第章测试系统基本特性

1、河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院第二章第二章 测试系统的基本特性测试系统的基本特性机械工程测试技术机械工程测试技术河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院第二章第二章 测试系统的基本特性测试系统的基本特性本章学习要求：本章学习要求：机械工程测试技术机械工程测试技术n建立测试系统的概念建立测试系统的概念 n了解测试系统特性对测量结果的影响了解测试系统特性对测量结果的影响n了解测试系统特性的测量方法了解测试系统特性的测量方法河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 概述概述 测试系统的静态特性测试系统的静态特性 测试系统的动态特性测试系统的动态特性 典型测试系统动态特性分析典型测试系统动态

2、特性分析 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 测试系统动态特性参数的测试测试系统动态特性参数的测试本章内容：本章内容：机械工程测试技术机械工程测试技术第二章第二章 测试系统的基本特性测试系统的基本特性河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院机械工程测试技术机械工程测试技术课前讨论课前讨论：（可用于选型）：（可用于选型）1 1、什么叫测试系统的静态特性？有什么用、什么叫测试系统的静态特性？有什么用处？处？2 2、灵敏度的定义；、灵敏度的定义；3 3、灵敏度与分辨力的区别？、灵敏度与分辨力的区别？河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备测试系统是执

3、行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。的总称。 简单测试系统简单测试系统( (温度测量温度测量) )2.1 测试系统概述测试系统概述-测试的概念测试的概念河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院复杂测试系统复杂测试系统( (轴承缺陷检测轴承缺陷检测) ) 加速度计加速度计 带通滤波器带通滤波器 包络检波器包络检波器2.1 测试系统概述测试系统概述-测试的概念测试的概念河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 测试装置和仪器对被测物理量进行传感、转换测试装置和仪器对被测物理量进行传感、转换与处理、传送、显示、记录以及存储。与处理、传送、显示、记录以及存储。 测试系统的复杂程度取决于被测信息检测的

4、难测试系统的复杂程度取决于被测信息检测的难易程度以及所采用的实验方法。易程度以及所采用的实验方法。 测试系统的测试系统的特性特性是通过其是通过其输出输出和和输入输入之间的关之间的关系来体现的。系来体现的。2.1 测试系统概述测试系统概述-测试的概念测试的概念河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院（1 1）测量、试验和测试）测量、试验和测试 测量是指以测量是指以确定被测对象量值确定被测对象量值为目的的过程；试为目的的过程；试验是指对验是指对未知事物未知事物探索性认识的实验过程；测试是指探索性认识的实验过程；测试是指具有具有试验性质的测量试验性质的测量。（2）测量装置的误差和精确度）测量装置的误

5、差和精确度（3）量程和测量范围量程和测量范围（4）信噪比（信号功率与干扰噪声功率之比）信噪比（信号功率与干扰噪声功率之比）（5）动态范围）动态范围2.1 测试系统概述测试系统概述-相关术语相关术语10lgsnNSNRNmax20lgminyDRy河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院（3 3）如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计）如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。系统的输出量。( (预测预测) ) 系统分析中的三类问题：系统分析中的三类问题：（1 1）当输入、输出是可测量的）当输入、输出是可测量的( (已知已知) )，可以通过，可以通过它们推断系统的传递特性。它们推断

6、系统的传递特性。( (系统辨识系统辨识) )（2 2）当系统的传递特性已知，输出可测量，可以通）当系统的传递特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。过它们推断导致该输出的输入量。 ( (反求反求) )系统系统输入输入输出输出)(tx)(th)(ty2.1 测试系统概述测试系统概述-线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之出关系。对于每一输入量都应该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

7、。其中以输对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成出和输入成线性关系线性关系最佳。而且系统的特性不应随时间最佳。而且系统的特性不应随时间而发生变化而发生变化 ，即，即线性时不变系统线性时不变系统。xy线性线性xy线性线性xy非线性非线性2.1 测试系统概述测试系统概述-线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质 工程测试中的系统大都是工程测试中的系统大都是线性时不变系统？线性时不变系统？河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院线性系统数学描述线性系统数学描述：（微分方程）（微分方程）)()()()()()()()(0111101111txbdttxdbdttxdbdttxdbt

