工程測試技術基礎(第三章測試系統(tǒng)特性)

第三章、測試系統(tǒng)特性工程測試技術根底本章學習要求：1.建立測試系統(tǒng)的概念2.了解測試系統(tǒng)特性對丈量結果的影響3.了解測試系統(tǒng)特性的丈量方法第三章、測試系統(tǒng)特性測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試義務的傳感器、儀器和設備的總稱。3.1測試系統(tǒng)概論簡單測試系統(tǒng)(光電池)V第三章、測試系統(tǒng)特性復雜測試系統(tǒng)(軸承缺陷檢測)加速度計帶通濾波器包絡檢波器第三章、測試系統(tǒng)特性不失真丈量：語音片段1(Good)語音片段2(bad)3.2測試系統(tǒng)靜態(tài)呼應特性第三章、測試系統(tǒng)特性假設丈量時，測試安裝的輸入、輸出信號不隨時間而變化，那么稱為靜態(tài)丈量。靜態(tài)丈量時，測試安裝表現(xiàn)出的呼應特性稱為靜態(tài)呼應特性。a)靈敏度當測試安裝的輸入x有一增量△x,引起輸出y發(fā)生相應變化△y時,定義:S=△y/△x第三章、測試系統(tǒng)特性yx△x△y3.2測試系統(tǒng)靜態(tài)呼應特性b)非線性度標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測試系統(tǒng)靜態(tài)呼應特性c)回程誤差測試安裝在輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，對于同一個輸入量所得到的兩個數(shù)值不同的輸出量之間差值最大者為hmax，那么定義回程誤差為:(hmax/A)×100%yxhmaxAd)靜態(tài)呼應特性的其他描畫3.2測試系統(tǒng)靜態(tài)呼應特性精度：是與評價測試安裝產(chǎn)生的丈量誤差大小有關的目的靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來衡量丈量起始點不靈敏的程度。

分辨力：指能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量，闡明測試安裝分辨輸入量微小變化的才干。丈量范圍：是指測試安裝能正常丈量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。3.2測試系統(tǒng)靜態(tài)呼應特性

可靠性：是與測試安裝無缺點任務時間長短有關的一種描畫。

穩(wěn)定性：是指在一定任務條件下，當輸入量不變時，輸出量隨時間變化的程度。3.2測試系統(tǒng)靜態(tài)呼應特性案例：物料配重自動丈量系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)丈量靈敏度=△y/△x非線性度=B/A×100%回程誤差=(hmax/A)×100%丈量范圍：無論復雜度如何，把丈量安裝作為一個系統(tǒng)來對待。問題簡化為處置輸入量x(t)、系統(tǒng)傳輸特性h(t)和輸出y(t)三者之間的關系。x(t)h(t)y(t)輸入量系統(tǒng)特性輸出3.3測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性第三章、測試系統(tǒng)特性y(t)=X(t)*h(t)卷積分卷積分第二章、信號分析根底卷積積分是一種數(shù)學方法，在信號與系統(tǒng)的實際研討中占有重要的位置。特別是關于信號的時間域與變換域分析，它是溝通時域－頻域的一個橋梁。卷積的物理意義1〕將信號x(t)分解為許多寬度為t的窄條面積之和，t=nt時的第n個窄條的高度為x(nt)，在t趨近于零的情況下，窄條可以看作是強度等于窄條面積的脈沖。2.6卷積分tx(t)ntx(nt)t2〕在t=nt時辰，窄條脈沖引起的呼應為:

x(nt)th(t-nt)tx(nt)th(t-nt)02.6卷積分3〕各脈沖引起的呼應之和即為輸出y(t)ty(t)02.6卷積分卷積與相關2.6卷積分假設那么時域卷積定理卷積分的傅立葉變換計算法：3)假設輸入和系統(tǒng)特性知，那么可以推斷和估計系統(tǒng)的輸出量。(預測)系統(tǒng)分析中的三類問題：1)當輸入、輸出是可丈量的(知)，可以經(jīng)過它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。(系統(tǒng)辨識)2)當系統(tǒng)特性知，輸出可丈量，可以經(jīng)過它們推斷導致該輸出的輸入量。(反求)第三章、測試系統(tǒng)特性x(t)h(t)y(t)測試系統(tǒng)根本要求3.1測試系統(tǒng)概論理想的測試系統(tǒng)應該具有單值的、確定的輸入－輸出關系。對于每一輸入量都應該只需單一的輸出量與之對應。知道其中一個量就可以確定另一個量。其中以輸出和輸入成線性關系最正確。xy線性xy線性xy非線性3.1測試系統(tǒng)概論系統(tǒng)輸入x(t)和輸出y(t)間的關系可以用常系數(shù)線性微分方程來描畫：線性系統(tǒng)(時域描畫)普通在工程中運用的測試安裝都是線性系統(tǒng)。3.1測試系統(tǒng)概論線性系統(tǒng)性質：a)疊加性系統(tǒng)對各輸入之和的輸出等于各單個輸入的輸出之和，即假設x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)那么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:假設x(t)→y(t)那么kx(t)→ky(t)3.1測試系統(tǒng)概論c)微分性系統(tǒng)對原輸入信號的微分等于原輸出信號的微分，即假設x(t)→y(t)那么x'(t)→y'(t)d)積分性當初始條件為零時，系統(tǒng)對原輸入信號的積分等于原輸出信號的積分，即假設x(t)→y(t)那么∫x(t)dt→∫y(t)dt3.1測試系統(tǒng)概論e)頻率堅持性假設系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號，那么系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號，即

