第二章 汽车测试的几个共性问题.ppt

第二章汽车测试的几个共性问题 测试系统的负载效应测试的失真问题与无失真测量测试精度与误差 2 1测试系统的负载效应 汽车试验用仪器系统常由传感器 放大器 信号调制解调器 滤波器及信号处理设备等组成 所谓测试系统中的负载是相对前一级设备而言的 即后一级的设备是前一级设备的负载 如放大器是传感器的负载 信号处理设备是滤波器的负载 在汽车测试过程中 人们都希望被测物理量能完整地被传感器所感知 且经过一系列中间设备 如放大器 调制解调器等 完全不失真地传给信号处理设备 但事实往往并非如此 信号在多级设备的交换中 不可避免地会发生一些变化 这种现象被称为测试系统的负载效应 负载效应这一名词来自于电路系统 其本意是电路的后级与前级相连时 由于后级阻抗的影响而带来系统阻抗变化的一种效应 2 1测试系统的负载效应 图2 1是一电压输入型的传感器与放大器相联的示意图 在传感器的输出端子A和B与放大器相连之前 设传感器的输出电压为u 若端子A B之间的阻抗为 放大器的阻抗为 将传感器和放大器连成一个回路 根据戴维南定理 可将其简化成图2 20 b 所示的等效电路 图2 1负载效应的示意图a 实际系统b 等效电路 由图2 1 b 的等效电路得传感器的输入电压为 2 1 显然 其原因是阻抗的存在 欲使 则应使 即传感器与放大器之间不应有能量交换 将式 2 1 推广到包括非电系统在内的所有系统则有 2 2 式中 广义变量的被测值 广义变量的未受干扰值 广义输入阻抗 广义输出阻抗 或称负载阻抗 任何一个测试系统 至少应由被测对象和测量装置二者级连所组成 如图2 2所示 和分别是被测对象和测试装置的传递函数 X t 为被测量 被测对象的输出 测试装置的输出图2 2被测对象与测试装置组成的系统在y t 与z t 之间 由于传感器 信号调理及数据处理等中间环节的影响及系统前 后环节间的能量交换 测试装置的输出y t 不再等于被测对象的输出z t 在前面对串联 并联系统传递函数的分析中 没有记入前 后环节间的能量交换因素 而对于实际的测试系统 除光 波等非接触式传感器之外 任何系统的互联均会产生能量交换 因此对于实际的测试系统 如图2 2所示的串联系统 其传递函数不是和的乘积 这就是测试系统中的负载效应 图2 3是汽车试验中的一个最典型的例子 尽管加速传感器 非接触式五轮仪及数据记录设备的质量 和与汽车的总质量相比是一个较小的量 但 和的存在不可避免的会改变汽车的振动特性 图2 3简化的汽车振动模型汽车总质量 和 加速度传感器 五轮仪和数据记录设备的质量 前后轮的刚度 前后车轮的阻尼 前后悬架的刚度 前后悬架的阻尼 2 2测试的失真问题与无失真测量 汽车测试中的失真问题失真与误差如何实现不失真测量 一 汽车测试中的失真问题 正弦输入阶跃输入脉冲输入斜坡输入 1 正弦输入 2 阶跃输入 3 脉冲输入 4 斜坡输入 二 失真与误差 通过对四种典型函数响应的分析不难发现 在如下几种情况下均不可避免地会发生失真现象 即 在系统尚处于瞬态时 系统的相对阻尼系数或很小时 当时 被测量是斜坡函数 在测试结果中 失真以误差的形式表现出来 但失真所带来的误差与常规意义上的误差很不相同 其特点是 失真所带来的误差有时比被测量大得多 三 如何实现不失真测量 关于测试系统的失真问题 主要反映在动态测试系统中 关于静态测量 无论系统多么复杂 由静态测试系统的表达式知 若忽略测试误差和漂移的影响 输入与输出之间存在一一对应的关系 不存在失真的问题 然而对于动态系统 由前面对各种典型输入下系统的响应的分析知 当系统进入稳态后系统的动态误差才很小可以忽略 即才可以认为测试结果没有失真 但对于斜坡输入下的响应 即使系统进入稳态 动态误差依然存在 即始终都会存在失真问题 显然 对于任何内容的汽车试验 都是不允许失真存在的 那么如何才能解决动态测试过程中的失真问题呢 这正是本节所要重点研究的内容 下面用汽车试验的实例来讨论测试系统的不失真问题 一 汽车的振动和噪声测试 汽车振动和噪声测试按其试验的目的的不同 大致可分为如下几类即 1 结构的疲劳强度分析 2 汽车行驶平顺性分析 3 噪声分析 4 