《测试系统特性》PPT课件.ppt

中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院第四章、测试系统特性第四章、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.建立测试系统的概念建立测试系统的概念 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.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中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院第四章、测试系统特性第四章、测试系统特性 测测试试系系统统是是执执行行测测试试任任务务的的传传感感器器、仪仪器器和和设设备备的的总称。总称。4.1 测试系统概论测试系统概论 复杂测试系统复杂测试系统(轴承缺陷检测轴承缺陷检测)简单测试系统简单测试系统(光电池光电池)V失真失真中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 无无论论复复杂杂度度如如何何，把把测测量量装装置置作作为为一一个个系系统统来来看看待待。问问题题简简化化为为处处理理输输入入量量x(t)、系系统统传传输输特特性性h(t)和和输输出出y(t)三三者之间的关系。者之间的关系。4.1 测试系统概论测试系统概论 3)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。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。(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)当输入、输出是可测量的当输入、输出是可测量的(已知已知)，可以通过它们推断系统的传输，可以通过它们推断系统的传输特性。特性。(系统辨识系统辨识)2)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。输入量。(反求反求)x(t)h(t)y(t)中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院测试系统基本要求测试系统基本要求 4.1 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、确定的输入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的输出量与之出关系。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另一个量。其中以输对应。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非线性非线性中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.1 测试系统概论测试系统概论 系统输入系统输入x(t)和输出和输出y(t)间的关系可以用常系数线性微间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：分方程来描述：线性系统线性系统一般在工程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。线性系统性质：线性系统性质：a)叠加性叠加性 系系统统对对各各输输入入之之和和的的输输出出等等于于各各单单个个输输入入的的输输出出之之和和，即即 若若 x1(t)y1(t)，x2(t)y2(t)则则 x1(t)x2(t)y1(t)y2(t)中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.1 测试系统概论测试系统概论 b)比例性比例性 常常数数倍倍输输入入所所得得的的输输出出等等于于原原输输入入所所得得输输出出的的常常数数倍倍，即即:若若 x(t)y(t)则则 kx(t)ky(t)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分，即系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即 若若 x(t)y(t)则则 x(t)y(t)d)积分性积分性 当当初初始始条条件件为为零零时时，系系统统对对原原输输入入信信号号的的积积分分等等于于原原输出信号的积分，即输出信号的积分，即 若若 x(t)y(t)则则 x(t)dt y(t)dt 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.1 测试系统概论测试系统概论 e)频率保持性频率保持性 若若系系统统的的输输入入为为某某一一频频率率的的谐谐波波信信号号，则则系系统统的的稳稳态态输输出将为同一频率的谐波信号，即出将为同一频率的谐波信号，即 若若 x(t)=Acos(t+x)则则 y(t)=Bcos(t+y)线性系统的这些主要特性，特别是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，在测量工符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。作中具有重要作用。中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。静态测量时，测试装置表现出的变化，则称为静态测量。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。响应特性称为静态响应特性。4.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性 a)灵敏度灵敏度 当当测测试试装装置置的的输输入入x有有一一增增量量x，引引起起输输出出y发发生生相相应应的变化的变化y时，则定义时，则定义:S=y/x 第四章、测试系统特性第四章、测试系统特性 灵敏度越高，系统反映输入微小变化的灵敏度越高，系统反映输入微小变化的能力就越强。在电子测量中，灵敏度越高往能力就越强。