测试装置的基本特性.pptx
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1、南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系3.1 概概 述述对测试装置的基本要求对测试装置的基本要求通常的工程测试问题总是处理输入量通常的工程测试问题总是处理输入量x(t)x(t)、装置(系统)、装置(系统)的传输特性的传输特性h(t)h(t)和输出量和输出量y(t)y(t)三者之间的关系。如图:三者之间的关系。如图:1 1)如果)如果x(t)x(t)、y(t)y(t)可以观察可以观察(已知已知),则可推断,则可推断h(t)h(t)。辨识辨识2 2)如果)如果h(t)h(t)已知,已知,y(t)y(t)可测,则可推断可测,则可推断x(t)x(t)。反求。反求3 3)如果)如果x(t)x(t)
2、和和h(t)h(t)已知,则可推断和估计已知,则可推断和估计y(t)y(t)。预测。预测第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系 理想理想的测试装置应该的测试装置应该 输出和输入成线性关系。即具有单值的输出和输入成线性关系。即具有单值的 、确定的输、确定的输入入-输出关系。输出关系。系统为时不变线性系统。系统为时不变线性系统。实际实际的测试装置的测试装置只能在较小工作范围内和在一定误差允许范围内满只能在较小工作范围内和在一定误差允许范围内满足线性要求。足线性要求。很多物理系统是时变的。在工程上,常可以以足够很多物理系统是时变的。在工程上,
3、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。的精确度认为系统中的参数是时不变的常数。第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 测测试试装装置置是是执执行行测测试试任任务务的的传传感感器器、仪仪器器和设备的总称。和设备的总称。简单测试系统简单测试系统(光电池光电池)V南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 复杂测试系统复杂测试系统(轴承缺陷检测轴承缺陷检测)加速度计加速度计 带通滤波器带通滤波器 包络检波器包络检波器南京工程学院
4、车辆工程系南京工程学院车辆工程系第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 不失真测量:不失真测量:南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系3.2 3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性 第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 如果测量时,测试装置的输入、输出信如果测量时,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。号不随时间而变化,则称为静态测量。南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系 静态测量时,测试装置表现出的响应特性静态测量时,测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。称为静态响应特性。1)灵敏度灵敏度 当当测测试试装装置置的的输输入入x
5、有有一一增增量量x,引引起起输输出出y发发生生相相应变化应变化y时时,定义定义:S=y/x第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 yxxy南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系 当装置的输入当装置的输入x x有一个变化量有一个变化量x x,它引起输出,它引起输出y y发生发生相应的变化量相应的变化量y y,则定义,则定义灵敏度灵敏度 对于理想的定常线性系统,灵敏度应当是对于理想的定常线性系统,灵敏度应当是 但是,一般的测试装置总不是理想定常线性系统,但是,一般的测试装置总不是理想定常线性系统,用拟合直线的斜率来作为该装置的灵敏度。用拟合直线的斜率来作为该装置的灵敏度。灵敏度有
6、量纲,其单位取决于输入、输出量的单位。灵敏度有量纲,其单位取决于输入、输出量的单位。南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性2)线性度线性度 实实际际曲曲线线与与拟拟合合直直线线的的偏偏离离程程度度就就是是线线性性度度,也也称为非线性误差,非线性误差称为非线性误差,非线性误差=B/A100%yxBA南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系 非线性误差非线性误差=B/A*100%=B/A*100%B B为校准曲线与拟合直线的最大偏差。为校准曲线与拟合直线的最大偏差。A A为装置的标称输出范围。为装置的标称输出范围。3.2 测试装置的静态特性测试
7、装置的静态特性南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系 常用拟合直线的方法:最小二乘法常用拟合直线的方法:最小二乘法 在许多实际问题中,往往需要根据实验测得两在许多实际问题中,往往需要根据实验测得两个变量个变量x与与y的若干组实验数据的若干组实验数据(x1,y1),(xn,yn)来建来建立这两个变量的函数关系的近似式,这样得到的函立这两个变量的函数关系的近似式,这样得到的函数近似式称为数近似式称为经验公式经验公式。通过对实验数据的处理,能够判断通过对实验数据的处理,能够判断x、y大体上满足大体上满足某种类型的函数关系某种类型的函数关系yf(x,a1,a2,as),但是其中,但是其中s个个参
8、数参数a1,a2,as的值需要通过的值需要通过n组实验数据来确定。组实验数据来确定。3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系 通常可以这样来确定参数:选择参数通常可以这样来确定参数:选择参数a1,a2,as,使,使得得f(x,a1,a2,as)在在x1,x2 xn处的函数值与实验数据处的函数值与实验数据 y1,y2 yn 的偏差的平方和为最小。的偏差的平方和为最小。就是使就是使 当当f(x,a1,a2,as)是是s个参数的线性函数时,利用求个参数的线性函数时,利用求极值与解线性方程组的方法可以解决。极值与解线性方程组的方法可以解决。为最小,这种方
9、法称为最小二乘法。为最小,这种方法称为最小二乘法。3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系例如:若例如:若x、y大体上满足线性关系即大体上满足线性关系即f(x,a,b)ax+b,则则D(a,b)由多元极值的求法有由多元极值的求法有解上述关于解上述关于a、b的二元一次方程组得的二元一次方程组得 a,b从而求得经验公式从而求得经验公式yaxb。3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系的大小是衡量经验公式精度的一种尺度。的大小是衡量经验公式精度的一种尺度。3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性南京工
