1测试的技术基础new教程

1GaoSuGongLu第一章测试的技术基础SACE第一章测试技术的理论基础§1-1测试系统的组成及其主要性能指标§1-2线性系统及其主要性质§1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数§1-4测试系统的动态传递特性及其测定§1-5测试系统选择的原则本章主要内容了解测试系统、线性系统的基本概念，驾驭测试系统的主要性能指标；测试系统的动静态传递特性及其主要参数；以及测试系统的选择原则。4§1-1测试系统的组成及其主要性能指标一、测试系统的组成传感器：感测物理量并转换为电量,又称为“一次仪表”；中间转换装置：接受传感器输出的电信号，通过硬件电路或软件进行信号转换、处理；显示记录装置：显示测量结果，供应应视察者或自动限制装置。5q滑动变阻器欧姆表L梁在均布荷载q作用下的挠度测量§1-1测试系统的组成及其主要性能指标§1-1测试系统的组成及其主要性能指标一、测试系统的组成

被测对象传感器信号变换测量电路显示器荷载系统测量系统信号处理系统显示记录系统打印机绘图仪器存贮介质计算机A/D转换图1测试系统的功能

7一、测试系统的组成荷载系统：液压、重力、气压、杠杆、弹簧测量系统：包括：传感器、信号变换与测量电路；信号变换与测量电路：运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。最简洁状况，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：对输出信号的处理显示记录系统：多被计算机取代。直剪试验机测试系统控制阀液压泵控制阀法向液压传感器剪切液压传感器法向位移传感器剪切位移传感器动态电阻应变仪位移变送器法向千斤顶水平千斤顶节理试件A/D转换计算机反馈回路一、测试系统的组成

9剪力－位移曲线二、测试系统的主要性能指标精度:测值与真值接近程度；稳定性：时间、环境量程：测量范围分辨率：检测到被测量最小变化值。传递特性：输入输出对应关系的性能。五大性能指标11二、测试系统的主要性能指标二、测试系统的主要性能指标1精度和误差精度：测试系统给出的被测量的指示值(测量值)与真值(常用约定真值代替)的接近程度确定误差:相对误差:引用误差:

式中：分别代表仪器的指示值、真值、测量上限。12二、测试系统的主要性能指标（b）相对误差（a）引用误差例题一测量范围为0－10MPa的压力计，校准时发觉有±0.15MPa的确定误差，试计算：（a）该压力计的引用误差；（b）真值为2MPa时可能产生的示值相对误差。解：13二、测试系统的主要性能指标例题一种测量器具量程为20mm。确定误差为±0.001mm.另一种测量器具量程为500mm。确定误差为±0.01mm.哪种仪器的测量精度高？解：14二、测试系统的主要性能指标2稳定性稳定度：时间上的稳定性影响因素：周期性波动、随机性波动，漂移表示方法：数值波动幅度/相应的时间长度例：δs＝1.3mV/8h；δs＝0.3ε/d环境影响：表示方法：影响系数温度系数βr＝0.3Ω/℃；电源电压系数βu＝0.02mA/10%3测量范围（量程）系统正常工作时的最大测量范围；动态测量中，需考虑工作频率范围15二、测试系统的主要性能指标4辨别率(灵敏阈)系统能够测量出的最小变更量；通常要求测定仪器在零点和90%满量程时的辨别率。5传递特性概念：是指测试系统的输入～输出关系。静态测量：输入量不随时间变更(或变更很慢可忽视)静态传递特性：静态测量的输入～输出关系静态测量系统可仅考虑静态传递特性；动态测量：输入量随时间变更动态传递特性：动态测量的输入～输出关系动态测量系统必需同时考虑系统的静、动态传递特性。§1-2线性系统及其主要性质一、测试系统与线性系统（1）测试系统必需保证输出能精确地反映输入。●具有确定的输入－输出关系，输出与输入成线性关系为最佳；

●时不变性。满足上述条件系统为线性时不变系统17§1-2线性系统及其主要性质一、线性时不变系统输入、输出之间具有确定的、线性关系；线性系统的方程（常系数线性微分方程）输入x（t)输出y（t)系统h（x)18§1-2线性系统及其主要性质2线性系统的主要特性假定：XY，X1Y1，X2Y2叠加性：X1+X2Y1+Y2齐次性（比例性）：cXcY微分特性：XY积分特性：XY频率保持特性：x(t)＝Asin(ωt+φ)y(t)＝Bsin(ωt+ξ)利用该特性可以消退干扰(其它频率的信号)。19§1-2线性系统及其主要性质例题1:

对某线性装置输入简谐信号x(t)＝Asin(ωt+φ)，若输出为y(t)＝Bsin(θt+ξ)，请对幅值等各对应量作定性比较，并用数学语言描述它们之间的关系。解:B=kA（幅值变更）θ=ω（频率不变）ξ=φ-C（相位变更）20§1-2线性系统及其主要性质例题2：滑动变阻器可以实现位移测试，能否测量速度和加速度？磁电式传感器能够测移动速度，能否测量位移和加速度？答：均可以利用微分特性和积分特性实现测量。21§1-3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静态方程：标定曲线：22§1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数二、测试系统的主要静态特性参数(1)灵敏度xy线性系统：留意量纲：例如S=100mV/mm；输入、输出量纲相同时称为“放大倍数”数字仪表：辨别力留意：测试系统由若干环节串连而成，则系统灵敏度等于各环节灵敏度的乘积。23§1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数(2)线性度(直线度)定义：标定曲线(试验确定的实际工作曲线)与志向直线(常用参考志向直线代替）的接近程度。