在电子测量中，灵敏度越高往往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量往容易引入噪声并影响系统的稳定性及测量范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越范围，在同等输出范围的情况下，灵敏度越大测量范围越小，反之则越大。大测量范围越小，反之则越大。中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性b.线性度线性度i：线性度：线性度max：特性曲线与参考直线的最大偏差：特性曲线与参考直线的最大偏差F.S：满量程输出的平均值：满量程输出的平均值根据参考直线的定义方法，可将线性度分为：根据参考直线的定义方法，可将线性度分为：理论线性度理论线性度：参考直线由：参考直线由0点和满量程输出点确定点和满量程输出点确定 独立线性度独立线性度：参考直线由最小二乘法确定。：参考直线由最小二乘法确定。有时，系统的输出输入在局部范围内是直线，则取此段做为有时，系统的输出输入在局部范围内是直线，则取此段做为标称输出范围标称输出范围。中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院c)回程误差回程误差 测测试试装装置置在在输输入入量量由由小小增增大大和和由由大大减减小小的的测测试试过过程程中中，对对于于同同一一个个输输入入量量所所得得到到的的两两个个数数值值不不同同的的输输出出量量之之间间差差值最大者为值最大者为hmax，则定义回程误差为，则定义回程误差为 回程误差回程误差=(hmax/A)100%中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院d)静态响应特性的其他描述静态响应特性的其他描述 精精度度：是是与与评评价价测测试试装装置置产产生生的的测测量量误误差差大大小小有有关关的的指指标。标。灵灵敏敏阀阀：又又称称为为死死区区，用用来来衡衡量量测测量量起起始始点点不不灵灵敏敏的的程程度。度。分分辨辨力力：指指能能引引起起输输出出量量发发生生变变化化时时输输入入量量的的最最小小变变化化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。测测量量范范围围：是是指指测测试试装装置置能能正正常常测测量量最最小小输输入入量量和和最最大大输入量之间的范围。输入量之间的范围。稳稳定定性性：是是指指在在一一定定工工作作条条件件下下，当当输输入入量量不不变变时时，输输出量随时间变化的程度。出量随时间变化的程度。可可靠靠性性：是是与与测测试试装装置置无无故故障障工工作作时时间间长长短短有有关关的的一一种种描描述。述。4.2 测试系统静态响应特性测试系统静态响应特性中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 在在对对动动态态物物理理量量进进行行测测试试时时，测测试试装装置置的的输输出出变变化化是是否否能能真真实实地地反反映映输输入入变变化化，则则取取决决于于测测试试装装置置的的动动态态响响应应特特性。性。4.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 第四章、测试系统特性第四章、测试系统特性 x(t)h(t)y(t)属于：系统分析中的三类问题属于：系统分析中的三类问题13)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。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。(预测预测)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)，可以通过它们推断系统的传输，可以通过它们推断系统的传输特性。特性。(系统辨识系统辨识)2)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。输入量。(反求反求)中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院a)传递函数传递函数 拉氏变换拉氏变换富氏变换富氏变换4.3 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：直直观观的的反反映映了了系系统统对对不不同同频频率率成成分分输输入入信信号的扭曲情况。号的扭曲情况。中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院传递函数测量传递函数测量 实验求传递函数的原理，简单明了。依次用不同频率实验求传递函数的原理，简单明了。依次用不同频率fi的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态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、相位，得到幅值比输出的幅值、相位，得到幅值比Ai、相位差、相位差i。从系统的最低测量频率从系统的最低测量频率fmin到系统的最高测量频率到系统的最高测量频率fmax，按一定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率，按一定的增量方式逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制在图上就可以得到系统的幅频和相频特性曲线。可以得到系统的幅频和相频特性曲线。4.3 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+x)则则 y(t)=Bcos(t+y)中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院第四章、测试系统特性第四章、测试系统特性 优点：优点：简单，信号发生器，简单，信号发生器，双踪示波器就可以双踪示波器就可以缺点：缺点：效率低效率低 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院第四章、测试系统特性第四章、测试系统特性 案例：案例：音响系统性能评定音响系统性能评定y(t)=x(t)*h(t)Y(f)=X(f)H(f)改进：改进：脉冲输入脉冲输入/白噪声输白噪声输入，测量输出，再求输出频入，测量输出，再求输出频谱。