汽车试验学课件 第2章 汽车试验基础理论

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1、第2章 汽车试验基础理论,2.1 测量系统的组成与特性 2.2 测量误差理论 2.3 数据采集技术基础 2.4 试验数据处理,2.1 测量系统的组成与特性,2.1.1测量系统的基本组成及要求,1.测量系统的基本组成,（1）激励源 向被测对象输入能量，激发出能充分表征有关信息又便于检测的信号。有些试验，被测对象在适当的工作状态下可产生所需的信号。而有些试验，则需用外部激励装置对被测对象进行激励。,1.测量系统的基本组成,（2）传感器 能感受规定的被测量并按一定规律转换成同一种或另一种输出信号的器件或装置。 传感器通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件直接感受被测量，转换元件将敏感元件的输出转换为

2、适于传输和测量的信号。许多传感器中这两者是合为一体的。,1.测量系统的基本组成,（3）信号预处理 将传感器输出信号转换成便于传输和处理的规范信号。 因为传感器输出信号一般是微弱且混有噪音的信号，不便于处理、传输或记录，所以一般要经过调制、放大、解调和滤波等调理，或作进一步的变换，如将阻抗的变化转换为电压或频率的变化，将模拟信号转换为数字信号等。,1.测量系统的基本组成,（4）信号处理 将中间变换的输出信号作进一步处理、分析，提取被测对象的有用信息。 （5）显示记录或运用 将处理结果显示或记录下来，供测量者作进一步分析。若该测量系统就是某一控制系统中的一个环节，处理结果将直接被运用。,1.测量系

3、统的基本组成,理想的测量仪器或系统应该具有单值的、确定的输入输出关系，而且最好是一个单向线性系统。 所谓单向系统，即是指测量系统对被测量的反作用影响可以忽略。 所谓线性系统，即输出与输入是线性关系。,2.对测量系统的要求,按照被测量在测量系统中的状态，测量系统的基本特性可分为静态特性和动态特性两类。 当被测量不随时间变化或变化很缓慢时，测量系统的输出与输入之间的关系称为静态特性； 当被测量随时间变化时，测量系统的输出与输入之间的关系称为动态特性。,2.对测量系统的要求,通常的工程测量问题总是处理输入量x(t)、系统的传输特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系。 如果已知h(t)，通过对y(

4、t)的观察分析，就能推断x(t) 。这就是通常的测量。 如果已知x(t)，通过对y(t)的观察分析，就能推断出h(t) 。这就是通常的系统或仪器的定度过程。 如果x(t)和h(t)已知，则可以推断和估计y(t)。这就是通常的输出信号预测。,2.对测量系统的要求,测量系统的静态特性表示被测物理量处于稳定状态，输入和输出都是不随时间变化的常量(或变化极慢，在所观察的时间间隔内可忽略其变化而视为常量)。 输出、输入关系一般可用下式表示，即 x输入量 ；y输出量；a0， a1， ，an常数。 当a00时，表示即使系统没有输入，但仍有输出，通常称为零点漂移(零漂)。,2.1.2 测量系统的静态特性,理想

5、的静态量的测量系统，其输出应单值，线性比例于输入，即静态特性为ya1x。 实际测量系统的静态特性常用灵敏度、非线性度、回程误差与重复度等指标来表征。,2.1.2 测量系统的静态特性,1.灵敏度 在测量过程中，若被测量x有一个很小变化量x，引起输出y发生相应的变化y，则称S= y/ x 为该装置的绝对灵敏度； 当输入和输出为同一量纲时，灵敏度常称为放大倍数。 非线性装置的灵敏度就是其静态特性曲线上各点的斜率。,2.1.2 测量系统的静态特性,灵敏度及其漂移,2.1.2 测量系统的静态特性,在被测量不变的情况下，由于外界环境条件等因素的变化，引起的测量装置灵敏度的变化称为灵敏度漂移，常以输入不变情

