测试的技术基础大学PPT课件

1、1-11-1测试系统的组成及其主要性能指标测试系统的组成及其主要性能指标一、测试系统的组成一、测试系统的组成被测对象被测对象传感器传感器测量电路测量电路输出装置输出装置荷载系统荷载系统测量系统测量系统 显示记录显示记录信息输出信息输出 转换转换 传递传递 输出输出http:/ 理 试 件A/D 转 换计 算 机反馈回路一、测试系统的组成一、测试系统的组成荷载系统：液压、重力、气压、杠杆、弹簧荷载系统：液压、重力、气压、杠杆、弹簧测量系统：传感器、中间变换、测量电路测量系统：传感器、中间变换、测量电路传感器又称为一次仪表，其余部分称为二次、三次仪表。传感器又称为一次仪表，其余部分称为二次、三次仪

2、表。测量电路：使用较多的是电桥电路和放大电路，此外，还测量电路：使用较多的是电桥电路和放大电路，此外，还有滤波、整流，积分、微分电路、放大器等。有滤波、整流，积分、微分电路、放大器等。最简单情况，测量电路就是传感器和测量仪器之间的导线。最简单情况，测量电路就是传感器和测量仪器之间的导线。 信号处理系统：对输出信号的处理信号处理系统：对输出信号的处理显示和记录系统显示和记录系统显示记录器和分析处理仪多被计算机取代。显示记录器和分析处理仪多被计算机取代。二、测试系统的主要性能指标二、测试系统的主要性能指标1 1 精度和误差：精度和误差： 绝对误差绝对误差相对误差相对误差引用误差引用误差oxAx00

3、AAxxmoyXAx二、二、 测试系统的主要性能指标测试系统的主要性能指标2 2 稳定性：稳定性：l稳定度：稳定度：时间上的稳定性时间上的稳定性表示方法：表示方法：s s1.3mV/8h1.3mV/8h； s s0.30.3/d/dl环境影响环境影响：u u0.02mA/10% 0.02mA/10% ； r r0.30.3/3 3 测量范围：测量范围：量程量程超载、工作频率范围超载、工作频率范围4 4 分辨率：分辨率：能测量的最小变化量能测量的最小变化量零点和零点和90%90%满量程满量程5 5 传递特性：传递特性：输入量与输出量的对应关系。输入量与输出量的对应关系。静态传递特性静态传递特性动

4、态传递特性动态传递特性1-21-2线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质1 1 线性时不变系统线性时不变系统lX X Y Y ，X1X1 Y1 Y1， X2X2 Y2 Y2l线形系统的方程线形系统的方程)()()()()()()()(01110111txbtxbtxbtxbtyatyatyatyammmmnnnn输入输入x x（t)t)输出输出y y（t)t)系统系统h h（x)x)1-21-2线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质2 2 线性系统的主要特性线性系统的主要特性l叠加性叠加性：X1+X2 X1+X2 Y1+Y2 Y1+Y2l齐次性（比例性）齐次性（比例性）：cX cX cY

5、cYl微分特性微分特性： X X Y X Y X Y Yl积分特性积分特性：X X Y Y l频率保持特性频率保持特性：幅值、频率、相位差：幅值、频率、相位差x(t)x(t) Asin(t+) y(t)Asin(t+) y(t)Bsin(t+ )Bsin(t+ )ttdttydttx00)()(1-21-2线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质例题例题对某线性装置输入简谐信号对某线性装置输入简谐信号x(t)x(t)Asin(t+)Asin(t+)，若输出为，若输出为y(t)y(t)Bsin(t+ )Bsin(t+ )，请对幅值等各对应量作定性比较，并用数学语言描述，请对幅值等各对应量作定性比

6、较，并用数学语言描述它们之间的关系。它们之间的关系。解：解： B=kAB=kA（齐次性）（齐次性）=（保频）（保频）=-C =-C （保频）（保频）1-21-2线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质例题例题 滑动变阻器可以实现位移测试，能否进行速度和加速度测试？磁电式滑动变阻器可以实现位移测试，能否进行速度和加速度测试？磁电式传感器能够测移动速度，能否测位移和加速度？传感器能够测移动速度，能否测位移和加速度？答：答：利用微分特性和积分特性实现。利用微分特性和积分特性实现。上次课复习上次课复习1 1 测试系统的组成测试系统的组成荷载系统、测量系统、信号处理系统、显示和记录系统荷载系统、测量系统

7、、信号处理系统、显示和记录系统2 2 测试系统的主要性能指标测试系统的主要性能指标精度和误差、稳定性、测量范围、分辨率、传递特性精度和误差、稳定性、测量范围、分辨率、传递特性3 3 线形系统线形系统)()()()()()()()(01110111txbtxbtxbtxbtyatyatyatyammmmnnnn4 4 线形系统的主要性质线形系统的主要性质叠加性、齐次性、微分特性、积分特性、频率保持特性叠加性、齐次性、微分特性、积分特性、频率保持特性 1-31-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数一、静态方程和标定曲线一、静态方程和标定曲线静态方程静态方程标定曲线