谱。飞机模态分析飞机模态分析中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院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)，因，因(t)的傅立叶变换为的傅立叶变换为1，因此装置输出，因此装置输出y(t)的傅立叶必将是的傅立叶必将是H(f)，即，即Y(f)=H(f)，或或y(t)=F-1H(S)，并可以记为，并可以记为h(t)，常称它为装置的脉冲，常称它为装置的脉冲响应函数或权函数。响应函数或权函数。4.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 时域波形参数识别时域波形参数识别优点：优点：直观直观缺点：缺点：简单系统识别简单系统识别中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 脉冲响应函数测量脉冲响应函数测量 实验求脉冲响应函数简单明了，产生一个冲击信号，实验求脉冲响应函数简单明了，产生一个冲击信号，再测量系统输出就可以了。再测量系统输出就可以了。案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理：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。中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院c)阶跃响应函数阶跃响应函数 若系统的输入信号为单位阶跃信号，即若系统的输入信号为单位阶跃信号，即x(t)=u(t)，则，则X(s)=1/s，此时，此时Y(s)=H(s)/s，固有，固有y(t)=L-1H(s)/s。4.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 时域波形参数识别时域波形参数识别优点：优点：直观直观缺点：缺点：简单系统识别简单系统识别中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.3 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，产生一个阶跃信号，实验求阶跃响应函数简单明了，产生一个阶跃信号，再测量系统输出就可以了。再测量系统输出就可以了。案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理：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。中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 设测试系统的输出设测试系统的输出y(t)与输入与输入x(t)满足关系满足关系 y(t)=A0 x(t-t0)4.4 系统不失真测量的条件系统不失真测量的条件第四章、测试系统特性第四章、测试系统特性 该测试系统该测试系统的输出波形与输的输出波形与输入信号的波形精入信号的波形精确地一致，只是确地一致，只是幅值放大了幅值放大了A0倍，倍，在时间上延迟了在时间上延迟了t0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。时域条件时域条件中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 y(t)=A0 x(t-t0)Y()=A0e-jt0X()4.4 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应分别满足不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足 A()=A0=常数常数 ()=-t0做傅立叶变换做傅立叶变换 频域定义频域定义中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.5 4.5 典型测试装置的动态特性典型测试装置的动态特性典型测试装置的动态特性典型测试装置的动态特性 一个大的系统往往可以分解成一些小系统的组合，这些一个大的系统往往可以分解成一些小系统的组合，这些小系统可分为小系统可分为零阶系统，一阶系统，二阶系统零阶系统，一阶系统，二阶系统。其他高阶系。其他高阶系统可由这三个理想化的小系统组合而成。因此只需要对这三统可由这三个理想化的小系统组合而成。因此只需要对这三个环节的动态特性有所了解，对高阶系统的性能分析也是可个环节的动态特性有所了解，对高阶系统的性能分析也是可能的。能的。N阶系统阶系统中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院1 一阶系统一阶系统4.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应传递函数传递函数温度温度 湿度湿度 酒精酒精阶跃响应阶跃响应0.63一阶系统主要的动态特性参数是时间常数。1.1 数学描述数学描述中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院1.2 一阶系统的特点一阶系统的特点 系统特性取决于时间常数系统特性取决于时间常数。越大，系统越大，系统惯性越大，响应时间越长。惯性越大，响应时间越长。越小，响应越越小，响应越快，可测频率范围越宽。为保证不失真测快，可测频率范围越宽。为保证不失真测量，最好使信号的最高频率量，最好使信号的最高频率max0.2c。4.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应1.3 值的试验测定值的试验测定 时域法：时域法：测试系统对于单位阶跃输入的响应测试系统对于单位阶跃输入的响应y(t)，令：，令：画出画出Z-t曲线，若该曲线为直线时，曲线，若该曲线为直线时，即直线斜率绝对值的倒即直线斜率绝对值的倒数。不然，该系统不是一阶系统数。不然，该系统不是一阶系统。对于一阶系统，其动态参数对于一阶系统，其动态参数值可以经过试验测定。值可以经过试验测定。