1测试的技术基础new教程

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,SACE,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,SACE,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,SACE,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,GaoSuGongLu,第一章 测试的技术基础,SACE,第一章 测试技术的理论基础,1-1,测试系统的组成及其主要性能指标,1-2,线性系统及其主要性质,1-3,测试系统的静态传递特性及其主要参数,1-4,测试系统的动态传递特性及其测定,1-5,测试系统选择的原则,本章主要内容,了解测试系统、线性系统的根本概念，把握测试系统的主要性能指标；测试系统的动静态传递特性及其主要参数；以及测试系统的选择原则。,4,1-1,测试系统的组成及其主要性能指标,一、测试系统的组成,传感器：感测物理量并转换为电量,又称为“一次仪表”；,中间转换装置：承受传感器输出的电信号，通过硬件电路或软件进展信号转换、处理；,显示记录装置：显示测量结果，供给应观看者或自动把握装置。,5,q,滑动变阻器,欧姆表,L,梁在均布荷载,q,作用下的挠度测量,1-1,测试系统的组成及其主要性能指标,1-1,测试系统的组成及其主要性能指标,一、测试系统的组成,被测对象,传感器,信号变换测量电路,显示器,荷载系统 测量系统 信号处理系统 显示记录系统,打印机,绘图仪器,存贮介质,计算机,A/D,转换,图,1,测试系统的功能,7,一、测试系统的组成,荷载系统：,液压、重力、气压、杠杆、弹簧,测量系统：,包括：传感器、信号变换与测量电路；,信号变换与测量电路：使用较多的是电桥电路和放大电路，此外，还有滤波、整流，积分、微分电路、放大器等。,最简洁状况，测量电路就是传感器和测量仪器之间的导线。,信号处理系统：对输出信号的处理,显示记录系统：多被计算机取代。,直剪试验机测试系统,控制阀,液压泵,控制阀,法向液压传感器,剪切液压传感器,法向位移传感器,剪切位移传感器,动态电阻,应变仪,位移,变送器,法向千斤顶,水平千斤顶,节 理 试 件,A/D,转 换,计 算 机,反馈回路,一、测试系统的组成,9,剪力位移曲线,二、测试系统的主要性能指标,精度,:,测值与真值接近程度；,稳定性：时间、环境,量程：测量范围,分辨率：检测到被测量最小变化值。,传递特性：输入输出对应关系的性能。,五大性能指标,11,二、测试系统的主要性能指标,二、测试系统的主要性能指标,1 精度和误差,精度：测试系统给出的被测量的指示值(测量值)与真值(常用商定真值代替)的接近程度,确定误差:,相对误差:,引用误差:,式中：分别代表仪器的指示值、真值、测量上限。,12,二、测试系统的主要性能指标,b相对误差,a引用误差,例题,一测量范围为010MPa的压力计，校准时觉察有 0.15MPa的 确定误差，试计算：a 该压力计的引用误差；b真值为2MPa时可能产生的示值相对误差。,解：,13,二、测试系统的主要性能指标,例题,一种测量器具量程为20mm。确定误差为0.001mm.另一种测量器具量程为500mm。确定误差为0.01mm.哪种仪器的测量精度高？,解：,14,二、测试系统的主要性能指标,2 稳定性,稳定度：时间上的稳定性,影响因素：周期性波动、随机性波动，漂移,表示方法：数值波动幅度/相应的时间长度,例：s1.3mV/8h；s0.3/d,环境影响：,表示方法：影响系数,温度系数r0.3/；电源电压系数u0.02mA/10%,3 测量范围量程,系统正常工作时的最大测量范围；,动态测量中，需考虑工作频率范围,15,二、测试系统的主要性能指标,4 区分率(灵敏阈),系统能够测量出的最小变化量；,通常要求测定仪器在零点和90%满量程时的区分率。,5 传递特性,概念：是指测试系统的输入输出关系。