测试系统的基本特性和测试条件

1、测试系统的基本特性和测试条件第三章 测试系统的基本特性 本章学习要求：1.建立测试系统的概念 2.了解测试系统的静态特性 3.了解测试系统的动态特性 4.掌握实现不失真测试的条件第三章 测试系统的基本特性 所谓“系统”，通常是指一系列相关事物按一定联系组成的能够完成人们指定任务的整体。测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。测试装置本身就是一个系统。 第一节测试装置与线性系统 简单测试系统(光电池)V简单测试系统：第三章 测试系统的基本特性复杂测试系统(轴承缺陷检测) 加速度计 带通滤波器 包络检波器第三章 测试系统的基本特性 理想的测试装置：具有单值的、确定的输入输出关系，即对于每

2、一输入量都应只有单一的输出量与之 对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。 输出与输入成线性关系为最佳。测试系统的输入和输出之间应尽量满足线性关系，进而实现不失真测试。实际测试系统大多不可能在整个工作范围内完全保持线性，而只能在一定范围内和一定的（误差）条件下作线性处理，这就是该测试系统的工作范围。 一、测试装置的基本要求 输入量 输出量 传输特性测试装置 研究测试装置的特性就是研究 之间的关系，知道其中两个，就可确定另一个量。第三章 测试系统的基本特性xy线性xy线性xy非线性不失真 在 基本不随时间变化的静态测量中，测试系统的线性关系总是希望的，但不是必需的，因为静态非线性校正较容易。在动

3、态测试中，则力求测试系统是线性系统。一是因为目前对线性系统能够做比较完善的数学处理与分析，二是因为动态测试中的非线性校正非常困难。 第三章 测试系统的基本特性 二、线性系统及其主要性质 在实际测试工作中，把测试系统在一定条件下，看成为一个线性系统，具有重要的现实意义。 如果测试装置的输入量x(t)和输出量y(t)之间的关系可用线性常微分方程来描述，即： 则称该系统为时不变线性系统，也称定常线性系统。通常nm，表明系统是稳定的，即系统的输入不会使输出发散。系数 和 均为常数，不随时间而变化 。第三章 测试系统的基本特性 严格地说，很多物理系统是时变的，因为构成物理系统的材料、元件、部件的特性并非

4、都是非常稳定的。但是，在工程领域中，常常可以以足够的精确度把一些时变线性系统当作时不变线性系统来处理。线性时不变系统具有以下主要性质：1. 叠加性 若 则 即符合叠加原理：作用于线性系统的各个输入所产生的输出是互不影响的。总输出等于所有单个输入作用时的输出相叠加。 第三章 测试系统的基本特性 2.比例特性 若 对于任意常数k，则有 3.微分特性 系统对输入微分的响应等于对原输入响应的微分，即 若 则 4.积分特性 如果系统的初始状态为零，则系统对输入积分的响应等于原输入响应的积分，即 若则第三章 测试系统的基本特性 说明： 判断一个系统是否是线性系统，只要判断该系统是否满足叠加性和比例性。若满

5、足就是线性系统。 由于非线性系统不具有线性性质，对它的分析与求解就十分困难。然而，在许多情况下，非线性系统可以在一定范围内近似为线性系统。这样，就使得对线性系统的研究变得更为重要。5.频率保持特性 若 则 即信号经过测试装置后，幅值可能放大或缩小，相位也可能发生变化，但频率不会变化。第三章 测试系统的基本特性第二节 测试系统的静态特性 如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化（或变化极缓慢），则称为静态测量。第三章 测试系统的基本特性 测量系统的静态特性是指被测信号为静态信号(或变化极缓慢信号）时测试装置的输出与输入之间的关系。 定度曲线描述测试装置输入输出之间关系的曲线。 当输入信

6、号为静态信号，由式（3-1）得 这是理想状态下定常线性系统输入输出关系，即单调的线性比例关系。然而，实际的测量装置并不是理想的线性系统，定度曲线不是直线。通常是采用“最小二乘法”拟合的直线来确定线性关系。用实验方法，确定出定度曲线，由定度曲线的特征指标，即可描述测量系统的静态特性。 几点主意： 第三章 测试系统的基本特性 静态特性主要有线性度、灵敏度、回程误差三项。一、线性度定度曲线与理想直线的接近程度。以定度曲线与拟合直线的最大偏差B同标称范围A的百分比表示。 yxAB线性度 = B/A100% 实用中对非线性定度曲线的处理： 通过非线性补偿，扩大系统的标称 输出范围。 限定输入量变化范围很

