工程测试技术基础(第三章测试系统特性 )

1、重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 工程测试技术基础工程测试技术基础本章学习要求：本章学习要求：1.1.建立测试系统的概念建立测试系统的概念 2.2.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 3.3.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重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。和设备的总称。 3.1 3.1 测试系统概论测试系统概论 简单测试系统简单测试系统(光电池光电池)V重庆交通大

2、学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 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重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 不失真测量：不失真测量：语音片段语音片段1(Good)1(Good)语音片段语音片段2(bad)2(bad)重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.2 3.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性 第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 如果测量时，测试装置的输入、输出如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间

3、而变化，则称为静态测量。信号不随时间而变化，则称为静态测量。重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院 静态测量时，测试装置表现出的响应特静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。性称为静态响应特性。a)a)灵敏度灵敏度 当测试装置的输入当测试装置的输入x x有一增量有一增量x,x,引起输出引起输出y y发发生相应变化生相应变化y y时时, ,定义定义: S=: S=y/y/x x第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 y yx xx xy y重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性b)b)非线性度非线性度 标定曲线与拟合直线的偏离程

4、度就是非线性度。标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。 非线性度非线性度=B/A=B/A100%100%y yx xB B重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性c)c)回程误差回程误差 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输出量之间差值最大者为hmaxhmax，则定义回程误差为，则定义回程误差为: : (hmax/A)(hmax/A)100%100%y yx xhmaxhmaxA A重

5、庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院d) d) 静态响应特性的其他描述静态响应特性的其他描述3.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性精度：精度：是与评价测试装置产生的测量是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标误差大小有关的指标 灵敏阀：灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。起始点不灵敏的程度。 分辨力：分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最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小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。能力。重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院测量范围：测量范围：是指测试装

6、置能正常测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量最小输入量和最大输入量之间的范围。范围。3.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性 可靠性：可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。的一种描述。 稳定性：稳定性：是指在一定工作条件下，是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。变化的程度。重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性案例：案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量物料配重自动测量系统的静态参数测量 灵敏度灵敏度= =y/y/x

7、 x非线性度非线性度=B/A=B/A100%100%回程误差回程误差= =(hmax/A)(hmax/A)100%100%测量范围：测量范围：重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院 无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量来看待。问题简化为处理输入量x(t)x(t)、系统传输、系统传输特性特性h(t)h(t)和输出和输出y(t)y(t)三者之间的关系。三者之间的关系。x(t)h(t)y(t)输入量输入量系统特性系统特性输出输出3.3 3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性

8、y(t)=X(t)*h(t)卷积分卷积分重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院卷积分卷积分第二章、信号分析基础第二章、信号分析基础 卷积积分是一种数学方法，在信号与系统的卷积积分是一种数学方法，在信号与系统的理论研究中占有重要的地位。特别是关于信号的理论研究中占有重要的地位。特别是关于信号的时间域与变换域分析，它是沟通时域频域的一时间域与变换域分析，它是沟通时域频域的一个桥梁。个桥梁。 )()()()()(thtxdthxty重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院卷积的卷积的物理意义物理意义1 1）将信号）将信号x(t)x(t)分解分解为许多宽度为为许多宽度为 t t 的窄条面的窄条面积之

9、和，积之和，t= n t= n t t 时的第时的第n n个窄条的高度为个窄条的高度为x(n x(n t ) t )，在，在 t t 趋近于零的情况下，窄条可以看趋近于零的情况下，窄条可以看作是强度等于窄条面积的脉冲。作是强度等于窄条面积的脉冲。2.6 卷积分卷积分tx(t)n t x(n t ) t 重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院2 2）在）在t=nt=n t t时刻，窄条脉冲引起的响应为时刻，窄条脉冲引起的响应为: : x(x(n n t)t) t h(t- t h(t- n n t)t)tx(nt) t h(t- nt)02.6 卷积分卷积分重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海

10、学院3 3）各脉冲引起的响应之和即为输出）各脉冲引起的响应之和即为输出y(t)y(t)0)()()(ntntthtnxtyty(t)02.6 卷积分卷积分重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院卷积与相关2.6 卷积分卷积分);()()(*)();()();()(XHtxthXtxHthFTFTFT如果如果则则时域卷积定理时域卷积定理卷积分的傅立叶变换计算法：卷积分的傅立叶变换计算法：)(*)()(txthty)()()(XHY)()(1YFty重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3)3)如果输入和系统特性已知，则可以推断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。和估计系统的输

