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1、第一章 测试系统的基本特性,1.1 概述 1.2 测试系统的静态特性 1.3 测试系统的动态特性 习题与思考题,1.1 概 述 1. 测试系统的概念 按照信息论的观点，系统是指任何能与外界进行信息交换的集合体。传统上，测试系统被定义为按某种规则组织起来的一套测试仪器(设备)。这种定义将测试系统限于实际的测量设备层面，按照现代的观点来看，不够全面、完整。一个测试系统功能的完成，必然与操作人员(测量者)及测试环境等有着密切的联系，由它们共同完成与被测对象的信息交换。因此，广义的测试系统应定义为由测试设备、测量者与测试环境构成的，与外界进行信息交换的集合体。,2. 测试系统的发展历史 俄罗斯著名科学
2、家门捷列夫曾用以下的话来阐述测量对科学的意义：“科学自测量开始，没有测量，便没有精密的科学。” 由此可见，测量是人类认识客观世界最重要的途径之一, 通过对周围事物给出定量特征，揭示出自然规律。 传统的测量大都集中于对物体单一性质的量测，所采用的测量设备也都十分简单，功能也非常单一。随着科学技术的发展，被测量的范围不断扩展，其复杂程度也不断加深，传统的人工操作单参数测量装置已无法满足科学技术发展的要求，测试系统正是伴随着这一需要而产生的。 测试系统从系统的观点出发，将被测对象看做具有复杂内部组成的系统，通过构筑多方位的测量、处理、分析部件，完成对被测对象高速度、高精确度、多参数、多功能的测试任务
3、。,测试系统是传统的测量技术与微电子技术和计算机技术密切结合的产物，是在微电子与计算机技术充分发展的基础上产生的一门新型学科。像许多新技术发展的情况一样，测试系统首先是由于军事上的需要而发展起来的。20世纪50年代中期，美国在新发展起来的一代尖端武器(如含有大量电子设备的飞机和导弹系统)的维护检修方面，面临着许多棘手的问题，传统的测量仪器和手工操作方法已无法满足现实的需要。在这种背景下，多用途的“万能”测试系统的概念被提出来了。其最终目标为：不依靠任何有关的技术文献，由非专业人员上机进行几乎全自动的操作，并以电子计算机完成测试，且通过编程的灵活性还可以适应任何具体测试任务。在这个概念之下，美国
4、国防部从1956年启动了SETE计划的研究项目, 成为现代测试系统的大规模研究的开端。,后来的事实表明，测试系统在军事应用上虽然取得了不少成就，却远未能达到最终目标。然而，测试系统并未因此而遭到摒弃，反而得到了巨大的发展，成为一门影响力日益扩大的新兴学科。同许多新技术一样，测试系统在发展到一定程度之后，很快就突破了原先军事应用的狭窄范围，在更为广阔的领域中获得了更大的发展。大约从20世纪60年代开始,测试系统就应用于工业领域，并且吸取了早期军事上的宝贵经验和惨痛教训，抛弃了“万能”思想，有的放矢地着重解决生产上测试关键所需的“专业”测试系统。到了20世纪60年代中、后期，就有应用于民用的成套测
5、试系统出现在电子仪器商品市场上。,早期的测试系统大都是为某种测试目的而专门设计制造的专用系统，难以改作他用。20世纪60年代后期，测试系统开始采用组合式或积木式的组建概念，尽可能利用各种现成的通用仪器设备(或略经改装的仪器设备)，加上一台电子计算机，来“拼凑”出所需的测试系统。事实已经证明，这种模块化构件思想，为测试系统的发展奠定了坚实的基础。 由于近代各种科学技术迅猛发展，在科学研究和工业大生产中，各行各业对测试系统的需求日益增多。虽然各种测试仪器的种类不断增多，但不同厂家制造的仪器没有统一的接口标准，彼此不能很好地兼容，给不同测试系统之间的连接、通信带来了很多障碍。在这一情形下，广大用户迫
