测试系统的特性分析.ppt

1,第三章测试系统的特性分析,2,1、掌握测试系统的基本要求及其主要特性。,本章学习要求：,2、掌握测试系统的动态特性及静态特性。3、掌握一、二阶测试系统的频率响应特性。4、掌握测试系统的不失真测试条件。,3,3.1检测系统特性,理想的测试装置（1）应该具有单值的、确定的输入输出关系；（2）系统为时不变线性系统（线性定常系统）,实际的测试装置（1）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；（2）很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。,4,线性时不变系统：,式中t为时间自变量。系统的系数均为常数。,5,线性时不变系统具有以下性质：,叠加性,叠加性意味着作用于线性装置的各个输入所产生的输出是互不影响的.在分析众多输入同时加在装置上所产生的总效果时，可以先分别分析单个输入的效果，然后将这些效果叠加起来表示总的效果。,几个输入所产生的总输出是各个输入所产生的输出叠加的结果。即若：,6,频率保持性,若给测试装置输入某一频率的正（余）弦信号，则稳态输出必定是与输入相同频率的正（余）弦信号。,7,已知系统是线性的和其输入的频率，那么依据频率保持性，可以认定测得信号中只有与输入频率相同的成分才真正是由该输入引起的输出，而其它频率成分都是噪声。进而依据这一特性，采用相应的滤波技术，在很强的噪声干扰下，把有用的信息提取出来；由于信号的频域函数实际上用信号的各频率成分的叠加来描述的。因此，同频性与叠加原理相结合，研究复杂输入信号所引起的输出时，就可以转换到频域中去研究，研究输入频域函数所产生的输出的频域函数,频率保持性,8,线性的定常系统的特性中，叠加性和频率保持性在工程测试中具有重要意义。,9,3.2检测系统的静态特性与性能指标,测试装置的性能分为两种：静态特性和动态特性。,静态特性：当被测量是恒定的、或是缓慢变化的物理量时（相对）所涉及的是系统的静态特性问题。这时输出与输入之间的关系称为测试装置的静态特性。,动态特性：指测试装置对于随时间变化（相对）的动态输入量的响应特性,10,定常线性测试装置的数学描述为：,在静态测量中，理想的定常线性系统的输入-输出微分方程式变成：,其中斜率S是灵敏度，应是常数。,11,实际的测量装置并非理想的定常线性系统：,非线性原因：(结构原理性原因除外),12,理想测试系统的线性关系通常采用静态测量的方法求取输入输出关系曲线，作为标定曲线。,3.2.1静态标定,测试系统的静态特性数学模型可以用一个多项式方程表示为：静态特性也可用一条曲线来表示，该曲线称为测试系统的静态特性曲线。,多数情况还需要按最小二乘法原理求出标定曲线的拟合直线。,13,测量范围,灵敏度,迟滞,重复性,准确度,线性度,测试装置的静态特性指标,3.2.2静态性能指标,分辨率,漂移,14,1）灵敏度,当装置输入一个变化量x时，产生输出的变化量y；输出的变化量y与输入的变化量x的比值称作传感器的灵敏度。,定义:,表达:,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注意：灵敏度越高，稳定性越差，测量范围相应越小。,15,2）线性度,标定曲线与拟合直线之间的偏离程度。,表达:,定义:,线性度=B/A*100%,B为标定曲线与拟合直线的最大偏差。A为装置的量程。,标定曲线：表示实际特性，一般是使用高一级仪表反复多次测量后取得的平均值曲线。,拟合直线:按一定方式拟合的用来代替实际曲线的直线。,16,两种常用的拟合基准直线方法：平均法最小二乘法,平均法主要是确定拟合直线的系数，使标定曲线和拟合直线之间的偏差的代数和为零。即：,设系统拟合直线为：,最小二乘法主要是确定拟合直线的系数，使标定曲线和拟合直线之间偏差的平方和为最小。即：,17,3）量程及测量范围,测试系统能测量的最小输入量（下限）至最大输入量（上限）之间的范围称为量程。测量上限值与下限值的代数差称为测量范围,定义:,有效量程或工作量程是指被测量的某个数值范围，在此范围内测量仪器所测得的数值，其误差均不会超过规定值。,可调范围通常用有效量程的高端和低端的相互关系来表示。例如有效范围为（2085）RH，则可调范围为4.251。（动态量程类似于可调范围，但采用分贝形式）,18,4）迟滞,亦称滞后或回程误差。反映了传感器的输入量在正向行程和反向行程全量程多次测试时，所得到的静态特性曲线的不重合程度。,定义:,表达:,A为装置的量程。,19,5）重复性,重复性表示测试系统在同一工作条件下，在同一方向上进行全量程多次（三次以上）测量时，对于同一个激励量其测量结果的不一致程度。