11、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，可以通过它们推断系统的传输特性。过它们推断系统的传输特性。( (系统辨识系统辨识) )2)2)当系统特性已知，输出可测量，可以通当系统特性已知，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) )第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 x(t)h(t)y(t)重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院测试系统基本要求测试系统基本要求 3.1 测试系统概论测试系统概论 理想的测试系统应该具有单值的

12、、确定的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对应。知道其中一个量就可以确定的输出量与之对应。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另一个量。其中以输出和输入成线性关系线性关系最佳。最佳。 xy线性线性xy线性线性xy非线性非线性重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.1 测试系统概论测试系统概论 系统输入系统输入x(t)x(t)和输出和输出y(t)y(t)间的关系可以用常间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：系数线性微分方程来描述： 线性系统线性系统(时域描述时域描述)一般在工程

13、中使用的测试装置都是线性系统。一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。0111)(.)()(atyatyatyannnn0111)(.)()(btxbtxbtxbmmmm重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.1 测试系统概论测试系统概论 线性系统性质：线性系统性质：a)a)叠加性叠加性 系统对各输入之和的输出等于各单个输入的系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即输出之和，即 若若 x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 则则 x1(t)x2(t) y1(t)y2(t) b)b)比例性比例性 常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出

14、的常数倍，即常数倍，即: : 若若 x(t) y(t) x(t) y(t) 则则 kx(t) ky(tkx(t) ky(t) ) 重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.1 测试系统概论测试系统概论 c)c)微分性微分性 系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即分，即 若若 x(t) y(t) x(t) y(t) 则则 x(t) y(t) x(t) y(t) d)d)积分性积分性 当初始条件为零时，系统对原输入信号的积当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即分等于原输出信号的积分，即 若若 x(t) y(t) x(t)

15、y(t) 则则 x(t)dt y(t)dtx(t)dt y(t)dt 重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.1 测试系统概论测试系统概论 e)e)频率保持性频率保持性 若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即 若若 x(t)=Acos(t+xx(t)=Acos(t+x) ) 则则 y(t)=Bcos(t+yy(t)=Bcos(t+y) ) 线性系统的这些主要特性，特别是符合线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有叠加原理和频率保持性，在测量工作中

16、具有重要作用。重要作用。 重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院传递函数：传递函数： )(/ )()(sXsYsH拉氏变换拉氏变换( (数学定义数学定义) )：)(/ )()(jXjYjH富氏变换富氏变换(数字计算数字计算):22)(Im)(Re)()(jHjHjHA)(Im/)(Re)(jHjHarctg3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 传递函数传递函数:直观的反映了测试系统对不同频率成分直观的反映了测试系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况。输入信号的扭曲情况。A重庆交通大学航

17、海学院重庆交通大学航海学院a)传递函数的测量传递函数的测量(正弦波法正弦波法) 依次用不同频率依次用不同频率f fi i的简谐信号去激励被测系的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相位，得到幅值比位，得到幅值比A Ai i、相位差、相位差ii。 3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 依据：频率保持性依据：频率保持性 若若 x(t)=Acos(t+xx(t)=Acos(t+x) ) 则则 y(t)=Bcos(t+yy(t)=Bcos(t+y) )重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测

18、试系统特性 优点：优点：简单，简单，信号发生器，信号发生器，双踪示波器双踪示波器缺点：缺点：效率效率低低 从系统最低测量频率从系统最低测量频率fminfmin到最高测量频率到最高测量频率fmaxfmax，逐，逐步增加正弦激励信号频率步增加正弦激励信号频率f f，记录下各频率对应的幅，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制就得到系统幅频和相频特性。值比和相位差，绘制就得到系统幅频和相频特性。 重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 案例：案例：音响系统性能评定音

19、响系统性能评定y(t)=x(t)*h(t) Y(f)=X(f)H(f) 改进：改进：脉冲输入脉冲输入/ /白白噪声输入，测量输噪声输入，测量输出，再求输出频谱。出，再求输出频谱。飞机模态分析飞机模态分析重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院b)b)脉冲响应函数脉冲响应函数 若装置的输人为单位脉冲若装置的输人为单位脉冲(t)(t)，因，因(t)(t)的的傅立叶变换为傅立叶变换为1 1，有：，有： Y(f)=H(f)Y(f)=H(f)，或，或y(t)=Fy(t)=F-1-1H(S)H(S)3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 优点：优点：直观直观缺点：缺点：简单系统识别简单系统识

