第章概论及测试系统特性

第一章概论

一.测试技术测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。以确定被测参数之值为目的的一系列操作叫测试，与之对应的技术叫测试技术

例1：测量黑板的面积，先要测量长宽再求积，这一系列操作均为确定被测黑板面积的值，与之对应的技术叫测试技术.例二测量炉温之值

为了测量炉温，要先安装传感器、放大器、A/D转换器，计算机显示器、记录器，这一系列操作均为确定炉温之值，与之对应的技术叫测试技术炉传感器放大器记录A/D显示计算机简单的测试系统可以只有一个模块，如下图所示的玻璃管温度计。中间没有电量的转换和分析处理电路，很简单，但测量精度底，同时也很难实现测量自动化。为提高测量精度、增加信号传输、处理、存储、显示的灵活性和提高测试系统的自动化程度，以利于和其它控制环节一起构成自动化测控系统，在测试中通常先将被测对象输出的物理量转换为电量，然后再根据需要对变换后的电信号进行处理，最后以适当的形式显示、输出。测试系统一般由传感器、中间变换装置和显示记录装置组成。

二.测试技术的应用

产品质量测量汽车、机床等设备和电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验汽车制造厂发动机测试系统原理，发动机测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、润滑油压力、燃油压力以及每分钟的转速等。.

设备运行状态监控系统

某火力发电厂30MW汽轮发电机组的计算机设备运行状态监测系统原理框图。家电产品全自动洗衣机中的滚筒液面高度自动检测测试技术在军事上的运用

机载雷达

声纳

二战初期，德国人凭借潜艇优势，击沉英美大量运输船只、军舰，但随着声纳技术的出现，潜艇的优势逐渐消失，最后被消灭．可以毫不夸张的说一个国家测试水平的高低，决定着该国军事实力的强弱．地质方面的运用地震法探油测震仪油田炸药医学方面听诊器、血压计、温度表、X光机、B超、心电图、脑电图、CT、各种生化分析仪器都是测试技术在医学方面的应用，由于这些设备的应用提高了确诊率，给病人带来福音.总之，可以说没有测试就没有科学，科学就是禾加斗组成的，禾是谷子斗是量具，意为用量具测量谷子叫测量.第二章测试装置的技术特性

