第1章 概论及测试系统特性.ppt

,第一章概论,一.测试技术测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。以确定被测参数之值为目的的一系列操作叫测试，与之对应的技术叫测试技术例1：测量黑板的面积，先要测量长宽再求积，这一系列操作均为确定被测黑板面积的值，与之对应的技术叫测试技术.,例二测量炉温之值为了测量炉温，要先安装传感器、放大器、A/D转换器，计算机显示器、记录器，这一系列操作均为确定炉温之值，与之对应的技术叫测试技术,炉,传感器,放大器,记录,A/D,显示,计算机,简单的测试系统可以只有一个模块，如下图所示的玻璃管温度计。,中间没有电量的转换和分析处理电路，很简单，但测量精度底，同时也很难实现测量自动化。,为提高测量精度、增加信号传输、处理、存储、显示的灵活性和提高测试系统的自动化程度，以利于和其它控制环节一起构成自动化测控系统，在测试中通常先将被测对象输出的物理量转换为电量，然后再根据需要对变换后的电信号进行处理，最后以适当的形式显示、输出。,测试系统一般由传感器、中间变换装置和显示记录装置组成。,二.测试技术的应用产品质量测量汽车、机床等设备和电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验,汽车制造厂发动机测试系统原理，发动机测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、润滑油压力、燃油压力以及每分钟的转速等。,.,设备运行状态监控系统某火力发电厂30MW汽轮发电机组的计算机设备运行状态监测系统原理框图。,家电产品,全自动洗衣机中的滚筒液面高度自动检测,测试技术在军事上的运用机载雷达声纳二战初期，德国人凭借潜艇优势，击沉英美大量运输船只、军舰，但随着声纳技术的出现，潜艇的优势逐渐消失，最后被消灭可以毫不夸张的说一个国家测试水平的高低，决定着该国军事实力的强弱,地质方面的运用地震法探油,医学方面听诊器、血压计、温度表、X光机、B超、心电图、脑电图、CT、各种生化分析仪器都是测试技术在医学方面的应用，由于这些设备的应用提高了确诊率，给病人带来福音.总之，可以说没有测试就没有科学，科学就是禾加斗组成的，禾是谷子斗是量具，意为用量具测量谷子叫测量.,第二章测试装置的技术特性,第一节测试的基本概念,一、测试系统的组成测试的基本任务是获取有用的信息。信息是蕴涵在某些随时间或空间变化的物理量。信号就其具体的物理性质而言，有位移信号、速度信号、加速度信号、力信号、光信号和电信号等。测试技术中将信号统一抽象为时间的函数。,测试系统的组成框图,传感器：将其输入的被测非电物理量转换成电信号。信号调节器：将电信号变换成传输不失真且便于记录、处理的电信号。如信号源的阻抗变换，信号的放大、衰减与波形变换，信号滤波，多路信号切换等。显示和记录器：记录或显示信号调节器输出的信号。显示必要的数据变化图形，供直接观察分析，或将其记录保存，供后续仪器分析、处理。数据处理器：将记录的信号按测试目的与要求提取其有用信息，通过专用计算机进行分析、处理，如概率统计分析、相关分析、功率谱分析和传递特性分析等。定度与校准设备：是测试系统的附加设备。测试前要对传感器及测试系统确定其输入与输出物理量转换关系的定度曲线，并根据种较高准确度的参考仪器进行校准，确定整个测试系统的精度。,二、对测试系统的要求及其主要特性基本要求：系统具有单值的、确定的输入输出关系，其中以输出和输入呈线性关系为最佳。,单向系统：测试系统对被测量的反作用影响可以忽略。（非接触式测试能满足要求）。(例如：电流测量）线性系统：即输出与输入是线性关系。（实际测试系统不可能在较大工作范围内保持线性）静态特性：被测试量不随时间变化或变化很缓慢时，测试系统的输入输出关系。动态特性：被测试量随时间变化时，测试系统的输入输出关系。,基本特性,信号的构成及分解构成测试工作研究的对象是信号，了解构成信号的基本元素对于了解信号的性质是十分重要的。就像了解物质的元素、种类及含量对于了解物质的性质至关重要一样水是由碳和氢两种元素构成的，食盐是由钠和氯两种元素构成的，生石灰是由钙和氧两种元素构成的等等。知道了构成某一物质的元素及含量就可以知道该物质的性质，因此，工业上常采用化学分析的手段来了解物质的成分，指导工业生产。,信号是否也是由基本元素构成的呢？信号的基本元素是正弦信号。ASin其中A代表含量,代表元素种类，即一种频率的正弦信号，代表一种元素，可见信号的元素种类是无限的,信号的分解周期信号的分解（傅里叶级数）对于周期信号只要符合狄氏条件，就可以用傅里叶级数分解成正弦信号。