6、切希望采取某些措施，比如制定出一种统一的标准作为设计接口的准绳，以此统一一个集团、一个国家乃至全世界的电子仪器的接口系统，使接口问题不再是组建测试系统的瓶颈。,基于以上原因，从20世纪60年代以来，世界各国争相研究，先后出现了多种接口标准，包括公司标准、集团标准、国家标准和国际标准。在测试领域得以广泛应用的接口有GPIB、 RS232C、CAMAC和VXIbus等。20世纪80年代以来，由于电子技术的飞速发展，使电子测量技术和仪器与计算机技术更紧密地结合起来。为满足测试与控制发展的需求，在90年代相继出现了模块化仪器系统及其VXI和PXI总线接口。 测试系统技术现已普及到国防、军事、工业、航空
7、航天、医疗、交通等各个领域，成为一个国家工业现代化的重要标志之一。测试系统技术属于测试测量学科前沿的先进技术，是当前形势下培养现代测试高等级工程技术人才所必需的专业基础知识。,一个测试系统，由人工操作完成特定测试任务，称为手动测试系统；使用具有一定自动化能力的测量设备进行的测量和实验称为自动测试系统(Automatic Measurement System)。 测试系统具有重要的意义，其高速性特点可以节约大量的人力和时间。此外，现代测试系统内部往往带有处理器，还可以做各种复杂的分析、统计、判断、处理，并且能进行自检查和自修复，从而可以获得很高的测量精确度。,3. 测试系统的构成 如图1.1所示
8、，测试系统一般由测量者、激励装置(可选)、被测对象、传感器、信号调理、信号处理、显示记录、反馈控制等环节组成。测试系统的复杂程度取决于被测信息检测的难易程度以及所采用的实验方法。对测试系统的基本要求是可靠、实用、通用、经济，这也是考虑测试系统组成的前提条件。 一个被测对象的信息总是通过一定的物理量信号表现出来的。有些信息可以在被测对象处于自然状态时所表现出的物理量中显现出来，而有些信息却无法显现或显现得不明显。在后一种情况下，需要通过激励装置作用于被测对象，使之产生有用信息并载于其中的一种新的信号。如对零件或设备激振测量其固有频率等。,图1.1 测试系统的组成,传感器是将被测信息转换成某种便于
9、处理的信号的器件。它包括敏感器和转换器两部分。敏感器一般是将被测量如温度、压力、位移、振动、噪声、流量等转换成某种容易检测的信号，而转换器则是将这种信号变成某种易于传输、记录、处理的信号(通常为电信号)。 信号调理环节把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。这种信号的转换，多数是电信号之间的转换，如幅值放大，将阻抗的变化转换成电压的变化或频率的变化等等。 信号处理环节对来自信号调理环节的信号进行各种运算和分析。 显示记录环节将来自信号处理环节的信号，以测量者易于观察和分析的形式显示出来或储存测试的结果。,而反馈控制环节主要用于闭环控制型测试系统。对于图1.1中信号的调理、处理、
10、反馈控制、显示等环节，目前的发展趋势是经AD转换后采用计算机等进行分析、处理，再经D/A转换来控制被测对象。 需要指出的是，为了准确地获得被测对象的信息，要求测试系统中每一个环节的输出量与输入量之间必须具有一一对应关系，而且输出的变化能够准确地反映出其输入的变化，即实现不失真的测试。,4. 测试系统的主要性质 一般地，把外界对系统的作用称为系统的输入或激励，而将系统对输入的反映称为系统的输出或响应，如图1.2所示。其中：x 表示测试系统随时间而变化的输入，y(t)表示测试系统随时间而变化的输出。理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入-输出关系，即对应于每一输入量都应只有单一的输出量与之对应，
11、以输出与输入成线性关系为最佳。知道其中的一个量就可以确定另外一个量。实际测试系统往往无法在较大范围内满足这种要求，而只能在较小的工作范围内和在一定误差允许范围内满足这种要求。,图1.2 测试系统示意图,对于确定的测试系统，其结构及其所用元器件的参数决定了系数ai和bj的大小及其量纲。但是，一个实际的物理系统由于其组成中的各元器件的物理参数并非能保持常数，加上元件中的电阻、电容、半导体器件等的特性都会受温度的影响，这些都会导致系统微分方程系数ai和bj的变化，因此理想的线性时不变系统是不存在的。然而，为了降低系统的处理难度，在工程实际应用中，只要可以满足系统准确度的要求，在一定的条件下、特定的范