,静态测量：输入量不随时间变化(或变化很慢可无视),静态传递特性：静态测量的输入输出关系,静态测量系统可仅考虑静态传递特性；,动态测量：输入量随时间变化,动态传递特性：动态测量的输入输出关系,动态测量系统必需同时考虑系统的静、动态传递特性。,1-2,线性系统及其主要性质,一、测试系统与线性系统,1测试系统必需保证输出能准确地反映输入。,具有确定的输入输出关系，输出与输入成线性关系为最正确；时不变性。,满足上述条件系统为线性时不变系统,17,1-2,线性系统及其主要性质,一、线性时不变系统,输入、输出之间具有确定的、线性关系；,线性系统的方程常系数线性微分方程,输入,x,（,t),输出,y,（,t),系统,h,（,x),18,1-2,线性系统及其主要性质,2 线性系统的主要特性,假定：X Y，X1 Y1，X2 Y2,叠加性：X1+X2 Y1+Y2,齐次性比例性：cX cY,微分特性：XY,积分特性：XY,频率保持特性：x(t)Asin(t+)y(t)Bsin(t+),利用该特性可以消退干扰(其它频率的信号)。,19,1-2,线性系统及其主要性质,例题1:,对某线性装置输入简谐信号x(t)Asin(t+)，假设输出为y(t)Bsin(t+)，请对幅值等各对应量作定性比较，并用数学语言描述它们之间的关系。,解:B=kA幅值变化,=频率不变,=-C相位变化,20,1-2,线性系统及其主要性质,例题,2,：,滑动变阻器可以实现,位移,测试，能否测量,速度,和,加速度,？,磁电式传感器能够测移动,速度,，能否测量,位移,和,加速度,？,答：均可以利用,微分特性,和,积分特性,实现测量。,21,1-3,测试系统的静态传递特性及其主要参数,一、静态方程和标定曲线,静态方程：,标定曲线：,22,1-3,测试系统的静态传递特性及其主要参数,二、测试系统的主要静态特性参数,(1),灵敏度,x,y,线性系统：,留意量纲：例如S=100mV/mm；输入、输出量纲一样时称为“放大倍数”,数字仪表：区分力,留意：测试系统由假设干环节串连而成，则系统灵敏度等于各环节灵敏度的乘积。,23,1-3,测试系统的静态传递特性及其主要参数,(2)线性度(直线度),定义：标定曲线(试验确定的实际工作曲线)与抱负直线(常用参考抱负直线代替的接近程度。,全量程内输出量最大偏差,标称输出范围(即量程),24,1-3,测试系统的静态传递特性及其主要参数,(3)回程误差迟滞性,定义：一样测试条件下和全量程范围内，在输入由小增大和由大减小到行程中，同一输入量所得到的两个输出值的最大偏差与满量程A的百分比。,缘由：由滞后和不工作区(死区)引起。,25,1-3,测试系统的静态传递特性及其主要参数,4环境影响与对应措施,环境影响因素：,温度、湿度、气压、电源电压、接地条件、绝缘电阻,系统表现：,漂移：输入量不变,输出量随时间变化,零点漂移：零输入条件下的漂移,灵敏度漂移：由于灵敏度的变化引起的校正曲线斜率的变化,削减环境影响的措施：,隔离、补偿、增益反响、计算机修正补偿,26,1-3,测试系统的静态传递特性及其主要参数,例题,3,：,某次压力测量时，磁电式传感器的灵敏度,S=90.0v,MPa,，将它与增益为,0.005V,v,的电压放大器相连，输出到灵敏度为的,20mm,v,笔式记录仪上。,(1),求系统的总灵敏度。,(2),当,P=5.0MPa,时，记录笔在记录纸上的偏移量,?,解：总灵敏度,K=K1K2K3,=90v/MPa0.005V/v20mm,v,=9mm/MPa;,偏移量,W=KP=9mm,MPa5.0MPa=45mm,27,1-4,测试系统的动态传递特性及其测定,一、,动态传递特性,传递函数,频率的传递函数,频率响应函数,二、系统在典型输入下的动态响应,三、不失真测试条件,四、负载效应,五、动态参数测定,一、动态传递特性,x,(t),y,(t),系统的时间响应,系统的频率响应,29,一、动态传递特性,1,传递函数,拉普拉斯变换,定义式：设有一函数,f(t)0,或,0t,单边函数,其中，,S=+j,是复参变量，称为复频率。