1第一章 测试系统及其基本特性

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1、2011,轧制工艺参数测试技术,陈泽军,College of Materials Science and Engineering,CHONGQING UNIVERSITY,,023-65111547(o),1.1 测试系统,第一章 测试系统及基本特征,1.1 测试系统,1.1.1 测试系统的基本概念 测试系统通常是指为了完成一定测试任务而使用的测试仪器、设备的组合，它包括传感器、调理电路、数据采集、微处理器（计算机）以及显示装置等。,测试系统方框图,工程测试处理的问题,测试处理总是处理输入量(被测试量) x(t)、系统特性h(t)和输出量y(t)之间的关系:,待知,已知,输入量(被测试量) x

2、(t) + 系统特性 h(t),输入量(被测试量) x(t) + 输出量 y(t),系统特性 h(t) + 输出量 y(t),输出量 y(t),系统特性 h(t),输入量(被测试量) x(t),电量,电量,1.1.2 测试系统的基本组成,传感器,被测非电量,测量电路,显 示 装 置,指示仪器,记录仪器,数据处理仪器,打印机,测试系统的基本组成框图,按信息的获取过程来分，测试系统大体分为三个部分：信息的获取(传感器)、信息的转换(测量电路)和信息的显示(显示、记录装置)。,1.1 测试系统,传感器,传感器的组成： 传感器的要求： 精确性 稳定性 灵敏度要高,传感器,传感器的分类： 按输入非电量分

3、类： 按输入量大致可分为热工量、机械量、物性和成分量三大类； 传感器按输入非电量可分为位移传感器、力传感器和速度传感器。 优点：可以明确传感器的用途、便于使用者选择，属于商业产品的分类法。 缺点：品种繁多、对于建立传感器基本概念、掌握基本原理和分析方法不利。 按工作原理分类： 以传感器的工作原理为依据，如电阻式、电容式、电感式和压电式等。 避免了传感器应用过于繁多的缺点。,测量电路,测量电路又称为信号调理与转换电路，通常包括测量电桥、调制、放大、解调、滤波、微分、积分、数/模或模/数转换电路。 测量电路的其作用：把从传感器输出的微弱电信号变换为易于传输、处理和测量的电压和电流信号，使其适合于显

4、示、记录、数据处理或控制之用。 测量电路基本要求： 能准确转换、稳定放大，可靠地传输信号； 信噪比高，抗干扰性能好。,显示装置,基本类型： （1）模拟式显示 被测量数值大小可由小光点指示器或指针在标尺上的相应位置来表示。 （2）数字式显示 以数字的形式直接显示出被测参量的数值大小。 （3）图像显示（屏幕显示） 用屏幕显示读数或被测参量的变化曲线，类似电视显示。,模拟式传感器,被测量(参数),模拟测量电路,模拟显示器,模拟式测试系统简化框图,1.1 测试系统,1.1.3 常见测试系统的基本类型 （1）模拟式测试系统 模拟系统是最早出现、最简单的测试系统。 模拟式测试系统结构简单、价格低廉、维修方

5、便，目前仍在使用。,1.1 测试系统,1.1.3 常见测试系统的基本类型 （2）数字式测试系统 数字式测试系统是在模拟式测试同的基础上发展起来的，它采用数字显示器现实测试结果。,数字式测试系统,模拟式传感器,被测量(参数),模拟测量电路,A/D,数字显示器,数字式传感器,被测量(参数),放大整形电路,计数器,数字显示器,(a),(b),1.1 测试系统,1.1.3 常见测试系统的基本类型 模拟式/数字式测试系统只能用于一个测量点；无获得信息的处理功能。 （3）微机化测试系统 第三代测试系统微机化测试系统。 特点： 可用于多个测量点测量； 强大的信息的处理功能；,1.1 测试系统,微机化测试系统

