概述、静态特性-机械工程测试技术课件.ppt

机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性本章学习要求：本章学习要求：1.1.建立测试系统的概念建立测试系统的概念 2.2.了解测试系统特性对测量结果的影响了解测试系统特性对测量结果的影响 3.3.了解测试系统特性的测量方法了解测试系统特性的测量方法测试系统基本特性：测试系统基本特性：静态特性静态特性动态特性动态特性负载特性负载特性抗干扰特性抗干扰特性机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 测测试试系系统统是是执执行行测测试试任任务务的的传传感感器器、仪仪器器和设备的总称。和设备的总称。2.1 2.1 测试系统概论测试系统概论 简单测试系统简单测试系统(光电池光电池)V机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性复杂测试系统复杂测试系统(轴承缺陷检测轴承缺陷检测)加速度计加速度计 带通滤波器带通滤波器 包络检波器包络检波器机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性3)3)如果输入和系统特性已知，则可以推断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。和估计系统的输出量。(预测预测)系统分析中的三类问题：系统分析中的三类问题：1)1)当输入、输出是可测量的当输入、输出是可测量的(已知已知)，可以通，可以通过它们推断系统的传输特性。过它们推断系统的传输特性。(系统辨识系统辨识)2)2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。它们推断导致该输出的输入量。(反求反求)x(t)h(t)y(t)机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 测试系统的数学模型及频率特性测试系统的数学模型及频率特性系统模型的划分系统模型的划分F 线性系统与非线性系统线性系统与非线性系统 线性系统线性系统:具有具有叠加性、比例性叠加性、比例性的系统的系统F 连续时间系统与离散时间系统连续时间系统与离散时间系统 连续时间系统连续时间系统:输入、输出均为输入、输出均为连续函数连续函数.描述系统特征的描述系统特征的为为微分方程微分方程.离散时间系统离散时间系统:输入、输出均为输入、输出均为离散函数离散函数.描述系统特征的描述系统特征的为为差分方程差分方程.F 时变系统时变系统与与时不变时不变系统系统:由系统参数是否随时间而变化决定由系统参数是否随时间而变化决定.一般的测试系统都可视为线性定常系统。一般的测试系统都可视为线性定常系统。机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 测量系统的广义数学模型测量系统的广义数学模型测试系统的数学模型是根据相应的物理定律（如牛顿定律、能量守恒定律、基尔霍夫电路定律等）而得出的一组将输入和输出联系起来的数学方程式。常系数线性微分方程(General Differential equation)任何一个具体的输入量和输出量之间的关系都可以写成下任何一个具体的输入量和输出量之间的关系都可以写成下列数学形式列数学形式y y：输出量；输出量；x x：输入量；输入量；t t：时间时间系统的阶次由输出量最高微分阶次系统的阶次由输出量最高微分阶次n n决定。决定。机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 系统输入系统输入x(t)x(t)和输出和输出y(t)y(t)间的关系可以用常间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：系数线性微分方程来描述：线性系统的数学模型线性系统的数学模型(时域描述时域描述)一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性c)c)微分性微分性 系系统统对对输输入入信信号号微微分分的的响响应应等等于于对对原原输输入入信信号号的响应微分，即的响应微分，即 若若 x(t)y(t)x(t)y(t)则则 d)d)积分性积分性 当当初初始始条条件件为为零零时时，系系统统对对输输入入信信号号积积分分的的响应等于原输入信号响应的积分，即响应等于原输入信号响应的积分，即 若若 x(t)y(t)x(t)y(t)则则 机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性e)e)频率保持性频率保持性 若若系系统统的的输输入入为为某某一一频频率率的的谐谐波波信信号号，则则系系统统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即 若若 x(t)=Acos(t+x)x(t)=Acos(t+x)则则 y(t)=Bcos(t+y)y(t)=Bcos(t+y)线性系统的这些主要特性，特别是符合线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。重要作用。机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性如余弦信号通过非线性如余弦信号通过非线性系统（二极管），则输系统（二极管），则输出被整流，其频率成分出被整流，其频率成分被改变。被改变。