緒論1測試系統(tǒng)(汽車試驗學)

第一章概論一.測試技術(shù)測試技術(shù)是實驗科學的一部分，主要研討各種物理量的丈量原理和丈量信號的分析處置方法。以確定被測參數(shù)之值為目的的一系列操作叫測試，與之對應(yīng)的技術(shù)叫測試技術(shù)

例1：丈量黑板的面積，先要丈量長寬再求積，這一系列操作均為確定被測黑板面積的值，與之對應(yīng)的技術(shù)叫測試技術(shù).例二丈量爐溫之值

為了丈量爐溫，要先安裝傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器，計算機顯示器、記錄器，這一系列操作均為確定爐溫之值，與之對應(yīng)的技術(shù)叫測試技術(shù)爐傳感器放大器記錄A/D顯示計算機簡單的測試系統(tǒng)可以只需一個模塊，如以下圖所示的玻璃管溫度計。中間沒有電量的轉(zhuǎn)換和分析處置電路，很簡單，但丈量精度底，同時也很難實現(xiàn)丈量自動化。為提高丈量精度、添加信號傳輸、處置、存儲、顯示的靈敏性和提高測試系統(tǒng)的自動化程度，以利于和其它控制環(huán)節(jié)一同構(gòu)成自動化測控系統(tǒng)，在測試中通常先將被測對象輸出的物理量轉(zhuǎn)換為電量，然后再根據(jù)需求對變換后的電信號進展處置，最后以適當?shù)姆绞斤@示、輸出。測試系統(tǒng)普通由傳感器、中間變換安裝和顯示記錄安裝組成。二.測試技術(shù)的運用產(chǎn)質(zhì)量量丈量汽車、機床等設(shè)備和電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必需對其性能質(zhì)量進展丈量和出廠檢驗汽車制造廠發(fā)動機測試系統(tǒng)原理，發(fā)動機丈量參數(shù)包括光滑油溫度、冷卻水溫度、光滑油壓力、燃油壓力以及每分鐘的轉(zhuǎn)速等。.

