汽车测试技术第五章课件

第五章信号的记录、补偿与输出测试系统的精度不仅与系统的动态特性或静态特性有关，而且还与测试系统所处的环境及干扰有关，为了获得满意的测试结果，需对测试信号进行补偿和修正；经补偿、修正和调理后的测试信号还需将其记录下来，以便对其进行分析、处理和输出测试结果。

5.1信号的补偿和修正

测试信号的补偿与修正有多种不同的方法，常用的主要有：电桥补偿函数补偿通道补偿均衡补偿

一、电桥补偿

电桥具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现对因环境变化所引起的测量误差的补偿，因此在测试工程中得到了广泛的应用。电桥的电源可以是直流电，也可以是交流电。若接入电桥的激励电压（或称供电电压）是直流电，称为直流电桥，若供电电压是交流电，称为交流电桥。

若电桥的输出端所接的仪表或放大器的输入阻抗很大时，可视为电桥的输出端开路。据欧姆定理便可列出桥路a、b和a、d之间的电位差方程，即：输出电压为：[-]=-（5-1）

若接在四个桥臂上的四个电阻式传感器的参数完全相同,即,且在测试过程中,各电阻式传感器电阻量的变化均较小并同号,即。、、同时为正或同时为负，则式（5-1）可改写为：

（5-2）式（5-2）就是电桥的加减特性。若式(5-2)中的、和是因环境变化(如温度的变化)所引起的,且各电阻式传感器均处于相同的测试环境,即,则电桥的输出电压，传感器因环境的变化所引起的电阻输出在电桥中自动被消除，这就是对测试信号进行补偿的工作原理。事实上，信号的电桥补偿只要将两个相同的电阻式传感器分别接到1、2或3、4两个臂上即可。若电桥四个桥臂上的电阻值均随被测量的变化,(见图5-1(a)),称为全臂电桥；若只有两个桥臂上的电阻随被测量而变，称为双臂半桥；若只有一个桥臂上的电阻值随被测量变化，称为单臂半桥。显然，若要利用电桥进行信号补偿，就必须采用双臂半桥或全桥。若将欲组成差动结构的两个传感器分别接在电桥的1、2或3、4臂上，电桥不仅可实现两个传感器的差动连接，而且还自动地实现了信号地自动补偿。式（5-2）还告诉我们，电桥的输出与电桥供电电压有关，电桥供电电压的波动会带来测量误差。为了避免供电电压波动对测试结果的影响，最简单的方法是调节图5-1(a)所示电桥中各桥臂上的电阻值、、和，使电桥的输出电压，这种电桥称为平衡电桥。2、交流电桥

若将电容或电感式传感器接入电桥，电桥的电源就不能是直流电，而应该向电桥供交流电。对于交流电桥，直流电桥所有的特性，如①利用加减特性对信号进行补偿；②利用平衡电桥消除供电电压对测试结果的影响等。交流电桥均有，所不同的是在直流电桥中，各桥臂上是纯电阻；在交流电桥中，各桥臂上是复阻抗（即便是交流电桥臂上是纯电阻器件，但由于电阻器件也存在分布电容，因此它仍然是复阻抗）。将复阻抗、、和去代换直流电桥中的、、和，则直流电桥的所有计算公式都适合于交流电桥。正因为如此，再加上受到篇幅的限制，在此不作详细介绍。二、测试结果的函数补偿测试结果的参数补偿主要用于静态测量，其补偿方法有两种：引入修正函数消除系统误差1、引入修正函数在进行汽车试验之前，先对测试系统进行精确地标定，以确定系统的输出与输入之间的修正函数。将试验结果乘以修正函数便是被测参量地大小，即：

（5-5）这种补偿方法在汽车试验中经常用到。如进行汽车基本性能试验及汽车排放和噪声测试之前，通常应对测试系统（如五轮仪、燃油流量计、废气分析仪和声级计）进行标定，以确定其修正函数。实现函数补偿的方法有两种：1）将修正函数输入测试系统（键入或旋钮调节），测试系统自动完成对测试结果的修正；2）人工处理，试验人员通过手工计算来完成测试结果的修正工作。方法1）在汽车试验中被广泛采用，方法2）在某些特殊场合仍有采用，如汽车燃料经济性的环境修正等。