6、中，传输的信号为数字信号，具有抗干扰能力强，测试速度快，精度高和实现功能多等特点。,典型的计算机测试系统的组成,1.1 测试系统,计算机的引入给微机化测试系统带来了一些新特点和新功能： 自动对零；量程自动切换；数字滤波；自动修正误差；数据处理功能；多媒体功能；通信或者网络功能；自我诊断功能。 三代测试系统中都包含传感器、测量电路和显示装置三个基本组成部分。,1.1 测试系统,测试系统的要求： 性能稳定； 测试精度符合要求； 有足够的动态响应； 具有实时和事后数据处理能力； 具有开放性和兼容性,1.2 测试系统的基本特性,主要是指其输出(量)-输入(量)特性,理想的测试系统： 具有单值的、确定的

7、输入-输出关系,多对一,一对多,一对一,1.2.1 测试系统的静态特性,静态特性： 被测量不随时间变化 dx/dt=0。 静态特性的基本要求： 输入为零时，输出也为零。 输出和输入成一一对应关系，且保持固定不变。,y=a0x0+a1x1+a2x2+a3x3+anxn y: 输出量 x: 输入量 a0：输入x为零时的输出值，即零位输出 a1：系统的线性灵敏度,理想的线性特征 a2=a3=a4=an=0 y=a1x,初始值0线性特征 a2=a3=a4=an=0 y=a0+a1x,非线性项仅奇次相 a2=a4=a6=0 y=a1x1+a3x3+a5x5+ y(x)-y(-x),非线性项仅偶次相 a3

8、=a5=0 y=a1x+a2x2+a4x4+a6x6+ y(x)-y(-x),假设 a0=0，不考虑零位输出,理想的测量系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。其中以输出和输入成线性关系为最佳。 在静态测量中，测量系统的这种线性关系虽说总是所希望的，但不是必须的，因为在静态测量中可用曲线校正或输出补偿技术作非线性校正； 在动态测量中，测量工作本身应该力求是线性系统，这不仅因为目前只有对线性系统才能作比较完善的数学处理与分析，而且也因为在动态测试中作非线性校正目前还相当困难。,1.2.1 测试系统的静态特性,静态特性的基本参数 （1）零位（零点） （2）灵敏度 在静态或稳态条件下，输出量的增量y

9、与输入量x的增量的比值称为灵敏度S。,1.2.1 测试系统的静态特性,如果激励和响应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近似为常量)， 依据线性时不变系统的基本特性，则有：,灵敏度可由静态特性曲线的斜率来求得，曲线的斜率越大，其灵敏度就越高。,1.2.1 测试系统的静态特性,当特性曲线呈非线性关系时，灵敏度的表达式为：,理想的灵敏度,1.2.1 测试系统的静态特性,若测试系统是由灵敏度分别为S1，S2 ，S3等多个相互独立的环节组成，则系统的总灵敏度为：,1.2.1 测试系统的静态特性,灵敏度的量纲 例如：水银温度计的输入量是温度，输出量是水银柱的高度。若温度每升高1，水

10、银柱的高度升高2mm，则它的灵敏度为2mm/ 。 （温度计与体温计，灵敏度不同）。,1.2.1 测试系统的静态特性,一般来说，灵敏度的选择以高为好。 灵敏度高谁明它能测出被测参量的极小变化，即被测参量稍有变化，测试系统就有较大的输出并能显示出来。 但灵敏度越高，测量范围为越小，稳定性越差。,1.2.1 测试系统的静态特性,欲使测量结果具有普遍的科学意义，测量系统应当是经过检验的。 标定：用已知的标准校正仪器或测量系统的过程称为标定。 输入到测量系统中的已知量是静态量还是动态量，标定分静态标定和动态标定。,1.2.1 测试系统的静态特性,静态标定：就是将原始基准器，或比被标定系统准确度高的各级标

11、准器或已知输入源作用于测量系统，得出测量系统的激励响应关系的实验操作。,要求：标定时，一般应在全量程范围内均匀地取定5个或5个以上的标定点（包括零点） 正行程：从零点开始，由低至高，逐次输入预定的标定值此称标定的正行程。 反行程：再倒序依次输入预定的标定值，直至返回零点，此称反行程。,静态标定,1.2.1 测试系统的静态特性, 确定仪器或测量系统的输入输出关系，赋予仪器或测量系统分度值； 确定仪器或测量系统的静态特性指标； 消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度。,静态标定的主要作用,1.2.1 测试系统的静态特性,测量系统的静态特性,测量系统的静态特性：通过静态标定，可得到测量系统的响应值