設(shè)備運轉(zhuǎn)形狀監(jiān)控系統(tǒng)某火力發(fā)電廠30MW汽輪發(fā)電機組的計算機設(shè)備運轉(zhuǎn)形狀監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖。家電產(chǎn)品全自動洗衣機中的滾筒液面高度自動檢測測試技術(shù)在軍事上的運用機載雷達聲納二戰(zhàn)初期，德國人憑仗潛艇優(yōu)勢，擊沉英美大量運輸船只、軍艦，但隨著聲納技術(shù)的出現(xiàn)，潛艇的優(yōu)勢逐漸消逝，最后被消滅．可以毫不夸張的說一個國家測試程度的高低，決定著該國軍現(xiàn)實力的強弱．地質(zhì)方面的運用地震法探油測震儀油田炸藥醫(yī)學方面聽診器、血壓計、溫度表、X光機、B超、心電圖、腦電圖、CT、各種生化分析儀器都是測試技術(shù)在醫(yī)學方面的運用，由于這些設(shè)備的運用提高了確診率，給病人帶來福音.總之，可以說沒有測試就沒有科學，科學就是禾加斗組成的，禾是谷子斗是量具，意為用量具丈量谷子叫丈量.第二章測試安裝的技術(shù)特性第一節(jié)測試的根本概念一、測試系統(tǒng)的組成測試的根本義務(wù)是獲取有用的信息。信息是蘊涵在某些隨時間或空間變化的物理量。信號就其詳細的物理性質(zhì)而言，有位移信號、速度信號、加速度信號、力信號、光信號和電信號等。測試技術(shù)中將信號一致籠統(tǒng)為時間的函數(shù)。測試系統(tǒng)的組成框圖傳感器信號調(diào)理器記錄器數(shù)據(jù)處置及其外圍設(shè)備被測非電量定度設(shè)備校準設(shè)備傳感器：將其輸入的被測非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號。信號調(diào)理器：將電信號變換成傳輸不失真且便于記錄、處置的電信號。如信號源的阻抗變換，信號的放大、衰減與波形變換，信號濾波，多路信號切換等。顯示和記錄器：記錄或顯示信號調(diào)理器輸出的信號。顯示必要的數(shù)據(jù)變化圖形，供直接察看分析，或?qū)⑵溆涗洷９?，供后續(xù)儀器分析、處置。數(shù)據(jù)處置器：將記錄的信號按測試目的與要求提取其有用信息，經(jīng)過公用計算機進展分析、處置，如概率統(tǒng)計分析、相關(guān)分析、功率譜分析和傳送特性分析等。定度與校準設(shè)備：是測試系統(tǒng)的附加設(shè)備。測試前要對傳感器及測試系統(tǒng)確定其輸入與輸出物理量轉(zhuǎn)換關(guān)系的定度曲線，并根據(jù)種較高準確度的參考儀器進展校準，確定整個測試系統(tǒng)的精度。二、對測試系統(tǒng)的要求及其主要特性根本要求：系統(tǒng)具有單值的、確定的輸入—輸出關(guān)系，其中以輸出和輸入呈線性關(guān)系為最正確。xy線性xy線性xy非線性單向系統(tǒng)：測試系統(tǒng)對被丈量的反作用影響可以忽略。〔非接觸式測試能滿足要求〕。(例如：電流丈量〕線性系統(tǒng)：即輸出與輸入是線性關(guān)系?！矊嵺`測試系統(tǒng)不能夠在較大任務(wù)范圍內(nèi)堅持線性〕靜態(tài)特性：被測試量不隨時間變化或變化很緩慢時，測試系統(tǒng)的輸入——輸出關(guān)系。動態(tài)特性：被測試量隨時間變化時，測試系統(tǒng)的輸入——輸出關(guān)系。根本特性信號的構(gòu)成及分解構(gòu)成測試任務(wù)研討的對象是信號，了解構(gòu)成信號的根本元素對于了解信號的性質(zhì)是非常重要的。就像了解物質(zhì)的元素、種類及含量對于了解物質(zhì)的性質(zhì)至關(guān)重要一樣水是由碳和氫兩種元素構(gòu)成的，食鹽是由鈉和氯兩種元素構(gòu)成的，生石灰是由鈣和氧兩種元素構(gòu)成的等等。知道了構(gòu)成某一物質(zhì)的元素及含量就可以知道該物質(zhì)的性質(zhì)，因此，工業(yè)上常采用化學分析的手段來了解物質(zhì)的成分，指點工業(yè)消費。信號能否也是由根本元素構(gòu)成的呢？信號的根本元素是正弦信號。ASinω其中A代表含量,ω代表元素種類，即一種頻率的正弦信號，代表一種元素，可見信號的元素種類是無限的信號的分解周期信號的分解〔傅里葉級數(shù)〕對于周期信號只需符合狄氏條件，就可以用傅里葉級數(shù)分解成正弦信號。例,周期方波-TTt在區(qū)間的函數(shù)用傅里葉級數(shù)展開后以頻率f為橫坐標，以正弦函數(shù)的幅值為縱坐標，繪出的頻譜圖為:由該圖可知周期函數(shù)的頻譜是離散的;任給一頻率，小于等于該頻率的的正弦函數(shù)的個數(shù)是有限的;與頻率對應(yīng)的縱坐標是正弦函數(shù)的幅值.非周期函數(shù)的分解〔傅氏變換〕對上式進展傅里葉變換

x(f)fX(t)T-T0h由頻譜圖可知:非周期函數(shù)的頻譜是延續(xù)的;任給一頻率區(qū)間［f1,f2］，頻率在該區(qū)間的正弦信號的個數(shù)是無窮的;隨機信號可作為非周期函數(shù)處置.周期信號與非周期信號頻譜的比較周期信號的頻譜相當于力學中的集中載荷，非周期信號的頻譜相當于力學中的分布載荷.系統(tǒng)，輸入和輸出