是一种随机误差。,表示：,20,6）准确度,是指测量仪器的指示接近被测量真值的能力。准确度是重复误差和线性度等的综合。准确度表示测量的可信程度，准确度不高可能是由仪器本身或计量基准的不完善造成的。,表示：,100%,21,7）分辨率,分辨率是指测试系统能检测到输入量最小变化的能力，即能引起响应量发生变化的最小激励变化量，用表示。,常用全量程范围内最大的即与测试系统满量程输出值之比的百分率表示其分辨能力，即：100,表示：,为了保证测试系统的测量准确度，工程上规定测试系统的分辨率应小于允许误差的1/3、1/5或1/10。,22,提高分辨率的方法：提高仪器的敏感单元的增益；测试仪器必须有足够高的分辨率，但分辨率的大小应能保证在稳态测试时仪器的测量值波动很小。分辨率过高会使信号波动过大，从而会对数据显示或校正装置提出过高的要求。一个好的设计应使其分辨率与仪器的功用相匹配。提高分辨率相对而言是比较方便的，因为在仪器的设计中提高增益不成问题。,23,8）漂移,漂移是指在测试系统的激励不变时，响应量随时间的变化趋势。最常见的漂移是温度漂移。随着温度的变化，测试系统的灵敏度和零点位置也会发生漂移，并相应地称之为灵敏度漂移和零点漂移。,产生漂移的原因,一是测试系统自身结构参数的变化；二是外界工作环境参数的变化对响应的影响。,24,3.3检测系统的动态特性与性能指标对于测量动态信号的检测系统，要求检测系统在输入量改变时，其输出量能立即随之不失真的改变。在实际检测过程中，由于检测系统选用不当，输出量不能良好地追随输入量的快速变化会导致较大的测量误差。因此研究检测系统的动态特性有着十分重要的意义。,25,实际上除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。,26,3.3.1测试系统动态特性的分析方法及指标,动态特性可从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。,在时域内研究,在频域内研究,一般是采用正弦输入得到频率响应特性。,通常研究几种特定的输入时间函数如脉冲函数、阶跃函数和斜坡函数等的响应特性。,对于动态特性好的测试系统，暂态响应时间很短或者频率响应范围很宽。,27,在采用阶跃输入研究测试系统时域动态特性时，为表征其动态特性，常用上升时间、响应时间超调量M，等参数来综合描述,在时域内研究,28,在采用正弦输入研究测试系统动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述其动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。,带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。,在频域内研究,29,3.3.2测试系统的数学描述,（1）微分方程（2）传递函数（3）频率响应函数,30,系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为O阶、一阶、二阶系统,优点：概念清晰，输入-输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应,缺点：求解方程麻烦，测试装置调整时分析困难,（1）微分方程,动态特性指测试装置对于随时间变化的输入量的响应特性,式中t为时间变量，和均为常数，此系统为线性定常系统。,31,（2）传递函数,利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的传递函数。,分母中s的幂次n代表了系统微分方程的阶数，也称为传递函数的阶次。,对微分方程作拉氏变换，并将输出和输入两者的拉氏变换之比定义为传递函数H(s)即：,32,传递函数的特点（1）传递函数与输入无关，即H(s)不因输入x(t)的改变而改变，它表示系统的固有特性；（2）传递函数H(s)所描述的系统对于任意一个给定的输入x(t)可明确地给出相应的输出y(t)；（3）等式中的各个系数a0,a1,an-1,an和b0,b1,bm-1,bm是由测试系统本身结构特性所唯一确定的常数。（4）相似系统。传递函数不拘泥于被描述系统物理结构而只反映动态性能。不同的物理系统，可以用相同的传递函数来描述，称为相似系统。（5）传递函数可以有量纲，也可以无量纲。