20、别记为记为h(t)h(t)，称它为脉冲响应函数。，称它为脉冲响应函数。 H(f)固频、阻尼参数固频、阻尼参数傅立叶傅立叶变换变换重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 案例案例: :镗杆镗杆固有频率测量固有频率测量重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院实验：悬臂梁固有频率测量实验：悬臂梁固有频率测量3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 案例案例: :桥梁固频测量桥梁固频测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进

21、行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院c) c) 阶跃响应函数阶跃响应函数 若系统输入信号为单位阶跃信号，即若系统输入信号为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)x(t)=u(t)，则则X(s)=1/sX(s)=1/s，此时，此时Y(s)=H(s)/sY(s)=H(s)/s3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 H(f)时域波形参数识别时域波形参数识别重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 阶跃响应函数测量阶跃响应函数测量 实验求阶跃响应函数简单明了，产生一个阶实验求阶跃响

22、应函数简单明了，产生一个阶跃信号，再测量系统输出就可以了。跃信号，再测量系统输出就可以了。原理：在桥中悬挂重物，然后突然剪断绳索，产生阶跃激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院 设测试系统的输出设测试系统的输出y(t)y(t)与输入与输入x(t)x(t)满足关系满足关系 y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t-tx(t-t0 0) )3.4 3.4 系统不失真测量条件系统不失真测量条件第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 该系统的输该系统的输出波形与输入信出波形与输入信号的波形精确地号的波形

23、精确地一致，只是幅值一致，只是幅值放大了放大了A A0 0倍，在倍，在时间上延迟了时间上延迟了t t0 0而已。这种情况而已。这种情况下，认为测试系下，认为测试系统具有不失真的统具有不失真的特性。特性。t tA Ax(t)x(t)y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t)x(t)y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t- tx(t- t0 0) )时域条件时域条件重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院 y(t)=A0 x(t-t0) Y()=A0e-jt0X()3.4 系统不失真测量的条件系统不失真测量的条件 不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足

24、应分别满足 A()=A0=A()=A0=常数常数 ()=-t0()=-t0做傅立叶变换做傅立叶变换 频域定义频域定义重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院1 1 一阶系统一阶系统3.5 3.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 温度温度酒精酒精湿度湿度重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 特征：特征：测量滞后测量滞后阶跃响应阶跃响应传递函数传递函数)()()(txtydttdy11)(jjH2)(11)(A重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 一阶系统时间常数测

25、量：一阶系统时间常数测量：阶跃响应阶跃响应0.632)(11)(A重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 实验：一阶系统时间常数对测量的影响实验：一阶系统时间常数对测量的影响重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院2 2 二阶系统二阶系统3.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应称重称重( (应变片应变片) )F F加速度加速度重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应特征：特征：震荡震荡脉冲响应脉冲响应传递函数传递函数A)()()()(001222txbtyadttdyadttyda222002)(nnnj

26、abH重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院222002)(nnnjabH3.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应二阶系统参数测量二阶系统参数测量脉冲响应脉冲响应/阶跃响应函数法：阶跃响应函数法：t tb bM1M2f fn n=1/t=1/tb b2/ln1MM重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应传递函数法传递函数法An0.70712n/ )(12重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应nn阻尼系数和固频的作用阻尼系数和固频的作用重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院3.5 典型系统的动态响应

27、典型系统的动态响应实验：二阶系统参数对测量的影响实验：二阶系统参数对测量的影响重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院 实际测量工作中，测量系统和被测对象会产实际测量工作中，测量系统和被测对象会产生相互作用。测量装置构成被测对象的负载。彼生相互作用。测量装置构成被测对象的负载。彼此间存在能量交换和相互影响，以致系统的传递此间存在能量交换和相互影响，以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加或连乘。函数不再是各组成环节传递函数的叠加或连乘。 3.6 3.6 负载效应负载效应 第三章、测试系统特性第三章、测试系统特性 ER1R2V V=ER2/(R2+R1)V=ER2Rm/R1(Rm+R2)+RmR2V VRm令令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得得:U0=90V,U1=64.3V，误差达误差达28.6%。重庆交通大学航海学院重庆交通大学航海学院第三章、测试系统特性第三章、测试