第五章信号的记录补偿与输出ppt课件.ppt

第五章信号的记录 补偿与输出 测试系统的精度不仅与系统的动态特性或静态特性有关 而且还与测试系统所处的环境及干扰有关 为了获得满意的测试结果 需对测试信号进行补偿和修正 经补偿 修正和调理后的测试信号还需将其记录下来 以便对其进行分析 处理和输出测试结果 5 1信号的补偿和修正 测试信号的补偿与修正有多种不同的方法 常用的主要有 电桥补偿函数补偿通道补偿均衡补偿 一 电桥补偿 电桥具有灵敏度高 测量范围宽 容易实现对因环境变化所引起的测量误差的补偿 因此在工程测试中得到了广泛的应用 电桥的电源可以是直流电 也可以是交流电 若接入电桥的激励电压 或称供电电压 是直流电 称为直流电桥 若供电电压是交流电 称为交流电桥 1 直流电桥 图5 1 a 是直流电桥的基本型式 电桥的四个臂上均为纯电阻 分别为R1 R2 R3和R4 若用四个电阻式传感器去取代四个桥臂电阻R1 R2 R3和R4 则此电桥就变成了图5 10 b 所示的型式 a 直流电桥的基本型式 b 将传感器接入电桥的型式图5 1直流电桥 若电桥的输出端所接的仪表或放大器的输入阻抗很大时 可视为电桥的输出端开路 据欧姆定理便可列出桥路a b和a d之间的电位差方程 即 输出电压为 若接在四个桥臂上的四个电阻式传感器的参数完全相同 即R1 R2 R3 R4 R0 且在测试过程中 各电阻式传感器电阻量的变化均较小并同号 即 R1 R2 R3 R4同时为正或同时为负 则式 5 1 可改写为 式 5 2 就是电桥的加减特性 若式 5 2 中的 R1 R2 R3和 R4是因环境变化 如温度的变化 所引起的 且各电阻式传感器均处于相同的测试环境 即 R1 R2 R3 R4 则电桥的输出电压Ubd 0 传感器因环境的变化所引起的电阻输出在电桥中自动被消除 这就是对测试信号进行补偿的工作原理 事实上 信号的电桥补偿只要将两个相同的电阻式传感器分别接到1 2或3 4两个臂上即可 若电桥四个桥臂上的电阻值均随被测量的变化 见图5 1 a 称为全臂电桥 若只有两个桥臂上的电阻随被测量而变 称为双臂半桥 若只有一个桥臂上的电阻值随被测量变化 称为单臂半桥 显然 若要利用电桥进行信号补偿 就必须采用双臂半桥或全桥 若将欲组成差动结构的两个传感器分别接在电桥的1 2或3 4臂上 电桥不仅可实现两个传感器的差动连接 而且还自动地实现了信号地自动补偿 式 5 2 还告诉我们 电桥的输出与电桥供电电压有关 电桥供电电压的波动会带来测量误差 为了避免供电电压波动对测试结果的影响 最简单的方法是调节图5 1 a 所示电桥中各桥臂上的电阻值R1 R2 R3和R4 使电桥的输出电压Ubd 0 这种电桥称为平衡电桥 对于直流电桥的基本型式 见图5 1 a 它的输出电压为 当Ubd 0时 则有式 5 4 就是直流电桥的平衡条件 当然 电桥的平衡不能靠改变接在桥臂上的传感器来实现 常用的方法是在桥臂上串接可变电阻 2 交流电桥 若将电容或电感式传感器接入电桥 电桥的电源就不能是直流电 而应该向电桥供交流电 对于交流电桥 直流电桥所有的特性 如 利用加减特性对信号进行补偿 利用平衡电桥消除供电电压对测试结果的影响等 交流电桥均有 所不同的是在直流电桥中 各桥臂上是纯电阻 在交流电桥中 各桥臂上是复阻抗 即便是交流电桥臂上是纯电阻器件 但由于电阻器件也存在分布电容 因此它仍然是复阻抗 将复阻抗Z1 Z2 Z3和Z4去代换直流电桥中的R1 R2 R3和R4 