——全量程内输出量最大偏差——标称输出范围(即量程)24§1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数(3)回程误差（迟滞性）定义：相同测试条件下和全量程范围内，在输入由小增大和由大减小到行程中，同一输入量所得到的两个输出值的最大偏差与满量程A的百分比。缘由：由滞后和不工作区(死区)引起。25§1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数（4）环境影响与对应措施环境影响因素：温度、湿度、气压、电源电压、接地条件、绝缘电阻系统表现：漂移：输入量不变,输出量随时间变更零点漂移：零输入条件下的漂移灵敏度漂移：由于灵敏度的变更引起的校正曲线斜率的变更削减环境影响的措施：隔离、补偿、增益反馈、计算机修正补偿26§1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数例题3：某次压力测量时，磁电式传感器的灵敏度S=90.0μv／MPa，将它与增益为0.005V／μv的电压放大器相连，输出到灵敏度为的20mm／v笔式记录仪上。

(1)求系统的总灵敏度。

(2)当△P=5.0MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量?解：总灵敏度K=K1×K2×K3=90μv/MPa×0.005V/μv×20mm／v=9mm/MPa;

偏移量W=K×△P=9mm／MPa×5.0MPa=45mm27§1-4测试系统的动态传递特性及其测定一、动态传递特性传递函数频率的传递函数频率响应函数二、系统在典型输入下的动态响应三、不失真测试条件四、负载效应五、动态参数测定一、动态传递特性x(t)y(t)系统的时间响应系统的频率响应29一、动态传递特性1传递函数

拉普拉斯变换定义式：设有一函数f(t)[0,∞]或0≤t≤∞单边函数其中，S=σ+jω是复参变量，称为复频率。左端的定积分称为拉普拉斯积分，又称为f(t)的拉普拉斯变换；右端的F(S)是拉普拉斯积分的结果，此积分把实数域域中的单边函数f(t)变换为以复频率S为自变量的复频域函数F(S)，称为f(t)的拉普拉斯象函数。以上的拉普拉斯变换是对单边函数的拉普拉斯变换，称为单边拉普拉斯变换。30一、动态传递特性1传递函数输入、输出关系可用微分方程描述。在输入x(t)、输出y(t)以及各阶导数的初始值均为零的状况下，对微分方程进行拉普拉斯变换(简称拉式变换)，得输出的拉氏变换和输入拉氏变换之比即为传递函数31一、动态传递特性拉普拉斯变换（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。变换前后两个方程等价。（2）传递函数是一个代数有理分式函数，其特征简洁识别与探讨。而考察微分方程的特性困难。说明：（1）传递函数实质是以复数域（s=a+jb)中的象函数X(s)、Y(s)的代数式去代替实数域中原函数x(t)、y(t)的微分方程式。（2）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，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）传递函数H(s)用于描述系统本身固有的特性，与输入X(t)的表达式无关。X(t)不同时，Y(t)的表达式不同，但传递函数H(s)保持不变。（4）传递函数H(s)分母完全由系统的结构确定，而分子则和待测变量及测点布置状况有关。32一、动态传递特性2串、并联环节的传递函数串联系统Z（s）H1（S）H2（S）H（s）X（t）Y（t）H（s）H1（S）H2（S）X（t）Y（t）Y1（s）Y2（s）并联系统33一、动态传递特性3频率响应函数带入设物理意义：频率响应函数是描述系统的正弦输入和其稳态输出的关系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，并反映在系统的幅频特性和相频特性中。34一、动态传递特性3频率响应函数幅频特性相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、输入正弦信号振幅之比随频率的变更规律相频特性输入、输出正弦信号的相位差之比随频率的变更规律35一、动态传递特性频率响应函数与传递函数的区分传递函数中的s换成jω便得到了频率响应函数。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．也描述了它的瞬态特性。频率响应函数是在正弦信号激励下，测量装置达到稳态后输出与输入之间的关系。36一、动态传递特性4常见测试系统的传递函数和频率响应特性（1）一阶系统力学模型m=0kδ位移y（t）力x（t）37一、动态传递特性4常见测试系统的传递函数和频率响应特性（1）一阶系统m=0kδ位移y（t）力x（t）力学模型相频特性幅频特性38传递函数一、动态传递特性4常见测试系统的传递函数和频率响应特性（2）二阶系统固有频率阻尼比灵敏度频率响应特性幅频特性相频特性39二、系统在典型输入下的动态响应1单位脉冲信号2单位阶越信号3单位斜坡信号4单位正弦信号5随意输入40三、信号的失真及不失真测量条件1定义不失真测试(传递)实质:系统的响应波形（输出）与输入波形完全相像。可保持原信号的特性和全部信息。2不失真条件幅频函数为常数:相频函数为线性(过原点的直线):41四、测试系统的负载效应输入阻抗:广义阻抗电压表、电流表、电阻表加入放大器负反馈技术负载效应：大多数测量元件总要从被测对象中吸取一些能量，从而变更被测量的数值。§1-5测试系统选择的原则灵敏度:灵敏度高:感测微小变更；噪声问题；测量范