工程測試技術(shù)基礎(chǔ)--第四部分-測試系統(tǒng)特性第一頁，共29頁。第四章、測試系統(tǒng)特性

測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。

4.1測試系統(tǒng)概論復(fù)雜測試系統(tǒng)(軸承缺陷檢測)簡單測試系統(tǒng)(光電池)V第二頁，共29頁。無論復(fù)雜度如何，把測量裝置作為一個系統(tǒng)來看待。問題簡化為處理輸入量x(t)、系統(tǒng)傳輸特性h(t)和輸出y(t)三者之間的關(guān)系。4.1測試系統(tǒng)概論

3)如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計系統(tǒng)的輸出量。(預(yù)測)系統(tǒng)分析中的三類問題：1)當輸入、輸出是可測量的(已知)，可以通過它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。(系統(tǒng)辨識)2)當系統(tǒng)特性已知，輸出可測量，可以通過它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。(反求)x(t)h(t)y(t)第三頁，共29頁。測試系統(tǒng)基本要求

4.1測試系統(tǒng)概論

理想的測試系統(tǒng)應(yīng)該具有單值的、確定的輸入－輸出關(guān)系。對于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對應(yīng)。知道其中一個量就可以確定另一個量。其中以輸出和輸入成線性關(guān)系最佳。xy線性xy線性xy非線性第四頁，共29頁。4.1測試系統(tǒng)概論

系統(tǒng)輸入x(t)和輸出y(t)間的關(guān)系可以用常系數(shù)線性微分方程來描述：

線性系統(tǒng)一般在工程中使用的測試裝置都是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)性質(zhì)：a)疊加性

系統(tǒng)對各輸入之和的輸出等于各單個輸入的輸出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)則x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)第五頁，共29頁。4.1測試系統(tǒng)概論

b)比例性常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍，即:若x(t)→y(t)則kx(t)→ky(t)c)微分性系統(tǒng)對原輸入信號的微分等于原輸出信號的微分，即若x(t)→y(t)則x'(t)→y'(t)d)積分性當初始條件為零時，系統(tǒng)對原輸入信號的積分等于原輸出信號的積分，即若x(t)→y(t)則∫x(t)dt→∫y(t)dt第六頁，共29頁。4.1測試系統(tǒng)概論

e)頻率保持性若系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號，即若x(t)=Acos(ωt+φx)則y(t)=Bcos(ωt+φy)線性系統(tǒng)的這些主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持性，在測量工作中具有重要作用。第七頁，共29頁。如果測量時，測試裝置的輸入、輸出信號不隨時間而變化，則稱為靜態(tài)測量。靜態(tài)測量時，測試裝置表現(xiàn)出的響應(yīng)特性稱為靜態(tài)響應(yīng)特性。4.2測試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性a)靈敏度當測試裝置的輸入x有一增量△x，引起輸出y發(fā)生相應(yīng)的變化△y時，則定義:S=△y/△x第四章、測試系統(tǒng)特性

第八頁，共29頁。4.2測試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性b)非線性度標定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。非線性度=B/A×100%c)回程誤差測試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測試過程中，對于同一個輸入量所得到的兩個數(shù)值不同的輸出量之間差值最大者為hmax，則定義回程誤差為回程誤差=(hmax/A)×100%第九頁，共29頁。d)靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述

精度：是與評價測試裝置產(chǎn)生的測量誤差大小有關(guān)的指標。

靈敏閥：又稱為死區(qū)，用來衡量測量起始點不靈敏的程度。

分辨力：指能引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量，表明測試裝置分辨輸入量微小變化的能力。

測量范圍：是指測試裝置能正常測量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。

穩(wěn)定性：是指在一定工作條件下，當輸入量不變時，輸出量隨時間變化的程度?？煽啃裕菏桥c測試裝置無故障工作時間長短有關(guān)的一種描述。4.2測試系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性第十頁，共29頁。在對動態(tài)物理量進行測試時，測試裝置的輸出變化是否能真實地反映輸入變化，則取決于測試裝置的動態(tài)響應(yīng)特性。4.3測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性第四章、測試系統(tǒng)特性

x(t)h(t)y(t)屬于：系統(tǒng)分析中的三類問題13)如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計系統(tǒng)的輸出量。(預(yù)測)1)當輸入、輸出是可測量的(已知)，可以通過它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。(系統(tǒng)辨識)2)當系統(tǒng)特性已知，輸出可測量，可以通過它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。(反求)第十一頁，共29頁。a)傳遞函數(shù)拉氏變換富氏變換4.3測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)點：直觀的反映了系統(tǒng)對不同頻率成分輸入信號的扭曲情況。第十二頁，共29頁。傳遞函數(shù)測量實驗求傳遞函數(shù)的原理，簡單明了。依次用不同頻率fi的簡諧信號去激勵被測系統(tǒng)，同時測出激勵和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差φi。從系統(tǒng)的最低測量頻率fmin到系統(tǒng)的最高測量頻率fmax，按一定的增量方式逐步增加正弦激勵信號頻率f，記錄下各頻率對應(yīng)的幅值比和相位差，繪制在圖上就可以得到系統(tǒng)的幅頻和相頻特性曲線。4.3測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性依據(jù)：頻率保持性若x(t)=Acos(ωt+φx)則y(t)=Bcos(ωt+φy)第十三頁，共29頁。第四章、測試系統(tǒng)特性

