测试系统特性分析课件

測試系統特性分析汽車試驗學測試系統是執行測試任務的感測器、儀器和設備的總稱。構成：感測器、信號調理、信號記錄、數據採集、數據處理與顯示等

2.1測試系統概論

簡單測試系統(光電池)V複雜測試系統(軸承缺陷檢測)加速度計帶通濾波器包絡檢波器測試系統的組成試驗對象和試驗目的不同，其測試系統的組成會存在很大的差異汽車試驗工作之前解決：如何選用測試儀器如何組成測試系統原則：技術上合理、經濟上可行數學模型：一般測試系統由三個基本環節組成上圖表示輸入信號x(t)送入此組件後經過規定的傳輸特性h(t)轉變為輸出信號y(t)。其中h(t)為由此組件的物理性能決定的數學運算法則。對比例放大環節h(t)可寫成k（電子或機械裝置的放大係數）2.2測試系統的靜態特性

一般的工程測試問題總是處理輸入量x(t)、系統的傳輸轉換特性和輸出量y(t)三者之間的關係。①x(t)、y(t)是可以觀察的量，則通過x(t)、y(t)可推斷測量系統的傳輸特性或轉換特性；（標定）②h(t)已知，y(t)可測，則可通過h(t)、y(t)推斷導致該輸出的相應輸入量x(t)，這是工程測試中最常見的問題；③若x(t)、h(t)已知，則可推斷或估計系統的輸出量。（測試）理想的測量系統應該具有單值的、確定的輸入―輸出關係。其中以輸出和輸入成線性關係為最佳（線性度）。在靜態測量中，測量系統的這種線性關係雖說總是所希望的，但不是必須的，因為在靜態測量中可用曲線校正或輸出補償技術作非線性校正；在動態測量中，測量工作本身應該力求是線性系統，這不僅因為目前只有對線性系統才能作比較完善的數學處理與分析，而且也因為在動態測試中作非線性校正目前還相當困難。欲使測量結果具有普遍的科學意義，測試系統應當是經過檢驗的。標定：用已知的標準校正儀器或測量系統的過程稱為標定。輸入到測量系統中的已知量是靜態量還是動態量，標定分靜態標定和動態標定。

測試系統的靜態標定與靜態特性靜態標定：就是將原始基準器，或比被標定系統準確度高的各級標準器或已知輸入源作用於測量系統，得出測量系統的激勵－回應關係的實驗操作。

要求：標定時，一般應在全量程範圍內均勻地取定5個或5個以上的標定點（包括零點）正行程：從零點開始，由低至高，逐次輸入預定的標定值此稱標定的正行程。反行程：再倒序依次輸入預定的標定值，直至返回零點，此稱反行程。靜態標定①確定儀器或測量系統的輸入－輸出關係，賦予儀器或測量系統分度值；②確定儀器或測量系統的靜態特性指標；③消除系統誤差，改善儀器或測量系統的正確度靜態標定的主要作用第2章、測試系統特性分析測試系統的靜態特性

測試系統的靜態特性：通過靜態標定，可得到測量系統的回應值yi和激勵值xi之間的一一對應關係，稱為測量系統的靜態特性。測量系統的靜態特性可以用一個多項式方程表示，即

稱為測量系統的靜態數學模型工作曲線：方程稱之為工作曲線或靜態特性曲線。實際工作中，一般用標定過程中靜態平均特性曲線來描述。正行程曲線：正行程中激勵與回應的平均曲線反行程曲線：反行程中激勵與回應的平均曲線實際工作曲線：正反行程曲線之平均工作曲線

正行程工作曲線反行程工作曲線Y(t)0X(t)實際工作曲線工作曲線

理想的情況是測量系統的回應和激勵之間有線性關係，這時數據處理最簡單，並且可和動態測量原理相銜接。由於原理、材料、製作上的種種客觀原因，測量系統的靜態特性不可能是嚴格線性的。如果在測量系統的特性方程中，非線性項的影響不大，實際靜態特性接近直線關係，則常用一條參考直線來代替實際的靜態特性曲線，近似地表示回應－激勵關係。測量系統的靜態特性

評價測試系統靜態特性的指標1、靈敏度

當測試裝置的輸入x有一增量△x,引起輸出y發生相應變化△y時,定義:S=△y/△x（放大倍數）yx△x△y當特性曲線呈非線性關係時，靈敏度的運算式為：xxyyy△y△y△x△x00(a)(b)x靈敏度2．解析度

解析度是指測量系統能測量到輸入量最小變化的能力，即能引起回應量發生變化的最小激勵變化量，用△x表示。由於測量系統或儀器在全量程範圍內，各測量區間的△x不完全相同，因此常用全量程範圍內最大的△x即△xmax與測量系統滿量程輸出值YFS之比的百分率表示其分辨能力，稱為解析度，用F表示，即重複性表示測量系統在同一工作條件下，按同一方向作全量程多次(三次以上)測量時，對於同一個激勵量其測量結果的接近程度。yYFSXFS△R0x3、重複性重複性誤差為隨機誤差，引用誤差表示形式為△R——同一激勵量對應多次迴圈的同向行程回應量的極差2.2測試系統靜態回應特性4、回程誤差

