测试系统特性分析课件

测试系统特性分析

测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。构成：传感器、信号调理、信号记录、数据采集、数据处理与显示等

2.1测试系统概论

简单测试系统(光电池)V复杂测试系统(轴承缺陷检测)加速度计带通滤波器包络检波器测试系统的组成试验对象和试验目的不同，其测试系统的组成会存在很大的差异汽车试验工作之前解决：如何选用测试仪器如何组成测试系统原则：技术上合理、经济上可行数学模型：一般测试系统由三个基本环节组成上图表示输入信号x(t)送入此组件后经过规定的传输特性h(t)转变为输出信号y(t)。其中h(t)为由此组件的物理性能决定的数学运算法则。对比例放大环节h(t)可写成k（电子或机械装置的放大系数）2.2测试系统的静态特性

一般的工程测试问题总是处理输入量x(t)、系统的传输转换特性和输出量y(t)三者之间的关系。①x(t)、y(t)是可以观察的量，则通过x(t)、y(t)可推断测量系统的传输特性或转换特性；（标定）②h(t)已知，y(t)可测，则可通过h(t)、y(t)推断导致该输出的相应输入量x(t)，这是工程测试中最常见的问题；③若x(t)、h(t)已知，则可推断或估计系统的输出量。（测试）理想的测量系统应该具有单值的、确定的输入―输出关系。其中以输出和输入成线性关系为最佳（线性度）。在静态测量中，测量系统的这种线性关系虽说总是所希望的，但不是必须的，因为在静态测量中可用曲线校正或输出补偿技术作非线性校正；在动态测量中，测量工作本身应该力求是线性系统，这不仅因为目前只有对线性系统才能作比较完善的数学处理与分析，而且也因为在动态测试中作非线性校正目前还相当困难。欲使测量结果具有普遍的科学意义，测试系统应当是经过检验的。标定：用已知的标准校正仪器或测量系统的过程称为标定。输入到测量系统中的已知量是静态量还是动态量，标定分静态标定和动态标定。

测试系统的静态标定与静态特性静态标定：就是将原始基准器，或比被标定系统准确度高的各级标准器或已知输入源作用于测量系统，得出测量系统的激励－响应关系的实验操作。

要求：标定时，一般应在全量程范围内均匀地取定5个或5个以上的标定点（包括零点）正行程：从零点开始，由低至高，逐次输入预定的标定值此称标定的正行程。反行程：再倒序依次输入预定的标定值，直至返回零点，此称反行程。静态标定①确定仪器或测量系统的输入－输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；②确定仪器或测量系统的静态特性指标；③消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度静态标定的主要作用第2章、测试系统特性分析测试系统的静态特性

测试系统的静态特性：通过静态标定，可得到测量系统的响应值yi和激励值xi之间的一一对应关系，称为测量系统的静态特性。测量系统的静态特性可以用一个多项式方程表示，即

称为测量系统的静态数学模型工作曲线：方程称之为工作曲线或静态特性曲线。实际工作中，一般用标定过程中静态平均特性曲线来描述。正行程曲线：正行程中激励与响应的平均曲线反行程曲线：反行程中激励与响应的平均曲线实际工作曲线：正反行程曲线之平均工作曲线

正行程工作曲线反行程工作曲线Y(t)0X(t)实际工作曲线工作曲线

理想的情况是测量系统的响应和激励之间有线性关系，这时数据处理最简单，并且可和动态测量原理相衔接。由于原理、材料、制作上的种种客观原因，测量系统的静态特性不可能是严格线性的。如果在测量系统的特性方程中，非线性项的影响不大，实际静态特性接近直线关系，则常用一条参考直线来代替实际的静态特性曲线，近似地表示响应－激励关系。测量系统的静态特性

评价测试系统静态特性的指标1、灵敏度

当测试装置的输入x有一增量△x,引起输出y发生相应变化△y时,定义:S=△y/△x（放大倍数）yx△x△y当特性曲线呈非线性关系时，灵敏度的表达式为：xxyyy△y△y△x△x00(a)(b)x灵敏度2．分辨率