8、标定曲线Sxxbay00)()()()()()()()(01110111txbtxbtxbtxbtyatyatyatyammmmnnnnyx 1-31-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数2 2 测试系统的主要静态特性参数测试系统的主要静态特性参数(1)(1)灵敏度灵敏度xys)(00constbaxysxy表示方法表示方法 S = 2/mm 1-31-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数2 2 测试系统的主要静态特性参数测试系统的主要静态特性参数(2)(2)（非）线性度（直线度）（非）线性度（直线度）定义：测量系统的标定曲线

9、定义：测量系统的标定曲线( (由试验确由试验确定的实际工作曲线定的实际工作曲线) )对理论拟合直线的对理论拟合直线的接近程度接近程度非线性度非线性度%100ABf均方差最小的直线均方差最小的直线一般要求小于一般要求小于3 3 1-31-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数2 2 测试系统的主要静态特性参数测试系统的主要静态特性参数(3)(3)回程误差（迟滞性）回程误差（迟滞性）%100maxAhf系统滞后现象和不工作区引起系统滞后现象和不工作区引起 1-31-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数2 2 测试系统的主要静态特性参

10、数测试系统的主要静态特性参数（4 4）环境影响与对应措施）环境影响与对应措施l温度、湿度、气压、电源电压、接温度、湿度、气压、电源电压、接地条件、绝缘电阻地条件、绝缘电阻l灵敏度漂移灵敏度漂移l零点漂移零点漂移l减少环境影响的措施：减少环境影响的措施：隔离、补偿、增益反馈、计算机隔离、补偿、增益反馈、计算机修正补偿修正补偿 1-31-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数例题：例题：某次压力测量时，磁电式传感器的灵敏度某次压力测量时，磁电式传感器的灵敏度S=90.0vS=90.0vMPaMPa，将它与增，将它与增益为益为0.005V0.005Vvv的电压放大器相

11、连，输出到灵敏度为的的电压放大器相连，输出到灵敏度为的20mm20mmv v笔式笔式记录仪。记录仪。求系统的总灵敏度。求系统的总灵敏度。当当P=5.0MPaP=5.0MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量时，记录笔在记录纸上的偏移量? ?解：解： K= K1K= K1K2 K2 K3 K3=90v=90vMpaMpa0.005V0.005V v v 20mm 20mm v v=9mm =9mm Mpa Mpa W= K W= K P = 9mm P = 9mm Mpa Mpa 5.0MPa=45mm5.0MPa=45mm1-41-4测试系统的动态传递特性及其测定测试系统的动态传递特性及其测定1 动

12、态传递特性动态传递特性传递函数传递函数频率的传递函数频率的传递函数频率响应函数频率响应函数2 系统在典型输入下的动态响应系统在典型输入下的动态响应3 不失真测试条件不失真测试条件4 负载效应负载效应5 动态参数测定动态参数测定一、一、 动态传递特性动态传递特性1 1 传递函数传递函数输入、输出关系可用微分方程描述。在输入输入、输出关系可用微分方程描述。在输入x(t)x(t)、输出、输出y(t)y(t)以及各阶以及各阶导数的初始值均为零的情况下，对微分方程进行拉普拉斯变换导数的初始值均为零的情况下，对微分方程进行拉普拉斯变换( (简称拉简称拉式变换式变换) )，得，得 mkkkniiisbsXs

13、asY00输出的拉氏变换和输入拉氏变换之比输出的拉氏变换和输入拉氏变换之比 即为传递函数即为传递函数niiimkkksasbsXsYsH00)()()()()()()()(01110111txbtxbtxbtxbtyatyatyatyammmmnnnn一、一、 动态传递特性动态传递特性拉普拉斯变换拉普拉斯变换（1） 拉普拉斯变换是线性变换，变换前后不会影响原方程包含的信息。拉普拉斯变换是线性变换，变换前后不会影响原方程包含的信息。变换前后两个方程等价。变换前后两个方程等价。（2 2） 传递函数是一个代数有理分式函数，其特征容易识别与研究。而传递函数是一个代数有理分式函数，其特征容易识别与研究。

14、而考察微分方程的特性困难。考察微分方程的特性困难。说明：说明：（1 1） 传递函数实质是以复数域（传递函数实质是以复数域（s=a+jb)s=a+jb)中的象函数中的象函数X(s)X(s)、Y(s)Y(s)的代数的代数式去代替实数域中原函数式去代替实数域中原函数x(t)x(t)、y(t)y(t)的微分方程式。的微分方程式。（2 2） H(s) H(s) 是将实际的物理系统抽象成数学模型，经过变换后得出的，是将实际的物理系统抽象成数学模型，经过变换后得出的，所以同一个传递函数可以表示具有相同的传输特性的不同系统。所以同一个传递函数可以表示具有相同的传输特性的不同系统。（3 3） 传递函数传递函数H