優(yōu)點：簡單，信號發(fā)生器，雙蹤示波器就可以缺點：效率低第十四頁，共29頁。第四章、測試系統(tǒng)特性

案例：音響系統(tǒng)性能評定y(t)=x(t)*h(t)Y(f)=X(f)H(f)

改進：脈沖輸入/白噪聲輸入，測量輸出，再求輸出頻譜。第十五頁，共29頁。b)脈沖響應(yīng)函數(shù)若裝置的輸人為單位脈沖δ(t)，因δ(t)的傅立葉變換為1，因此裝置輸出y(t)的傅立葉必將是H(f)，即Y(f)=H(f)，或y(t)=F-1[H(S)]，并可以記為h(t)，常稱它為裝置的脈沖響應(yīng)函數(shù)或權(quán)函數(shù)。4.3測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性時域波形參數(shù)識別優(yōu)點：直觀缺點：簡單系統(tǒng)識別第十六頁，共29頁。4.3測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性脈沖響應(yīng)函數(shù)測量實驗求脈沖響應(yīng)函數(shù)簡單明了，產(chǎn)生一個沖擊信號，再測量系統(tǒng)輸出就可以了。案例：橋梁固有頻率測量原理：在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。第十七頁，共29頁。c)階躍響應(yīng)函數(shù)若系統(tǒng)的輸入信號為單位階躍信號，即x(t)=u(t)，則X(s)=1/s，此時Y(s)=H(s)/s，固有y(t)=L-1[H(s)/s]。4.3測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性時域波形參數(shù)識別優(yōu)點：直觀缺點：簡單系統(tǒng)識別第十八頁，共29頁。4.3測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性階躍響應(yīng)函數(shù)測量實驗求階躍響應(yīng)函數(shù)簡單明了，產(chǎn)生一個階躍信號，再測量系統(tǒng)輸出就可以了。案例：橋梁固有頻率測量原理：在橋中懸掛重物，然后突然剪斷繩索，產(chǎn)生階躍激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。第十九頁，共29頁。設(shè)測試系統(tǒng)的輸出y(t)與輸入x(t)滿足關(guān)系y(t)=A0x(t-t0)4.4系統(tǒng)不失真測量的條件第四章、測試系統(tǒng)特性

該測試系統(tǒng)的輸出波形與輸入信號的波形精確地一致，只是幅值放大了A0倍，在時間上延遲了t0而已。這種情況下，認為測試系統(tǒng)具有不失真的特性。時域條件第二十頁，共29頁。y(t)=A0x(t-t0)Y(ω)=A0e-jωt0X(ω)4.4系統(tǒng)不失真測量的條件不失真測試系統(tǒng)條件的幅頻特性和相頻特性應(yīng)分別滿足A(ω)=A0=常數(shù)φ(ω)=--t0ω做傅立葉變換頻域定義第二十一頁，共29頁。1一階系統(tǒng)4.5典型系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)第四章、測試系統(tǒng)特性

傳遞函數(shù)階躍響應(yīng)溫度濕度酒精0.63一階系統(tǒng)主要的動態(tài)特性參數(shù)是時間常數(shù)。第二十二頁，共29頁。2二階系統(tǒng)稱重(應(yīng)變片)加速度(壓電)對二階系統(tǒng)而言，主要的動態(tài)特性參數(shù)是系統(tǒng)固有頻率和阻尼系數(shù)。

4.5典型系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)第二十三頁，共29頁。4.5典型系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)傳遞函數(shù)0.707階躍響應(yīng)函數(shù)fn=1/tb第二十四頁，共29頁。4.5典型系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)阻尼系數(shù)的作用第二十五頁，共29頁。

在實際測量工作中，測量系統(tǒng)和被測對象之間、測量系統(tǒng)內(nèi)部各環(huán)節(jié)相互連接會產(chǎn)生相互作用。接入的測量裝置，構(gòu)成被測對象的負載；后接環(huán)節(jié)成為前面環(huán)節(jié)的負載。彼此間存在能量交換和相互影響，以致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不再是各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的疊加(并聯(lián))或連乘(串聯(lián))。4.6負載效應(yīng)第四章、測試系統(tǒng)特性

未接入測量電路時，R2上的電壓降為：

接入測量電路后，R2上的電壓降為：

令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得:U0=90V,U1=64.3V，誤差達28.