10、程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性3)3)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值最最大大者者为为hmaxhmax,则则定定义义回回程程误误差差为为:(hmax/A)100%(hmax/A)100%y yx xhmaxhmaxA A南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系 回程误差是由迟滞现象产生的,即由于装置内回程误差是由迟滞现象产生的,即由于装置内部的弹性元件、磁性
11、元件的滞后特性以及机械部分部的弹性元件、磁性元件的滞后特性以及机械部分的摩擦、间隙、灰尘积塞等原因造成的。的摩擦、间隙、灰尘积塞等原因造成的。3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系4)4)静态特性的其他描述静态特性的其他描述3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性精度:精度:是与评价测试装置产生的测量是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标误差大小有关的指标 灵敏阀:灵敏阀:又称为死区,用来衡量测量又称为死区,用来衡量测量起始点不灵敏的程度。起始点不灵敏的程度。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
12、的最最小小变变化化量量,表表明明测测试试装装置置分分辨辨输输入入量量微微小小变变化化的的能力。能力。南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系测量范围:测量范围:是指测试装置能正常测是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的量最小输入量和最大输入量之间的范围。范围。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一种描述。的一种描述。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,输输出出量量随随时时间间变化的程度。变化的程度。3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工
13、程系零点漂移:零点漂移:使测量装置的输出零点偏离原始零点使测量装置的输出零点偏离原始零点的距离。的距离。灵敏度漂移:灵敏度漂移:由于材料性质的变化所引起的输入由于材料性质的变化所引起的输入与输出关系(斜率)的变化。与输出关系(斜率)的变化。总误差:总误差:零点漂移和灵敏度漂移之和零点漂移和灵敏度漂移之和。一般情况下,后者的数值很小,可以忽略不一般情况下,后者的数值很小,可以忽略不计,于是只考虑零点漂移。计,于是只考虑零点漂移。南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系案例:案例:物料配重自动测量系统的静态参数测量物料配重自动测量系统的静态参数测量 灵敏度灵敏度=y/x线性度线性度=B/A10
14、0%回程误差回程误差=(hmax/A)100%测量范围:测量范围:3.2 测试装置的静态特性测试装置的静态特性南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系 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)x(t)、系系统统传传输输特性特性h(t)h(t)和输出和输出y(t)y(t)三者之间的关系。三者之间的关系。x(t)h(t)y(t)输入量输入量系统特性系统特性输出输出3.3 3.3 测试装置的动态特性测试装置的动态特性 第三章第三章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 南京工程学院车辆工程系南京工程学
15、院车辆工程系3.3 测试装置的动态特性测试装置的动态特性 理想的测试装置应该具有单值的、确定的输理想的测试装置应该具有单值的、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另一个量。其中以输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非线性非线性南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系 系统输入系统输入x(t)x(t)和输出和输出y(t)y(t)间的关系可以用常间的关系可以用常系数线性微分方程来描述:系数线性微分方程
16、来描述:一、线性系统一、线性系统(时域描述时域描述)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。3.3 测试装置的动态特性测试装置的动态特性 南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系线性系统性质: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之和,即出之和,即 若若 x1(t)y1(t),x2(t)y2(t)则则 x1(t)x2(t)y1(t)y2(t)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数倍,即常数倍,即:若若 x(t)y
17、(t)则则 kx(t)ky(t)3.3 测试装置的动态特性测试装置的动态特性 南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系c)微分性微分性 系系统统对对原原输输入入信信号号的的微微分分等等于于原原输输出出信信号号的的微微分,即分,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等于原输出信号的积分,即分等于原输出信号的积分,即 若若 x(t)y(t)则则 x(t)dt y(t)dt 3.3 测试装置的动态特性测试装置的动态特性 南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系e)e)频率保持性频率保持性
18、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,则则系系统统的稳态输出将为同一频率的谐波信号,即的稳态输出将为同一频率的谐波信号,即 若若 则则 线性系统的这些主要特性,特别是符合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,在测量工作中具有叠加原理和频率保持性,在测量工作中具有重要作用。重要作用。3.3 测试装置的动态特性测试装置的动态特性 南京工程学院车辆工程系南京工程学院车辆工程系(一一)传递函数传递函数对微分方程进行拉氏变换,对微分方程进行拉氏变换,线性系统初始条件为零时,线性系统初始条件为零时,二、用传递函数或频率响应函数描述系统的传二、用传递函数或频率响
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