则直流电桥的所有计算公式都适合于交流电桥 正因为如此 再加上受到篇幅的限制 在此不作详细介绍 二 测试结果的函数补偿 测试结果的函数补偿主要用于静态测量 其补偿方法有两种 引入修正函数消除系统误差 1 引入修正函数 在进行汽车试验之前 先对测试系统进行精确地标定 以确定系统的输出y t 与输入x t 之间的修正函数f t 将试验结果y t 乘以修正函数f t 便是被测参量的大小 即 这种补偿方法在汽车试验中经常用到 如进行汽车基本性能试验及汽车排放和噪声测试之前 通常应对测试系统 如五轮仪 燃油流量计 废气分析仪和声级计 进行标定 以确定其修正函数f t 实现函数补偿的方法有两种 将修正函数输入测试系统 键入或旋钮调节 测试系统自动完成对测试结果的修正 人工处理 试验人员通过手工计算来完成测试结果的修正工作 方法 在汽车试验中被广泛采用 方法 在某些特殊场合仍有采用 如汽车燃料经济性的环境修正等 2 消除系统误差 通过对测试结果的误差分析 找出测试结果中的系统误差 然后再利用数学方法消除其系统误差 这种方法在第七章静态测试数据处理中专门讨论 三 通道补偿 测试信号的通道补偿主要用于消除测试信号的干扰 在进行测试信号的采集和记录时 专门拿出一个信号通道来记录外界的干扰信号 该通道不记录任何测试信号 这个通道称为补偿通道 在进行试验数据处理之前 将测试信号与补偿通道进行比较 这样便可消除外界的干扰 这种补偿方法在汽车试验中经常用到 凡是采用磁带记录仪及计算机记录的汽车测试系统 均采用这种信号补偿方式 如进行汽车振动 噪声和实验模态分析时 都采用通道补偿法 四 均衡补偿 设汽车试验中 某一测试系统的输入 被测量 为x n 测试系统的输出为y n 在理想情况下 我们都希望y n x n 然而 由于实际测量环节中的线性和非线性畸变 通常会出现y n x n 的情况 欲将恢复成原被测信号x n 就需采用一些特殊的处理 这种将测试系统的输出恢复成输入信号x n 的过程称为均衡补偿 若仅考虑到线性时不变系统引起的畸变 则输出y n 与输入x n 的关系为 式中 g n 测试系统的传递函数 其离散离散富氏变换的表达式为 欲消除信号的畸变 G ejw 应为 即测试系统的输出信号y n 相对于输入信号x n 只有幅度上的增益G0和时间上的延时n0 而实际上的G ejw 与式 5 8 所表达的理想情况有较大的差别 消除幅频特性上的误差 称为幅度均衡 消除相频特性上的误差 称为相位均衡 或称相位补偿 欲做到这些 常用的方法是设计一个数字滤波器 称为均衡滤波器 使之满足 式中 h n H ejw 均衡滤波器的单位抽样响应函数和频率响应函数 yk n Yh ejw 均衡滤波器补偿后的系统响应函数和频响函数 从理论上讲 均衡滤波器的频率响应函数是测试系统传递函数频率响应的逆函数 即 均衡滤波器的实质是设计一个满足式 5 11 要求的数字均衡滤波器 5 2信号的记录 信号记录是汽车试验工作的一个必然的重要环节 保存原始试验资料及对试验信号进行分析研究均需要记录 信号的记录经历了人工记录 有纸记录和无纸记录的发展过程 曾经在工程测试领域起过重要作用的记录设备 如光线示波器 笔式记录仪 瞬态记录仪 模拟式磁带记录仪等已逐渐退出历史舞台 目前工程侧试领域已全面进入无纸数字式记录的新时代 无纸数字式记录设备有多种 数字存储示波器数字式磁带记录仪计算机记录 图 5 2 是一典型数字存储示波器的组成框图 从图中不难看出 数字存储示波器就是一台便携式的专用记录计算机 