0绪论1测试系统(汽车试验学)

1、第一章概概论一.测试试技术测试技术术是实验验科学的的一部分分，主要要研究各各种物理理量的测测量原理理和测量量信号的的分析处处理方法法。以确定被被测参数数之值为为目的的的一系列列操作叫叫测试，与之对对应的技技术叫测测试技术术例1：测测量黑板板的面积积，先要要测量长长宽再求求积，这这一系列列操作均均为确定定被测黑黑板面积积的值，与之对对应的技技术叫测测试技术术.例二测量量炉温之之值为了测量量炉温，要先安安装传感感器、放放大器、A/D转换器器，计算算机显示示器、记记录器，这一系系列操作作均为确确定炉温温之值，与之对对应的技技术叫测测试技术术炉传感器放大器记录A/D显示计算机简单的测测试系统统可以只只

2、有一个个模块，如下图图所示的的玻璃管管温度计计。中间没有有电量的的转换和和分析处处理电路路，很简简单，但测量精精度底，同时也也很难实实现测量量自动化化。为提高测测量精度度、增加加信号传传输、处处理、存存储、显显示的灵灵活性和和提高测测试系统统的自动动化程度度，以利利于和其其它控制制环节一一起构成成自动化化测控系系统，在在测试中中通常先先将被测测对象输输出的物物理量转转换为电电量，然然后再根根据需要要对变换换后的电电信号进进行处理理，最后后以适当当的形式式显示、输出。测试系统统一般由由传感器器、中间间变换装装置和显显示记录录装置组组成。二.测试试技术的的应用产品质量量测量汽车、机机床等设设备和电

3、电机、发发动机等等零部件件出厂时时，必须须对其性性能质量量进行测测量和出出厂检验验汽车制造造厂发动动机测试试系统原原理，发发动机测测量参数数包括润润滑油温温度、冷冷却水温温度、润润滑油压压力、燃燃油压力力以及每每分钟的的转速等等。.设备运行行状态监监控系统统某火力发发电厂30MW汽轮发发电机组组的计算算机设备备运行状状态监测测系统原原理框图图。家电产品品全自动洗洗衣机中中的滚筒筒液面高高度自动动检测测试技术术在军事事上的运运用机载雷达达声纳二战初期期，德国国人凭借借潜艇优优势，击击沉英美美大量运输船只只、军舰舰，但随随着声纳纳技术的的出现，潜艇的优势逐逐渐消失失，最后后被消灭灭可以毫不不夸张的

4、的说一个个国家测测试水平平的高低低，决定着该国国军事实实力的强强弱地质方面面的运用用地震法探探油测震仪油田炸药医学方面面听诊器、血压计计、温度度表、X光机、B超、心电图图、脑电电图、CT、各各种生化化分析仪仪器都是是测试技技术在医医学方面面的应用用，由于于这些设设备的应应用提高高了确诊诊率，给给病人带带来福音音.总之，可可以说没没有测试试就没有有科学，科学就就是禾加加斗组成成的，禾禾是谷子子斗是量量具，意意为用量量具测量量谷子叫叫测量.第二章测测试装置置的技术术特性第一节测测试的基基本概念念一、测试试系统的的组成测试的基基本任务务是获取取有用的的信息。信息是蕴蕴涵在某某些随时时间或空空间变化化

5、的物理理量。信号就其其具体的的物理性性质而言言，有位位移信号号、速度度信号、加速度度信号、力信号号、光信信号和电电信号等等 。测试技术术中将信信号统一一抽象为为时间的的函数。测试系统统的组成成框图传感器信号调节器记录器数据处理及其外围设备被测非电量定度设备校准设备传感器：将其输输入的被被测非电电物理量量转换成成电信号号。信号调节节器：将电信号号变换成成传输不不失真且且便于记记录、处处理的电电信号。如信号号源的阻阻抗变换换，信号号的放大大、衰减减与波形形变换，信号滤滤波，多多路信号号切换等等。显示和记记录器：记录或显显示信号号调节器器输出的的信号。显示必必要的数数据变化化图形，供直接接观察分分析

6、，或或将其记记录保存存，供后后续仪器器分析、处理。数据处理理器：将记录的的信号按按测试目目的与要要求提取取其有用用信息，通过专专用计算算机进行行分析、处理，如概率率统计分分析、相相关分析析、功率率谱分析析和传递递特性分分析等。定度与校校准设备备：是测试系系统的附附加设备备。测试前前要对传传感器及及测试系系统确定定其输入入与输出出物理量量转换关关系的定定度曲线线，并根根据种较较高准确确度的参参考仪器器进行校校准，确确定整个个测试系系统的精精度。二、对测测试系统统的要求求及其主主要特性性基本要求求：系统具具有单值的、确定的输入输出关关系，其其中以输输出和输输入呈线性关系系为最佳。xy线性xy线性x