例,周期方波,在区间的函数,用傅里叶级数展开后以频率f为横坐标，以正弦函数的幅值为纵坐标，绘出的频谱图为:由该图可知周期函数的频谱是离散的;任给一频率，小于等于该频率的的正弦函数的个数是有限的;与频率对应的纵坐标是正弦函数的幅值.,非周期函数的分解（傅氏变换）对上式进行傅里叶变换x(f)f,由频谱图可知:非周期函数的频谱是连续的;任给一频率区间f1,f2，频率在该区间的正弦信号的个数是无穷的;随机信号可作为非周期函数处理.,周期信号与非周期信号频谱的比较周期信号的频谱相当于力学中的集中载荷，非周期信号的频谱相当于力学中的分布载荷.,系统，输入和输出工程测试问题：处理输入量或被测量x(t)、系统的传输或转换特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系已知系统特性H，通过观察分析输出信号Y，推断其相应的输入信号或被测量X，即测量已知输入信号X，通过观察分析输出信号Y，推断其系统特性H，即系统或仪器的定度过程已知输入信号X和系统特性H，可以推断和估计出系统的输出量，此为输出信号预测。,测试装置的基本特性,三者之间的关系是唯一的，知道任意两者，可求第三者;测试的目的是通过系统的输出y（t）确定系统的输入x（t）;例如测量炉温，是通过热电偶的输出电压y（t）求输入热电偶的温度x（t）的;因此，系统的特性对测量的影响很大。为了研究系统的特性，通常从两方面入手：.系统的静特性;.系统的动特性.,第二节测试装置的静态特性,输出输入关系：y=a0+a1x+a2x2+anxn（2-1）式中x输入的物理量y输出量；a0，a1，a2,an常数。,零点漂移（零漂）：当a00时，即使在没有输入的情况下仍有输出，（为非理想的静态特性）。静态特性指标：灵敏度、非线性度和回程误差，此外有分辨率、零点漂移及测量范围。,灵敏度,灵敏度选取：测试装置的灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也越差。,灵敏度S：S=y/x，对于特性呈直线关系的装置，S=y/x=y/x=常量。当输入与输出为同一量纲时，灵敏度又称为放大倍数。,灵敏度漂移：在被测量不变和情况下，由于外界环境条件等因素的变化，可能引起测试装置输出的变化，最后表现为测试装置灵敏度的变化。（性能良好的测试装置灵敏度漂移极小）,拟合直线：与定度曲线最接近的一条直线，通常是用最小二乘法求出的。,非线性度,非线性度：指系统的输出输入之间的关系是否保持线性关系的一种度量.即定度曲线（实际特性曲线）偏离其拟合直线（理想曲线）的程度。定义如下:,式中:B定度曲线与拟合直线的最大偏差;A输出额定最大量程.,定度曲线：静态测试中，通常用试验的办法求得装置的输入输出关系曲线，称之为定度曲线。理想状态是一条直线，实际上或多或少均有一定非线性.,当输入增加时，x、y的关系沿下面的曲线变化;当输出达到最大量程时，减少输入量x，这时x、y关系沿上面的曲线变化.,回程误差,回程误差：测试装置全量程A内的最大滞后量hmax和A之比值。是一种由滞后效应引起的测量误差.,回程误差是很难修正的，因此，对传感器而言必须严格限制,小结,测试系统要有足够的灵敏度，非线性度和回程误差要尽可能小，才能使测试结果正确。,第三节测试装置的动态特性,动态特性定义：被测试量随时间快速变化时，测试系统的输入输出信号的函数关系。,研究测试装置的动态特性的意义：为了降低和消除测试装置的动态特性给测量带来的误差,动态特性的研究方法：,1理论方法（解析法）：建立数学模型。即从具体测试装置的物理结构出发，根据其所遵循的物理定理，建立起把测试装置的输出和输入量联系起来的运动微分方程；在给定的条件下求解，从而得到任意输入x(t)激励下测试装置的响应y(t)。一般测试装置都是线性系统，其数学模型是常系数微分方程，经过简单运算可求得其传递函数，该传递函数也就能描述测试装置的固有动态特性。2实验方法：根据测试装置实际工作时最常见的输入信号的形式，选择一些典型信号（如正弦信号、脉冲信号、阶跃信号及随机信号等）作为测试装置的输入，然后测出其输出，求出输入输出关系。对该测试装置的动态特性在时间域、频率域作出分析和评价。,1.时间域内用阶跃响应表示，称为时间响应特性。2.频率域内用频率响应表示，称为频率响应特性。,动态特性的分析方法：,测试装置的传递函数及其频率响应特性,传递函数：零初始条件下，系统（或元件）输出拉氏变换和输入拉氏变换之比。,传递函数的意义：传递函数是我们对元件及系统分析研究与综合的有力工具，作为代数方程，它使解算简化、方便而直观、避免了解微分方程的困难，且便于分析研究系统动态特性。