8、yadttydadttydadttydammnmmnnnnnnn ：系统的物理参数和系统的输出；系统的输入；011011:b ,b,b ,ba ,a,a ,atytxmmnn 若系统的上述物理参数均为常数，则该方程便若系统的上述物理参数均为常数，则该方程便是常系数微分方程，所描述的系统便是线性定常系是常系数微分方程，所描述的系统便是线性定常系统或线性时不变系统。统或线性时不变系统。2.1 测试系统概述测试系统概述-线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 tytytxtxtytxtytx21212211，则若 taytaxtytx，则若 dttdydtt

9、dxtytx，则若 dttydttxtytxtt00，则若叠加性：叠加性： 线性时不变系统的基本性质线性时不变系统的基本性质比例性：比例性：微分特性：微分特性：积分特性：积分特性：2.1 测试系统概述测试系统概述-线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 线性时不变系统的基本性质线性时不变系统的基本性质2.1 测试系统概述测试系统概述-线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质 频率保持性频率保持性 是指若系统输入为简谐信号，则其稳是指若系统输入为简谐信号，则其稳态输出也为同频简谐信号。态输出也为同频简谐信号。若tXtxj0e)()( j00e)(tAXt

10、y，则 。若系统输入是简谐信号，而输出却包含其他频率成若系统输入是简谐信号，而输出却包含其他频率成分，则可以断定这些成分是由外界干扰、系统内部分，则可以断定这些成分是由外界干扰、系统内部噪声、非线性环节或是输入太大使系统进入非线性噪声、非线性环节或是输入太大使系统进入非线性区域所引起。区域所引起。频率保持性频率保持性河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院2.1 测试系统概述测试系统概述-线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质例：余弦信号通过非线性系统（二极管），则输出被整流，例：余弦信号通过非线性系统（二极管），则输出被整流，其频率成分被改变。其频率成分被改变。输出信号输出信号yx0y(t

11、)|X( )| 0|Y( )| 02 0非线性系非线性系统特性统特性输入信号输入信号tx(t)河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 静态测量：如果测量时，测试装置的输静态测量：如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化（或变化比较入、输出信号不随时间而变化（或变化比较缓慢）。缓慢）。 静态测量静态测量 2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性输入与输出不随时间变化，输入与输出不随时间变化，微分方程变成什么？微分方程变成什么？河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院动态测量动态测量动态测量：当输入随时间变化时，其输出随输入而变化动态测量：当输入随时间变化时，其输出随输入而变化2.2

12、测试系统静态特性测试系统静态特性河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院静态特性：测试系统在被测量处于静态特性：测试系统在被测量处于稳定状态稳定状态时的时的输入输入输出关系输出关系测试系统测试系统输入量输入量 输出量输出量理想状态：理想状态：实际状态：实际状态：bxay)(xfy - 零点输出零点输出 - 理论灵敏度理论灵敏度线性关系线性关系非线性关系非线性关系abxy0线性非线性xya2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -静态模型静态模型静态标定曲线的获得静态标定曲线的获得河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院非线性原因：非线性原因：( (结构原理性原因除外结构原理性原因除外) )

13、测试系统测试系统输入输入 输出输出 温温度度湿湿度度压压力力冲冲击击振振动动磁磁场场电电场场摩摩擦擦间间隙隙松松动动迟迟滞滞蠕蠕变变变变形形老老化化外界干扰引入的非线性因素外界干扰引入的非线性因素x)(xfy 2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 线性度线性度 回程误差回程误差 分辨力分辨力 重复性重复性 灵敏度灵敏度 2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院相对误差相对误差(1) 线性度线性度(linearity)：检测系统输入输出曲线与理想直线的偏离程检测系统输入输出曲线与理想直线的偏