7、小，使定度曲线满足线性要求。 第三章 测试系统的基本特性 二、灵敏度 当测试装置的输入信号有一增量x,引起输出信号发生相应变化y时，定义 S=y/x yxxy第三章 测试系统的基本特性 对于理想的定常线性系统 鉴别力阈：又称为死区，即对器具的响应而言，被测量的最小变化值。 分辨力：即能够肯定区分的指示器示值的最邻近值。一般规定： 数字装置：最后一位变化一个字的大小 模拟装置：指示标尺分度值的一半。 灵敏度的量纲取决于输入输出量的单位。当二者相同时，常用“放大倍数”或“增益”代表灵敏度。第三章 测试系统的基本特性三、回程误差（也称滞后或变差） 测试装置在输入量由小到大再由大到小的测试过程中，对于

8、同一输入量所得输出量不一致的程度。hmaxyxA 定义回程误差为: 以hmax与测量系统满量程输出值A的百分比表示， 即 (hmax/A)100%第三章 测试系统的基本特性 四、其他表征测试系统的指标 1精确度 准确度：反映测量结果中系统误差的影响。 精密度：反映测量结果中随机误差的影响。 精确度：反映测量结果中系统误差和随机误差的综合影响，即反映测量的总误差。作为技术指标，常用相对误差和引用误差来表示。 es小，er大 es大，er小 es小，er小 第三章 测试系统的基本特性 3. 信噪比（SNR）信号功率与噪声功率之比，或 信号电压与噪声电压之比，单位为分贝。即 2漂移 测量装置的测量特

9、性随时间的缓慢变化,称为漂移。 在规定条件下，对一个恒定的输入在规定时间内的输出 变化，称为点漂；在装置标称范围最低值处的点漂，称 为零点漂移，简称零漂。随环境温度变化所产生的漂移 称为温漂。 4测量范围 指测试系统能够进行正常测试的工作量值范围。若 为动态测试系统，必须表明其在允许误差内正常工作 的频率范围。第三章 测试系统的基本特性 分贝dB测量证明，人耳对3000赫兹的声波最敏感。只要这个频率的声强达到I01012瓦/米2，就能引起人耳的听觉。声强级就是以人耳能听到的这个最小声强I0为基准规定的，并把I01012瓦/米2的声强规定为零级声强，也就是说这时的声强级为零分贝。 当声强由I0加

10、倍为2I0时，人耳感到的声音强弱并没有加倍。只有当声强达到10I0时，人耳感到的声音强弱才增大一倍，这个声强对应的声强级为10分贝；当声强变为100I0时，人耳感到的声音强弱增大2倍，对应的声强级为20分贝；当声强变为1000I0时，人耳感到的声音强弱增大3倍，对应的声强级为30分贝，依此类推。人耳能承受的最大声强为1瓦/米21012I0，它对应的声强级为120分贝(注：10分贝= 1贝尔 )。式中： ， 装置的测量上限、下限。 5动态范围（DR) 指系统不受各种噪声影响而能获得不失真输出测量 的范围。常用测量上下限比值的分贝值来表示，即： 良好的静态特性是实现不失真动态测试的前提。 第三章

11、测试系统的基本特性 描述测试系统的特性实质上就是建立输入信号、输出信号和测试装置结构参数三者之间的关系。即把测试系统这个物理系统抽象成数学模型，而不管其输入输出量的物理特性（即不管是机械量、电量或热学量等），分析输入信号与响应信号之间的关系。 第三节 测试系统动态特性 动态特性输入量随时间变化时测试系统所表现出的响应特性。x(t)h(t)y(t)输入量系统特性输出第三章 测试系统的基本特性 系统分析中的三类问题 1)当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。(系统辨识) 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。 (反求) 3)如果输入和系统特性