6、况下每小时输出的变化量来衡量。 一般来说，选择测量仪器时，灵敏度越高，测量范围往往越窄，稳定性往往越差。 仪表常数C为灵敏度的倒数。即 C= 1/S=x/ y 其意义表示每一单位刻度所表示的示值大小。,2.1.2 测量系统的静态特性,(2)非线性度 非线性度是指测量装置的输出、输入间是否能保持常值比例关系（线性关系）的一种量度，是定度曲线（实际特性曲线）偏离其拟合直线（理想直线）的程度。 非线性度(B/A) 100 A-测量装置的标称输出范围(全量程)；B-定度曲线与拟合直线的最大偏差。,2.1.2 测量系统的静态特性,定度曲线与非线性度,定度曲线：在静态测量中，用试验的办法求取的测量装置的输

7、入、输出关系曲线。 拟合直线确定的方法是过坐标原点，并与定度曲线间的偏差Bi的均方值为最小来确定。,2.1.2 测量系统的静态特性,(3)回程误差 理想测量装置的输出与输入应是单值的一一对应关系，而实际测量装置有时会对同一大小的输入量，其正向输入(输入量由小增大)和反向输入(输入量由大到小)的输出量数值不同，其差值称为滞后量h。 回程误差也叫迟滞误差Er。 Er是指测量装置全量程A内的最大滞后量hmax和A之比值。 Er = (hmax /A) 100,2.1.2 测量系统的静态特性,回程误差,回程误差一般是由滞后现象引起的，可能反映仪器的不工作区的存在。 不工作区（又称死区）是指输入变化对输

8、出无影响的范围。摩擦力和机械元件之间的游隙是存在死区的主要原因。,2.1.2 测量系统的静态特性,测量系统的动态特性是指输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关系。在输入变化时，人们所观察到的输出量不仅受到研究对象动态特性的影响，也受到测量系统动态特性的影响。 为降低和消除测量系统的动态特性给测量带来的误差，对于动态测量的测量系统，必须考察并掌握测量系统的动态特性，判断测量时会产生什么误差。,2.1.3 测量系统的动态特性,要研究测量系统的动态特性，首先必须建立其数学模型。要从具体测量系统的物理结构出发，根据其所遵循的物理定律，建立起把测量系统的输出和输入量联系起来的运动微分方程，然后在给定

9、的条件下求解，从而得到任意输入x(t)激励下测量装置的响应y(t)。 由于测量系统一般都是线性系统。所以它们的数学模型是常系数线性微分方程，经过简单的运算即可求得其传递函数。该传递函数就能描述测量系统的固有动态特性。,2.1.3 测量系统的动态特性,但在实践中对很多复杂的测量系统，即使做出不少近似的假设，也很难准确列出它们的运动微分方程式，况且即使运用上述理论分析方法得出了结果，也需要经过实际测量验证。因此，广泛实用的方法是采用试验的方法来研究分析测量系统的动态特性。,2.1.3 测量系统的动态特性,首先，要根据测量系统实际工作时最常见的输入信号的形式，选择一些典型信号。最基本的典型信号是正弦

10、信号，另外，常用的信号还有脉冲信号、阶跃信号及随机信号等。 以上述这些典型信号作为测量装置的输入，然后测出其输出，进而对该测量系统的动态特性做出分析和评价。分析时，既可在时间域，又可在频率域进行，并分别定义出一系列动态特性参数。,2.1.3 测量系统的动态特性,2.2 测量误差理论,1.测量工作及其分类 测量工作就是以确定被测参数的数值为目的的一系列试验操作。测量可从不同角度作如下分类： （1）直接测量和间接测量 直接测量是指由仪表可直接读出测量值的方法。 间接测量是指需将几个直接测量值经过计算才能得到被测量的方法。,2.2.1 测量误差的基本概念,（2）基本测量和特种测量 汽车定型试验中规定

11、的常测项目视为基本测量，其它看作特种测量。例如：速度、温度、转速、距离、三漏的检查及试验方法中国标规定的测量项目等为基本测量。 特种测量多在研究性试验中应用。例如：研究汽车前轮摆振时测量转向系的刚度及传动系扭转振动、降噪研究中的测量。,2.2.1 测量误差的基本概念,（3）稳态量测量与瞬态量测量 稳态量测量是指在稳定工况下测取被测量，如最高车速、最短制动距离等。 瞬态量测量是指脉动程度较大的被测量的测量，如车身振动加速度、汽车加速能力等。,2.2.1 测量误差的基本概念,2. 测量误差及其分类 测量误差是指由仪表直接测得量或经换算处理后的间接测得量与被测量参数的实际值之间的差别。 测量误差按其

