工程测试技术基础第三章测试系统特性

第三章、测试系统特性

工程测试技术基础本章学习要求：1.建立测试系统的概念2.了解测试系统特性对测量结果的影响3.了解测试系统特性的测量方法第三章、测试系统特性

测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。3.1测试系统概论

简单测试系统(光电池)V第三章、测试系统特性

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、测试系统特性

不失真测量：语音片段1(Good)语音片段2(bad)3.2测试系统静态响应特性

第三章、测试系统特性

如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。a)灵敏度

当测试装置的输入x有一增量△x,引起输出y发生相应变化△y时,定义:S=△y/△x第三章、测试系统特性

yx△x△y3.2测试系统静态响应特性b)非线性度

标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。

非线性度=B/A×100%yxB3.2测试系统静态响应特性c)回程误差

测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为:(hmax/A)×100%yxhmaxAd)静态响应特性的其他描述3.2测试系统静态响应特性精度：是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标

灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。

分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。3.2测试系统静态响应特性

可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。

稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。3.2测试试系统静态响响应特性案例：物料配重自动动测量系统的的静态参数测测量灵敏度=△y/△x非线性度=B/A×100%回程误差=(hmax/A)×100%测量范围：无论复杂度如如何，把测量量装置作为一一个系统来看看待。问题简简化为处理输输入量x(t)、系统传传输特性h(t)和输出出y(t)三三者之间的关关系。x(t)h(t)y(t)输入量系统特性输出3.3测试试系统的动态态响应特性第三章、测试试系统特性y(t)=X(t)*h(t)卷积分卷积分第二章、信号号分析基础卷积积分是一一种数学方法法，在信号与与系统的理论论研究中占有有重要的地位位。特别是关关于信号的时时间域与变换换域分析，它它是沟通时域域－频域的一一个桥梁。卷积的物理意义1）将信号x(t)分解解为许多宽度度为t的窄窄条面积之和和，t=nt时时的第n个窄条的高高度为x(nt)，在t趋近于于零的情况下下，窄条可以以看作是强度度等于窄条面面积的脉冲。。2.6卷积积分tx(t)nt