发动机工作时的爆振测量 对于前三类测试 为了避免失真 通常是待系统进入稳态 时间t 或t 后才开始采集测试数据 系统达到稳态后 输出和输入的误差非常小 可以忽略 对于不能等到系统进入稳态后再取输出值的第四类测量 显然只能取输出的瞬态值进行分析 而瞬态值是存在较大动态误差的 对此如何处理呢 欲解决这一问题 我们需对测量的性质和测试目的进行分析 1 测试量的性质发动机爆振燃烧是一种不正常的燃烧现象 爆振燃烧一旦发现 在燃烧室内就会产生高频率冲击波 即爆振燃烧的重要特性在于 发动机缸体的振幅和振动频率均会产生突变 2 测试目的发动机工作时的爆振测量 其目的是对发动机的燃烧状况 是正常燃烧还是爆振燃烧 给出一种判断 并非准确地测量其振动量 振幅和相位 地大小 通过对测试量的性质及测试目的的分析了解到 若安装在发动机缸体上的爆振传感器输出的振动加速度的幅值和频率突然显著增大 发动机便出现爆振燃烧 反之 发动机处于正常燃烧状态 通过对测试量的性质及测试目的的分析了解到 若安装在发动机缸体上的爆振传感器输出的振动加速度的幅值和频率突然显著增大 发动机便出现了爆振燃烧 反之 发动机处于正常燃烧状态 即解决发动机爆振测量的方法是 状态判断 二 速度 转速和位移的测量 速度v和位移s的关系是 2 55 若将线位移s换成角位移 式 2 91 就变成了角速度的计算式 2 56 若将一旋转的物体沿半径方向剪开并展开 转动便变成为直线运动 由此可见 速度 转速和位移的测量 其实均是对同一量 位移的测量 如何实现速度 转速和位移的不失真测量呢 图2 14是两种典型的转速传感器 图2 14转速传感器 a 霍尔式转速传感器 b 磁阻式转速传感器1 永磁铁2 4 信号盘3 霍尔元件5 磁阻式传感器 三 发动机节气门位置的测量 发动机节气门位置是一个经常要变化的量 显然是动态测量问题 发动机节气门位置是发动机控制中必须的一个十分重要的量 对其测量是不允许失真的 如何做到这一点呢 其方法是将节气门位置测量的动态问题转换为静态来处理 由静态系统的数学模型知 静态测量是不存在失真的 那么如何变动测量为静态测量呢 动态和静态原本没有一个严格的界限 若测试系统的响应频率远大于被测量的变化频率 即 则被测的动态量相对于测试系统而言 就是一个缓变量 即属于静态测试问题 发动机节气门位置传感器常用的型式主要是 电位器式和光电式节气门位置传感器 此两种传感器的响应频率均非常高 而节气门位置的变化频率较低 用电位器式或光电式传感器来测量节气门位置的变化 就相当于是一个静态测量 显然不会失真 由上述三例不难看出 解决动态测量中不失真测量问题没有一个完全的统一方法 试验对象 试验目的和试验方法的不同 解决不失真测量问题的措施亦各不相同 对振动和噪声问题 除系统动态特征测定和分析之外 避免失真的方法是稳态信号 对速度 转速 位置和位移量测量解决失真问题的方法常是将被测量转换为脉冲数的读取 对变化频率不是太高的动态量的测量 常用的方法是选用固有频率很高的仪器对其进行测量 将动态测量转换为静态测量问题 由此可见解决动态测试中 失真 问题的常用方法有 1 取稳态值 2 状态判断 3 将被测量转换为脉冲数的读取 简称转换 4 变动态测量为静态测量 简称变换 2 3测试精度与误差 一 测试精度测试精度 测试结果与真实值的接近程度 精密度 多次重复测量 测试只重复性的好坏 随机误差的反映 精度准确度 测试结果与真值的偏离程度 系统误差的反映 精确度 测试结果精密度与准确度的综合反映 精确度高 表示系统误差和随机误差都小 二 测试误差 1 误差的分类随机误差误差性质系统误差过失误差 粗大误差 误差绝对误差误差表示方法相对误差引用误差 二 测试误差 随机误差 即使在相同的条件下 对同一参数重复的进行多次测量 所得到的测定值也不可能完全相同 其测量误差具有各不相同数值与符号 这种误差称为随机误差 系统误差 保持一定数值或按一定规律变化的误差 称为系统误差 如 由于仪器标度尺刻划的不准确 测量者观察仪器指针时习惯于斜视等原因引起的误差 就具有系统误差的特性 过失误差 由测量工作中的错误 疏忽大意等原因引起的误差 称为随机误差 二 测试误差 绝对误差 测定值与真值之差 简