12、性质分类： (1)系统误差 (2)过失误差 (3)随机误差,2.2.1 测量误差的基本概念,（1）系统误差 ：保持一定数值或按一定规律变化的误差。 主要是由于测量设备的缺陷、测量环境变化、使用的方法不完善、所依据的理论不严密或采用了近似公式等造成的。例如零点偏移、刻度不准、某种电气元件的参数随温度而变化所产生的测量误差。 这种误差可以预测或消除。,2.2.1 测量误差的基本概念,（2）过失误差 ：由于测量工作中的错误、疏忽大意等原因引起的误差。 主要是由于测量人员对仪器不了解或思想不集中造成的，这种测量结果不应采用。 这种误差的数值及其正负没有任何规律。,2.2.1 测量误差的基本概念,（3）

13、随机误差 ：即使在相同的条件下，对同一个参数重复地进行多次测量，所得到的测定值也不可能完全相同。这时，测量误差具有各不相同的数值与符号，这种误差称为随机误差，或称偶然误差。 随机误差反映了许多互相独立的因素有细微变化时的综合影响。,2.2.1 测量误差的基本概念,随机误差是无法避免的。 随机误差就其个体而言，是没有规律、无法预先估计以及不可控制的，但其总体却符合统计学的规律，重复测量的次数越多，这种规律性就越明显。 因此，可以用概率统计的方法计算随机误差对测量结果可能带来的影响。,2.2.1 测量误差的基本概念,2. 测量误差及其分类 按误差产生的原因分类 ： （1）仪器误差 （2）人员误差

14、（3）环境误差,2.2.1 测量误差的基本概念,3. 测量误差的表示 （1）绝对误差 某量值的测定值和真实值之差为绝对误差，通常称为误差。 通常真实值是未知的 ，可用标准表（用目前认为最可靠最准确的仪表和测量方法作为标准）测得的数据代替。 若标准表读数为A，试验用表测得的读数为B，读数绝对误差B-A。,2.2.1 测量误差的基本概念,（2）相对误差 绝对误差与被测量的真实值之比值称为相对误差，因测定值与真实值接近，故也可近似用绝对误差与测定值之比值作为相对误差，即 相对误差是无名数，通常用百分数来表示。,2.2.1 测量误差的基本概念,（3）引用误差 引用误差是一种简化和实用方便的仪器仪表示值

15、的相对误差。引用误差是指仪器示值的绝对误差与仪表测量范围上限值或量程的比值，即,对于相同的被测量，常用绝对误差评定其测量精度的高低；对于不同的被测量，则用相对误差来评定。,2.2.1 测量误差的基本概念,（4）测量的精度与不确定度 反映测量结果与真实值接近程度的量称为精度，它与误差大小相对应，误差小则精度高。 精度包括精密度、准确度和精确度。 精密度表示在多次重复测量中测定值的重复性或分散程度。随机误差决定了测量的精密度。 准确度表示测量结果与被测量的真实值之间的偏离程度。系统误差决定了测量的准确度。,2.2.1 测量误差的基本概念,精确度是测量结果的精密度与准确度的综合反映。精确度高，表示系

16、统误差和随机误差都小。,高准确度低精密度,低准确度高精密度,高精确度,2.2.1 测量误差的基本概念,5. 测量误差分析的任务 测量误差是不可避免的，测量误差分析就是研究误差的性质和规律。具体任务如下： 研究和确定过失误差和巨大随机误差之间的界限，以便舍弃那些含有过失误差的测定值。 研究系统误差的规律，寻找把系统误差从随机误差中分离出来的方法，并设法消除它的影响。 研究随机误差的分布规律，分析和确定测量的精密度。 从一系列测定值中求出最接近被测参数真实值的测量结果。,2.2.1 测量误差的基本概念,在相同的条件下，对同一个参数重复地进行多次测量，可以认为是等精密度测量，所得到的测定值数列，称为测量列。 由于随机误差的存在，使测量值具有不确定性，即前一个误差出现后，不能预测下一个误差的大小和方向，但就误差的总体而言，却具有统计规律性。 实践证明：若测量列中不包含系统误差和过失误差，则该测量列中的随机误差是服从正态分布的。,2.2.2 随机误差,1.随机误差的正态分布规律 随机误差的概率分布密度函数可以用下式表示： 式中，为