,左端的定积分称为拉普拉斯积分，又称为,f(t),的拉普拉斯变换；,右端的,F(S),是拉普拉斯积分的结果，此积分把,实数,域,域,中的单边函数,f(t),变换为以复频率,S,为自变量的复频域函数,F(S),，称为,f(t),的拉普拉斯象函数。,以上的拉普拉斯变换是对单边函数的拉普拉斯变换，称为单边拉普拉斯变换。,30,一、动态传递特性,1 传递函数,输入、输出关系可用微分方程描述。在输入x(t)、输出y(t)以及各阶导数的初始值均为零的状况下，对微分方程进展拉普拉斯变换(简称拉式变换)，得,输出的拉氏变换和输入拉氏变换之比 即为,传递函数,31,一、动态传递特性,拉普拉斯变换,1 拉普拉斯变换是线性变换，变换前后不会影响原方程包含的信息。变换前后两个方程等价。,2 传递函数是一个代数有理分式函数，其特征简洁识别与争论。而考察微分方程的特性困难。,说明：,1 传递函数实质是以复数域s=a+jb)中的象函数X(s)、Y(s)的代数式去代替实数域中原函数x(t)、y(t)的微分方程式。,2 H(s)是将实际的物理系统抽象成数学模型，经过变换后得出的，所以同一个传递函数可以表示具有一样的传输特性的不同系统。,3 传递函数H(s)用于描述系统本身固有的特性，与输入X(t)的表达式无关。X(t)不同时，Y(t)的表达式不同，但传递函数H(s)保持不变。,4 传递函数H(s)分母完全由系统的构造预备，而分子则和待测变量及测点布置状况有关。,32,一、动态传递特性,2,串、并联环节的传递函数,串联系统,Z,（,s,）,H,1,（,S,）,H,2,（,S,）,H,（,s,）,X,（,t,）,Y,（,t,）,H,（,s,）,H,1,（,S,）,H,2,（,S,）,X,（,t,）,Y,（,t,）,Y,1,（,s,）,Y,2,（,s,）,并联系统,33,一、动态传递特性,3,频率响应函数,带入,设,物理意义：,频率响应函数是描述系统的正弦输入和其稳态输出的关系,对于稳定的常系数线性系统，假设输入为正弦信号，则稳态时的输出是与输入为同一频率的正弦信号；输出的幅值和相角通常不等于输入的幅值和相角，输出和输入幅值比和相位差都是输入频率的函数，并反映在系统的幅频特性和相频特性中。,34,一、动态传递特性,3,频率响应函数,幅频特性,相频特性,幅频特性,当输入正弦信号的频率沿频率轴滑动时，输出、输入正弦信号振幅之比随频率的变化规律,相频特性,输入、输出正弦信号的相位差之比随频率的变化规律,35,一、动态传递特性,频率响应函数与传递函数的区分,传递函数中的s换成j便得到了频率响应函数。,传递函数是输出与输入拉氏变换之比，其输入并不限于正弦鼓舞，不仅描述了测量装置的稳态特性也描述了它的瞬态特性。,频率响应函数是在正弦信号鼓舞下，测量装置到达稳态后输出与输入之间的关系。,36,一、动态传递特性,4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性,1一阶系统,力学模型,m=0,k,位移,y,（,t,）,力,x,（,t,）,37,一、动态传递特性,4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性,1一阶系统,m=0,k,位移,y,（,t,）,力,x,（,t,）,力学模型,相频特性,幅频特性,38,传递函数,一、动态传递特性,4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性,2二阶系统,固有频率,阻尼比,灵敏度,频率响应特性,幅频特性,相频特性,39,二、系统在典型输入下的动态响应,1,单位脉冲信号,2,单位阶越信号,3,单位斜坡信号,4,单位正弦信号,5,任意输入,40,三、信号的失真及不失真测量条件,1 定义,不失真测试(传递)实质:,系统的响应波形输出与输入波形完全相像。可保持原信号的特性和全部信息。,2 不失真条件,幅频函数为常数:,相频函数为线性(过原点的直线):,41,四、测试系统的负载效应,输入阻抗