土木工程测试课件--1测试的技术基础.ppt

1-1测试系统的组成及其主要性能指标 一、测试系统的组成 被测对象传感器测量电路输出装置 荷载系统测量系统 显示记录 信息输出 转换 传递 输出 一、测试系统的组成 控制阀 液压泵 控制阀 法向液压传感器 剪切液压传感器 法向位移传感器 剪切位移传感器 动态电阻 应变仪 位移 变送器 法向千斤顶水平千斤顶 节 理 试 件 A/D 转 换 计 算 机 反馈回路 一、测试系统的组成 荷载系统：液压、重力、气压、杠杆、弹簧 测量系统：传感器、中间变换、测量电路 传感器又称为一次仪表，其余部分称为二次、三次仪表。 测量电路：使用较多的是电桥电路和放大电路，此外，还 有滤波、整流，积分、微分电路、放大器等。 最简单情况，测量电路就是传感器和测量仪器之间的导线。 信号处理系统：对输出信号的处理 显示和记录系统 显示记录器和分析处理仪多被计算机取代。 二、测试系统的主要性能指标 1 精度和误差： 绝对误差 相对误差 引用误差 二、 测试系统的主要性能指标 2 稳定性： l稳定度：时间上的稳定性 表示方法：s1.3mV/8h； s0.3/d l环境影响： u0.02mA/10% ； r0.3/ 3 测量范围：量程 超载、工作频率范围 4 分辨率：能测量的最小变化量 零点和90%满量程 5 传递特性：输入量与输出量的对应关系。 静态传递特性 动态传递特性 1-2线性系统及其主要性质 1 线性时不变系统 lX Y ，X1 Y1， X2 Y2 l线形系统的方程 输入x（t)输出y（t) 系统h（x) 1-2线性系统及其主要性质 2 线性系统的主要特性 l叠加性：X1+X2 Y1+Y2 l齐次性（比例性）：cX cY l微分特性： X Y X Y l积分特性：X Y l频率保持特性：幅值、频率、相位差 x(t) Asin(t+) y(t)Bsin(t+ ) 1-2线性系统及其主要性质 频率保持特性的证明 1-2线性系统及其主要性质 例题 对某线性装置输入简谐信号x(t)Asin(t+)，若输出为y(t) Bsin(t+ )，请对幅值等各对应量作定性比较，并用数学语言描述 它们之间的关系。 解： B=kA（齐次性） =（保频） =-C （保频） 1-2线性系统及其主要性质 例题 滑动变阻器可以实现位移测试，能否进行速度和加速度测试？磁电式 传感器能够测移动速度，能否测位移和加速度？ 答： 利用微分特性和积分特性实现。 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数 一、静态方程和标定曲线 静态方程 标定曲线 y x 静态特性与理想系统的接近程度 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数 2 测试系统的主要静态特性参数 (1)灵敏度 x y 表示方法 S = 2/mm 数字仪表：分辨力 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数 2 测试系统的主要静态特性参数 (2)（非）线性度（直线度） 定义：测量系统的标定曲线(由试验确 定的实际工作曲线)对理论拟合直线的 接近程度 非线性度 均方差最小的直线 一般要求小于3 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数 2 测试系统的主要静态特性参数 (3)回程误差（迟滞性） 系统滞后现象和不工作区引起 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数 2 测试系统的主要静态特性参数 （4）环境影响与对应措施 l温度、湿度、气压、电源电 压、接地条件、绝缘电阻 l灵敏度漂移 l零点漂移 l减少环境影响的措施： 隔离、补偿、增益反馈、计 算机修正补偿 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数 例题： 某次压力测量时，磁电式传感器的灵敏度S=90.0vMPa，将它与增 益为0.005Vv的电压放大器相连，输出到灵敏度为的20mmv笔式 记录仪。 求系统的总灵敏度。 当P=5.0MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量? 解： K= K1K2 K3 =90vMpa0.005V v 20mm v =9mm Mpa W= K P = 9mm Mpa 5.0MPa=45mm 1-4 动态传递特性 1 传递函数 输入、输出关系可用微分方程描述。在输入x(t)、输出y(t)以及各阶 导数的初始值均为零的情况下，对微分方程进行拉普拉斯变换(简称拉 式变换)，得 输出的拉氏变换和输入拉氏变换之比 即为传递函数 一、 动态传递特性 拉普拉斯变换 （1） 拉普拉斯变换是线性变换，变换前后不会影响原方程包含的信息 。变换前后两个方程等价。 （2） 传递函数是一个代数有理分式函数，其特征容易识别与研究。而 考察微分方程的特性困难。 说明： （1） 传递函数实质是以复数域（s=a+jb)中的象函数X(s)、Y(s)的代数 式去代替实数域中原函数x(t)、y(t)的微分方程式。 （2） H(s) 是将实际的物理系统抽象成数学模型，经过变换后得出的， 所以同一个传递函数可以表示具有相同的传输特性的不同系统。 （3） 传递函数H(s)用于描述系统本身固有的特性，与输入X(t)的表达 式无关。 X(t)不同时，Y(t)的表达式不同，但传递函数H(s)保持不变。 （4） 传递函数H(s)分母完全由系统的结构决定，而分子则和待测变量 及测点布置情况有关。 一、 动态传递特性 2 串、并联环节的传递函数 串联系统 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） 并联系统 一、动态传递特性 3 频率响应函数 传递函数的傅式变换 物理意义： 对于稳定的常系数线性系统，若输入为正弦信号，则稳态时的输出 是与输入为同一频率的正弦信号；输出的幅值和相角通常不等于输入 的幅值和相角，输出和输入幅值比和相位差都是输入频率的函数，并 反映在系统的幅频特性和相频特性中。 一、动态传递特性 3 频率响应函数 幅频特性 相频特性 l幅频特性 当输入正弦信号的频率沿频率轴滑动时，输出、输入正弦信号振幅 之比随频率的变化规律 l相频特性 输入、输出正弦信号的相位差之比随频率的变化规律 一、动态传递特性 频率响应函数与传递函数的区别 l传递函数中的s换成j便得到了频率响应函数。 l传递函数是输出与输入拉氏变换之比，其输入并不限于正弦激励，不 仅描述了测量装置的稳态特性也描述了它的瞬态特性。 l频率响应函数是在正弦信号激励下，测量装置达到稳态后输出与输入 之间的关系。 一、 动态传递特性 4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性 （1）一阶系统 幅频特性 相频特性 一、动态传递特性 4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性 （1）一阶系统 m=0 k 位移y（t ） 力x（t） 力学模型 传递函数 一、动态传递特性 4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性 （2）二阶系统 固有频率 阻尼比 灵敏度 频率响应特性 幅频特性 相频特性 二、系统在典型输入下的动态响应 1 单位脉冲信号 2 单位阶越信号 3 单位斜坡信号 4 单位正弦信号 5 任意输入 三、信号的失真及不失真测量条件 1 定义 不失真测试（传递）实质 系统的响应波形（输出）与输入波形 完全相似。可保持原信号的特性和全部 信息。 2 不失真条件 幅频函数为常数 相频函数为线性（过原点的直线） 1-5测试系统选择