第三章--测试装置的基本特性B

第三章测试装置的基本特点第一部分测试设备配置和基本要求一、测试系统的基本要求考试过程是人们从客观事物中获取信息的认识过程。本课程应使用专门的测试系统和适当的测试方法测试被测试对象，以了解所需信息及其强度。测试系统的基本要求是，测试系统的输出信号真实地反映测试的物理量的变化过程，并努力实现信号不失真(即不失真)的测试。所有测试系统都具有唯一的传输特性，如果输入信号显示为x(t)，测试系统的传输特性显示为h(t)，输出信号显示为y(t)，则典型的工程测试问题始终处理x(t)、h(t)和y(t)的关系，如图2-1所示1)如果输入x(t)和输出y(t)已知，则可以通过输入、输出推断测试系统的传输特性h(t)。图3-12)如果测试系统的传输特性h(t)已知，并且还测试了输出y(t)，则通过h(t)和y(t)推断对应于该输出的输入信号x(t)。3)如果输入信号x(t)和测试系统的传输特性h(t)已知，则可以推断测试系统的输出信号y(t)。本章主要介绍如何描述系统传递(传输)特性。二、测试系统的配置图3-2精密的测试系统由实验设备、测试设备(传感器、中间转换器)、数据处理设备和显示或记录设备组成，如图2-2所示。如果测试的目的和要求不同，则上述四个部分不一定都包括在内。简单的热测试系统只需要一个既包含测量功能又包含显示功能的液体柱温度计。测量机器部件频率响应的测试系统是相当复杂的多链路系统，如图2-3所示。实验装置是预先确定被测对象，充分显示相关方面的本质特征，使测量有效进行的一种专门装置。例如，用于测量结构力学参数的励磁系统是一种实验设备。由信号发生器、功率放大器和励磁机组成。信号发生器被功率放大器放大后，提供驱动励磁装置的正弦信号，可以在一定范围内改变频率。激励器产生与信号发生器频率一致的交变激励力。此力通过力传感器作用于被测量对象，使被测量对象处于该频率激励下的强制振动状态。测试装置的作用是，通过传感器将测试对象信号(如女子力、振动引起的位移、速度或加速度)转换为电信号，然后通过后仪表的重转换、放大和运算等，将其转换为易于处理和记录的信号。测试装置根据测试的机械参数，选择不同的传感器和相应的后部设备进行配置。例如，由力传感器和力测量仪组成的测试装置，以及由振动传感器和振动位移(或振动速度、振动加速度)组成的测试装置。数据分析处理装置是为了获得期望的测试结果，进一步分析和处理从测试装置输出的电信号。图中的双通道信号分析器通过对被测量对象的输入信号(力信号)x(t)和输出信号(被测量对象的振动位移信号)y(t)的频率分析、功率谱分析、相关分析、频率响应函数分析、一致分析和概率密度分析，获得所需的明确数据和数据。显示或记录装置为进一步分析研究而分析和处理的测试信号显示或记录(存储)的测试系统的输出环。测试系统通常使用微处理器、打印机、绘图仪等作为显示和记录的设备。在测试工作中，整个测试系统不仅包括研究对象，还包括测试设备，因此，要在测试结果中准确评估研究对象的特性，首先必须检查测试设备的特性。理想的测试设备必须具有单值、确定的输入和输出关系。在此，输出和输入最好是线性关系。静态测量总是希望测试设备的输入和输出输出具有这种线性关系，但这种线性关系不是必需的，因为静态测量还很难使用曲线修正或输出修正技术进行非线性修正。但是，在动态测试中进行非线性校正仍然非常困难，因此测试设备本身必须是线性系统，以便更完整的数学处理和分析。某些实际测试设备在较大的工作范围内不能完全线性，只能在特定的工作范围和特定的错误允许范围内线性处理。测试设备的基本特性和输入输出之间的关系将直接影响测试工作。测试设备的基本特性包括静态特性和动态特性。在使用恒定值或慢速信号测量时，通常只考虑测试设备的静态性能，在测量快速变化量时，应同时考虑测试设备的动态和静态特性。只有在满足特定要求的情况下，才能准确分析和判断测试设备输出中的输入变化，进行无失真的测试。第二节测试装置的基本特性一、线性系统及其主要特性线性系统动态特性的研究通常使用线性微分方程描述输入x(t)和输出y(t)之间的关系，即(3-1)对于物理系统，为mn。上述方程式是常数系数微分方程，当、和、都是常数时，所描述的系统在线性时不会变更。下面描述了线性时间不变系统的输入和输出的对应关系，同时描述了其一些主要特性。1.复叠性质输入的总和是原始输入中每个输出的总和。也就是说正常(3-2)2.比例特性常数数倍输入的输出等于原始输入的输出乘以相同的倍数。也就是说如果c是常数(3-3)3.微分特性输入微分的输出等于原始输入输出的导数。也就是说正常(3-4)4.积分特性输入积分的输出等于原始输入输出的积分。也就是说正常(3-5)5.频率保持特性如果系统的输入是特定频率的谐波激励，则系统的稳态输出是相同频率的谐波运动，并将丢失输入、输出振幅比和相位差保持不变。