测试装置特性.

西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征13.1测试系统3.2测试系统静态响应特性3.3测试系统动态响应特性3.4动态测试不失真的条件3.5常见测试系统的频率响应特性3.6测试系统动态特性的测试3.7组成测试系统应考虑的因素第三章测试系统的基本特性▼▼▼▼▼▼▼西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征23.1测试系统完成某种物理量的测量而由具有某一种或多种变换特性的物理装置构成的总体。()()ytkxt输入(重量)输出(弹簧位移)x(t)y(t)(a)线性弹簧的比例特性弹簧(线性比例特性)输入(激励)输出(响应)x(t)y(t)(b)一般系统与输入/输出的关系测试系统(对信号的传递特性))(ty)(tx1.测试系统定义及传递特性定义:西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征3简单测试系统(光电池)V测试系统是指由传感器、信号调理电路、信号处理电路、记录显示设备组成，并具有获取某种信息的功能的整体。被测对象传感器中间变换装置显示、记录装置物理量电量电量/数字量西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征4简单测试系统(红外体温)复杂测试系统(振动测量)系统失真西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征5传递特性:由测试装置自身的物理结构所决定的测试系统对信号传递变换的影响特性。系统的输出与输入量之间的变换或运算关系。输入(重量)输出(弹簧位移)x(t)y(t)(a)线性弹簧的比例特性弹簧(线性比例特性)输入(激励)输出(响应)x(t)y(t)(b)一般系统与输入/输出的关系测试系统(对信号的传递特性)西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征63)如果输入和系统特性已知，则可推断和估计系统的输出量。——预测1)当输入/输出是可测量的（已知），则可通过它们推断系统的传输特性。——系统辨识2)当系统特性已知，输出可测量，则可通过它们推断导致该输出的输入量。——反求由此根据测试要达到的要求正确合理选用仪器。x(t)h(t)y(t)输入量系统特性输出系统分析的三类问题西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征72.理想测试系统——线性时不变系统(1)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线性关系最佳。x(t)y(t)线性线性y(t)x(t)非线性y(t)x(t)(2)系统的特性不随时间的推移发生改变。西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征8测试系统输入x(t)和输出y(t)间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：(a)线性系统1110111101()()()()()()()()nnnnnnmmmmmmdytdytdytaaaaytdtdtdtdxtdxtdxtbbbbxtdtdtdt式中，an、an-1、…、a0和bm、bm-1、…、b0均为一些只与测试系统的特性有关的常数。上述方程就是常系数微分方程，所描述的是时不变线性系统，也称为定常线性系统。一般在工程中使用的测试系统（测试装置）都是线性系统。西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征9(b)线性系统的主要性质：1)叠加特性系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即线性时不变系统的各输入分量所引起的输出互不影响，即一个输入的存在并不影响另一个输入的响应。若则)()(),()(2211tytxtytx)()()()(2121tytytxtx西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征102)比例特性常数倍输入所得的输出等于所得输出的常数倍，即若则)()(tytx)()(tkytkx叠加特性和比例特性可统一表示为若则)()(),()(2211tytxtytx)()()()(2121tytytxtx西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征113)微分特性系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即若则)()(tytx)()(''tytx4)积分特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，即若则)()(tytxdttydttx)()(西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征125)频率保持性若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即若则)cos()(xtAtx)cos()(ytBty线性系统的主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测试工作中具有重要作用。西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征13(c)系统线性近似1110111101()()()()()()()()nnnnnnmmmmmmdytdytdytaaaaytdtdtdtdxtdxtdxtbbbbxtdtdtdt0)(tx)(ty线形段测试系统的局部线形实际测试系统中，系数都是随时间而缓慢变化的微变。一定的工作范围内和一定的误差允许范围，近似线性。▲以足够的精度认为多数常见的物理系统中的系数是常数西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征14d)测试系统传输特性的分类静态特性（Staticcharacteristics）：即输入量和输出量不随时间变化或变化缓慢时，输出与输入之间的关系，可用代数方程表示。