工程測試問題：處置輸入量或被丈量x(t)、系統(tǒng)的傳輸或轉(zhuǎn)換特性h(t)和輸出量y(t)三者之間的關(guān)系知系統(tǒng)特性H，經(jīng)過察看分析輸出信號Y，推斷其相應(yīng)的輸入信號或被丈量X，即丈量知輸入信號X，經(jīng)過察看分析輸出信號Y，推斷其系統(tǒng)特性H，即系統(tǒng)或儀器的定度過程知輸入信號X和系統(tǒng)特性H，可以推斷和估計出系統(tǒng)的輸出量，此為輸出信號預(yù)測。x(t)h(t)y(t)測試安裝的根本特性三者之間的關(guān)系是獨一的，知道恣意兩者，可求第三者;測試的目的是經(jīng)過系統(tǒng)的輸出y〔t〕確定系統(tǒng)的輸入x〔t〕;例如丈量爐溫，是經(jīng)過熱電偶的輸出電壓y〔t〕求輸入熱電偶的溫度x〔t〕的;因此，系統(tǒng)的特性對丈量的影響很大。為了研討系統(tǒng)的特性，通常從兩方面入手：①.系統(tǒng)的靜特性;②.系統(tǒng)的動特性.第二節(jié)測試安裝的靜態(tài)特性輸出——輸入關(guān)系：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn〔2-1〕

式中x——輸入的物理量

y——輸出量；

a0，a1，a2,…an-——常數(shù)。零點漂移〔零漂〕：當a0≠0時，即使在沒有輸入的情況下仍有輸出，〔為非理想的靜態(tài)特性〕。

靜態(tài)特性目的：靈敏度、非線性度和回程誤差，此外有分辨率、零點漂移及丈量范圍。靈敏度靈敏度選?。簻y試安裝的靈敏度越高，丈量范圍越窄，穩(wěn)定性也越差。靈敏度S：S=Δy/Δx，對于特性呈直線關(guān)系的安裝，S=Δy/Δx=y/x=常量。當輸入與輸出為同一量綱時，靈敏度又稱為放大倍數(shù)。靈敏度漂移：在被丈量不變和情況下，由于外界環(huán)境條件等要素的變化，能夠引起測試安裝輸出的變化，最后表現(xiàn)為測試安裝靈敏度的變化?！残阅芰己玫臏y試安裝靈敏度漂移極小〕擬合直線：與定度曲線最接近的一條直線，通常是用最小二乘法求出的。非線性度非線性度：指系統(tǒng)的輸出輸入之間的關(guān)系能否堅持線性關(guān)系的一種度量.即定度曲線〔實踐特性曲線〕偏離其擬合直線〔理想曲線〕的程度。定義如下:式中:B——定度曲線與擬合直線的最大偏向;A——輸出額定最大量程.定度曲線：靜態(tài)測試中，通常用實驗的方法求得安裝的輸入輸出關(guān)系曲線，稱之為定度曲線。理想形狀是一條直線，實踐上或多或少均有一定非線性.當輸入添加時，x、y的關(guān)系沿下面的曲線變化;當輸出到達最大量程時，減少輸入量x，這時x、y關(guān)系沿上面的曲線變化.

回程誤差回程誤差：測試安裝全量程A內(nèi)的最大滯后量Δhmax和A之比值。是一種由滯后效應(yīng)引起的丈量誤差.xy0—對應(yīng)同一輸入量，兩個輸入量的最大偏向;A—額定最大輸出值回程誤差是很難修正的，因此，對傳感器而言必需嚴厲限制小結(jié)測試系統(tǒng)要有足夠的靈敏度，非線性度和回程誤差要盡能夠小，才干使測試結(jié)果正確。第三節(jié)測試安裝的動態(tài)特性動態(tài)特性定義：被測試量隨時間快速變化時，測試系統(tǒng)的輸入—輸出信號的函數(shù)關(guān)系。研討測試安裝的動態(tài)特性的意義：為了降低和消除測試裝置的動態(tài)特性給丈量帶來的誤差動態(tài)特性的研討方法：1實際方法〔解析法〕：建立數(shù)學模型。即從詳細測試安裝的物理構(gòu)造出發(fā)，根據(jù)其所遵照的物理定理，建立起把測試安裝的輸出和輸入量聯(lián)絡(luò)起來的運動微分方程；在給定的條件下求解，從而得到恣意輸入x(t)鼓勵下測試安裝的呼應(yīng)y(t)。普通測試安裝都是線性系統(tǒng)，其數(shù)學模型是常系數(shù)微分方程，經(jīng)過簡單運算可求得其傳送函數(shù)，該傳送函數(shù)也就能描畫測試安裝的固有動態(tài)特性。2實驗方法：根據(jù)測試安裝實踐任務(wù)時最常見的輸入信號的方式，選擇一些典型信號〔如正弦信號、脈沖信號、階躍信號及隨機信號等〕作為測試安裝的輸入，然后測出其輸出，求出輸入輸出關(guān)系。對該測試安裝的動態(tài)特性在時間域、頻率域作出分析和評價。

