机械工程测试技术基础··PPT课件

1 测试装置的基本特性 2 学习要求 测试装置的静态特性测试装置的动态特性测试装置对任意输入的响应测试装置实现不失真测试的条件测试装置动态特性的测试 3 主要内容 概述测试装置的静态特性测试装置的动态特性测试装置对任意输入的响应测试装置实现不失真测试的条件测试装置动态特性的测试 4 概述 测试系统是执行测试任务的传感器 仪器和设备的总称 当测试的目的 要求不同时 所用的测试装置差别很大 本章所指的测试装置可以小到传感器 大到整个测试系统 简单的测试装置 复杂的测试系统 5 对测试装置的基本要求 系统 输入和输出 1 当输入 输出能够测量时 已知 可以通过它们推断系统的传输特性 2 当系统特性已知 输出可测量 可以通过它们推断导致该输出的输入量 3 如果输入和系统特性已知 则可以推断和估计系统的输出量 许多实际测量装置无法在较大工作范围内满足线性要求 但可以在有效测量范围内近似满足线性测量关系要求 6 线性系统 线性系统可用常微分方程表示 7 线性系统主要性质 8 线性系统主要性质 线性系统的这些主要特性 特别是符合叠加原理和频率保持性 在测量工作中具有重要作用 例如 在稳态正弦激振试验时 响应信号中只有与激励频率相同的成分才是由该激励引起的振动 而其它频率成分皆为干扰噪声 应予以剔除 为了获得准确的测量结果 需要对测量系统提出多方面的性能要求 这些性能大致包括四个方面的性能 静态特性 动态特性 负载效应和抗干扰特性 对于那些用于静态测量的测试系统 一般只需衡量其静态特性 负载效应和抗干扰特性指标 在动态测量中 则需要利用这四方面的特性指标来衡量测量仪器的质量 因为它们都将会对测量结果产生影响 9 测试装置的静态特性 线性度迟滞重复性灵敏度与灵敏度误差分辨率与阈值稳定性温度稳定性静态误差多种抗干扰能力 当信号 变化缓慢或不变时 则常微分方程可以简化为 灵敏度 10 灵敏度漂移和零点漂移 时 零点漂移 由于环境条件变化 电子元件参数变化 引起 y变化 从而 灵敏度漂移 11 线性度 在静态测试过程中 通过输入 输出 测试 入 出关系 其测点组成的线 定标曲线 定标曲线一般并不是一条直线 要用最小二乘法拟合一条直线来代替 实际曲线与拟合直线的最大差 非线性度 12 常用直线拟合方法 13 迟滞 传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程中输出与输入曲线不重合时称为迟滞 迟滞大小一般由实验方法测得 迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示 原因 摩擦力 机械元件间游隙 弹性元件 磁元件在过程中吸收能量 14 其它静态特性 鉴别力阈 对微小量变化反应力 分辨力 分辨相邻量 分辨率 传感器能检测到的最小的输入增量 分辨率可用绝对值表示 也可用与满量程的百分比表示 阈值 在传感器输入零点附近的分辨率 稳定性 传感器在长时间工作情况下输出量发生的变化 有时称为长时间工作稳定性或零点漂移 温度稳定 又称为温度漂移 它是指传感器在外界温度变化情况下输出量发生的变化 多种抗干扰能力 传感器对各种外界干扰的抵抗能力 例如抗冲击和振动能力 抗潮湿的能力 抗电磁场干扰的能力等 评价这些能力比较复杂 一般也不易给出数量概念 需要具体问题具体分析 15 静态误差 静态误差 传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离程度 静态误差的求取方法 把全部校准数据与拟合直线上对应值的残差 看成随机分布 求出其标准偏差 取2 或3 值即为传感器静态误差 静态误差也可用相对误差表示 即 16 静态误差 静态误差是一项综合性指标 基本上包含了前面叙述的非线性误差 迟滞误差 重复性误差 灵敏度误差等 所以也可以把这几个单项误差综合而得 即 17 测试装置的动态特性 对不断变化的信号进行时 称之为动态测量 解析法求解线性系统对激励的响应步骤 1 建立描述该系统的数学方程2 求满足初始条件的解 18 测试装置的动态特性 线性微分方程反映了系统输入 输出的关系 也反应了装置的动态特性 但微分方程不直观 解算困难 为此进一步引出了传递函数 频响函数 若系统初始条件为零 即 传递函数 传递函数特点 19 环节的串 并联 串联 并联 20 环节的串 并联 高阶系统可以分解为简单环节的串并联 则 即任何阶次可以分解为数个一阶系统和二阶系统的组合 串并联 因此实际中只研究一阶 二阶系统即可 21 频响函数 代入 得频响函数 需要特别指出 频率响应函数是描述系统的简谐输人和相应的稳态输出比的关系 因此 在测量系统频率响应函数时 应当在系统响应达到稳态阶段时才进行测量 22 周期信号通过系统的响应 例 则 23 脉冲响应函数 若装置的输人为单位脉冲 