动态特性（Dynamiccharacteristics）：即输入量和输出量随时间迅速变化时，输出与输入之间的关系，可用微分方程表示。西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征15对于静态测量的测试系统，一般只需衡量其静态特性、负载效应和抗干扰特性指标。在动态测试中，则需要以上四方面的特性指标来衡量。静态特性动态特性负载效应抗干扰特性传输特性（重要）为了获得准确的测量结果，常常对测试系统提出多方面的性能要求：西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征16如果测量时，测试系统的输入、输出信号不随时间而变化（变化极慢，在所观察的时间间隔内可忽略其变化而视作常量），则称为静态测量。静态测量时，测试系统表现出的响应特性称为静态响应特性。3.2测试系统静态响应特性0)(txt0x稳态信号)(tx0t-A0+A0动态信号西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征17理想测试系统其输入、输出之间呈单调、线性比例的关系。即输入、输出关系是一条理想的直线，斜率为S=b0/a0)()()()()()(1)()(011110111txbdttdxbdttxdbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnn在静态测试中，输入和输出不随时间而变化，而输入和输出的各阶导数均等于零。Sxxaby000)(tx)(ty线形段理想线形0)(txt0x稳态输入1.理想测试系统的静态特性0)(tx)(ty线形段实际线形西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征18当测试系统的输入x有一增量△x，引起输出y发生相应的变化△y时，则定义:如果是线性理想系统，则1.一位移传感器，当位移变化为1mm时，输出电压变化为300mV，则2.一机械式位移传感器，输入位移变化为0.01mm时，输出位移变化为10mm，则常数00abxyxyS静态测试灵敏度灵敏度S=300/1=300mV/mm放大倍数S=10/0.01=1000a)灵敏度S=△y/△x0输出输入21xy1——标定曲线2——拟和直线xy1x2x1y2y2.静态特性指标西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征19灵敏度的量纲取决于输入-输出的量纲。当输入与输出的量纲相同时，则灵敏度是一个无量纲的数，常称为”放大倍数“或”增益“。线性系统的灵敏度为常数，特性曲线是一条直线。非线性系统的特性曲线是一条曲线，其灵敏度随输入量的变化而变化。通常用一条参考直线代替实际特性曲线（拟合直线），拟合直线的斜率作为测试系统的平均灵敏度。灵敏度反映了测试系统对输入量变化反应的能力，灵敏度越高，测量范围往往越小，稳定性越差。（合理选取）西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征20西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征21b)非线性度标定曲线与拟合直线0yx．．．．．．．．12345678(a)0yx．．．．．．．．12345678标定曲线(b)0yx．．．．．．．．12345678(c)拟合直线拟合直线0yx．．．．．．．．12345678标定曲线(d)西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征22非线形度ix0A测量范围iyiB21xy)(iy1——标定曲线2——拟合直线非线性度:标定曲线与拟合直线的偏离程度。0yx．．．．．．．．拟合直线标定曲线实验标定西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征23偏离程度：在测试系统的标称输出范围(全量程)A内，标定曲线与其拟合直线的最大偏差B与A的比值，即非线性误差＝B/A×100％式中，A——输出信号的变化范围；B——标定曲线与其拟合直线下最大偏差，以输出量计。非线形度ix0A测量范围iyiB21xy)(iy1——标定曲线2——拟合直线用非线性误差来衡量西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征24量程为10V时的非线形度量程为1000V时的非线形度ix010V输入范围)(iyiyiB21xy1——标定曲线2——拟和直线=2Vix01000V输入范围)(iyiyiB21xy1——标定曲线2——拟和直线=2V非线性误差＝B/A×100％西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征25c)回程误差0Axyixiy2iy1ih回程误差测试系统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:回程误差=(hmax/A)×100%▲西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征26西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征27西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征28西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征29西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征30西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征31西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征32西华大学汽车与交通学院XiHuaUniversity汽车测试基础第三章测试系统的基本特征33