15、(s)H(s)用于描述系统本身固有的特性，与输入用于描述系统本身固有的特性，与输入X(t)X(t)的表达的表达式无关。式无关。 X(t)X(t)不同时，不同时，Y(t)Y(t)的表达式不同，但传递函数的表达式不同，但传递函数H(s)H(s)保持不变。保持不变。（4 4） 传递函数传递函数H(s)H(s)分母完全由系统的结构决定，而分子则和待测变量分母完全由系统的结构决定，而分子则和待测变量及测点布置情况有关及测点布置情况有关。一、一、 动态传递特性动态传递特性2 2 串、并联环节的传递函数串、并联环节的传递函数 串联系统串联系统Z（s）H1（S）H2（S）H（s）X（t）Y（t）H（s）H1（

16、S）H2（S）X（t）Y（t）Y1（s）Y2（s）并联系统并联系统)()()()()()()()()(12sHsHsXsZsZsYsXsYsH)()()()()()()()()(2121sHsHsXsYsXsYsXsYsH一、动态传递特性一、动态传递特性3 3 频率响应函数频率响应函数传递函数的傅式变换传递函数的傅式变换niiimkkkjajbjXjYjH00niiimkkksasbsXsYsH000)()(dtetyjwYjwt0)()(dtetxjwXjwt物理意义：物理意义： 对于稳定的常系数线性系统，若输入为正弦信号，则稳态时的输对于稳定的常系数线性系统，若输入为正弦信号，则稳态时的输

17、出是与输入为同一频率的正弦信号；输出的幅值和相角通常不等于输出是与输入为同一频率的正弦信号；输出的幅值和相角通常不等于输入的幅值和相角，输出和输入幅值比和相位差都是输入频率的函数，入的幅值和相角，输出和输入幅值比和相位差都是输入频率的函数，并反映在系统的幅频特性和相频特性中。并反映在系统的幅频特性和相频特性中。一、动态传递特性一、动态传递特性3 3 频率响应函数频率响应函数幅频特性幅频特性相频特性相频特性22QPjHAPQjHarctan)()()()()(wjQwPewAjwHwjwl幅频特性幅频特性当输入正弦信号的频率沿频率轴滑动时，输出、输入正弦信号振幅当输入正弦信号的频率沿频率轴滑动时

18、，输出、输入正弦信号振幅之比随频率的变化规律之比随频率的变化规律l相频特性相频特性输入、输出正弦信号的相位差之比随频率的变化规律输入、输出正弦信号的相位差之比随频率的变化规律一、动态传递特性一、动态传递特性频率响应函数与传递函数的区别频率响应函数与传递函数的区别l传递函数中的传递函数中的s s换成换成jj便得到了频率响应函数。便得到了频率响应函数。l传递函数是输出与输入拉氏变换之比，其输入并不限于正弦激励，不传递函数是输出与输入拉氏变换之比，其输入并不限于正弦激励，不仅描述了测量装置的稳态特性也描述了它的仅描述了测量装置的稳态特性也描述了它的瞬态特性瞬态特性。l频率响应函数是在频率响应函数是在

19、正弦信号正弦信号激励下，测量装置达到激励下，测量装置达到稳态稳态后输出与输入后输出与输入之间的关系。之间的关系。一、一、 动态传递特性动态传递特性4 4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性常见测试系统的传递函数和频率响应特性（1 1）一阶系统）一阶系统力学模型力学模型m=0k位移y（t）力x（t）)()()(001txbtyatya)()()(tsxtyty)()()(sXsYssY11)()()(ssXsYsH2)(1111)(wwjjwjwH一、动态传递特性一、动态传递特性4 4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性常见测试系统的传递函数和频率响应特性（1 1）一阶系统）一阶系统m=0k

20、位移y（t）力x（t） Kxtydttdytxtkydttdy力学模型力学模型11)()(2jwHAarctan)(H相频特性相频特性幅频特性幅频特性传递函数传递函数 2222)(nnnsssXsYsH一、动态传递特性一、动态传递特性4 4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性常见测试系统的传递函数和频率响应特性（2 2）二阶系统）二阶系统)()()()(001 2txbtyatyatya10aawn2012aaa00abS 固有频率固有频率阻尼比阻尼比灵敏度灵敏度频率响应特性频率响应特性nnwwjwwjwH2)(11)(2幅频特性幅频特性)()(jwHA相频特性相频特性H)(二、系统在典型输入下的动态响应二、系统在典型输入下的动态响应1 1 单位脉冲信号单位脉冲信号2 2 单位阶越信号单位阶越信号3 3 单位斜坡信号单位斜坡信号4 4 单位正弦信号单位正弦信号5 5 任意输入任意输入0100)(tttxtety1)()sin(11)(22tetydtn三、信号的失真及不失真测量条件三、信号的失真及不失真测量条件1 1 定义定义 不失真测试（传递）实质不失真测试（传递）实质 系统的响应波形（输出）与输入波形系统的响应波形（输出）与输入波形完全相似。可保持原信号的特性和全部完全相似。可保持原信号的特性和全部