《测试系统特性》PPT课件.ppt
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1、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
2、(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
3、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
4、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(
5、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
6、(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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、)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
13、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
14、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
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