中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院频率法：频率法：系统输入正弦波，依次求出输出系统输入正弦波，依次求出输出与输入的幅值比及相位差，描出幅、相频与输入的幅值比及相位差，描出幅、相频特性曲线。若其曲线与一阶系统相符，低特性曲线。若其曲线与一阶系统相符，低频段幅频特性平直，高频段斜率为频段幅频特性平直，高频段斜率为20db/10信频，相频由信频，相频由090度变化，则在相频为度变化，则在相频为-45度处，和水平幅频直线与倾斜直线的交点度处，和水平幅频直线与倾斜直线的交点处的频率为处的频率为的倒数。否则不是一阶系统。的倒数。否则不是一阶系统。4.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院2 二阶系统二阶系统称重称重(应变片应变片)加速度加速度(压电压电)对二阶系统而言，主要的动态特性参数是系统固有对二阶系统而言，主要的动态特性参数是系统固有频率频率 和阻尼系数和阻尼系数 。4.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应2.1 数学描述数学描述中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院2.2 二阶系统特性二阶系统特性其动态参数有两个：其动态参数有两个：阻尼比；阻尼比；n 固有频率。固有频率。为保证不失真测量，希望系统为保证不失真测量，希望系统0.707，这时，幅频特性曲，这时，幅频特性曲线的平直段最宽，相频特性曲线在线的平直段最宽，相频特性曲线在n时近似为一直线，时近似为一直线，表明不同频率成分的滞后时间为常数。表明不同频率成分的滞后时间为常数。为保证不失真测量，还希望信号的最高频率为保证不失真测量，还希望信号的最高频率max0.4n(对对于低通而言于低通而言)4.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应阻尼系数阻尼系数 的作用的作用中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应传递函数传递函数0.707阶跃响应函数阶跃响应函数d=2/tb2.3 参数估计参数估计中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院2.4二阶系统特性二阶系统特性其动态参数有两个：其动态参数有两个：阻尼比；阻尼比；n 固有频率。固有频率。为保证不失真测量，希望系统为保证不失真测量，希望系统0.707，这时，幅频特性曲，这时，幅频特性曲线的平直段最宽，相频特性曲线在线的平直段最宽，相频特性曲线在n时近似为一直线，时近似为一直线，表明不同频率成分的滞后时间为常数。表明不同频率成分的滞后时间为常数。为保证不失真测量，还希望信号的最高频率为保证不失真测量，还希望信号的最高频率max0.4n(对对于低通而言于低通而言)4.5 典型系统的动态响应典型系统的动态响应中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 在在实实际际测测量量工工作作中中，测测量量系系统统和和被被测测对对象象之之间间、测测量量系系统统内内部部各各环环节节相相互互连连接接会会产产生生相相互互作作用用。接接入入的的测测量量装装置置，构构成成被被测测对对象象的的负负载载；后后接接环环节节成成为为前前面面环环节节的的负负载载。彼彼此此间间存存在在能能量量交交换换和和相相互互影影响响，以以致致系系统统的的传传递递函函数数不不再再是各组成环节传递函数的叠加是各组成环节传递函数的叠加(并联并联)或连乘或连乘(串联串联)。4.6 负载效应负载效应 第四章、测试系统特性第四章、测试系统特性 未接入测量电路时，未接入测量电路时，R2上的电压降为：上的电压降为：接入测量电路后，接入测量电路后，R2上的电压降为：上的电压降为：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%。若将电压表测量电路负载电阻加大到若将电压表测量电路负载电阻加大到1M，则，则U1=84.9V，误差减小为，误差减小为5.76%。中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院案例：电阻传感器重量测量案例：电阻传感器重量测量 第四章、测试系统特性第四章、测试系统特性 造成非线性造成非线性中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院 在在测测量量过过程程中中，除除了了待待测测量量信信号号外外，各各种种不不可可见见的的、随随机机的的信信号号可可能能出出现现在在测测量量系系统统中中。这这些些信信号号与与有有用用信信号号叠叠加在一起，严重扭曲测量结果。加在一起，严重扭曲测量结果。4.7 测量系统的抗干扰测量系统的抗干扰 第四章、测试系统特性第四章、测试系统特性 中南大学机电工程学院中南大学机电工程学院4.7 测量系统的抗干扰测量系统的抗干扰 1)电磁干扰电磁干扰:干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。干扰以电磁波辐射方式经空间串入测量系统。2)信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产生的信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产生的 噪声或非线性畸变所造成的干扰。噪声或非线性畸变所造成的干扰。2)电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引起的 干扰。干扰。一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元信道干扰是测量装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元器件，印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干器件，印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰性。扰性。