作为一种对系统特性的解析描述，它包含了瞬态、稳态时间响应和频率响应的全部信息。,优点：直观的反映了系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况。,传递函数的分解,式中每一个因子式可看成一个子系统的传递函数。其中A零阶系统传递函数1/(s+Pi)一阶系统传递函数1/(s2+2jnjs+2nj)二阶系统传递函数,对大多数测试装置而言，可以假设,则简化为,其中分母是变量s的实系数多项式，总可以分解为一次和二次的实系数因子式,常系数线性微分方程式的传递函数,频率响应函数,1.频率响应的基本概念频率响应：研究测试系统对正弦输入信号的稳态响应。频率特性：是指测试系统输入、输出之振幅（模）比和相位差随频率变化的规律。在频率响应中，稳态输出与输入之比的复数关系，反应了系统的动态特性。,频率响应函数,2.频率特性的求法微分方法：传递函数试验求：基本方法：对于线性时不变系统，有频率不变特性，若输入频率为的正弦信号，测试装置将有同频率的正弦信号稳态输出，只是输出的幅值和相位有变化，改变输入正弦信号的圆频率，即可得到幅频特性和相频特性。快速傅里叶变换（FFT）：随着计算机以及数字信号分析技术的发展，可利用脉冲信号或随机信号（如白噪声）信号作为系统的输入，运用快速傅里叶变换（FFT）技术，可很快得到频率响应函数。,频率响应函数,3.频率特性的一般公式对稳定的常系数线性系统，取s=j代入上式得,物理意义:可以从频率域形象、直观、定量地表征测试系统的动态特性,频率特性,幅频特性：相频特性：,典型测试装置的动态响应特性,典型测试装置的分类,一阶系统,实例：忽略质量的自由振动系统（弹簧阻尼机械系统）简单RC低通滤波电路液体温度器热电偶传感器LC谐振测量电路,温度湿度酒精,二阶系统,实例弹簧质量阻尼系统RLC电路,单位阶跃输入系统的响应,单位阶跃输入系统的响应,一阶系统的时间响应特性：,稳态响应,瞬态响应,1.t，y(t)1；,说明：,单位阶跃输入系统的响应,二阶系统的时间响应特性：,单位阶跃输入系统的响应,时间响应特性指标：上升时间try(tr)=1，得tr=（-2）/d，一定时，若要tr较短，要使系统具有较高的无阻尼自然频率n。峰值时间tp峰值时间tp=/d=Td/2当一定时，n越大，tp越小，反应越快；当n一定时，越小，tp也越小。,单位阶跃输入系统的响应,时间响应特性指标：最大超调量Mp最大超调量Mp=y(t)-1=Mp与无阻尼自然频率n无关。Mp只是阻尼比的函数，越小，Mp越大，当=0时，Mp=1，而=1时，Mp=0。调整时间ts调整时间误差在5%2%之间时，ts=(34)Td,单位阶跃输入系统的响应,二阶系统的时间响应特性总结：二阶系统的瞬态响应特性由系统的阻尼比和无阻尼自然频率n共同决定，欲使二阶系统具有满意的瞬态响应指标，必须综合考虑和的影响，选取合适的和n。若保持不变而增大n，对超调量无影响，却可以减小峰值时间tp，上升时间tr和调整时间ts，即可以提高系统的快速性。所以增大系统的无阻尼自然频率对提高系统性能是有利的。若保持n不变而增大，则会使超调量Mp减小，增加相对稳定性，减弱系统的振荡性能。但是，在0.7时，调整时间随的增大而增大，系统的快速性变差。综合考虑系统的相对稳定性(由最大超调量Mp决定)和快速性(由上升时间tr，峰值时间tp，调整时间ts决定)，通常取=0.60.8,这时系统的超调量在10%2.5%之间，若0.8，则系统反应迟钝，灵敏性差。当=0.7时，超调量和调整时间均最小，故称=0.7为最佳阻尼比。,实现不失真测试的条件,一个线性测量装置，其输入信号为X(t),系统的响应是y(t).X(t)又可以分解为,X(T)输入测试装置的响应又可看作输入测试装置后的叠加.作为输入信号，系统的响应为:.其中K1为放大倍数，Q1为滞后相位角.一般来说，不同频率的正弦输入系统后，其放大倍数和滞后的相位角是不同的.,理想不失真及数学表示,输出与输入波形精确相似，则有进行傅氏变换。得,1.幅值为常数2.相位角为线性关系,实际系统测试不失真条件,一阶、二阶系统不失真的条件一阶系统：,频响曲线,越小，系统的响应越快，动态误差越小，失真小的频率范围越宽,二阶系统,一般取=0.60.7。n越大越好，工作频带越宽，动态误差与时间滞后越小。n(系统不发生共振)，一般取n10，可认为精确。,22常见测试系统的频响函数1.一阶系统的动特性输入输出关系可用一阶微分方程描述的系统叫一阶系统.例一忽略质量的自由振动系统作用力为x(t)垂直向下，刚度为k，阻尼为c，求该系统的位移Y(t).,两边取拉氏变换,幅频特性,A()是幅频函数，