第一节测试的基本概念一、测试系统的组成测试的基本任务是获取有用的信息。信息是蕴涵在某些随时间或空间变化的物理量。信号就其具体的物理性质而言，有位移信号、速度信号、加速度信号、力信号、光信号和电信号等。测试技术中将信号统一抽象为时间的函数。测试系统的组成框图传感器信号调节器记录器数据处理及其外围设备被测非电量定度设备校准设备传感混器：将魂其输台入的阶被测努非电申物理谎量转撒换成钓电信刺号。信号旁调节庭器：将电栽信号隐变换原成传货输不消失真千且便番于记糟录、秆处理望的电奖信号。如有信号撇源的咱阻抗歼变换具，信梦号的挨放大的、衰覆减与毅波形双变换役，信蜂号滤椅波，海多路岁信号淡切换高等。显示圾和记武录器：记录旺或显当示信吸号调浮节器禾输出蠢的信败号。显熔示必爸要的接数据忙变化葵图形专，供喇直接糕观察泛分析愧，或俩将其匀记录南保存爪，供越后续锐仪器绳分析格、处谱理。数据抛处理蚂器：将记挥录的烈信号摔按测蛇试目索的与旗要求皆提取医其有形用信酷息，悲通过剃专用轨计算宜机进光行分链析、坟处理，如具概率眉统计割分析尘、相赌关分吹析、破功率电谱分示析和施传递暂特性蛙分析直等。定度王与校话准设垫备：是测晕试系彻统的饭附加嘱设备。测集试前尚要对歇传感邮器及眉测试荡系统不确定否其输正入与我输出疫物理舞量转宜换关烫系的常定度放曲线极，并丽根据完种较老高准植确度肤的参狼考仪挡器进暗行校点准，坟确定泊整个读测试础系统耻的精四度。二、宝对测钞试系运统的絮要求倦及其接主要遍特性基本工要求：系耽统具校有单值的、确定的输森入—输出月关系酷，其坝中以蹄输出耽和输脸入呈线性船关系为最辩佳。xy线性xy线性xy非线性单向剪系统：测善试系枣统对松被测坦量的租反作乌用影称响可比以忽匀略。川（非引接触琴式测摊试能堤满足钻要求随）。(例如旬：电换流测漆量）线性步系统：即复输出闯与输喊入是载线性率关系驼。（实际树测试耕系统不可泥能在舟较大批工作迎范围汤内保促持线径性）静态艺特性：被太测试间量不菜随时炮间变元化或炒变化拉很缓差慢时琴，测君试系价统的屿输入——输出猜关系闲。动态还特性：被隐测试贸量随浮时间梁变化志时，岸测试致系统死的输录入——输出沟关系胀。基本蓝特性信号粥的构垄成及院分解构成测试饿工作战研究盘的对芦象是渗信号贸，了用解构励成信笼号的序基本奔元素夕对于匀了解蛮信号炎的性趁质是久十分甘重要恳的。棕就像中了解齿物质竞的元谅素、谢种类兴及含创量对蛛于了赶解物颗质的抖性质弱至关初重要疤一样水是蓝由碳溉和氢站两种厦元素巾构成优的，绞食盐陆是由左钠和当氯两婚种元便素构寄成的痰，生吼石灰否是由盒钙和撇氧两客种元争素构丑成的斜等等华。知钞道了碌构成使某一墨物质扁的元杜素及乖含量加就可校以知粪道该椅物质膛的性折质，粒因此援，工析业上夺常采宁用化牲学分穗析的逆手段踢来了贝解物升质的硬成分找，指网导工引业生剑产。信号叨是否忌也是友由基掏本元镰素构饲成的承呢？信号纵的基伟本元屈素是正弦趁信号。AS遣in倦ω其中A代表结含量,预ω代表逐元素田种类吊，即呢一种守频率输的正搞弦信睁号，披代表餐一种浇元灿素，册可见掏信号喇的元娱素种逝类是镇无限受的信号惑的分嗓解周期等信号德的分符解（巡寿傅里答叶级挑数）对于肠周期广信号面只要左符合研狄氏捎条件捧，就另可以涝用傅里较叶级统数分烦解成苏正弦进信号牵。例,周期施方波-TTt在区犯间哗的函眼数用傅润里叶巾级数因展开汁后以频品率f为横方坐标震，以挽正弦巴函数书的幅断值为锋纵坐聪标，爬绘出郊的频串谱图薄为:由该革图可驻知周期检函数元的频怎谱是跨离散芝的;任给是一频期率，说小于串等于羊该频盼率的风的正童弦函便数的救个数何是有球限的;与频幸率对熔应的沾纵坐艰标是镇正弦纷函数米的幅感值.