12、yi和激励值xi之间的一一对应关系，称为测量系统的静态特性。 测量系统的静态特性可以用一个多项式方程表示，即,称为测量系统的静态数学模型,1.2.1 测试系统的静态特性,工作曲线,工作曲线：方程 称之为工作曲线或静态特性曲线。实际工作中，一般用标定过程中静态平均特性曲线来描述。 正行程曲线：正行程中激励与响应的平均曲线 反行程曲线：反行程中激励与响应的平均曲线 实际工作曲线：正反行程曲线之平均,1.2.1 测试系统的静态特性,工作曲线,1.2.1 测试系统的静态特性,理想的情况是测量系统的响应和激励之间有线性关系，这时数据处理最简单，并且可和动态测量原理相衔接。 由于原理、材料、制作上的种种客

13、观原因，测量系统的静态特性不可能是严格线性的。如果在测量系统的特性方程中，非线性项的影响不大，实际静态特性接近直线关系，则常用一条参考直线来代替实际的静态特性曲线，近似地表示响应激励关系。,测量系统的静态特性,1.2.1 测试系统的静态特性,端点连线 将静态特性曲线上的对应于测量范围上、下限的两点的连线作为工作直线；,参考直线的选用方案,端点平移线 平行于端点连线，且与实际静态特性（常取平均特性为准）的最大正偏差和最大负偏差的绝对值相等的直线；,参考直线的选用方案,1.2.1 测试系统的静态特性,最小二乘直线 直线方程的形式为： 且对于各个标定点（xi，yi）偏差的平方和最小的直线；式中a、b

14、为回归系数，且a、b两系数具有物理意义； 过零最小二乘直线 直线方程的形式为： 且对各标定点（ xi，yi ）偏差的平方和最小的直线。,参考直线的选用方案,1.2.1 测试系统的静态特性,1.2.1 测试系统的静态特性,（3）线性度（非线性）,通常也称为线性度，是指测量系统的实际输入输出特性曲线对于参考线性输入输出特性的接近或偏离程度，用实际输入输出特性曲线对参考线性输入输出特性曲线的最大偏差量与满量程的百分比来表示。即：,线性度 满量程 最大偏差,其中：,1.2.1 测试系统的静态特性,（4）滞后 迟滞：亦称滞后量、滞后或回程误差，表征测量系统在全量程范围内，输入量由小到大(正行程)或由大到

15、小(反行程)两者静态特性不一致的程度。显然， 越小，迟滞性能越好。,1.2.1 测试系统的静态特性,显然 越小，系统的线性程度越好，实际工作中经常会遇到非线性较为严重的系统。此时，可以采取限制测量范围、采用非线性拟合或非线性放大器等技术措施来提高系统的线性度。,重复性表示测量系统在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次(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。,1.2.1 测试系统的静态特性,（5）重复性,重复性误差为随机误差，引用误差表示形式为:,R同一激励量对应多次循环的同向行程 响应量的极差。,1.2.1 测试系统的静态特性,重复性是指标定值的分散性，是一种随机误差，也

16、可以根据标准偏差来计算R :,1.2.1 测试系统的静态特性,标准偏差按贝塞尔公式计算 ,即,、,、,1.2.1 测试系统的静态特性,j标定点序号，j1、2、3、m； i标定的循环次数，i1、2、3、n；,yjiD，yjiI正、反行程各标定点输出值,再取jD 、jI的均方值为子样的标准偏差,则：,1.2.1 测试系统的静态特性,1.2.1 测试系统的静态特性,（6）准确度 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。 准确度可以用输出单位来表示:,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两方面原因造成。,在工程应用中多以仪器的满量程百分比误差来表示，即 :,1.2.1 测试系统的静态特性,1.2.1 测试系统