图5 2数字存储示波器组成框图 事实上 无论哪一种数字记录设备 其工作原理都基本相同 都是首先通过A D转换器将模拟信号转换成二进制的数字信号 即调码 然后将其写入记忆体 如磁带 磁盘或硬盘 中 正因为如此 所以现在常将配有数据采集卡的数字计算机称为通用的数字式记录设备 数字式记录设备的突出特点是 它采用脉码调制方式记录试验信号 即经各种相应处理的模拟信号首先经过模数 A D 转换器将其转换成二进制数 再将其记录在数字存储媒体 如磁带 磁盘 光盘 新型的半导体存储盘等 中 A D转换器有8位 12位 16位 之分 位数越高 则分辨率越高 即设定的额定最大输出信号在幅值方向离散出的点数越多 信号的大小用一定位数 8位 12位 16位 的二进制编码来表示 编码规则见相应的国际标准 这种利用A D转换器将模拟试验信号转换为数字信号的过程称为脉码调制 简称调码 一 数字式记录设备的主要性能指标 数字记录设备的性能在很大程度上取决于数据采集卡的性能 其评价指标主要有 采样频率采样延时信号记录的分辨率量程 1 采样频率 采样频率又称采样速度 即单位时间的采样点数 采样频率与A D转换器的位数有关 通常8位A D转换器的最高采样频率为20Mhz 100Mhz 12位A D转换器的最高采样频率为25Khz 1 25Mhz 16位A D转换器的最高采样频率为100Khz 2 采样延时 为了分析瞬态过程前后的信号状态 通常在采集单次瞬态过程时需要有一定的负延时 若将触发时刻定为时间坐标的零点 则在触发时刻前的信号称为负延时信号 3 信号记录的分辨率 信号记录的分辨率由A D转换器的位数决定 A D转换器的位数越高 信号记录的分辨率越高 模拟信号转换为数字信号所带来的量化误差越小 8位A D转换器 最低位的相对误差为1 28 即0 39 12位A D转换器最低位的相对误差为1 212 0 024 16位A D转换器的最低位的相对误差为1 216 0 0015 3 触发方式 触发方式即启动设备开始进入数字记录的操作方式 通常数字记录设备都设有手动触发 内触发 单通道内触发 全通道内触发和外触发等多种触发方式 1 手动触发指由仪器操作者直接操纵仪器给出记录开始的触发信号 2 内触发预设一触发电平 当测试信号到达预设电平值时 便触发仪器自动开始信号的记录 3 单通道内触发只有当选定通道的测试信号达到预设电平值时 仪器才开始记录 4 全通道内触发任一通道的测试信号达到预设电平值时 仪器才开始记录 5 外触发通过输入一脉冲来触发仪器开始记录 4 量程 可记录的测试信号最大幅值范围称为量程 数字式记录设备通常有多个可选量程 如100mv 200mv 500mv 1v 2v 5v 10v 25v等 二 使用数字式记录设备的注意事项 在使用数字式记录设备之前 通常要对与测试信号记录相关的量进行设置 以获得一个好的记录效果 1 采样频率的选择采样频率与测试信号的频率有关 采样频率越高 会大大地增加数据记录容量 采样频率太低 又会带来信号的失真 为了较好地协调二者之间的矛盾 采样频率为信号频率的5倍左右 2 触发方式的选择内触发方式简便易行 因此被广泛采用 但若要对测试信号进行挑选则最好采用手动触发或外触发方式 3 量程的选择量程的选择是否合适 会影响到信号的记录精度 通常测试信号的最大值应为所选量程的2 3 5 3信号的输出 汽车试验的最终目的是要获得试验结果 即要将所得到的测试信号从仪器中输出 近些年信号输出技术发展十分迅速 