12、已知，则可以推断和估计系统的输出量。(预测) 第三章 测试系统的基本特性一、测试系统动态特性的描述方法 已知系统输入 1时域微分方程 线性时不变系统，可用常系数线性微分方程(3-1)描述。 解微分方程 系统的响应输出 根据输入输出之间的传输关系就可确定系统的动态特性。 存在问题：解微分方程困难，不便实际应用。解决方法：利用拉普拉斯变换或傅里叶变换。第三章 测试系统的基本特性后者是x(t)的傅里叶积分公式。那么，一个非周期函数x(t)在什么条件下，可以用傅里叶积分公式来表示？关于拉普拉斯变换傅里叶变对 傅里叶积分定理若x(t)在（-，+）上满足下列条件： 在任一有限区间上满足狄利克雷条件； 在（

13、-，+）上绝对可积（即积分 收敛），则有 成立，而左端的 x(t) 在其间断点处，应以x(t+0)+ x(t-0)/2代替。 第三章 测试系统的基本特性傅里叶变换的不足：问题 1：为什么要用拉普拉斯变换？傅里叶变换有不足。1）绝对可积的条件比较强，许多函数即使是很简单的函数（如单位函数、正弦函数、余弦函数以及线性函数等)都不满足这个条件。2）可以进行傅氏变换的函数必须在整个数轴上有定义，但在物理、无线电技术等实际应用中，许多以时间t为自变量的函数往往在t0) 第三章 测试系统的基本特性单位函数u(t): 因 不收敛，u(t)不满足绝对可积条件。 将 u(t) 看成 傅氏变换 推广傅氏变换的定义

14、 这样定义的傅氏变换应理解为是在广义意义下的傅氏变换。所谓广义是相对于古典意义而言的，在广义意义下的傅氏变换是允许交换积分运算和求极限运算的次序，即第三章 测试系统的基本特性指数衰减函数: x(t) 0 t 1 |G()| 0 1/ 第三章 测试系统的基本特性任意函数 x(t)使积分区间由(-, +)换成 0, +)使其变得绝对可积x(t) ，再取傅里叶变换 产生拉普拉斯变换对 取傅氏变换，得 设 ，则得 由此确定的 X(s)，实际上是由 f(t) 通过一种新的变换得来的，这种变换我们称为拉普拉斯变换。第三章 测试系统的基本特性 拉普拉斯变换定义：设函数 f(t) 当 t0时有定义，而且积分（

15、s 是一个复变量） 在 s 的某一域内收敛，则由此积分所确定的函数可写为 X(s) 是 f(t) 拉氏变换(或称为象函数)，记为：f(t) 为X(s)的拉氏逆变换(或称为象原函数)，记为：拉氏变换的存在定理：若f(t)满足：在t0的任一有限区间上分段连续；在t充分大后满足不等式|f(t)|Mect，其中M、c都是实常数。则X(s)=Lf(t)在半平面Re(s)上一定存在。 第三章 测试系统的基本特性拉普拉斯变换与傅里叶变换的区别：FT: 时域函数f(t)频域函数 变量 t变量 LT: 时域函数f(t)复频域函数 （变量 t、 都是实数）变量 t变量s (复频率） t（实数）(复数） 即： 傅里

16、叶变换建立了时域与频域之间的联系；拉普拉斯变换建立了时域与复频域之间的联系。第三章 测试系统的基本特性拉普拉斯变换的应用：1、微分方程的拉氏变换解法取拉氏变换象函数的代数方程解代数方程象函数取拉氏逆变换微分方程象原函数 （微分方程的解）目的2、线性系统的传递函数 第三章 测试系统的基本特性2传递函数 设 Ly(t) = Y(s)， Lx(t) = X(s)，根据拉氏变换的微分性质若则可得 第三章 测试系统的基本特性公式两边取拉氏变换并整理 令令其中系统的传递函数 第三章 测试系统的基本特性其中 传递函数H(s)表达了系统本身的特性，而与激励及系统的初始状态无关。但Hh(s)则由激励和系统本身的

17、初始条件所决定。若这些初始条件全为零，即Hh(s)=0 时，有 或 这表明，在零初始条件下，系统的传递函数等于其响应的拉氏变换与其激励的拉氏变换之比。 第三章 测试系统的基本特性 1）只反映系统本身的传输特性，与输入和初始条件均无关。 2）只反映系统本身的传输特性，与系统具体的物理结构无关。 3）对实际的物理系统，由于输入和输出常具有不同的量纲，传递函数通过系数 和 反映出输入输出量纲的变换关系。 4）H(s)中的分母取决于系统的结构。分子则与外界因素有关。一般的测试装置都是稳定系统，稳定的必要条件之一就是 传递函数有以下特点： 5）传递函数不表明系统的物理性质。许多性质不同的物理系统，可以有

