土木工程测试课件-1测试的技术基础.ppt

GaoSuGongLu,第一章测试的技术基础,SACE,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,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：稳定度：时间上的稳定性表示方法：s1.3mV/8h；s0.3/d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XY，X1Y1，X2Y2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叠加性：X1+X2Y1+Y2齐次性（比例性）：cXcY微分特性：XYXY积分特性：XY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,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温度、湿度、气压、电源电压、接地条件、绝缘电阻灵敏度漂移零点漂移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=K1K2K3=90vMpa0.005Vv20mmv=9mmMpaW=KP=9mmMpa5.0MPa=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,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,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传递函数中的s换成j便得到了频率响应函数。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。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,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