动态测试技术_测试基本特性

《动态测试技术_测试基本特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《动态测试技术_测试基本特性（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、动态测试技术 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 吴义鹏 yipeng.wu 测试系统基本特性 机械结构力学及控制国家重点实验室2 动态测试技术：测试系统的基本特性 n 测试系统的静态特性 n 测试系统的动态特性 n 无失真测试条件 n 测试系统的标定 4.0 概述 机械结构力学及控制国家重点实验室3 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.0 概述 测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总 称。当测试的目的、要求不同时，所用的测试装置差别很 大。本章所指的测试装置可以小到传感器，大到整个测试系 统。 简单的测试装置 复杂的测试系统 机械结构力学及控制国家重点实验室4 动态测

2、试技术：测试系统的基本特性 4.1 概述 系统、输入和输出 1)当输入、输出能够测量时(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。 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量。 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。 许多实际 测量装置无法 在较大工作范 围内满足线性 要求，但可以 在有效测量范 围内近似满足 线性测量关系 要求。 测试装置的基本要求 机械结构力学及控制国家重点实验室5 动态测试技术：测试系统的基本特性 测试系统的静态参数与静态特性 4.1 测试系统的静态特性 线性系统常微分方程 在静态测试时，输入信号x(t)和输出信号y(t)不随时间

3、 变化，或者随时间变化但变化缓慢以至可以忽略时，测试 系统输入与输出之间呈现的关系就是测试系统的静态特 性。这时，描述测试系统的微分方程中各阶导数为零，于 是微分方程就变为 机械结构力学及控制国家重点实验室6 动态测试技术：测试系统的基本特性 测试系统的静态参数与静态特性 实际的测试系统并非理想的线性时不变系统，其输出 与输入往往不是理想直线。测试系统的静态特性分析就 是研究静态测试情况下，实际测试系统与线性时不变系 统的接近程度。 4.1 测试系统的静态特性 机械结构力学及控制国家重点实验室7 动态测试技术：测试系统的基本特性 线性度 迟滞 重复性 灵敏度与灵敏度误差 分辨率与阈值 稳定性

4、温度稳定性 静态误差 多种抗干扰能力 静态特性指标 测量装置的静态特性具体由表达测量系统测量能力及 测量结果正确性的一系列静态特性指标来描述。 静态特性指标 4.1 测试系统的静态特性 机械结构力学及控制国家重点实验室8 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标：线性度 4.1 测试系统的静态特性 线性度-测量装置输出、输入之间保持常值比例关 系的程度，通常用线性误差来表示。在静态测试过程中， 通过“输入-输出”测试“入-出”关系, 其测点组成的线定 标曲线。定标曲线一般并不是一条直线，要用最小二乘法 拟合一条直线来代替。 实际曲线与拟合直线的最大差于满量程输出之比非线性度 机械结构力学

5、及控制国家重点实验室9 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标：线性度 4.1 测试系统的静态特性 实际曲线与拟合直线的最大差于满量程输出之比非线性度 任何系统都有一定的线性范围， 线性范围越宽，测试系统的有效 量程越大。 机械结构力学及控制国家重点实验室10 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标：线性度 4.1 测试系统的静态特性 机械结构力学及控制国家重点实验室11 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标：迟滞（回程误差） 4.1 测试系统的静态特性 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出 与输入曲线不重合时称为迟滞（回程误差）。描述输出同输 入变化方

6、向有关的特性。 迟滞大小一般由实验方法测得。迟滞误差一般以满量 程输出的百分数表示。 机械结构力学及控制国家重点实验室12 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标：迟滞（回程误差） 4.1 测试系统的静态特性 原因：摩擦力，机械元件间隙 弹性元件，磁元件在过程中吸收能量 机械结构力学及控制国家重点实验室13 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标：灵敏度 4.1 测试系统的静态特性 灵敏度指测试系统在静态测量时，输出增量y与输入增量 x之比 灵敏度反映了测试系统对输入量变化的反应能 力。 灵敏度的量纲等于输出量纲与输入量纲之比，当测试系统 输入和输出量纲相同，灵敏度也叫做“放大