18、相同的传递函数；而传递函数不同的物理系统，即使系统的激励相同，其响应也是不同的。因此，对传递函数的分析研究，就能统一处理各种物理性质不同的线性系统。 第三章 测试系统的基本特性 3.频率响应函数 根据定常线性系统的频率保持特性，若输入为一正 弦信号x(t)=X0sint，则稳态时的输出是与输入同频率的正弦信号y(t)=Y0sin(t+)，但其幅值和相位角通常不等于输入信号的幅值和相位角。所以，幅值比A=Y0/X0和相位差都是输入信号频率的函数。幅值比定义为该系统的幅频特性，记为 ； 相位差定义为该系统的相频特性，记为 。系统的频率响应函数：复杂信号可分解为正弦信号的叠加，系统的频率特性也是适用

19、的。第三章 测试系统的基本特性在传递函数H(s)中，令=0 ，即s=j，便可求得频率响应函数H(j) 频率响应函数有时记为H(j)，以此说明它源于H(s)。 若在t=0 时，将激励信号接入稳态常系数线性系统，在拉氏变换中令 ，实际上是将拉氏变换变成傅氏变换。又由于系统的初始条件为零，因此系统的频率响应函数就成为H()就成为 在传递函数H(s)中，令=0 ，即s=j，便可求得频率响应函数H(j) 频率响应函数有时记为H(j)，以此说明它源于H(s)。 第三章 测试系统的基本特性可将 的实部和虚部分开，记为 在工程领域中，常用特性曲线来描述系统的传输特性。将 和 分别作图，即为系统的幅频特性曲线和

20、相频特性曲线。实际作图时，为了方便，常常采用如下作图方法。 1）将自变量或f 的坐标取对数，幅值比取分贝数 ,相角 取实数作图，分别称为对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线，总称为伯德(Bode)图。 则 第三章 测试系统的基本特性 2）用H()的实部P()和虚部Q()分别作P() 和Q()的曲线，可得到系统的实频特性和虚频特性曲线图。 3）用P()和Q()分别作为横、纵坐标画出Q()P()曲线，并在曲线某些点上分别注明相应的频率，就是系统的奈奎斯特(Nyquist)图。图中自原点画出的矢量向径，其长度和与横轴的夹角分别是该频率点的 A()和()。 第三章 测试系统的基本特性频率响应函数的测量(

21、正弦波法) 测量过程：依次用不同频率fi的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相位，得到幅值比、相位差。 测量依据：频率保持性，即若 x(t)=Acos(t +x) ，则y(t)=Bcos(t +y)第三章 测试系统的基本特性优点：简单，信号发生器，双踪示波器 缺点：效率低 从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax，逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制就得到系统幅频和相频特性。 A(f)f (f)f 第三章 测试系统的基本特性4.脉冲响应函数h(t)输出的拉氏变换为 输入为单位脉冲函数 h(t)、x(t)、y(t) 三者间的关系：

22、y(t)= h(t)*x(t) h(t) 称为测试系统的脉冲响应函数或权函数。它是测试系统特性的时域描述形式。 传递函数H(s)、脉冲响应函数 h(t) 和频率响应函数H()分别是在复频域、时域和频域中描述测试系统的动态特性。三者是一一对应的。 h(t) 和 H(s)、是拉氏变换对， h(t) 和 H(j )是傅氏变换对。第三章 测试系统的基本特性案例：音响系统性能评定y(t)=x(t)*h(t) Y(f)=X(f)H(f) 改进：脉冲输入/白噪声输入，测量输出，再求输出频谱。飞机模态分析第三章 测试系统的基本特性案例:镗杆固有频率测量第三章 测试系统的基本特性实验：悬臂梁固有频率测量第三章

23、测试系统的基本特性案例:桥梁固频测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车过碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。第三章 测试系统的基本特性二、测试系统的动态特性 1、一阶系统的动态特性能用微分方程描述的系统均为一阶系统。 x(t)为输入位移量，y(t)为输出位移量。通常阻尼力Fb与运动速度成正比，作用力Fa与弹簧刚度及位移成正比，即(a) 由弹簧、阻尼器组成的一阶机械系统刚度系数阻尼系数根据力平衡，得出第三章 测试系统的基本特性 RCy(t)x(t) (b) RC低通滤波器 输出电压y(t)与输入电压x(t)之间的关系为(c) 液柱式温度计 若用Ti(t