x(nt)t2）在t=nt时刻，窄窄条脉冲引起起的响应为:x(nt)th(t-nt)tx(nt)th(t-nt)02.6卷积积分3）各脉冲引引起的响应之之和即为输出出y(t)ty(t)02.6卷积积分卷积与相关2.6卷积积分如果则时域卷积定理理卷积分的傅立立叶变换计算算法：3)如果输入入和系统特性性已知，则可可以推断和估估计系统的输输出量。(预预测)系统分析中的的三类问题：：1)当输入、、输出是可测测量的(已知知)，可以通通过它们推断断系统的传输输特性。(系系统辨识)2)当系统特特性已知，输输出可测量，，可以通过它它们推断导致致该输出的输输入量。(反求)第三章、测试试系统特性x(t)h(t)y(t)测试系统基本本要求3.1测试试系统概论理想的测试系系统应该具有有单值的、确确定的输入－－输出关系。。对于每一输输入量都应该该只有单一的的输出量与之之对应。知道道其中一个量量就可以确定定另一个量。。其中以输出出和输入成线性关系最佳。xy线性xy线性xy非线性3.1测试试系统概论系统输入x(t)和输出出y(t)间间的关系可以以用常系数线线性微分方程程来描述：线性系统(时时域描述)一般在工程中中使用的测试试装置都是线线性系统。3.1测试试系统概论线性系统性质质：a)叠加性系统对各输入入之和的输出出等于各单个个输入的输出出之和，即若x1(t)→→y1(t)，x2(t)→y2(t)则x1(t)±±x2(t)→y1(t)±y2(t)b)比例性常数倍输入所所得的输出等等于原输入所所得输出的常常数倍，即:若x(t)→→y(t)则kx(t)→→ky(t)3.1测试试系统概论c)微分性系统对原输入入信号的微分分等于原输出出信号的微分分，即若x(t)→y(t)则x'(t)→y'(t)d)积分性当初始条件为为零时，系统统对原输入信信号的积分等等于原输出信信号的积分，，即若x(t)→y(t)则∫∫x(t)dt→∫∫y(t)dt3.1测试试系统概论e)频率保持持性若系统的输入入为某一频率率的谐波信号号，则系统的的稳态输出将将为同一频率率的谐波信号号，即若x(t)=Acos(ωt+φx)则y(t)=Bcos(ωt+φφy)线性系统的这这些主要特性性，特别是符符合叠加原理理和频率保持持性，在测量量工作中具有有重要作用。。传递函数：拉氏变换(数学定义)：富氏变换(数字计算):3.3测试试系统的动态态响应特性3.3测试试系统的动态态响应特性传递函数:直观的反映了了测试系统对对不同频率成成分输入信号号的扭曲情况况。a)传递函数数的测量(正正弦波法)依次用不同频频率fi的简谐信号去去激励被测系系统，同时测测出激励和系系统的稳态输输出的幅值、、相位，得到到幅值比Ai、相位差φi。3.3测试试系统的动态态响应特性依据：频率保保持性若x(t)=Acos(ωt+φφx)则y(t)=Bcos(ωt+φφy)第三章、测试试系统特性优点：简单，信号发发生器，双踪踪示波器缺点：效率低从系统最低测测量频率fmin到最高高测量频率fmax，逐逐步增加正弦弦激励信号频频率f，记录录下各频率对对应的幅值比比和相位差，，绘制就得到到系统幅频和和相频特性。。3.3测试试系统的动态态响应特性第三章、测试试系统特性案例：音响系统性能能评定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b)脉冲响应应函数若装置的输人人为单位脉冲冲δ(t)，，因δ(t)的傅立叶变变换为1，有有：Y(f)=H(f)，或或y(t)=F-1[H(S)]3.3测试试系统的动态态响应特性优点：直观缺点：简单系统识别别记为h(t)，称它为脉脉冲响应函数数。H(f)固频、阻尼参数傅立叶变换3.3测试试系统的动态态响应特性案例:镗杆固有频率测量量实验：悬臂梁梁固有频率测测量3.3测试试系统的动态态响应特性3.3测试试系统的动态态响应特性案例:桥梁固频测量量原理：在桥中中设置一三角角形障碍物，，利用汽车碍碍时的冲击对对桥梁进行激激励，再通过过应变片测量量桥梁动态变变形，得到桥桥梁固有频率率。c)阶跃响响应函数若系统输入信信号为单位阶阶跃信号，即即x(t)=u(t)，，则X(s)=1/s，，此时Y(s)=H(s)/s3.3测试试系统的动态态响应特性H(f)时域波形参数识别3.3测试试系统的动态态响应特性阶跃响应函数数测量实验求阶跃响响应函数简单单明了，产生生一个阶跃信信号，再测量量系统输出就就可以了。原理：在桥中中悬挂重物，，然后突然剪剪断绳索，产产生阶跃激励励，再通过应应变片测量桥桥梁动态变形形，得到桥梁梁固有频率。。案例：桥梁固有频率测量设测试系统的的输出y(t)与输入x(t)满足足关系y(t)=A0x(t-t0)3.4系统统不失真测量量条件第三章、测试试系统特性该系统的输出出波形与输入入信号的波形形精确地一致致，只是幅值值放大了A0倍，在时间上上延迟了t0而已。这种情情况下，认为为测试系统具具有不失真的的特性。tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)时域条件y(t)=A0x(t-t0)Y(ωω)=A0e-jωωt0X(ωω)3.4系系统不不失真真测量量的条条件不失真真测试试系统统条件件的幅幅频特特性和和相频频特性性应分分别满满足A(ωω)=A0=常常数φ(ωω)=--t0ω做傅立立叶变变换频域定义1一一阶系系统3.5典典型系系统的的动态态响应应第三章章、测测试系系统特特性温度酒精湿度第三章章、测测试系系统特特性特征：：测量滞滞后阶跃响应传递函数第三章章、测测试系系统特特性一阶系系统时时间常常数测测量：：阶跃响应0.63第三章章、测测试系系统特特性实验：：一阶阶系统统时间间常数数对测测量的的影响响2二二阶系系统3.5典典型系系统的的动态态响应应称重(应变片)F加速度3.5典典型系系统的的动态态响应应特征：：震荡脉冲响应传递函数3.5典典型系系统的的动态态响应应二阶系系统参参数测测量脉冲响应/阶跃响应函数法：tbM1M2fn=1/tb3.5典典型系系统的的动态态响应应传递函函数法法0.7073.5典典型系系统的的动态态响应应阻尼系系数和和固频频的作作用3.5典典型系系统的的动态态响应应实验：：二阶阶系统统参数数对测测量的的影响响实际测测量工工作中中，测测量系系统和和被测测对象象会产产生相相互作作用。。测量量装置置构成成被测测对象象的负负载。。彼此此间存存在能能量交交换和和相互互影响响，以以致系系统的的传递递函数数不再再是各各组成成环节节传递递函数数的叠叠加或或连乘乘。3.6负负载效效应第三章章、测测试系系统特特性ER1R2V=ER2/(R2+R1)V=ER2Rm/[R1(Rm+R2)+RmR2]VRm令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得:U0=90V,U1=64.3V，，误差达达28.6%。。第三章章、测测试系系统特特性案例：：物料配配重自自动测测量系系统的的静态态参数数测量量灵敏度度=△y/△△x非线性性度=B/A××100%回程误误差=(hmax/A)××100%测量范范围：：测量过过程中中，除除待测测量信信号外外，各各种不不可见见的、、随机机的信信号可可能出出现在在测量量系统统中。。这些些信号号与有有用信信号叠叠加在在一起起，严严重扭扭曲测测量结结果。。3.7测测量系系统的的抗干干扰第三章章、测测试系系统特特性测量系统信道干扰电磁干扰电源干扰3.7测测量系系统的的抗干干扰1)电电磁干干扰:干扰扰以电电磁波波辐射射方式式经空空间串串入测测量系统统。2)信信道干干扰：：信号号在传传输过过程中中，通通道中中各元元件产产生的噪噪声或或非线线性畸畸变所所造成成的干干扰。。2)电电源干干扰：：这是是由于于供电电电源源波动动对测测量电电路引引起的干干扰。。一般说说来，，良好好的屏屏蔽及及正确确的接接地可可去除除大部部分的的电磁磁波干干扰。。使用用交流流稳压压器、、隔离离稳压压器可可减小小供电电电源源波动动的影影响。。信道道干扰扰是测测量装装置内内部的的干扰扰，可可以在在设计计时选选用低低噪声声的元元器件件，印印刷电电路板板设计计时元元件合合理排排放等等方式式来增增强信信道的的抗干干扰性性。3测测量系系统其它应应用：：

