在于心細(xì)，事故出在麻痹。7月-237月-2311:11:5711:11:57July27,2023踏實(shí)肯干，努力奮斗。2023年7月27日11:11上午7月-237月-23追求至善憑技術(shù)開(kāi)拓市場(chǎng)，憑管理增創(chuàng)效益，憑服務(wù)樹(shù)立形象。27七月202311:11:57上午11:11:577月-23嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，讓生產(chǎn)更加有保障。七月2311:11上午7月-2311:11July27,2023作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)記得牢，駕輕就熟除煩惱。2023/7/2711:11:5711:11:5727July2023好的事情馬上就會(huì)到來(lái)，一切都是最好的安排。11:11:57上午11:11上午11:11:577月-23專注今天，好好努力，剩下的交給時(shí)間。7月-237月-2311:1111:11:5711:11:57Jul-23牢記安全之責(zé)，善謀安全之策，力務(wù)安全之實(shí)。2023/7/2711:11:57Thursday,July27,2023相信相信得力量。7月-232023/7/2711:11:577月-23謝謝大家！生活中的辛苦阻撓不了我對(duì)生活的熱愛(ài)。7月-237月-23Thursday,July27,2023人生得意須盡歡，莫使金樽空對(duì)月。11:11:5711:11:5711:117/27/