7、倍数”或“增益”。 测量系统灵敏度定义为单位输入量引起的输出变化量，也 就是系统标定曲线在各点的斜率。 机械结构力学及控制国家重点实验室14 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标:灵敏度漂移和零点漂移 4.1 测试系统的静态特性 时 零点漂移 由于材料性质的变化所引起的输入与输出关系的变化。 灵敏度漂移 测量系统的输出零点偏离原始零点的 距离。 总误差： 机械结构力学及控制国家重点实验室15 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标 4.1 测试系统的静态特性 分辨力：测量装置能测量到最小输入量变化的能力。通常 用分辨率表示。用全量程范围内最大的输入量的 变化量与测量系统满量程

8、输出值的比值的百分数 表示。 稳定性：传感器在长时间工作情况下输出量发生的变化。 有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。 机械结构力学及控制国家重点实验室16 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标 4.1 测试系统的静态特性 温度稳定性：又称为温度漂移。它是指传感器在外界温度 变化情况下输出量发生的变化。 多种抗干扰能力：传感器对各种外界干扰的抵抗能力。例如 抗冲击和振动能力、抗潮湿的能力、抗电 磁场干扰的能力等，评价这些能力比较复 杂，一般也不易给出数量概念，需要具体 问题具体分析。 机械结构力学及控制国家重点实验室17 动态测试技术：测试系统的基本特性 静态特性指标 4.1 测试系

9、统的静态特性 量程：一个测试系统可测量的变量的范围称测量范围。 重复性：在测试条件不变的情况下， 测试系统按同一方向 做全量程的多次重复的测量，静态特性曲线不一 致，用重复性表示。 精度：准确度，表征测试系统的测量结果与被测量真值的 符合程度。 机械结构力学及控制国家重点实验室18 动态测试技术：测试系统的基本特性 动态特性概述 4.2 测试系统的动态特性 对不断变化的信号进行测量，称之为动态测量。测量系 统的动态特性就是其测量动态物理量时所表现出来的特性。 研究目的： 保证系统具有迅速准确地测出信号幅值大小和无失真 地再现被测信号随时间变化的波形的能力。 了解测试对象及测试装置综合系统的动态

10、特性。 机械结构力学及控制国家重点实验室19 动态测试技术：测试系统的基本特性 动态特性的数学模型 4.2 测试系统的动态特性 测试系统动态特性用数学模型来描述，传递函数，频响 函数，脉冲响应函数。 传递函数动态特性的复频域描述； 频率响应函数动态特性的频域描述； 脉冲响应函数动态特性的时域描述。 机械结构力学及控制国家重点实验室20 动态测试技术：测试系统的基本特性 动态特性的数学模型 4.2 测试系统的动态特性 机械结构力学及控制国家重点实验室21 动态测试技术：测试系统的基本特性 动态特性传递函数 4.2 测试系统的动态特性 方程两边取拉普拉斯变换 机械结构力学及控制国家重点实验室22

11、动态测试技术：测试系统的基本特性 动态特性传递函数 4.2 测试系统的动态特性 串联系统 = 并联系统 机械结构力学及控制国家重点实验室23 动态测试技术：测试系统的基本特性 动态特性传递函数 4.2 测试系统的动态特性 高阶系统可以分解为简单环节的串并联 则 即任何阶次可以分解为数个一阶系统和二阶系统的组合 （串并联）因此实际中只研究一阶、二阶系统即可。 机械结构力学及控制国家重点实验室24 动态测试技术：测试系统的基本特性 动态特性频响函数 4.2 测试系统的动态特性 频率响应函数是描述系统 的简谐输入和相应的稳态输出 比的关系。在测量系统频率响 应函数时，应当在系统响应达 到稳态阶段时才