7、y非线性单向系统统：测试系系统对被被测量的的反作用用影响可可以忽略略。（非非接触式式测试能能满足要要求）。(例如：电流测测量）线性系统统：即输出出与输入入是线性性关系。（实际测试试系统不可能在在较大工工作范围围内保持持线性）静态特性性：被测试试量不随随时间变变化或变变化很缓缓慢时，测试系系统的输输入输出关关系。动态特性性：被测试试量随时时间变化化时，测测试系统统的输入入输输出关系系。基本特性性信号的构构成及分分解构成测试工作作研究的的对象是是信号，了解构构成信号号的基本本元素对对于了解解信号的的性质是是十分重重要的。就像了了解物质质的元素素、种类类及含量量对于了了解物质质的性质质至关重重要一样

8、样水是由碳碳和氢两两种元素素构成的的，食盐盐是由钠钠和氯两两种元素素构成的的，生石石灰是由由钙和氧氧两种元元素构成成的等等等。知道道了构成成某一物物质的元元素及含含量就可可以知道道该物质质的性质质，因此此，工业业上常采采用化学学分析的的手段来来了解物物质的成成分，指指导工业业生产。信号是否否也是由由基本元元素构成成的呢？信号的基基本元素素是正弦信号号。ASin其中中A代表表含量, 代代表元素素种类，即一种种频率的的正弦信信号，代代表一种种元素素，可见见信号的的元素种种类是无无限的信号的分分解周期信号号的分解解（傅里里叶级数数）对于周期期信号只只要符合合狄氏条条件，就就可以用用傅里叶级级数分解解

9、成正弦弦信号。例,周周期方波波-TT t在区间的的函函数用傅里叶叶级数展展开后以频率f为横坐坐标，以以正弦函函数的幅幅值为纵纵坐标，绘出的的频谱图图为:由该图可可知周期函数数的频谱谱是离散散的;任给一频频率，小小于等于于该频率率的的正正弦函数数的个数数是有限限的;与频率对对应的纵纵坐标是是正弦函函数的幅幅值.非周期函函数的分分解（傅傅氏变换换）对上式进进行傅里里叶变换换x(f)fX(t) T-T 0 h由频谱图图可知:非周期函函数的频频谱是连连续的;任给一频频率区间间f1,f2，频率率在该区区间的正正弦信号号的个数数是无穷穷的;随机信号号可作为为非周期期函数处处理.周期信号号与非周周期信号号频

10、谱的的比较周期信号号的频谱谱相当于于力学中中的集中中载荷，非周期期信号的的频谱相相当于力力学中的的分布载载荷.系统，输入和输输出工程测试试问题：处理输输入量或或被测量量x(t)、系统统的传输输或转换换特性h(t)和输出出量y(t)三者之之间的关关系已知系统统特性H，通过过观察分分析输出出信号Y，推断断其相应应的输入入信号或或被测量量X，即即测量已知输入入信号X，通过过观察分分析输出出信号Y，推断断其系统统特性H，即系系统或仪仪器的定度过程程已知输入入信号X和系统统特性H，可以以推断和和估计出出系统的的输出量量，此为为输出信号号预测。x(t)h(t)y(t)测试装置置的基本本特性三者之间间的关系

11、系是唯一一的，知知道任意意两者，可求第第三者;测试的目目的是通通过系统统的输出出y（t）确定定系统统的输入入x（t）;例如测量量炉温，是通过过热电偶偶的输出出电压y（t）求输入入热电偶偶的温度度x（t）的;因此，系系统的特特性对测测量的影影响很大大。为了了研究系系统的特特性，通通常从两两方面入入手：.系统统的静特特性;.系统统的动特特性.第二节测测试试装置的的静态特特性输出输入关关系：y=a0+a1x+a2x2+anxn（2-1）式式中x输入的物物理量y输出出量；a0，a1，a2,an常常数。零点漂移移（零漂漂）：当a00时，即使在在没有输输入的情情况下仍仍有输出出，（为为非理想想的静态态特性