1.時間域內(nèi)用階躍呼應(yīng)表示，稱為時間呼應(yīng)特性。

2.頻率域內(nèi)用頻率呼應(yīng)表示，稱為頻率呼應(yīng)特性。動態(tài)特性的分析方法：測試安裝的傳送函數(shù)及其頻率呼應(yīng)特性傳送函數(shù)：零初始條件下，系統(tǒng)〔或元件〕輸出拉氏變換和輸入拉氏變換之比。

拉氏變換富氏變換傳送函數(shù)的意義：傳送函數(shù)是我們對元件及系統(tǒng)分析研討與綜合的有力工具，作為代數(shù)方程，它使解算簡化、方便而直觀、防止了解微分方程的困難，且便于分析研討系統(tǒng)動態(tài)特性。作為一種對系統(tǒng)特性的解析描畫，它包含了瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)時間呼應(yīng)和頻率呼應(yīng)的全部信息。優(yōu)點：直觀的反映了系統(tǒng)對不同頻率成分輸入信號的扭曲情況。傳送函數(shù)的分解式中每一個因子式可看成一個子系統(tǒng)的傳送函數(shù)。其中

——A零階系統(tǒng)傳送函數(shù)

——1/(s+Pi)一階系統(tǒng)傳送函數(shù)

——1/(s2+2ζjωnjs+ω2nj)二階系統(tǒng)傳送函數(shù)對大多數(shù)測試安裝而言，可以假設(shè)那么簡化為其中分母是變量s的實系數(shù)多項式，總可以分解為一次和二次的實系數(shù)因子式常系數(shù)線性微分方程式的傳送函數(shù)頻率呼應(yīng)函數(shù)1.頻率呼應(yīng)的根本概念

頻率呼應(yīng)：研討測試系統(tǒng)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)呼應(yīng)。頻率特性：是指測試系統(tǒng)輸入、輸出之振幅〔?！潮群拖辔徊铍S頻率變化的規(guī)律。在頻率呼應(yīng)中，穩(wěn)態(tài)輸出與輸入之比的復(fù)數(shù)關(guān)系，反響了系統(tǒng)的動態(tài)特性。

頻率呼應(yīng)函數(shù)2.頻率特性的求法微分方法：傳送函數(shù)實驗求：根本方法：對于線性時不變系統(tǒng)，有頻率不變特性，假設(shè)輸入頻率為ω的正弦信號，測試安裝將有同頻率的正弦信號穩(wěn)態(tài)輸出，只是輸出的幅值和相位有變化，改動輸入正弦信號的圓頻率ω，即可得到幅頻特性和相頻特性?？焖俑道锶~變換〔FFT〕：隨著計算機以及數(shù)字信號分析技術(shù)的開展，可利用脈沖信號或隨機信號〔如白噪聲〕信號作為系統(tǒng)的輸入，運用快速傅里葉變換〔FFT〕技術(shù)，可很快得到頻率呼應(yīng)函數(shù)。頻率呼應(yīng)函數(shù)3.頻率特性的普通公式對穩(wěn)定的常系數(shù)線性系統(tǒng)，取s=jω代入上式得

∴

物理意義:

可以從頻率域籠統(tǒng)、直觀、定量地表征測試系統(tǒng)的動態(tài)特性頻率特性幅頻特性：相頻特性：典型測試安裝的動態(tài)呼應(yīng)特性典型測試安裝的分類一階系統(tǒng)實例：忽略質(zhì)量的自在振動系統(tǒng)〔彈簧—阻尼機械系統(tǒng)〕簡單RC低通濾波電路液體溫度器熱電偶傳感器LC諧振丈量電路溫度濕度酒精二階系統(tǒng)實例彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)RLC電路單位階躍輸入系統(tǒng)的呼應(yīng)單位階躍輸入系統(tǒng)的呼應(yīng)一階系統(tǒng)的時間呼應(yīng)特性：穩(wěn)態(tài)呼應(yīng)瞬態(tài)呼應(yīng)1.t→∞，y(t)→1；闡明：單位階躍輸入系統(tǒng)的呼應(yīng)二階系統(tǒng)的時間呼應(yīng)特性：單位階躍輸入系統(tǒng)的呼應(yīng)時間呼應(yīng)特性目的：上升時間try(tr)=1，得tr=〔π-φ2〕/ωd，ζ一定時，假設(shè)要tr較短，要使系統(tǒng)具有較高的無阻尼自然頻率ωn。峰值時間tp峰值時間tp=π/ωd=Td/2當ζ一定時，ωn越大，tp越小，反響越快；當ωn一定時，ζ越小，tp也越小。單位階躍輸入系統(tǒng)的呼應(yīng)時間呼應(yīng)特性目的：最大超調(diào)量Mp最大超調(diào)量Mp=y(t)-1=Mp與無阻尼自然頻率ωn無關(guān)。Mp只是阻尼比的函數(shù)，ζ越小，Mp越大，當ζ=0時，Mp=1，而ζ=1時，Mp=0。調(diào)整時間ts調(diào)整時間誤差在5%~2%之間時，ts=(3~4)Td