输入信号输入信号输出信号输出信号非线性系非线性系统特性统特性频率特性机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性a)a)非线性度非线性度 标定曲线与理想直线的偏离程度就是非线性度。标定曲线与理想直线的偏离程度就是非线性度。非线性度非线性度=B/A100%=B/A100%y yx xB BA机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性b)b)灵敏度灵敏度 当当测测试试装装置置的的输输入入x x有有一一增增量量x,x,引引起起输输出出y y发发生相应变化生相应变化yy时时,定义定义:S=y/x:S=y/xx x理想的线性系统，其灵敏度为常数。理想的线性系统，其灵敏度为常数。有时在被测量不变的情况下，由于外界条件的变化有时在被测量不变的情况下，由于外界条件的变化也会引起灵敏度变化，即也会引起灵敏度变化，即灵敏度漂移灵敏度漂移。y yxxyy机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性d)d)静态响应特性的其他描述静态响应特性的其他描述精度：精度：是与评价测试装置产生的测量是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标误差大小有关的指标 灵敏阀：灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。起始点不灵敏的程度。分分辨辨力力：指指能能引引起起输输出出量量发发生生变变化化时时输输入入量量的的最最小小变变化化量量，表表明明测测试试装装置置分分辨辨输输入入量量微微小小变变化化的的能力。能力。机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性测量范围：测量范围：是指测试装置能正常测是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的量最小输入量和最大输入量之间的范围。范围。可可靠靠性性：是是与与测测试试装装置置无无故故障障工工作作时时间间长长短短有有关关的一种描述。的一种描述。稳稳定定性性：是是指指在在一一定定工工作作条条件件下下，当当输输入入量量不不变变时时，输输出出量量随随时时间间变化的程度。变化的程度。机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性 无无论论复复杂杂度度如如何何，把把测测量量装装置置作作为为一一个个系系统统来来看看待待。问问题题简简化化为为处处理理输输入入量量x(t)x(t)、系系统统传传输输特性特性h(t)h(t)和输出和输出y(t)y(t)三者之间的关系。三者之间的关系。x(t)h(t)y(t)输入量输入量系统特性系统特性输出输出2.3 2.3 测试系统的动态响应特性测试系统的动态响应特性 机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性传递函数传递函数:直观的反映了测试系统对不同频率成分直观的反映了测试系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况。输入信号的扭曲情况。机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性a)传递函数的测量传递函数的测量(正弦波法正弦波法)依次用不同频率依次用不同频率f fi i的简谐信号去激励被测系的简谐信号去激励被测系统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相统，同时测出激励和系统的稳态输出的幅值、相位，得到幅值比位，得到幅值比A Ai i、相位差、相位差ii。依据：频率保持性依据：频率保持性 若若 x(t)=Acos(t+x)x(t)=Acos(t+x)则则 y(t)=Bcos(t+y)y(t)=Bcos(t+y)机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性b)b)脉冲响应函数脉冲响应函数 若装置的输人为单位脉冲若装置的输人为单位脉冲(t)(t)，因，因(t)(t)的的傅立叶变换为傅立叶变换为1 1，有：，有：Y(f)=H(f)Y(f)=H(f)，或，或y(t)=Fy(t)=F-1-1H(S)H(S)优点：优点：直观直观缺点：缺点：简单系统识别简单系统识别记为记为h(t)h(t)，称它为脉冲响应函数。，称它为脉冲响应函数。H(f)固频、阻尼参数固频、阻尼参数傅立叶傅立叶变换变换机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性实验：悬臂梁固有频率测量实验：悬臂梁固有频率测量机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性案例案例:桥梁固频测量桥梁固频测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性机械工程测试技术机械工程测试技术第第2章章 测试装置的基本特性测试装置的基本特性阶跃响应函数测量阶跃响应函数测量 实验求阶跃响应函数简单明了，产生一个阶跃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。信号，再测量系统输出就可以了。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。案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量