信号输出的种类很多 如何选择信号的输出方式要视测试信号的类型 要求 方式 精度等而定 一 信号的指针式输出 信号的指针式输出方式是早期测试仪器设备较常用的一种输出方式 由于此输出方式的精度较差 因此现在在汽车测试仪器设备中已较少采用 但指针式输出方式简便直观的独特特点 使得它在输出精度要求不高及输出仅作指示和参考 如过程监控仪表 的场合仍大量采用 在汽车试验领域 目前仍采用指针式输出方式的物理量主要有流体压力 车速 转速 噪声 汽车排出废气中有害气体的浓度 若这些量是汽车试验的测试结果 目前已很少采用指针式输出方式 二 数显输出 若试验结果是数值量 目前则广泛采用数显和打印相结合的输出方式 常用的数显输出装置有发光二极管显示器 LightEmittingDiode 简称LED 液晶显示器 LiquidCrystalDisplay 简称LCD 荧光管显示器等三种 荧光管显示器的亮度最高 由于荧光真空管的结构特殊 驱动其工作的电压较高 一般需要10v 15v 且使用不太方便 因此在汽车试验仪器设备中应用较少 液晶显示器的亮度最弱 属被动光显示一类 要想看清显示结果 必须要外光源的帮助 发光二极管的亮度适中 属于主动光显示类 主动光显示类显示器的特点是环境光越弱 显示效果越好 反之 环境光越强 则显示效果越差 被动光显示类显示器刚好相反 环境光越强 显示效果越好 环境光越弱 显示效果越差 由于发光二极管显示器和液晶显示器具有结构简单 制造成本低 使用灵活及所需的电压低 仅为2 7v 5v 因此在汽车试验仪器设备中得到广泛应用 至于在什么场合用发光二极管显示器 在哪些场合该用液晶显示器 则视仪器设备的使用环境而定 常在强光下使用的仪器设备 多用液晶显示器 主要用在光线较弱的环境下的仪器设备 多用发光二极管显示器 但任何事情都不是绝对的 为了拓宽仪器设备的使用范围 采用发光二极管显示的仪器设备 在显示器上一般都配有遮光罩 而采用液晶显示器的仪器设备 在显示器内常配有背景光源 三 图示显示输出 现在众多的汽车试验项目 所需的输出已不仅仅是数值量 往往需要输出复杂的二维 三维曲线 有时还希望能实时显示其多维运动学和动力学的图像关系 欲满足曲线和图像输出的要求 显然前面所介绍的信号输出设备均无能为力 需要用到图视显示输出设备 近些年图视显示输出设备的发展十分迅速 目前在用的有阴极射线管 Cathode RayTube 图视显示器 简称CRT 液晶显示器 又称LCD图视显示器 CRT图视显示器已有100多年的发展历史 其突出特点是品质好 性能稳定可靠 寻址方式简单 制造成本低 价格便宜 目前CRT图视显示器是电视机和计算机的主流显示设备 CRT图视显示器的缺点也相当明显 尤其是彩色CRT图视显示器 它不仅耗能高 而且辐射强 人体与之长期接触会对健康构成危害 20世纪60年代 液晶光电效应的发现 人们便找到了一种重量轻 能耗低 辐射小 显示面积大的理想片状显示设备 液晶 LCD 图视显示器经几十年的发展 尤其是20世纪90年代初寻址薄膜晶体管阵列 TFT 器件的日趋成熟 便结束了LCD视图显示器的性能和稳定性不如CRT图视显示器的历史 揭开了便携式图视显示技术的新纪元 也为图视显示设备和其它汽车试验仪器同时上车以完成复杂的汽车试验工作创造了物质条件 不仅如此 LCD图视显示技术的发展 还推动了虚拟仪器系统在汽车道路试验中的应用 在过去欲完成汽车各项复杂的道路试验工作 通常要来回更换沉重的各种不同的仪器 然而现在却可以将过去