非周狗期函拼数的汉分解第（傅炒氏变立换）对上悉式进笛行傅雷里叶汽变换x(董f)fX(t)T-T0h由频珠谱图跪可知:非周埋期函诊数的鹿频谱肢是连被续的;任给醒一频驳率区亏间［f1,f2］，隙频率株在该帝区间治的正昂弦信终号的拆个数乘是无济穷的;随机跨信号越可作摸为非勿周期萝函数押处理.周期闻信号摆与非坚周期侦信号乱频谱要的比殿较周期颠信号粮的频罚谱相欧当于陪力学复中的帜集中惕载荷巩，非灶周期聋信号量的频带谱相茫当于趴力学傻中的扛分布罪载荷.系统，输入疲和输千出工程蛙测试旬问题：处撤理输余入量吃或被谁测量x(t)、系急统的配传输滚或转捏换特哀性h(t)和输弟出量y(t)三者弊之间棍的关右系已知拴系统鞋特性H，通兴过观市察分许析输宫出信锤号Y，推汤断其答相应坟的输心入信浊号或法被测溪量X，即测量已知个输入虾信号X，通亏过观绿察分击析输宇出信世号Y，推供断其喊系统归特性H，即踩系统弃或仪阻器的定度锦过程已知亭输入网信号X和系辜统特楼性H，可纠以推乔断和冒估计援出系爆统的冬输出绿量，年此为输出虏信号悉预测。x(t)h(t)y(t)测试榨装置裙的基胸本特榆性三者线之间职的关小系是匆唯一另的，乓知道肠任意贷两者凑，可牵求第兼三者;测试呼的目物的是郊通过按系统环的输挑出y（t）确员定系车统摊的输寺入x（t）;例如嫌测量呢炉温替，是愿通过寸热电病偶的训输出夕电压y（t）求劣输入长热电浇偶的关温度x（t）的;因此检，系余统的甩特性芦对测饲量的群影响掠很大奶。为膜了研准究系易统的偶特性损，通流常从撑两方坟面入寨手：①.系统跳的静慰特性;②.系统递的动汪特性.第二坊节站测兵试装援置的纯静态丙特性输出——输入管关系：y=滑a0+a1x+言a2x2+…滩+anxn（2-暖1）矛式中x—怕—输入株的物前理量y——输出樱量；a0，a1，a2,…an­—千—常数萍。零点晚漂移歌（零币漂）：当a0≠0时，委即使什在没足有输浇入的筛情况矩下仍丛有输铜出，车（为闯非理绳想的邻静态轰特性刮）。静态斩特性验指标：灵敏碍度、非线亦性度和回程皂误差，此楚外有分辨功率、零点他漂移及测量束范围。灵敏景度灵敏分度选煤取：测蹦试装钩置的震灵敏六度越皇高，点测量妖范围砌越窄氧，稳晓定性芦也越认差。灵敏看度S：S=Δy址/Δ案x，对以于特齐性呈座直线涉关系煌的装磁置，S=Δy熟/Δ予x=y/惑x=常量挣。当缴输入运与输出为执同一蹈量纲叠时，绵灵敏始度又闯称为垦放大倍估数。灵敏欲度漂欧移：在右被测皮量不迅变和桥情况兆下，由躁于外驼界环钳境条但件等执因素补的变东化，可能匀引起剂测试辜装置持输出兼的变轰化，定最后表现织为测租试装兆置灵由敏度胆的变漏化。纪（性能良技好的茶测试快装置断灵敏巨度漂贞移极呀小）拟合镰直线馅：与定挑度曲强线最踩接近胶的一孝条直如线，色通常沾是用喇最小粘二乘圣法求匪出的抄。非线雕性度非线董性度粘：指系朝统的呈输出税输入禾之间愿的关宅系是耻否保鲜持线骗性关凑系的献一种咳度量.即定场度曲竟线（蛇实际神特性博曲线芦）偏那离其害拟合难直线接（理付想曲塘线）难的程流度。非定义启如下:式中:B——定度曲线与拟合直线的最大偏差;A——输出额定最大量程.定度富曲线称：静态蚂测试掉中，仪通常宵用试牧验的纲办法鹅求得峡装置网的输垫入输贼出关绿系曲败线，械称之中为定度狼曲线舱。理想俗状态恶是一虹条直酷线，稍实际矮上或预多或菠少均枕有一扩定非畅线性.当输叼入增肢加时悉，x、y的关床系沿脑下面祖的曲市线变怖化;当输疤出达昆到最免大量房诚程时垦，减槽少输臭入量x，这秧时x、y关系凶沿上拿面的纳曲线遭变化.回程振误差回程拜误差贼：测试伴装置钻全量序程A内的热最大居滞后正量Δhma仰x和A之比伸值。茂是一滩种由堂滞后碎效应删引起司的测鸣量误匠差.x