12、）。静态特性性指标：灵敏度、非线性度度和回程误差差，此外有有分辨率、零点漂移移及测量范围围。灵敏度灵敏度选选取：测试装装置的灵灵敏度越越高，测测量范围围越窄，稳定性性也越差差。灵敏度S：S=y/x，对对于特性性呈直线线关系的的装置，S=y/x =y/x=常量。当输入入与输出为同一一量纲时时，灵敏敏度又称称为放大倍数。灵敏度漂漂移：在被测测量不变变和情况况下，由于外外界环境境条件等等因素的的变化，可能引起起测试装装置输出出的变化化，最后后表现为测测试装置置灵敏度度的变化化。（性性能良好的的测试装装置灵敏敏度漂移移极小）拟合直线线：与定度曲曲线最接接近的一一条直线线，通常常是用最最小二乘乘法求出出

13、的。非线性度度非线性度度：指系统的的输出输输入之间间的关系系是否保保持线性性关系的的一种度度量.即即定度曲曲线（实实际特性性曲线）偏离其其拟合直直线（理理想曲线线）的程程度。定定义如下下: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.定度曲线线：静态测试试中，通通常用试试验的办办法求得得装置的的输入输输出关系系曲线，称之为为定度曲线线。理想状态态是一条条直线，实际上上或多或或少均有有一定非非线性.当输入增增加时，x、y的关系系沿下面面的曲线线变化;当输出出达到最最大量程程时，减减少输入入量x，这时x、y关关系沿上上面的曲曲线变化化.回程误差差回程误差差：测试装置置全量程程A内的

14、最大大滞后量量hmax和A之比值。是一种种由滞后后效应引引起的测测量误差差. x y 0 对应同一输入量，两个输入量的最大偏差;A 额定最大输出值回程误差差是很难难修正的的，因此此，对传传感器而而言必须须严格限限制小结测试系统统要有足足够的灵灵敏度，非线性性度和回回程误差差要尽可可能小，才能使使测试结结果正确确。第三节测测试装置置的动态态特性动态特性性定义：被测试试量随时时间快速速变化时时，测试试系统的的输入输出信信号的函函数关系系。研究测试试装置的的动态特特性的意义：为了降降低和消消除测试试装置的动态态特性给给测量带带来的误误差动态特性性的研究究方法：1理论方法法（解析析法）：建立数学学模型

15、。即从具具体测试试装置的的物理结结构出发发，根据据其所遵遵循的物物理定理理，建立立起把测测试装置置的输出出和输入入量联系系起来的的运动微微分方程程；在给定的的条件下下求解，从而得得到任意意输入x(t)激励下测测试装置置的响应应y(t)。一般测测试装置置都是线线性系统统，其数数学模型型是常系系数微分分方程，经过简简单运算算可求得得其传递递函数，该传递递函数也也就能描描述测试试装置的的固有动动态特性性。2实验方法法：根据测试试装置实实际工作作时最常常见的输输入信号号的形式式，选择择一些典典型信号号（如正正弦信号号、脉冲冲信号、阶跃信信号及随随机信号号等）作作为测试试装置的的输入，然后测测出其输输出

16、，求求出输入入输出关关系。对该测试试装置的的动态特特性在时时间域、频率域域作出分分析和评评价。1.时间间域内用用阶跃响响应表示示，称为为时间响应应特性。2.频率率域内用用频率响响应表示示，称为为频率响应应特性。动态特性性的分析析方法：测试装置置的传递递函数及及其频率率响应特特性传递函数数：零初始条条件下，系统（或元件件）输出出拉氏变变换和输输入入拉氏变变换之比比。拉氏变换富氏变换传递函数数的意义义：传递函数数是我们们对元件件及系统统分析研研究与综综合的有有力工具具，作为为代数方方程，它它使解算算简化、方便而而直观、避免了了解微分分方程的的困难，且便于于分析研研究系统统动态特特性。作作为一种种对

17、系统统特性的的解析描描述，它它包含了了瞬态、稳态时时间响应应和频率率响应的的全部信信息。优点：直观的反反映了系系统对不不同频率率成分输输入信号号的扭曲曲情况。传递函数数的分解解式中每一一个因子子式可看看成一个个子系统统的传递递函数。其中A零阶系系统传递递函数1/(s+Pi)一阶系系统传递递函数1/(s2+2jnjs+2nj)二阶系系统传递递函数对大多数数测试装装置而言言，可以以假设则简化为为其中分母母是变量量s的实实系数多多项式，总可以以分解为为一次和和二次的的实系数数因子式式常系数线线性微分分方程式式的传递递函数频率响应应函数1.频率率响应的的基本概概念频率响应应：研究测测试系统统对正弦输入