測試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，對於同一個輸入量所得到的兩個數值不同的輸出量之間差值最大者為hmax，則定義回程誤差為:(hmax/A)×100%yxhmaxA遲滯：亦稱滯後量、滯後或回程誤差，表徵測量系統在全量程範圍內，輸入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)兩者靜態特性不一致的程度。顯然,越小,遲滯性能越好正行程工作曲線反行程工作曲線y0YFSXFS△Hmaxx遲

滯2.2測試系統靜態回應特性5、線性度

標定曲線與擬合直線的偏離程度就是線性度。

線性度=B/A×100%yxB6、漂移溫度的變化及元器件性能的不穩定所引起的零點漂移、靈敏度漂移

穩定性：是指在一定工作條件下，當輸入量不變時，輸出量隨時間變化的程度。7、靜態回應特性的其他描述2.2測試系統靜態回應特性精度：是與評價測試裝置產生的測量誤差大小有關的指標

靈敏閥：又稱為死區，用來衡量測量起始點不靈敏的程度。

測量範圍：是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的範圍。

可靠性：是與測試裝置無故障工作時間長短有關的一種描述。2.2測試系統靜態回應特性案例：物料配重自動測量系統的靜態參數測量

靈敏度=△y/△x非線性度=B/A×100%回程誤差=(hmax/A)×100%測量範圍：在測量靜態信號時，線性測量系統的輸出―輸入特性是一條直線，二者之間有一一對應的關係，而且因為被測信號不隨時間變化，測量和記錄過程不受時間限制。測量系統對動態信號的測量任務不僅需要精確地測量信號幅值的大小，而且需要測量和記錄動態信號變化過程的波形，這就要求測量系統能迅速準確地測出信號幅值的大小和無失真地再現被測信號隨時間變化的波形。預備知識——線性時不變系統2.2測試系統的動態特性

測量系統的動態特性是指系統對激勵（輸入）的回應（輸出）特性。一個動態特性好的測量系統，其輸出隨時間變化的規律（變化曲線），將能同時再現輸入隨時間變化的規律（變化曲線），即具有相同的時間函數。測量系統應保證系統的信號輸出能精確地反映輸入。對於一個理想的測量系統應具有確定的輸入與輸出關係。其中輸出與輸入成線性關係時為最佳，即理想的測量系統應當是一個線性時不變系統。要精確地建立測量系統的數學模型是很困難的。從數學上可以用常係數線性微分方程表示系統的輸出量y與輸入量x的關係，這種方程的通式如下：式中，an、an-1、…、a1、a0和bm、bm-1、…、b1、b0均為與系統結構參數有關但與時間無關的常數。2.1測試系統概論

2.2.1線性系統性質：a)疊加性

系統對各輸入之和的輸出等於各單個輸入的輸出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)

則x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)b)比例性

常數倍輸入所得的輸出等於原輸入所得輸出的常數倍，即:

若x(t)→y(t)則kx(t)→ky(t)說明：系統不具備該性質2.1測試系統概論

c)微分性

系統對原輸入信號的微分等於原輸出信號的微分，即若x(t)→y(t)則x'(t)→y'(t)d)積分性

當初始條件為零時，系統對原輸入信號的積分等於原輸出信號的積分，即若x(t)→y(t)則∫x(t)dt→∫y(t)dt若輸入為正弦信號:x(t)=Asin

t

則輸出函數必為:y(t)=Bsin(

t±

)上式表明，在穩態時線性系統的輸出，其頻率恒等於原輸入的頻率，但其幅值與相角均有變化。e）頻率不變性線性系統的這些主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持性，在測量工作中具有重要作用。

線性時不變系統的兩個十分重要的性質，即疊加性和頻率不變性。根據疊加性質，當一個系統有n個激勵同時作用時，那麼它的回應就等於這n個激勵單獨作用的回應之和。即各個輸入所引起的輸出是互不影響的。在分析常係數線性系統時，可將一個複雜的激勵信號分解成若干個簡單的激勵，如利用傅裏葉變換，將複雜信號分解成一系列諧波或分解成若干個小的脈衝激勵，然後求出這些分量激勵的回應之和。頻率不變性表明，當線性系統的輸入為某一頻率時，則系統的穩態回應也為同一頻率的信號。在工程應用中，通常採用一些足以反映系統動態特性的函數，將系統的輸出與輸入聯繫起來。這些函數有傳遞函數、頻率回應函數和脈衝回應函數等。對上式取拉氏變換，並認為和及它們的各階時間導數的初值為零，則得上式等號右邊是一個與輸入無關的運算式，它只與系統結構參數有關，因而等號右邊是測量系統特性的一種運算式，是一個描述測量系統轉換及傳遞信號特性的函數2.2.2系統的傳遞函數定義其初始值