y

0—对应同一输入量，两个输入量的最大偏差;A—额定最大输出值回程水误差克是很麦难修终正的疑，因粗此，评对传滴感器恳而言蚊必须醋严格姨限制小结测试蝇系统滑要有钻足够禾的灵脆敏度舅，非尘线性喊度和斥回程铜误差独要尽者可能桥小，单才能皮使测胞试结添果正贷确。第三丈节陡测试哄装置搭的动谜态特玩性动态办特性论定义：被塞测试改量随睬时间躁快速却变化竹时，沈测试使系统津的输榴入—输出朵信号耗的函怀数关碗系。研究刻测试锈装置主的动柏态特究性的意义：为驴了降永低和奴消除坡测试鲜装置的件动态验特性爸给测果量带赠来的茄误差动态菌特性既的研浓究方天法：1理论顾方法鼠（解卡析法吗）：建立富数学代模型暖。即片从具票体测薯试装洽置的绕物理葱结构确出发堪，根丑据其题所遵烦循的趣物理未定理蜓，建登立起缎把测种试装窃置的装输出扶和输弦入量定联系珍起来叨的运弦动微侄分方果程；在给稻定的裂条件鞋下求肢解，紧从而祖得到介任意访输入x(t)激励惩下测堪试装净置的倘响应y(t)。一惭般测扰试装画置都孤是线钻性系妇统，委其数绵学模遇型是灵常系骗数微穿分方量程，踏经过艺简单起运算慢可求似得其骑传递尸函数胃，该丧传递游函数饼也就有能描质述测意试装盛置的威固有悼动态闷特性痕。2实验边方法：根据捷测试访装置竞实际毁工作恳时最灿常见林的输老入信疼号的贼形式瞧，选陕择一怜些典盗型信蜘号（钩如正千弦信声号、崖脉冲锯信号尾、阶怒跃信盯号及辞随机寺信号尽等）意作为武测试输装置显的输掩入，钓然后吊测出血其输印出，镇求出鼠输入亭输出咽关系童。对该糊测试千装置再的动渗态特下性在赴时间忆域、绒频率蜜域作煌出分短析和把评价伏。1.时间密域内鲜用阶待跃响疯应表旁示，变称为时间腔响应监特性。2.频率允域内油用频锡率响赔应表答示，务称为频率判响应射特性。动态丑特性责的分泻析方浅法：测试饲装置套的传丘递函榜数及巾其频匠率响件应特晨性传递值函数寸：零初巧始条捏件下惯，系松统（乌或元决件）呜输出袭拉氏垃变换押和桂输绍入拉胆氏变做换之趋比。拉氏变换富氏变换传递示函数巴的意齐义：传递戏函数保是我诞们对躲元件佣及系宵统分风析研贴究与查综合航的有稼力工腹具，城作为挥代数敢方程勤，它晴使解裕算简触化、漆方便申而直游观、正避免切了解坑微分袖方程冷的困属难，夹且便臣于分恩析研自究系姿统动体态特勤性。砍作为选一种窄对系捡统特形性的义解析捉描述售，它暗包含件了瞬悼态、潮稳态宰时间炼响应趋和频拐率响帐应的尾全部村信息流。优点展：直观闷的反得映了枪系统狠对不他同频璃率成突分输史入信糊号的臭扭曲牧情况吧。传递讽函数概的分送解式中疏每一映个因展子式垄可看欢成一蜓个子许系统手的传隔递函乔数。另其中——扣A零阶存系统促传递皆函数——纸1间/(宽s+菠Pi)一阶线系统秤传递帖函数——的1答/(s2+2ζjωnjs+ω2nj)二阶玻系统确传递蹈函数对大称多数存测试慨装置层而言亭，可下以假秃设则简迈化为其中因分母额是变鸣量s的实令系数换多项违式，获总可丸以分敲解为绞一次雪和二若次的场实系怜数因则子式常系死数线晕性微件分方感程式双的传唐递函坝数频率睬响应份函数1.频率阻响应态的基蝇本概世念频率夸响应：研塑究测阿试系拍统对正弦前输入年信号的稳荣态响醒应。频率南特性：是指暖测试示系统真输入游、输插出之起振幅蝇（模决）比牵和相群位差办随频险率变剩化的锄规律谢。在频键率响免应中用，稳合态输独出与何输入裹之比少的复作数关悦系，预反应江了系种统的仰动态蝴特性习。频率画响应芒函数2.频率竞特性仍的求羽法微分链方法：传派递函碌数试验碎求：基本疲方法：对桂于线乎性时粉不变缝系统刊，有属频率杜不变页特性磁，若待输入倘频率座为ω的正赔弦信滔号，谈测试绿装置上将有相同频宁率的仪正弦务信号尼稳态洁输出想，只铅是输扩出的哲幅值遍和相旦位有绢变化尾，改纲变输掘入正李弦信祥号的撤圆频历率ω，即批可得些到幅完频特潮性和观相频尘特性核。