,33,（1）如图(a)所示，两个传递函数分别为Hl(s)和H2(s)的子系统串联后所形成的系统的传递函数H(s)为：(3-18)（2）如图(b)所示，两个传递函数分别为Hl(s)和H2(s)的子系统并联后所形成的系统的传递函数H(s)为：,传递函数运算规则：,34,（3）图(c)所示的是两个子系统Hl(s)和H2(s)连接成闭环回路的情形，此时有：于是，系统传递函数H(s)为：(3-20),35,（3）频率响应函数,对于稳定的线性定常系统，频率响应函数H(j)定义为输出量的傅氏变换和输入量的傅氏变换之比。,一般来说，系统频率响应函数是一个复数量，可表示为：,系统的幅频特性,系统的相频特性,36,输入量：,输出量：,(稳态输出),根据定常线性系统的频率保持性，,幅值变化：,相角变化：,幅频特性,相频特性,（频率特性）,（作图）,37,一阶系统的伯德图,38,用传递函数和频率响应函数均可表达系统的动态特性，但两者的含义不同。,39,与传递函数相比较，频率响应的物理概念明确，也易通过实验来建立；利用它和传递函数的关系，由它极易求出传递函数。因此频率响应函数是实验研究系统的重要工具。,但频率响应函数表达的仅仅是系统对简谐输入信号的稳态输出。,因此，用频率响应函数不能反应过渡过程。必须用传递函数才能反映全过程。,40,频率响应函数直观反映了系统对不同频率输入信号的响应特性。在实际工程测试技术中，为获得较好的测量结果，常常在系统处于稳态输出阶段进行测试，常用频率响应函数来描述系统的动态特性。而控制技术中，由于常常要研究典型输入信号所引起的系统响应，研究一个过程从起始的瞬态变化过程到最终的稳态过程的全部特性，因此常常要用传递函数来描述。,41,3.3.3一阶、二阶系统的动态特性任何一个测试系统均可视为是多个一阶、二阶装置的并、串联。例如：,因此，一阶和二阶装置的传递特性是研究高阶装置传递特性的基础。,42,（一）一阶系统,采用一阶微分方程来描述的系统均为一阶系统,43,进行laplace变换：,一阶系统传递函数标准形式：,系统静态灵敏度,时间常数,44,传递函数,频率响应函数,其中负号表示输出信号滞后于输入信号。,微分方程,可见，时间常数是一阶系统最重要的参数。,为简化分析，令K1,45,值是一阶系统的重要参数，其值决定了测试装置的测量频率范围，值越小越好。,利用一阶系统在激励频率远小于时，幅值和相位几乎不变的特性，可知，一阶测量装置适用于测量缓变或低频的被测量。,温度,酒精,湿度,一阶系统的BODE图,滞后,可用一条折线来近似描述。,46,（二）二阶系统,在零初始状态下，求其laplace变换：,二阶系统传递函数标准形式：,自然频率,阻尼比,系统静态灵敏度,47,二阶系统传递函数标准形式：,频率响应函数,可见，固有频率和阻尼比是二阶系统最重要的参数。,为简化分析，令K1,48,二阶系统的BODE图,可用一条折线来近似描述。,滞后,（1）当时，（2）系统的固有频率、阻尼比对系统特性具有显著影响，且在通常使用的频率范围内，又以固有频率的影响尤为显著，所以二阶系统固有频率因根据工作频率来进行选择。在附近，系统的幅频特性受阻尼比的影响很大，此时，系统将会发生共振，因此，实际的测试装置应尽量避开这一频段。但是，在测试二阶系统本身的参数时，该频段却很重要，这时,49,二阶装置适合于动态测量，但其固有频率的选择应以其工作频率范围为依据。,加速度,二阶装置是一个振荡环节，为此要选择恰当的固有频率和阻尼比的组合，以便获得较小的误差和较宽的工作频率范围。一般取（n越大越好），,50,3.3.4系统时域和频域响应的求解,信号通过系统时，在时城内所得的响应是输入信号与系统的脉冲响应函数的卷积，在频域内响应信号的频谱函数是输入信号的频谱函数与系统的频响函数的乘积,时域响应和频域响应求解实例,现有一个测试系统为二阶线性系统，其频响函数为,51,这一频响函数所对应的脉冲响应函数h(t)如图所示。,52,假设现有一个多分量信号x(t)的输入此系统，则,该信号x(t)是由三个不同频率、幅值和初相位的余弦合成的复杂周期信号，如图所示。,现在来求取此信号x(t)输入上述系统后的输出信号y(t)。在时域内将x(t)与h(t)进行卷积运算即可得到y(t)，但这一问题通过频域运算更容易得到解决。,53,54,3.4测试系统动态参数的测定,静态测试,动态测试,一阶装置,二阶装置,灵敏度,线性度,迟滞,重复性,55,频率响应法（频域）通过稳态正弦激励试验而获得动态特性参数,阶跃响应法求（时域）通过阶跃激励试验而获得动态特性参数,动态特性测试方法：,56,频率响应法,通过稳态正弦激励试验求得幅频和相频特性曲线。,若装置为一阶装置，则所得的低频段为一水平线（斜率为零），在高频段曲线斜率为20dB/10倍频。于是由曲线的转折点（转折频率）处可求得时间常数。,一阶系统：,57,二阶系统：,动态特性参数为：固有频率和阻尼比。