14、离程度，亦称非线性误差（度，亦称非线性误差（ non-linearity error ）max100%LLeA maxLA输出值与理想直线的最大偏差值输出值与理想直线的最大偏差值标称输出范围标称输出范围定义定义:表达表达:maxLyx2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标越小越好越小越好河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院作图法求线性度演示作图法求线性度演示(1拟合曲线拟合曲线 2实际特性曲线实际特性曲线)(1) 线性度线性度(linearity)：2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院获取拟合直线方法

15、：获取拟合直线方法：(a) 端点连线法：端点连线法：检测系统输入输出曲线检测系统输入输出曲线的两端点连线的两端点连线特点：特点：算法：算法：简单、方便，偏差简单、方便，偏差大，与测量值有关大，与测量值有关(1) 线性度线性度(linearity)：yxmaxL2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标理想直线：理想直线： 一般静态标定的曲线并不是直线，利用测量数一般静态标定的曲线并不是直线，利用测量数据，通过计算获得据，通过计算获得 用拟合直线表示静态特性用拟合直线表示静态特性河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院简单实用，三点作图法简单实用，三点作图法使得正负行程的非线

16、性偏差相等且最小使得正负行程的非线性偏差相等且最小精度高，计算法（迭代、逐次逼近）精度高，计算法（迭代、逐次逼近）算法：算法：特点：特点：获取拟合直线方法：获取拟合直线方法：(b)最佳直线法：最佳直线法：(1) 线性度线性度(linearity)：yx2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 有有n个测量数据个测量数据: 残差：残差： 残差平方和最小：残差平方和最小： 22)(iiiiiixxnyxyxnb222)(iiiiiiixxnyxxyxa算法：算法：特点：精度高特点：精度高获取拟合直线方法：获取拟合直线方法：(1) 线性度

17、线性度(linearity)：(C)最小二乘法：最小二乘法：),( ,),(),(111111yxyxyx)2( n)(iiibxaymin2i2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标用用Matlab很容易实现很容易实现河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标1.82.02.22.42.62.83.03.23.43.645678910111213试件1,2次测量线性拟合2线性拟合1试件1,1次测量线性拟合4试件2,2次测量线性拟合3 A2A21试件2,1次测量 0204060801001.01.11.21.31

18、.41.5 测点1 测点2 测点3归一化后的非线性系数 疲劳寿命（%）0501001502002500.00.20.40.60.81.0 微裂纹长度随疲劳寿命变化的拟合曲线疲劳寿命百分比微裂纹长度/m河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院(2)回程误差：回程误差：检测系统在全量程范围内，输入量由小到检测系统在全量程范围内，输入量由小到大和由大到小两者静态特性不一致的程度，大和由大到小两者静态特性不一致的程度，亦称空程误差、滞后亦称空程误差、滞后max100%HHeA ：正反行程输出值的：正反行程输出值的 最大偏差最大偏差定义：定义：( hysteresis )算法：算法： .： 标称的输出范

19、围标称的输出范围回程误差0正行程反行程yxAmaxHmaxHA2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标越小越好越小越好河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院能够检测出的被测量的最小变化量，表征测能够检测出的被测量的最小变化量，表征测量系统的分辨能力。量系统的分辨能力。2、分辨率、分辨率 - 是相对数值：是相对数值：定义：定义：1、分辨力、分辨力 - 是绝对数值是绝对数值 说明：说明：( resolution )能检测的最小被测量的变化量相对于能检测的最小被测量的变化量相对于 满量程的百分数，如：满量程的百分数，如： 0.1%, 0.02%3、阈值、阈值 - 在系统输入零

20、点附近在系统输入零点附近 的分辨力的分辨力(3)分辨力：分辨力：如如 0.01mm，0.1g，10ms，2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标越小越好越小越好河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度重复测量，差异程度对同一被测量值：各次测量数值的偏差程度对同一被测量值：各次测量数值的偏差程度重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各重复性是检测系统最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证项指标的前提和保证测量数据的分散性测量数据的分散性重复性误差：随机误差重复性误差：