18、入信号的稳态响响应。频率特性性：是指测试试系统输输入、输输出之振振幅（模模）比和和相位差差随频率率变化的的规律。在频率响响应中，稳态输输出与输输入之比比的复数数关系，反应了了系统的的动态特特性。频率响应应函数2.频率特性性的求法法微分方法法：传递函函数试验求：基本方法法：对于线线性时不不变系统统，有频频率不变变特性，若输入入频率为为的正弦信信号，测测试装置置将有同同频率的的正弦信信号稳态态输出，只是输输出的幅幅值和相相位有变变化，改改变输入入正弦信信号的圆圆频率，即可得得到幅频频特性和和相频特特性。快速傅里里叶变换换（FFT）：随着计计算机以以及数字字信号分分析技术术的发展展，可利利用脉冲冲信

19、号或或随机信信号（如如白噪声声）信号号作为系系统的输输入，运运用快速速傅里叶叶变换（FFT）技术术，可很很快得到到频率响响应函数数。频率响应应函数3.频率率特性的的一般公公式对稳定的的常系数数线性系系统，取取s=j代入上式式得物理意义义:可可以从频频率域形形象、直直观、定定量地表表征测试试系统的的动态特特性频率特性性幅频特性性：相频特性性：典型测试试装置的的动态响响应特性性典型测试试装置的的分类一阶系统统实例：忽略质量量的自由由振动系系统（弹弹簧阻阻尼机械械系统）简单RC低通滤滤波电路路液体温度度器热电偶传传感器LC谐振振测量电电路温度湿湿度度酒酒精二阶系统统实例弹簧质量量阻尼系系统RLC电路

20、单位阶跃跃输入系系统的响响应单位阶跃跃输入系系统的响响应一阶系统统的时间间响应特特性：稳态响应应瞬态响应应1.t，y(t)1；说明：单位阶跃跃输入系系统的响响应二阶系统统的时间间响应特特性：单位阶跃跃输入系系统的响响应时间响应应特性指指标：上升时间间try(tr)=1，得tr=（-2）/d，一定时时，若要要tr较较短，要要使系统统具有较较高的无无阻尼自自然频率率n。峰值时间间tp峰值时间间tp=/d=Td/2当一定定时，n越大大，tp越小，反应越越快；当n一一定时，越小小，tp也越小小。单位阶跃跃输入系系统的响响应时间响应应特性指指标：最大超调调量Mp最大超调调量Mp=y(t)-1=Mp与无无

21、阻尼自自然频率率n无无关。Mp只是是阻尼比比的函数数，越小，Mp越越大，当当=0时，Mp=1，而=1时时，Mp=0。调整时间间ts调整时间间误差在在5%2%之之间时，ts=(34)Td单位阶跃跃输入系系统的响响应二阶系统统的时间间响应特特性总结：二阶系统统的瞬态态响应特特性由系系统的阻阻尼比和无阻阻尼自然然频率n共同同决定，欲使二二阶系统统具有满满意的瞬瞬态响应应指标，必须综综合考虑虑和的影影响，选选取合适适的和和n。若保持不变而而增大n，对对超调量量无影响响，却可可以减小小峰值时时间tp，上升升时间tr和调调整时间间ts，即可以以提高系系统的快快速性。所以增增大系统统的无阻阻尼自然然频率对对

22、提高系系统性能能是有利利的。若保持n不变变而增大大，则则会使超超调量Mp减小小，增加加相对稳稳定性，减弱系系统的振振荡性能能。但是是，在0.7时，调整时时间随的增大大而增大大，系统统的快速速性变差差。综合考虑虑系统的的相对稳稳定性(由最大大超调量量Mp决决定)和和快速性性(由上上升时间间tr，峰值时时间tp，调整整时间ts决定定)，通通常取=0.60.8,这时系系统的超超调量在在10%2.5%之之间，若若0.8，则系统统反应迟迟钝，灵灵敏性差差。当=0.7时，超调量量和调整整时间均均最小，故称=0.7为最最佳阻尼尼比。实现不失失真测试试的条件件测试装置一个线性性测量装装置，其其输入信信号为X(t),系统统的响应应是y(t).X(t)又可以以分解为为,X(T)输入入测试装装置的响响应又可可看作输输入测测试装置置后的叠叠加.作作为输输入信号号，系统统的响应应为:.其中K1为放大大倍数，Q1为为滞后相相位角.一般来说说，不同同频率的的正弦