也就是说根据线性时间不变系统的比例特性和微分特性，执行以下操作：当时结果所以y(t)的唯一解决方案是(3-6)频率保持特性是线性系统的一个非常重要的特性，以实验方式研究系统的响应特性。基于这个特性。如果系统输入是纯弦函数，则根据线性时间不变系统的频率保持特性输出包含其他频率组件，因此可以得出这些其他频率组件不是输入导致的结论由外部干扰或系统内部噪音引起，或者在非线性区域输入太大的调节系统，或者系统有明显的非线性环。二、测试装置的静态特性对于测试设备，输入，输出不随时间变化时相应的输入，输出的每个阶导数为在格式(3-1)中，可以使用以下选项：(3-7)基于此关系确定的测量设备的性能参数称为测试设备的静态特性。描述测试装置静态特性的主要参数包括线性度、灵敏度、回程误差等。1.线性线性度是测量系统对理论管接头线的校准曲线的最大偏差b和总范围a的百分比，即(3-8)图3-2是为线性定义的图。路线是测试设备静态特性的基本参数之一，路线使用固定拟合线作为基准线选取其他基准线以取得其他定线值。基准线的确定有多种标准一种常用方法是基准直线和校正曲线之间偏差的平均平方值保持为最小，并通过原点。在测试过程中，人们总是希望测试装置具有更好的线性性。为此，必须经常消除或减少测量测试装置的非线性因素。例如，改变气隙厚度的电感传感器和变极电容传感器他们的输出形成输入和双曲线关系，导致较大的非线性错误。所以在实际应用中，一般来说消除非线性因素，使其线性改善。另一个例子是为了减少非线性错误在非线性元件后面参考其他非线性元件，使整个系统的性质曲线接近线。使用高增益负反馈环消除了非线性错误，不仅是高增益的负反馈环。可用于消除非线性错误和消除环境影响。2.敏感度灵敏度是测试设备的输出与输入更改率(见图3-3)(3-9)测试设备静态特性的另一个基本参数。灵敏度是测试设备输入、输出特性曲线的斜率、输入和输出为直线的3-7表示的测试设备。测试设备的灵敏度是常数，即。当测试设备的输出和输入是相同的尺寸时，灵敏度是无单位的值，通常称为“放大”。应指出灵敏度越高，测量范围越小，测试装置的稳定性越差。因此，灵敏度越高，不是好的，而是要合理选择测试装置的灵敏度。3.往返错误对于一个测试设备，如果输入从小值更改为大值，则可以为相同的输入值获取不同大小的输出值。结果输出值的最大差异和总范围输出比率称为回程误差，即回程误差(3-10)图3-4是为往返错误定义的图。往返错误的原因可以概括为系统内部不同类型的摩擦、间隙和一些机械材料(如炸弹)性要素)和电磁材料(如磁要素)的滞后特性。图3-2校准曲线和路线也是图3-3灵敏度3-4回程错误三、测试装置的动态特性0.数学知识准备(见数学基础2)动态测量中人们观察到的输出量变化不仅受到了研究对象的动态特性的影响。受测试设备动态特性影响是这两种综合影响的结果，因此了解测试设备的动态特性很重要。传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数是描述测试设备动态特性的三个基本矩形方法，他们从不同的角度表示测试设备的动态特性，三者都是连接的。1.传递函数(1)传递函数的概念表达式(3-1)，线性系统通常表示可以用以下微分方程表示的，其激励和响应满足的关系。(3-11)其中是常数，m，n是正整数。根据拉普拉斯变换的微分特性例(3-11)从两边取拉普拉斯变换，并通过定理得到而且，也就是说(3-11A)其中对于命令(3-11A)，样式可以写为，(3-11B)格式中(3-11C)称为系统的传递函数。此函数表示系统本身的特性，而不考虑激励和系统的初始状态。但是G(s)由激励和系统本身的初始条件决定。如果这些初始条件都为零，则可以创建为(3-11B)(3-12A)即(3-12)该表达式表明，在0初始条件下，系统的传递函数等于该响应的拉普拉斯变换和相应的激发拉普拉斯变换的比率。一旦知道了系统的传递函数，就可以找到系统的激发(3-11A)或(3-11)求响应的拉普拉斯变换，然后通过逆变换响应y(t)。x(其)和y(t)之间的关系可以用图3-1来说明。传递函数是描述测试设备的传递、转换特性的数学模型，样式(3-12)中的n表示系统微分方程的阶数。对于线性时间不变系统，传递函数具有以下特征：1)是和等复合确定的“比”，是仅反映测试系统特性的复杂变量s的合理分数(一般mn)。所述测试系统为任何特定输入信号确定相应的输出信号及其尺寸。2)将实际物理系统抽象成数学模型，然后通过拉普拉斯变换得到。仅反映测试系统的传输、转换和响应特性，而不考虑具体的物理结构。相同形式的传递函数表征两个完全不同的物理系统。例如，液体柱温度计是与简单的RC低通滤波器相同的初级系统。换句话说，测力计、射线示波器的振动子、简单的弹簧质量系统是二次系统。3)的分母完全由测试系统(包括测试对象和测试设备)的结构确定，其分子与输入(此处)点的位置和测量点的放置无关，与系统的输入和初始条件无关。(2)链接字符串，并行计算规则测量设备包