21、随机误差 标准差标准差 ： 大，则大，则分散性大；反之亦然分散性大；反之亦然对不同被测数值：各次测量曲线的偏差程度对不同被测数值：各次测量曲线的偏差程度(4)重复性重复性：( repeatability )2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院(4)重复性重复性：( repeatability )计算：贝塞尔公式计算：贝塞尔公式112n)yy(nii -测量输出值，测量输出值，i=1,2,n -输出值的平均值输出值的平均值iyy2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院测

22、量系统在静态测量时输出量的增量与输测量系统在静态测量时输出量的增量与输入量的增量之比入量的增量之比斜率：斜率：xyK/a. 线性检测系统：线性检测系统： 灵敏度为常数；灵敏度为常数；定义：定义：b. 非线性检测系统：非线性检测系统： 灵敏度为变数灵敏度为变数说明：说明：bxaybK )(xfy dxxdfK)(灵敏度系数灵敏度系数)(5)灵敏度灵敏度：(sensitivity )xyyx2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标一个一个非线非线性系性系统的统的灵敏灵敏度是度是固定固定的？的？灵敏度的单位？灵敏度的单位？河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院漂移：测量装置的

23、测量特性随时间的缓慢变化。漂移：测量装置的测量特性随时间的缓慢变化。点漂：在规定条件下，对一个恒定的输入在规点漂：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。定时间内的输出变化。零漂：标称范围最低值处的点漂。零漂：标称范围最低值处的点漂。注：漂移常由仪器的内部温度变化和元件的不稳注：漂移常由仪器的内部温度变化和元件的不稳定性所引起。定性所引起。(6)漂移点漂零漂漂移点漂零漂2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院测量范围：是指测试装置能正常测量测量范围：是指测试装置能正常测量 最小输入量和最大输入量最小输入量和最大输入量

24、 之间的范围。之间的范围。稳定性：是指在一定工作条件下，当输入稳定性：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。量不变时，输出量随时间变化的程度。信噪比：信号功率与干扰噪声功率之信噪比：信号功率与干扰噪声功率之 比。记为比。记为SNR。 单位用分贝（单位用分贝（dB）。）。测量范围测量范围- -信噪比信噪比- -稳定性稳定性2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院浴盆曲线浴盆曲线 与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。 可靠性：是反映检测系统在规定的条件下，在规

25、定的可靠性：是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。可靠性可靠性2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院系统构成：系统构成： multiNCDT100是一个精是一个精致的单通道系统。它由带电缆致的单通道系统。它由带电缆的电涡流位移传感器和前置放的电涡流位移传感器和前置放大器组成。在多通道测量时，大器组成。在多通道测量时，每个通道相互之间可以同步。每个通道相互之间可以同步。这个系统适用于测量铝材料这个系统适用于测量铝材料(非铁磁体被测体非铁磁体被测体)，或者钢，

26、或者钢ST37(铁磁材料铁磁材料)。当用户供用。当用户供用其它材料，可以在现场使用其它材料，可以在现场使用3点线性器校正。点线性器校正。multiNCDT100电涡流电涡流位移传感器系统位移传感器系统2.2 测试系统静态特性测试系统静态特性- -评定指标评定指标河南工业大学机电学院河南工业大学机电学院 型号型号性能性能 DT 110-T-U05-A-C3 DT 110-T-U05-M-C3 DT 110-T-U1-A-C3 DT 110-T-U1-M-C3 DT 110-T-S1-A-C3 DT 110-T-S1-M-C3 DT 110-T-S2-A-C3 DT 110-T-S2-M-C3 DT 110-T-U3-A-C3 DT 110-T-U3-M-C3 DT 110-T-U6-A-C3 DT 110-T-U6-M-C3 DT 110-T-U15-A-C3 DT 110-T-U15-M-C3测量范围测量范围mm 0.5 1 1 2 3 6 15起始间距起始间距mm 0.05 0.1 0.1 0.2 0.3 0.6 1.5线线 性