t 因单位脉冲 t 的拉普拉斯变换为1 因此装置的输出y t 的拉普拉斯变换必将是H s 即Y s H s 或y t L 1 H S 并可以记为h t 常称它为装置的脉冲响应函数或权函数 脉冲响应函数可视为系统特性的时域描述 二阶系统的脉冲输入和响应 24 阶跃响应函数 二阶系统的阶跃输入和响应 若系统的输入信号为单位阶跃信号 即x t u t 则X s 1 s 此时Y s H s s 有y t L 1 H s s 25 系统和输入与输出之间的关系 26 常见的测试装置 一阶系统 微分方程 拉氏变换 传递函数 27 常见的测试装置 一阶系统 28 常见的测试装置 二阶系统 微分方程 拉氏变换 传递函数 29 常见的测试装置 二阶系统 30 测试装置在典型输入下的动态响应 一阶系统的冲激响应图 一阶系统的阶跃响应 一阶系统伯德图 31 测试装置在典型输入下的动态响应 二阶系统的冲激响应图 32 测试装置在典型输入下的动态响应 单位脉冲输入下 响应为系统传递函数反拉氏变换 一阶系统 二阶系统 33 一阶 二阶系统对典型信号的响应 一阶系统 34 一阶 二阶系统对典型信号的响应 二阶系统 35 任意输入作用下测试装置的响应 对取极限 36 实现不失真测试条件 测试中我们希望测试系统的输出如实地反映输入即进行不失真测试 不失真测试条件 即 37 实现不失真测试条件 如果测量的结果要用来作为反馈控制信号 那么还应当注意到输出对输入的时间滞后有可能破坏系统的稳定性 这时应根据具体要求 力求减小时间滞后 38 实现不失真测试条件 实际测量装置不可能在非常宽广的频率范围内都满足上式的要求 所以通常测量装置既会产生幅值失真 也会产生相位失真 信号中不同频率成分通过测量系统后的输出 39 实现不失真测试条件 从实现测量不失真条件和其它工作性能综合来看 对一阶装置而言 如果时间常数越小 则装置的响应越快 近于满足测试不失真条件的频带也越宽 所以一阶装置的时间常数 原则上越小越好 一阶系统的频率特性 一阶系统 40 实现不失真测试条件 在 0 3 n范围内 的数值较小 且 特性曲线接近直线 A 在该频率范围内的变化不超过10 若用于测量 则波形输出失真很小 二阶系统 二阶系统的频率特性 在 2 5 3 n范围内 接近180 且随 变化很小 此时如在实际测量电路中或数据处理中减去固定相位差或把测量信号反相180 则其相频特性基本上满足不失真测量条件 二阶系统输人信号的频率 在 0 3 n 2 5 n 区间内 装置的频率特性受 的影响很大 需作具体分析 一般来说 在 0 6 0 8时 可以获得较为合适的综合特性 41 测试装置动态特性的测量 方法 脉冲响应法 频率响应法 阶跃响应法 脉冲响应法 优点 方法简单 适于微机类仪器缺点 难以准确 易受干扰 42 测试装置动态特性的测量 频率响应法 频率响应法测量系统特性 43 测试装置动态特性的测量 对一阶系统 主要的动态特性参数是时间常数 测量出半功率点对应的频率值f后 就可以计算出一阶系统的时间常数 一阶系统 44 测试装置动态特性的测量 二阶系统 对二阶系统而言 主要的动态特性参数是系统固有频率和阻尼系数 固有频率为系统幅频特性曲线峰值点对应的频率 阻尼系数则可以由峰值点附近的两个半功率点的频率计算 45 状态变量滤波器动态响应特性测试系统 46 测试装置动态特性的测量 阶跃响应法 用阶跃响应法求测量系统的动态特性是一种简单易行的时域测量方法 测试时 根据系统可能存在的最大超调量来选择阶跃信号的幅值 超调量大时应选择较小的输入幅值 对一阶系统来说 对系统输入阶跃信号 测得系统的响应信号 取系统输出值达到最终稳态值的63 所经过的时间作为时间常数 一阶系统 47 测试装置动态特性的测量 对二阶系统来说 对系统输入阶跃信号 测得系统的响应信号 取系统响应信号一个振荡周期的时间tb 可近似计算出系统的固有频率 二阶系统 欠阻尼比二阶装置的阶跃响应 48 负载效应 接入的测量装置 构成被测对象的负载 后接环节成为前面环节的负载 彼此间存在能量交换和相互影响 以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加 并联 或连乘 串联 接入电压表测量电路时 电阻R2上的电压降为 U1 ER2Rm R1 Rm R2 RmR2 令R1 100K R 150K Rm 150K E 150V 得到U0 90V U1 64 3V 误差到达28 6 若将电压表测量电路负载电阻加大到1M 则U1 84 9V 误差减小为5 76 充分说明了负载效应对测量结果的影响是很大的 49 负载效应 减小负载效应误差的措施 1 提高后续环节 负载 的输入阻抗 2 在原来两个相连接的环节中 插入高输入阻抗 低输出阻抗的放大器 以便减小从前一环节吸取的能量 减轻负载效应的影响