,由控制理论分析知，在阻尼比的情况下，幅频特性的共振点在稍微偏离固有角频率的处，且,此时，共振点幅频特性的峰值为,由此可估计出固有频率和阻尼比的值。此法可称为共振法。,58,阶跃响应法,通过阶跃激励试验而获得动态特性参数，是一种时域测试动态特性的易行方法。,这一方法的缺点是欠精确。,测得一阶装置的阶跃响应，取该输出值达到最终稳态值的63%所经过的时间作为时间常数。,一阶系统：,59,将一阶装置的阶跃响应表达式改写为两边取对数，有根据测得值作出曲线，根据其斜率值确定时间常数。,该方法考虑了瞬态响应的全过程。若系统时一个典型一阶测试系统，则上述曲线为一直线，测量结果均匀分布在直线上，否则不是一阶系统。,60,二阶系统：,二阶装置的阶跃响应为：,其瞬态响应是以某频率作衰减振荡的，该频率称为装置的阻尼振荡频率，记作,61,由响应函数可知，装置的最大超调量,如果测得响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个超调量Mi和Mi+n来求取其阻尼比。,因此有：,n为两个超调量相隔的周期数。,n为不同值时，测得的阻尼比应相等，若都不相等，则不是二阶系统,62,案例：桥梁固有频率测量,实验求阶跃响应函数简单明了，产生一个阶跃信号，再测量系统输出就可以了。,阶跃响应函数测量,原理：在桥中悬挂重物，然后突然剪断绳索，产生阶跃激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,63,对于一个理想的测试系统来说，必须能够精确地复制被测信号的波形，且在时间上没有任何延时。从频域上分析，频率响应函数H(j)，应该满足放大倍数为常数，相位为零。实际中，许多测试系统通过选择合适的参数能够满足幅值比（放大倍数）为常数的要求，但在信号的整个频率范围上同时实现接近于零的相位滞后，除了少数系统之外几乎是不可能的。,3.5实现不失真测试的条件,64,设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系：,该系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。,实现不失真测试的条件：,65,对时域条件做傅立叶变换：,即：若要求装置的输出波形不失真，则装置的幅频和相频特性应分别满足,则测试装置的频域响应函数应满足：,66,实际测量装置不可能在非常宽广的频率范围内都满足不失真测试条件，即使在某一频率范围内工作，也难以完全理想的实现不失真测试。只能努力把波形失真限制在一定的误差范围内。,因此对于一阶系统，越小，不仅响应速度快，而且其满足测试不失真条件的通频带宽。,一阶系统,67,因此对于二阶系统为使系统响应速度快，同时满足不失真测试条件，应选择,二阶系统,68,因此，要尽可能减小失真，首先要选择合适的测试装置。其次，应对输入信号做必要的前置处理，及时滤去非信号频带内的噪声。,69,负载效应本来是指在电路系统中后级与前级相连时由于后级阻抗的影响造成系统阻抗发生变化的一种效应。,实际测量工作中，测量系统和被测对象会产生相互作用。测量装置构成被测对象的负载。彼此间存在能量交换和相互影响，以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加或连乘。,U1=ER2Rm/R1(Rm+R2)+RmR2,令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得:U0=90V,U1=64.3V，误差达28.6%。,3.6测试系统的负载效应,Rm,70,负载效应的举例：,图3-37(a)所示的是一个低通滤波器接上负载后的情况；图3-37(b)所示的是地震式速度传感器外接负载的情况；图3-37(c)所示的是一个简单的单自由度振动系统外接传感器的情况；,在选用测试装置时，应考虑上述类型的负载效应，必须分析在接入测试装置之后对原研究对象所产生的影响。,71,本章重点,1.掌握对测试系统的基本要求2.掌握静态特性指标及其测定方法3.掌握动态特性分析方法及测定方法4.掌握不失真测试的条件,72,作业,1.一阶测试系统和二阶测试系统主要涉及哪些动态特性参数。,2.用时间常数为0.5s的一阶测试装置进行正弦信号的测试，如果要求测试幅值误差小于2，问：该测试装置所能测试的信号的最高频率是多少？当被测信号的周期分别为1s、2s和5s时，幅值误差分别是多少？,73,3.求周期信号x(t)=0.5cos10t+0.2cos(100t-45)通过频率响应为H(j)=1/(1+0.005j)的测试装置后的稳态响应。,4.不失真测试的条件是什么？如何在实际工程测试中实现不失真测试？,74,