24、)表示温度计的被测温度，即输入； To(t)表示温度计的示值温度，即输出。C表示温度计的热容量，R为传导介质的热阻，则根据热力学定律，它们之间关系为即第三章 测试系统的基本特性由弹簧、阻尼器组成的一阶机械系统RC低通滤波器液柱式温度计输出量 输入量 由测试系统特性确定的常数 测试系统的时间常数 测试系统的静态灵敏度令 得到归一化为标准形式：第三章 测试系统的基本特性一般一阶系统的传递函数在动态特性分析中，灵敏度只起着使输出量增加倍数的作用。因此为了方便起见，令1）对于时不变线性系统， = 常数 2）设初始条件为零，取拉氏变换令 s =j频率响应函数 幅频特性： 相频特性： 第三章 测试系统的基

25、本特性图3-7 一阶系统的伯德图 a)对数幅频特性曲线 b)对数相频特性曲线 图3-6 一阶系统的幅频和相频特性 a)幅频特性曲线 b)相频特性曲线=0， A(0)=1 =1/，A( =1/， 20lg(0.707)= -3dB =1/，(1/ )= - 450 =1/时，输出信号的幅度下降至输入的，输出滞后输入450。 是一阶系统的重要参数。 越大，测试系统的动态范围越宽。 第三章 测试系统的基本特性对上式进行拉氏反变换，得其时域响应一阶系统的单位脉冲响应 一阶系统对具体输入信号的相应特性： 当输入信号x(t)=(t)，其拉氏变换为L(t)=(s)=1，所以 （1)一阶系统的单位脉冲响应可见

26、，输入(t)后，系统的输出从突变值1/迅速衰减。 越小，系统的输出越接近(t)。 第三章 测试系统的基本特性（2）一阶系统的单位阶跃响应 取拉氏变换 u(t)10t取拉氏反变换为时间常数。当 t 4后，系统输出与输入基本相同（误差小于1.8%），可认为稳态误差为零。 越小，一阶系统达到稳态值的时间越小。一阶系统的单位阶跃响应 第三章 测试系统的基本特性一阶系统时间常数测量：阶跃响应0.63第三章 测试系统的基本特性2.二阶系统的动态特性 典型的二阶系统 (a)弹簧质量阻尼系统 (b)RLC电路 (c)动圈式仪表 (a) (b) (c) 第三章 测试系统的基本特性输入运动线圈的电流信号 现以动圈

27、式电表为例来讨论二阶测试系统的动态特性。其运动特性可用二阶微分方程来描述， 令运动线圈产生的角位移输出信号取决于转动部分结构形状和质量的转动惯量阻尼系数游丝的扭转刚度电磁转矩系数对具体系统而言，S是个常数。为分析方便，令S=1，得到归一化的二阶微分方程，代表二阶系统特性的标准式。取拉氏变换固有频率阻尼比静态灵敏度第三章 测试系统的基本特性二阶系统的传递函数：令 s =j二阶系统的频率响应函数：幅频特性为： 相频特性为： 第三章 测试系统的基本特性二阶系统的频率特性 (a)幅频特性曲线 (b)相频特性曲线 频率特性受n和 的共同影响。 1）当阻尼很大( 1)，二阶系统的频率特性与一阶系统近似。 当 很小时，在=n处，系统发生共振。 当 ， (0.60.8)n时，A()1，对应的频率范围大，()与近似线性关系。这种情况下，系统的稳态响应的动态误差较小。 2）实际应用中，要避免系统进入共振点。一般选取(0.60.8)n， 。第三章 测试系统的基本特性脉冲响应：二阶系统对具体输入信号的响应 1）二阶系统的单位脉冲响应拉氏逆变换X(s)=1第三章 测试系统的基本特性2）二阶系统的单位阶跃响应 2y(t)1）当 1 过阻尼， = 1 临界阻尼，0 1 欠阻尼。2）阻尼比决定阶跃响应趋于稳态的快慢，通常取 。 3）不变时，n越大，响应速度越快。 第三章 测试系统的基本特性三