12、围内，将实际的非线性系统近似为线性系统，即将系统的参数ai和bj当作时不变的常数。本书以下的讨论都只限于线性时不变系统。 若以x(t)y(t)表示线性时不变系统输入与输出的对应关系，则线性时不变系统具有以下主要性质。,1) 叠加性 当几个输入同时作用于一线性系统时，其响应等于各个输入单独作用于该系统的响应之和。 即 x1(t)y1(t) x2(t)y2(t) 则 ax1(t)+bx2(t)ay1(t)+by2(t) 叠加性表明，对于线性系统，一个输入的存在并不影响另一个输入的响应。各个输入产生的响应是互不影响的。因此，对于一个复杂的输入，就可以将其分解成一系列简单的输入之和，系统对复杂激励的响
13、应便等于这些简单输入的响应之和。,2) 比例特性 若线性系统的输入扩大 k 倍，则其响应也将扩大 k 倍，即对于任意常数 k，必有 x(t)y(t) 则 k x(t)k y(t) 3) 微分性质 线性系统对输入导数的响应等于对该输入响应的导数:,4) 积分特性 若线性系统的初始状态为零(即当输入为零时，其响应也为零)，则积分的响应等于对该输入响应的积分，即 5) 频率保持性 若线性系统的输入为某一频率的简谐信号，则其稳态响应必是同一频率的简谐信号。即若 x(t)=x0ejt 则 式中，x0，y0为常数。,线性系统的频率保持性在测试工作中具有非常重要的作用。在实际测试中，测试得到的信号常常会受到
14、其它信号或噪声的干扰，这时依据频率保持性可以认定测得的输出信号中只有与输入信号具有相同的频率成分才是真正由输入引起的输出。同样，在故障诊断中，根据测试信号的主要频率成分，在排除干扰的基础上，依据频率保持特性，输入信号也应包含该频率成分，通过寻找产生该频率成分的原因，就可以诊断出故障的原因。 【例 1.1】已知 S 为线性时不变系统，现对系统 S 施加 x(t)=3 sint+2 cos2t+7 sin 的激励，则以下不可能是系统输出成分的是( )。,A. 1.2 cost B. 5 sin C. 7 cos(2t+1.2) D. 0.09 cos 分析：本题考查的是线性时不变系统的性质。根据线
15、性时不变系统的频率保持性，线性时不变系统对单一频率的输入只会产生同频率的输出。再由叠加性，输入之和的作用结果与分别的作用结果之和相当。因此，根据三角函数的性质，线性时不变系统的输出频率只可能是由输入信号原频率成分或其和构成。分析备选答案，A和C的频率成分是输入信号的组成频率，有可能是系统输出的组成；B的频率可由输入信号中sint和sin5t的和得到，因此也可能是系统输出的组成；只有D的频率既不是输入信号的组成频率，也不能通过输入信号各分量的组合得到，因此不可能是系统输出成分。 答案：D。,也就是说，理想线性系统输出与输入的函数关系是一条理想的直线，斜率 S 为常数。 但是实际测试系统并非是理想
16、线性时不变系统，式(1.2)实际上成为 y = S1x+S2x2+S3x3+=(S1+S2x+S3x2+)x (1.3) 输出曲线并不是理想的直线。,图1.3 非线性度示意图,测试系统的非线性度是无量纲量，通常用百分数来表示，它是测试系统的一个非常重要的精度指标。至于拟合直线的确定，目前国内外还没有统一的标准。常用的主要有两种，即端基直线法和最小二乘直线法。 端基直线是指连接测量范围上下限点的直线，如图1.4所示。显然，用端基直线代替实际的输入、输出曲线，其求解过程比较简单。但通过这种方法得到的非线性度准确性较差。,1.4 端基直线法,最小二乘直线法是指使输入与输出曲线上各点的线性误差 Bi 的平方和最小，即 最小的直线。这一定义符合最小包容原则，对端点的微小变化不敏感，是更可取的评定方法，但其计算比较复杂，不过，在计算机日益普及的今天，这已经不成问题。图1.5给出了最小二乘直线法的示意图。,图1.5