12、进行测量。定 常线性系统在简谐信号的激励 下，其稳态输出信号和输入信 号的幅值比为系统的幅频特性 ，稳态输出对如入的相位差为 系统的相频特性。 频响函数: 相频特性: 幅频特性: 机械结构力学及控制国家重点实验室25 动态测试技术：测试系统的基本特性 动态特性线性常微分方程 4.2 测试系统的动态特性 零阶环节 一阶环节 二阶环节 机械结构力学及控制国家重点实验室26 动态测试技术：测试系统的基本特性 动态特性分析方法 4.3 测试系统的动态响应特性 频率响应分析法：以正弦信号作为系统的输入，研究系统 对输入的稳态响应。 瞬态响应分析法：以斜坡信号、阶跃信号或脉冲信号作为 系统的输入，研究输出

13、响应。 机械结构力学及控制国家重点实验室27 动态测试技术：测试系统的基本特性 一阶系统的动态响应特性 4.3 测试系统的动态响应特性 微分方程 ： 拉氏变换 ： 机械结构力学及控制国家重点实验室28 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.3 测试系统的动态响应特性 传递函数 ： 频响函数 ： 拉氏变换 ： 一阶系统的动态响应特性 机械结构力学及控制国家重点实验室29 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.3 测试系统的动态响应特性 幅频特性: 相频特性: 传递函数： 频响函数: 一阶系统的动态响应特性 机械结构力学及控制国家重点实验室30 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.3 测试系统的

14、动态响应特性 3)当激励频率远小于1/,其A() 1,输出、输入幅值几乎 相等。 2)时间常数是反映一阶系统特性的重要参数，决定了该装 置的使用的频率范围。一阶系统只适用于被测量缓慢 变化或低频的参数。 1)一阶系统是一个低通环节。 5）时间常数越小，频率响应越好。 4）= 1/ 处， A() 为0.707，相角滞后45。 一阶系统的特点 机械结构力学及控制国家重点实验室31 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.3 测试系统的动态响应特性 二阶系统的动态响应特性 微分方程： 拉氏变换： 机械结构力学及控制国家重点实验室32 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.3 测试系统的动态响应特性 传

15、递函数： 频响函数： 拉氏变换： 二阶系统的动态响应特性 机械结构力学及控制国家重点实验室33 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.3 测试系统的动态响应特性 传递函数： 频响函数： 令 二阶系统的动态响应特性 机械结构力学及控制国家重点实验室34 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.3 测试系统的动态响应特性 1 ） 影响二阶系统动态特性的参数是n和 。 3 ） 二阶系统是一个震荡环节。 2 ） 当0.60.8时，可 以获得较为合适的 综合特性。 机械结构力学及控制国家重点实验室53 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.5 测试系统的标定 标定的概念 在专用设备上， 将测试系统的输出量

16、与相同条 件下的某一标准输出量进行比较，而给予数值概念 的工作过程。根据输入到测试系统的信号可将标定 分为静态标定和动态标定。 测试系统是线性，单点标定； 测试系统非线性，多点标定。 机械结构力学及控制国家重点实验室54 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.5 测试系统的标定 通过静态标定可以确定输入和输出的对应关系和静 态特性曲线。 n获得输入与输出的静态关系，获得仪器的分度； n获得系统的静态指标； n消除系统误差，改善系统正确度。 标定的意义 机械结构力学及控制国家重点实验室55 动态测试技术：测试系统的基本特性 4.5 测试系统的标定 标定的方法 由高精度输入量发生器给出一组数值准确已知 的、不随时间变化的输入量xi，输入的值一般不少于5 个，并在量程范围内均匀分布，测量测试系统相应的 输出量yi，从而由(xi,yi）数值列表绘制曲线或得到经验 公式，即静态特性曲线（方程），根据此曲线便可确 定其静态特性指标。 ， 机械结构力学及控制国家重点实验室56 动态测试技术：测试