三、通道补偿测试信号的通道补偿主要用于消除测试信号的干扰。在进行测试信号的采集和记录时，专门拿出一个信号通道来记录外界的干扰信号（该通道不记录任何测试信号），这个通道称为补偿通道。在进行试验数据处理之前，将测试信号与补偿通道进行比较，这样便可消除外界的干扰。这种补偿方法在汽车试验中经常用到，凡是采用磁带记录仪及计算机记录的汽车测试系统，均采用这种信号补偿方式。如进行汽车振动、噪声和实验模态分析时，都采用通道补偿法。四、均衡补偿

设汽车试验中，某一测试系统的输入(被测量)为，测试系统的输出为，在理想情况下，我们都希望，然而，由于实际测量环节中的线性和非线性畸变，通常会出现的情况。欲将恢复成原被测信号就需采用一些特殊的处理，这种将测试系统的输出恢复成输入信号的过程称为均衡补偿。若仅考虑到线性时不变系统引起的畸变，则输出与输入的关系为：

（5-6）式中：—测试系统的传递函数。

式(5-6)的离散富氏变换表达式为：

（5-7）欲消除信号的畸变，应为：

（5-8）即测试系统的输出信号相对于输入信号只有幅度上的增益和时间上的延时，而实际上的与式（5-8）所表达的理想情况有较大的差别。消除幅频特性上的误差，称为幅度均衡；消除相频特性上的误差，称为相位均衡，或称相位补偿。欲做到这些，常用的方法是设计一个数字滤波器（称为均衡滤波器），使之满足：

（5-9）

（5-10）式中：、—均衡滤波器的单位抽样响应函数和频率响应函数；、—均衡滤波器补偿后的系统响应函数和频响函数。从理论上讲，均衡滤波器的频率响应函数是测试系统传输函数频率响应的逆函数，即:

(5-11)均衡滤波器的实值是设计一个满足式（5-11）要求的数字均衡滤波器。

图（5-2）是一典型数字存储示波器的组成框图，从图中不难看出，数字存储示波器就是一台便携式的专用记录计算机。

图5-2数字存储示波器组成框图事实上，无论哪一种数字记录设备，其工作原理都基本相同，都是首先通过转换器将模拟信号转换成二进制的数字信号（即调码），然后将其写入记忆体（如磁带、磁盘或硬盘）中。正因为如此，所以现在常将配有数据采集卡的数字计算机称为通用的数字式记录设备。数字式记录设备的突出特点是，它采用脉码调制方式记录试验信号，即经各种相应处理的模拟信号首先经过模数()转换器将其转换成二进制数，再将其记录在数字存储媒体（如磁带、磁盘、光盘、新型的半导体存储盘等）中。转换器有8位、12位、16位、…之分。位数越高，则分辨率越高，即设定的额定最大输出信号在幅值方向离散出的点数越多。信号的大小用一定位数（8位、12位、16位、…）的二进制编码来表示（编码规则见相应的国际标准），这种利用转换器将模拟试验信号转换为数字信号的过程称为脉码调制（简称调码）。一、数字式记录设备的主要性能指标

数字记录设备的性能在很大程度上取决于数据采集卡的性能，其评价指标主要有：

采样频率采样延时信号记录的分辨率量程2、采样延时为了分析瞬态过程前后的信号状态，通常在采集单次瞬态过程时需要有一定的负延时。若将触发时刻定为时间坐标的零点，则在触发时刻前的信号称为负延时信号。

