第一章测试系统及其基本特性测试技术精Word下载.docx

1、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。y（t） = kx（tXt）依测试的内容、目的和要求等不同，测试系统的 组成可能会有很大的差别.本章所说的“测试系统”,可以是指整个较复杂的测 试系统，也可以是指测试系统中的各个小环节，例如 一个传感器，一个记录仪或某个仪器中的一个简单的 R滋波电路单元等例如，简单的温度测试只需要一个温度计，而对于机 床动刚度的测试，则不但需要图1.2所示的各个装置, 而且每个装置又将由多种仪器组合，测试系统显得相 当复杂。复杂测试系统（振动测量）口* E面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。输入

2、（激励）测试系统输出（响应）（对信号的传递特性）X（0y（0-v（z） y（t）1） 当输入、输出是可测S的（已知），可以通过它们推断系统的传输 特性。（系统辨识）由此根据测试要达到的要求正确合理选用仪器.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 的输入S。（反求）（载荷识别）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。（响应 预测）理想测试系统线性时不变系统理想的测试系统应该值的.确定-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 聂佳。1输出和输入成线性关系。即具有单值的、确定的输入 -输出

3、关系。2系统为时不变线性系统.1只能在较小工作范围内和在一定误差范围内满足 线性要求。2彳艮多物理系统是时变的在工程上，常可以以足够的精确度认为系统中的参数是时不变的常数。1. 2 测试系疑的数学描述对应，而且输出与输入之作为测试系统来说，希望最终观察到的输出信号 是确切地反映被测量，否则测试结果就会产生歧义。 也就是说理想的测试系统应该是每一个输入量，都有 一个单一的输出量与之 间还应当是线性关系，即具有单值的、确定的输入/ 输出关系.W）1f线性O W）1线性W）O OOo ooO O OX（0：。x（Z）O。x（t） i（t）图示的ROf氐通滤波系统其输入电压x（t）,输出电压为y（t）

4、,根据电 路电压平衡关系：系统中it=eI丿dt据此可以建立H和间的运动微分方程：RC響+心呦是一个一阶常系数线性微分方程图示的扭摆装置据系统的动力学特性，可以建立系统的运动微分 方程： ./、 /、J牌十今1-K呦是一个二阶常系数线性後分方程Utt线性系统测试系统输入x（t）和输出y（t）间的关系可以用常 性微分方程来描述：dy（t） , , dy（t）Cl. H Cl. : + e H 6Zy（Z）” de z ch”- * dt 。八；d”Z） , ； /”-（）.；厶，；c、= b,n h b, , : 1 b. h b,.xt）dr I 力心 * dt 式中，n n-1 &0禾Aa-

5、1 * * 6均为 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。1.3线性系统的性质 （1）叠加特性线性系统的叠加特性I 常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数 倍，即：若贝IJ比例特性示例（3） 微分特性系统对原输入信号的微分的输出等于原输出信号的微分, 即x（t） f x*（t） Tyrt）积分特性系统对原输入传号的积分的输出等 即X（t） T J（t）jx（t）dt y（t）dt当初始条件为零时, 于原输出信号的积分, 若 贝IJIx（t）=Acos（et+（p-） j（

6、t）=Bcos（ot+ （p-V）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，即叠加原 频率保持性，BI（C）系统线性近似严（0 dvO） ,、H GCl h Cl I J + G H ） du - dfz dt J dx（t）,严班/） , dx（t） , /、=+ b心 + 2 才+ Z）/实际测试系统中，系数都是随 时间而缓慢变化的微变定的工作范围内和一定的 误差允许范围，近似线性测试系统的局部线形如果测量时，测试系统的输入、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