分辨率是指测量系统能测量到输入量最小变化的能力，即能引起响应量发生变化的最小激励变化量，用△x表示。由于测量系统或仪器在全量程范围内，各测量区间的△x不完全相同，因此常用全量程范围内最大的△x即△xmax与测量系统满量程输出值YFS之比的百分率表示其分辨能力，称为分辨率，用F表示，即重复性表示测量系统在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次(三次以上)测量时，对于同一个激励量其测量结果的接近程度。yYFSXFS△R0x3、重复性重复性误差为随机误差，引用误差表示形式为△R——同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的极差2.2测试系统静态响应特性4、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hmax，则定义回程误差为:(hmax/A)×100%yxhmaxA迟滞：亦称滞后量、滞后或回程误差，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大(正行程)或由大到小(反行程)两者静态特性不一致的程度。显然,越小,迟滞性能越好正行程工作曲线反行程工作曲线y0YFSXFS△Hmaxx迟

滞2.2测试系统静态响应特性5、线性度

标定曲线与拟合直线的偏离程度就是线性度。

线性度=B/A×100%yxB6、漂移温度的变化及元器件性能的不稳定所引起的零点漂移、灵敏度漂移

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。7、静态响应特性的其他描述2.2测试系统静态响应特性精度：是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标

灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。

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之间的范围。

可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。2.2测试系统静态响应特性案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量

灵敏度=△y/△x非线性度=B/A×100%回程误差=(hmax/A)×100%测量范围：在测量静态信号时，线性测量系统的输出―输入特性是一条直线，二者之间有一一对应的关系，而且因为被测信号不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。测量系统对动态信号的测量任务不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要测量和记录动态信号变化过程的波形，这就要求测量系统能迅速准确地测出信号幅值的大小和无失真地再现被测信号随时间变化的波形。预备知识——线性时不变系统2.2测试系统的动态特性

测量系统的动态特性是指系统对激励（输入）的响应（输出）特性。一个动态特性好的测量系统，其输出随时间变化的规律（变化曲线），将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。测量系统应保证系统的信号输出能精确地反映输入。对于一个理想的测量系统应具有确定的输入与输出关系。其中输出与输入成线性关系时为最佳，即理想的测量系统应当是一个线性时不变系统。要精确地建立测量系统的数学模型是很困难的。从数学上可以用常系数线性微分方程表示系统的输出量y与输入量x的关系，这种方程的通式如下：式中，an、an-1、…、a1、a0和bm、bm-1、…、b1、b0均为与系统结构参数有关但与时间无关的常数。2.1测试系统概论

2.2.1线性系统性质：a)叠加性

系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)

则x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)b)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，即:

若x(t)→y(t)则kx(t)→ky(t)说明：系统不具备该性质2.1测试系统概论

c)微分性

系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即若x(t)→y(t)则x'(t)→y'(t)d)积分性

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，即若x(t)→y(t)则∫x(t)dt→∫y(t)dt若输入为正弦信号:x(t)=Asin

t

则输出函数必为:y(t)=Bsin(

t±

)上式表明，在稳态时线性系统的输出，其频率恒等于原输入的频率，但其幅值与相角均有变化。e）频率不变性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，在测量工作中具有重要作用。

线性时不变系统的两个十分重要的性质，即叠加性和频率不变性。根据叠加性质，当一个系统有n个激励同时作用时，那么它的响应就等于这n个激励单独作用的响应之和。即各个输入所引起的输出是互不影响的。在分析常系数线性系统时，可将一个复杂的激励信号分解成若干个简单的激励，如利用傅里叶变换，将复杂信号分解成一系列谐波或分解成若干个小的脉冲激励，然后求出这些分量激励的响应之和。频率不变性表明，当线性系统的输入为某一频率时，则系统的稳态响应也为同一频率的信号。在工程应用中，通常采用一些足以反映系统动态特性的函数，将系统的输出与输入联系起来。这些函数有传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数等。对上式取拉氏变换，并认为和及它们的各阶时间导数的初值为零，则得上式等号右边是一个与输入无关的表达式，它只与系统结构参数有关，因而等号右边是测量系统特性的一种表达式，是一个描述测量系统转换及传递信号特性的函数2.2.2系统的传递函数定义其初