單位階躍輸入系統(tǒng)的呼應(yīng)二階系統(tǒng)的時間呼應(yīng)特性總結(jié)：二階系統(tǒng)的瞬態(tài)呼應(yīng)特性由系統(tǒng)的阻尼比ζ和無阻尼自然頻率ωn共同決議，欲使二階系統(tǒng)具有稱心的瞬態(tài)呼應(yīng)目的，必需綜合思索和的影響，選取適宜的ζ和ωn。假設(shè)堅持ζ不變而增大ωn，對超調(diào)量無影響，卻可以減小峰值時間tp，上升時間tr和調(diào)整時間ts，即可以提高系統(tǒng)的快速性。所以增大系統(tǒng)的無阻尼自然頻率對提高系統(tǒng)性能是有利的。假設(shè)堅持ωn不變而增大ζ，那么會使超調(diào)量Mp減小，添加相對穩(wěn)定性，減弱系統(tǒng)的振蕩性能。但是，在ζ>0.7時，調(diào)整時間隨ζ的增大而增大，系統(tǒng)的快速性變差。綜合思索系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性(由最大超調(diào)量Mp決議)和快速性(由上升時間tr，峰值時間tp，調(diào)整時間ts決議)，通常取ζ=0.6~0.8,這時系統(tǒng)的超調(diào)量在10%~2.5%之間，假設(shè)ζ<0.6，系統(tǒng)超調(diào)嚴重，相對穩(wěn)定性差，假設(shè)ζ>0.8，那么系統(tǒng)反響愚鈍，靈敏性差。當ζ=0.7時，超調(diào)量和調(diào)整時間均最小，故稱ζ=0.7為最正確阻尼比。實現(xiàn)不失真測試的條件測試安裝一個線性丈量安裝，其輸入信號為X(t),系統(tǒng)的呼應(yīng)是y(t).X(t)又可以分解為,X(T)輸入測試安裝的呼應(yīng)又可看作輸入測試安裝后的疊加.作為輸入信號，系統(tǒng)的呼應(yīng)為:.其中K1為放大倍數(shù)，Q1為滯后相位角.

普通來說，不同頻率的正弦輸入系統(tǒng)后，其放大倍數(shù)和滯后的相位角是不同的.

理想不失真及數(shù)學表示輸出與輸入波形準確類似，那么有

進展傅氏變換。得

1.幅值為常數(shù)2.相位角為線性關(guān)系實踐系統(tǒng)測試不失真條件一階、二階系統(tǒng)不失真的條件一階系統(tǒng)：頻響曲線τ越小，系統(tǒng)的呼應(yīng)越快，動態(tài)誤差越小，失真小的頻率范圍越寬二階系統(tǒng)普通取ζ=0.6~0.7。

ωn越大越好，任務(wù)頻帶越寬，動態(tài)誤差與時間滯后越小。ωn>>ω(系統(tǒng)不發(fā)生共振)，普通取ωn>10ω，可以為準確。2－2常見測試系統(tǒng)的頻響函數(shù)1.一階系統(tǒng)的動特性輸入輸出關(guān)系可用一階微分方程描畫的系統(tǒng)叫一階系統(tǒng).例一忽略質(zhì)量的自在振動系統(tǒng)作用力為x(t)垂直向下，剛度為k，阻尼為c，求該系統(tǒng)的位移Y(t).兩邊取拉氏變換