假設x(t)=Acos(ωt+φx)

那么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堅持性，在丈量任務中具有重要作用。傳送函數(shù)：拉氏變換(數(shù)學定義)：富氏變換(數(shù)字計算):3.3測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性3.3測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性傳送函數(shù):直觀的反映了測試系統(tǒng)對不同頻率成分輸入信號的扭曲情況。a)傳送函數(shù)的丈量(正弦波法)依次用不同頻率fi的簡諧信號去鼓勵被測系統(tǒng)，同時測出鼓勵和系統(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測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性根據(jù)：頻率堅持性假設x(t)=Acos(ωt+φx)那么y(t)=Bcos(ωt+φy)第三章、測試系統(tǒng)特性優(yōu)點：簡單，信號發(fā)生器，雙蹤示波器缺陷：效率低從系統(tǒng)最低丈量頻率fmin到最高丈量頻率fmax，逐漸添加正弦鼓勵信號頻率f，記錄下各頻率對應的幅值比和相位差，繪制就得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性。3.3測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性第三章、測試系統(tǒng)特性案例：音響系統(tǒng)性能評定y(t)=x(t)*h(t)Y(f)=X(f)H(f)改良：脈沖輸入/白噪聲輸入，丈量輸出，再求輸出頻譜。飛機模態(tài)分析b)脈沖呼應函數(shù)假設安裝的輸人為單位脈沖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測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性優(yōu)點：直觀缺陷：簡單系統(tǒng)識別記為h(t)，稱它為脈沖呼應函數(shù)。H(f)固頻、阻尼參數(shù)傅立葉變換3.3測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性案例:鏜桿固有頻率丈量實驗：懸臂梁固有頻率丈量3.3測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性3.3測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性案例:橋梁固頻丈量原理：在橋中設置一三角形妨礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進展鼓勵，再經(jīng)過應變片丈量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。c)階躍呼應函數(shù)假設系統(tǒng)輸入信號為單位階躍信號，即x(t)=u(t)，那么X(s)=1/s，此時Y(s)=H(s)/s3.3測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性H(f)時域波形參數(shù)識別3.3測試系統(tǒng)的動態(tài)呼應特性階躍呼應函數(shù)丈量實驗求階躍呼應函數(shù)簡單明了，產(chǎn)生一個階躍信號，再丈量系統(tǒng)輸出就可以了。原理：在橋中懸掛重物，然后忽然剪斷繩索，產(chǎn)生階躍鼓勵，再經(jīng)過應變片丈量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。案例：橋梁固有頻率丈量設測試系統(tǒng)的輸出y(t)與輸入x(t)滿足關系

y(t)=A0x(t-t0)3.4系統(tǒng)不失真丈量條件第三章、測試系統(tǒng)特性該系統(tǒng)的輸出波形與輸入信號的波形準確地一致，只是幅值放大了A0倍，在時間上延遲了t0而已。這種情況下，以為測試系統(tǒng)具有不失真的特性。tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)時域條件y(t)=A0x(t-t0)Y(ω)=A0e-jωt0X(ω)3.4系統(tǒng)不失真丈量的條件不失真測試系統(tǒng)條件的幅頻特性和相頻特性應分別滿足

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)的動態(tài)呼應第三章、測試系統(tǒng)特性溫度酒精濕度第三章、測試系統(tǒng)特性特征：丈量滯后階躍呼應傳送函數(shù)第三章、測試系統(tǒng)特性一階系統(tǒng)時間常數(shù)丈量：階躍呼應0.63第三章、測試系統(tǒng)特性實驗：一階系統(tǒng)時間常數(shù)對丈量的影響2二階系統(tǒng)3.5典型系統(tǒng)的動態(tài)呼應稱重(應變片)F加速度3.5典型系統(tǒng)的動態(tài)呼應特征：震蕩脈沖呼應傳送函數(shù)3.5典型系統(tǒng)的動態(tài)呼應二階系統(tǒng)參數(shù)丈量脈沖呼應/階躍呼應函數(shù)法：tbM1M2fn=1/tb3.5典型系統(tǒng)的動態(tài)呼應傳送函數(shù)法0.7073.5典型系統(tǒng)的動態(tài)呼應阻尼系數(shù)和固頻的作用3.5典型系統(tǒng)的動態(tài)呼應實驗：二階系統(tǒng)參數(shù)對丈量的影響實踐丈量任務中，丈量系統(tǒng)和被測對象會產(chǎn)生相互作用。丈量安裝構成被測對象的負載。彼此間存在能量交換和相互影響，以致系統(tǒng)的傳送函數(shù)不再是各組成環(huán)節(jié)傳送函數(shù)的疊加或連乘。3.6負載效應第三章、測試系統(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28.6%。第三章、測試系統(tǒng)特性案例：物料配重自動丈量系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)丈量靈敏度=△y/△x非線性度=B/A×100%回程誤差=(hmax/A)×100%丈量范圍：丈量過程中，除待丈量信號外，各種不可見的、隨機的信號能夠出如今丈量系統(tǒng)中。這些信號與有用信號疊加在一同，嚴重扭曲丈量結果。3.7丈量系統(tǒng)的抗干擾第三章、測試系統(tǒng)特性丈量系統(tǒng)信道干擾電磁干擾電源干擾3.7丈量系統(tǒng)的抗干擾1)電磁干擾:干擾以電磁波輻射方式經(jīng)空間串入測量系統(tǒng)。2)信道干擾：信號在傳輸過程中，通道中各元件產(chǎn)生的噪聲或