3、信号记录的分辨率

信号记录的分辨率由转换器的位数决定，转换器的位数越高、信号记录的分辨率越高，模拟信号转换为数字信号所带来的量化误差越小。8位转换器，最低位的相对误差为，即0.39％，12位转换器最低位的相对误差为＝0.024％，16位转换器的最低位的相对误差为＝0.0015％。3、触发方式触发方式即启动设备开始进入数字记录的操作方式。通常数字记录设备都设有手动触发、内触发、单通道内触发、全通道内触发和外触发等多种触发方式。（1）手动触发是指由仪器操作者直接操纵仪器给出记录开始的触发信号。（2）内触发预设一触发电平，当测试信号到达预设电平值时，便触发仪器自动开始信号的记录。（3）单通道内触发只有当选定通道的测试信号达到预设电平值时，仪器才开始记录。（4）全通道内触发任一通道的测试信号达到预设电平值时，仪器才开始记录。（5）外触发通过输入一脉冲来触发仪器开始记录。二、使用数字式记录设备的注意事项

在使用数字式记录设备之前，通常要对与测试信号记录相关的量进行设置，以获得一个好的记录效果。

1、采样频率的选择采样频率与测试信号的频率有关，采样频率越高，会大大地增加数据记录容量；采样频率太低，又会带来信号的失真。为了较好地协调二者之间的矛盾，采样频率为信号频率的5倍左右。

2、触发方式的选择内触发方式简便易行，因此被广泛采用，但若要对测试信号进行挑选则最好采用手动触发或外触发方式。

3、量程的选择量程的选择是否合适，会影响到信号的记录精度，通常测试信号的最大值应为所选量程的2/3。

5.3信号的输出汽车试验的最终目的是要获得试验结果，即要将所得到的测试信号从仪器中输出。近些年信号输出技术发展十分迅速，信号输出的种类很多。如何选择信号的输出方式要视测试信号的类型、要求、方式、精度等而定。

一、信号的指针式输出信号的指针式输出方式是早期测试仪器设备较常用的一种输出方式，由于此输出方式的精度较差，因此现在在汽车测试仪器设备中已较少采用。但指针式输出方式简便直观的独特特点，使得它在输出精度要求不高及输出仅作指示和参考（如过程监控仪表）的场合仍大量采用。在汽车试验领域，目前仍采用指针式输出方式的物理量主要有流体压力、车速、转速、噪声、汽车排出废气中有害气体的浓度。若这些量是汽车试验的测试结果，目前已很少采用指针式输出方式。

三、图示显示输出现在众多的汽车试验项目，所需的输出已不仅仅是数值量，往往需要输出复杂的二维、三维曲线，有时还希望能实时显示其多维运动学和动力学的图像关系。欲满足曲线和图像输出的要求，显然前面所介绍的信号输出设备均无能为力。需要用到图视显示输出设备。近些年图视显示输出设备的发展十分迅速，目前在用的有阴极射线管（Cathode－RayTube）图视显示器，简称CRT、液晶显示器，又称LCD图视显示器。CRT图视显示器已有100多年的发展历史，其突出特点是品质好、性能稳定可靠、寻址方式简单、制造成本低、价格便宜。目前CRT图视显示器是电视机和计算机的主流显示设备。CRT图视显示器的缺点也相当明显，尤其是彩色CRT图视显示器，它不仅耗能高，而且辐射强，人体与之长期接触会对健康构成危害。20世纪60年代，液晶光电效应的发现，人们便找到了一种重量轻、能耗低、辐射小、显示面积大的理想片状显示设备。液晶（LCD）图视显示器经几十年的发展，尤其是20世纪90年代初寻址薄膜晶体管阵列（TFT）器件的日趋成熟，便结束了LCD视图显示器的性能和稳定性不如CRT图视显示器的历史，揭开了便携式图视显示技术的新纪元，也为图视显示设备和其它汽车试验仪器同时上车以完成复杂的汽车试验工作创造了物质条件。不仅如此，LCD图视显示技术的发展，还推动了虚拟仪器系统在汽车道路试验中的应用。在过去欲完成汽车各项复杂的道路试验工作，通常要来回更换沉重的各种不同的仪器，然而现在却可以将过去各种复杂的汽车道路试验仪器全部集成到一