肌电诱发电位仪T生理信信号传传导速速度60m/s-70m/s9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。21:02:1121:02:1121:0212/28/20229:02:11PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2221:02:1121:02Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。21:02:1121:02:1121:02Wednesday,December28,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2221:02:1121:02:11December28,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。28十二月月20229:02:11下午21:02:1112月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月229:02下下午午12月月-2221:02December28,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2821:02:1121:02:1128December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。9:02:11下午午9:02下午午21:02:1112月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很多事情情努力了未未必有结果果，但是不不努力却什什么改变也也没有。。。21:02:1121:02:1121:0212/28/20229:02:11PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2221:02:1121:02Dec-2228-Dec-2212、世间成成事，不不求其绝绝对圆满满，留一一份不足足，可得得无限完完美。。。21:02:1121:02:1121:02Wednesday,December28,202213、不知香积寺寺，数里入云云峰。。12月-2212月-2221:02:1121:02:11December28,202214、意意志志坚坚强强的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥块块一一样样任任意意揉揉捏捏。。28十十二二月月20229:02:11下下午午21:02:1112月月-2215、楚塞三三湘接，，荆门九九派通。。。。十二月229:02下午午12月-2221:02December28,202216、少年十五二二十时，步行行夺得胡马骑骑。。2022/12/2821:02:1121:02:1128December202217、空山新雨后后，天气晚来来秋。。9:02:11下午9:02下下午21:02:1112月-229、杨柳散和和风，青山山澹吾虑。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、阅阅读读一一切切好好书书如如同同和和过过去去最