快速纸傅里衬叶变翼换（FF虎T）：随敲着计那算机滑以及论数字翅信号锣分析漫技术悉的发挣展，挖可利俗用脉凝冲信险号或技随机掩信号忠（如公白噪稻声）咬信号员作为举系统牢的输肢入，省运用督快速盛傅里来叶变谜换（FF关T）技朱术，房诚可很熟快得托到频利率响玻应函吼数。频率不响应贼函数3.频率刮特性紧的一择般公此式对稳弯定的持常系瓦数线挂性系林统，懂取s=jω代入彼上式坦得∴物理山意义:可以市从频蜓率域蹈形象储、直赶观、哀定量李地表规征测睁试系旱统的期动态及特性频率原特性幅频汇特性型：相频耽特性漆：典型蜜测试充装置坑的动擦态响资应特帽性典型腿测试凡装置理的分变类一阶竹系统实例晒：忽略告质量视的自学由振万动系姓统（盯弹簧—阻尼摘机械洁系统粪）简单RC低通桃滤波槐电路液体挡温度录器热电犁偶传净感器LC谐振烘测量甩电路温度鼠湿度旦酒精二阶冻系统实例弹簧乒质量桌阻尼脚系统RL捏C电路单位近阶跃稼输入吉系统颠的响球应单位亮阶跃烟输入杏系统释的响语应一阶匆系统意的时陵间响俊应特栗性：稳态艇响应瞬态迟响应1.钢t→∞，y(特t)魄→1；说明标：单位皆阶跃逗输入莲系统背的响窝应二阶廊系统堵的时旅间响川应特萍性：单位抵阶跃环输入灯系统神的响答应时间侵响应难特性迷指标：上升码时间try(量tr)=疗1，得tr=（π-愈φ2）/ωd，ζ一定绿时，申若要tr较短细，要舟使系管统具殿有较铅高的土无阻幸尼自稿然频禁率ωn。峰值寇时间tp峰值敞时间tp=π/业ωd=T形d/竖2当ζ一定茂时，ωn越大市，tp越小丈，反裤应越撤快；当ωn一定柴时，ζ越小矮，tp也越巩小。单位斤阶跃奋输入飘系统傅的响宴应时间攻响应谣特性喷指标：最大刷超调彼量Mp最大否超调啄量Mp矩=y拥(t枯)-湾1=Mp与无感阻尼酷自然系频率ωn无关敏。Mp只是穗阻尼芦比的柄函数洲，ζ越小佛，Mp越大纪，当ζ=充0时，Mp叶=1，而ζ=滚1时，Mp兆=0。调整孤时间ts调整社时间炸误差园在5%曲~2链%之间缎时，ts=(踪蝶3~吗4)塘Td单位蛾阶跃生输入些系统疼的响禾应二阶荡系统急的时歇间响拢应特员性总结博：二阶信系统病的瞬滚态响薄应特扇性由径系统下的阻揭尼比ζ和无竭阻尼览自然咐频率ωn共同叙决定侧，欲农使二尝阶系识统具嗓有满援意的兵瞬态再响应押指标辰，必磁须综茧合考磁虑和缸的影共响，樱选取倒合适拾的ζ和ωn。若保壶持ζ不变唯而增达大ωn，对肆超调慌量无偶影响嘱，却公可以庙减小龄峰值绕时间tp，上缩慧升时届间tr和调娃整时肉间ts，即崖可以仙提高合系统农的快竖速性幻玉。所带以增荐大系傻统的捐无阻殖尼自舍然频悔率对苦提高烟系统诵性能椅是有液利的俊。若保昌持ωn不变崭而增骑大ζ，则蹈会使弱超调芹量Mp减小刑，增吗加相圆对稳巷定性爷，减寄弱系论统的勺振荡萌性能分。但微是，鉴在ζ>释0.圈7时，梳调整求时间咱随ζ的增摩大而潮增大喉，系凑统的秃快速光性变竭差。综合踩考虑幕系统椅的相息对稳拢定性(由最破大超火调量Mp决定)和快爹速性(由上语升时军间tr，峰域值时贝间tp，调喷整时葛间ts决定)，通害常取ζ=黄0.典6~冒0.吼8,这时蔽系统钳的超贱调量百在10坟%~洞2.烈5%之间掠，若ζ<本0.赴6，系甚统超菌调严愿重，高相对帜稳定锻性差起，若ζ>舒0.朱8，则奋系统品反应牲迟钝炊，灵应敏性流差。暖当ζ=毫0.财7时，勤超调余量和宏调整拆时间币均最赵小，静故称ζ=章0.翠7为最剑佳阻拥尼比吃。实现惨不失侄真测升试的滤条件测试装置一个泰线性馋测量僵装置蝴，其茅输入懂信号忘为X(状t),系统需的响蓬应是y(逮t).X(跟t)又可帐以分焰解为,X换(T秧)输入谨测试拜装置窗的响容应又叛可看秆作耍输入抗测试打装置说后的洒叠加.作为踩输入畏信号烘，系也统的田响应翅为:步.其中K1为放艇大倍园数，Q1为滞霜后相版位角.一般惭来说反，不理同频脚率的泉正弦悬输入昂系统贪后，舱其放抗大倍追数和潜滞后帆的相裂位角问是不偷同的.