7、 应特性.稳态输入L理想测试系统的静态特性/ y（F） / v（Z） i/v（z） ,、” d严 心d严1 dt 2丿,d啦），5（0 ,厶,、加 +亠】 + + /, +h,x（t）科dr 心d严 dt注在静态测试中，输入和输出不随时间 而变化，而输入和输出的各阶导数理想测试输入、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4 bj *0当测试系统的输入埔一增量*,引起输出浚生相应的变化jB寸，则定义:S=Aj/Ax如果是线性理想系统，則生丿=常数Av X 1- 一位移传感器，当位移变化为1mm时，输 出电压变化为则灵敏度 S=300/l =300inV/mm

8、2机械式位移传感器，输入位移变化为 （MHmm时，输出位移变化为lOmnu则放大借数 8=10/0.01=1000SI 1标定IJII线2拟和rt线工、仏、 输入 .X静态测试灵敏度标定曲线与拟合直线线性度：标定曲线与拟合直线程度。偏离程度：用非线性误差来衡量非线性误差= B/AX100%测试系统在输入g由小增大和由大减小的测试过程中, 对个输入g所得到的两个数值不同的输出量之间差 九,弋，则定义回程误差为：程误差=（h,yA）X100%（4）.稳定度和漂移稳定度是指测量装置在规定条件下保持其测量 特性恒定不变的能力.通常在不指明影响童时，稳定度指装置不受时间变 化形响的能力.漂移是指测量特性

9、随时间的慢变化。动态特性:输入量随时间作快速变化时，测试系统的输出随 输入而变化的关系。在对动态物理童进行测试时，测试系统的输出变化是 否能真实地反映输入变化，則取决于测试系统的动态响应 特性。例：测体温.（对信的传递特件）（0用特定的输入信号作用于测试系统，测量输出（已 知），由此推断系统的传输特性。（系统辨识）1.传递函数（Transfer function）条件：线性系统的初始状态零X（S）, y（t）_ Y（S）进行拉普拉斯变换：叫市rr waX dx（t , , df , , Mt） H H b. i + 也 h ）得 J 円 dr I d严 dt as + $i + +4S + d

10、）Y（s）= dsyyMs + %）x（s）系统的传递函数H（S）：H（s）= 迪=“异”+休少”一+於+勺，X（S） 勺s” +%s心+卒+如其中，s为复变量，S=a+j0. 代表微分方程的阶数；如/i=U/=2就分别 称为一阶或二阶系统。H=如 =“y +b心S心+ +bX（S） + + + S+ao传递函数.描述系统动态特性输出5久列+b心$心+勺s+%a 3 +勺“31 + +7,S +0。传递函数的特点只反映系统对输入的响应特性，与测量信号无关， 与具体的物理结构无关3（s）中的分母完全由系统的结构所决定，分母中最高次 覃/7代表系统微分方程的阶数。而分子则激励点位置、 激励方式、所

11、测量的变量以及测量点布*椅况有关H（S）是实际物理系统抽象为数学模型后的拉普拉斯变换, 因此，物理性质不同的系统或元件，可以具有相同类型 的传递函数H（S）.Qh（s）以测试系统本身的參数栽示出输入与输出之间的关 系，所以它将包含着联系输入量与输出量所必须的单位。H（s）= 2m =勺仇十勺 S+ZoX（S） a,S +a”jST + + %S + ao2频率响应函数（Frequency response function）传递函数是在复数域中描述和考察系统的特性.频率 响应函数是在频域中描述和考察系统特性。H（S）=迪=勺心 + 於+%X（S） d“S + qS 4 cZjS + d。H（阳 w 二OX+ZUM严 + H（M） + b。以= 代入H（s）得:X（j0） Q“（j6）+a“（j0）T+- + Q|（j0）+Qo频率响应函数是传递函数的特例。Y（jG） = X（jG）Hjo）若线性系统，其输入是频率为e的正弦信号W）=Xo23+Q,那么，在稳定状态下，根据线性 系统的频率保持特性，该系统的输出仍然会是一个频率 为的正弦信号，只是其幅值和相位与綺入有所不同， 因而其输出可写成：式中，岭和0为未知量。兀 3）= XodH 固 g（诃