(35)--第2章 机械工程测试技术测试系统.ppt

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1、第二章第二章 测试系统测试系统 检 测 技 术4 4 测试装置对任意输入的响应测试装置对任意输入的响应3 3 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1 1 测试系统的组成测试系统的组成内容2 2 测试仪器的特性测试仪器的特性第二章第二章 测试系统测试系统5 5 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件6 6 测量装置动态特性的测量测量装置动态特性的测量 检 测 技 术1.1.建立测试系统的概念建立测试系统的概念 2.2.掌握测试系统的静态特性和动态特性掌握测试系统的静态特性和动态特性 3.3.掌握测试装置不失真测试的条件掌握测试装置不失真测试的条件4.4.了解测试系统特性的测

2、量方法了解测试系统特性的测量方法 本章学习要求本章学习要求 检 测 技 术4各种智能仪器各种智能仪器最低、最高温度 检 测 技 术应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 检 测 技 术2024/1/46汽车衡汽车衡 检 测 技 术汽车衡汽车衡（以下参考（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）检 测 技 术汽车衡汽车衡称重系统称重系统 检 测 技 术网络化仪表示意图网络化仪表示意图工业总线工业总线 检 测 技 术2024/1/410钢厂自动化监控系统实例钢厂自动化监控系统实例 检 测 技 术汽车汽车ECU的应用（续）的应用（续）ECU用于防碰撞和控制安全气囊传感器将速度、距离等

3、与碰撞有关的参数传送给ECU。检 测 技 术汽车避撞系统原理框图汽车避撞系统原理框图安全气囊 检 测 技 术类别检测内容应用目的传感器件明暗觉是否有光，亮度多少判断有无对象，并得到定量结果光敏管、光电断续器色觉对象的色彩及浓度利用颜色识别对象的场合彩色摄影机、滤色器、彩色CCD位置觉物体的位置、角度、距离物体空间位置，判断物体移动光敏阵列、CCD等形状觉物体的外形提取物体轮廓及固有特征，识别物体光敏阵列、CCD等接触觉与对象是否接触，接触的位置决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径光电传感器、微动开关、薄膜接点、压敏高分子材料压觉对物体的压力、握力、压力分布控制握力，识

4、别握持物，测量物体弹性压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料力觉机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业应变片、导电橡胶接近觉对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜控制位置，寻径，安全保障，异常停止光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器滑觉垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器机器人传感器分类机器人传感器分类 检 测 技 术 检 测 技 术(红外体温红外体温)测试系统是指由传感器、信号调理电路、信号测试系统是指由传感器、信号调理电路、信号处理电路、记录

5、显示设备组成并具有获取某种信息处理电路、记录显示设备组成并具有获取某种信息之功能的整体。之功能的整体。第一节第一节 测试系统组成测试系统组成 检 测 技 术应变式荷重传感器的外应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4 检 测 技 术17压阻式固态压阻式固态压力传感器压力传感器内部结构内部结构信号处理电路信号处理电路 检 测 技 术 检 测 技 术四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形.检 测 技 术四通道电荷放大器指标四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）（参考东方振动和噪声技术研究所资料）灵灵敏敏度：度：0.11000mV/pC频率范围

6、：频率范围：0.3100KHz噪声噪声(最大增益最大增益)：折合至输入端小于：折合至输入端小于5V准准确确度：度：1%最大输出：最大输出：10V/10mA电电源：源：220V/50Hz控制方式：控制方式：计算机或手动计算机或手动焊接式焊接式 电荷放大器电荷放大器 检 测 技 术 采样开关采样开关 (1)(1)干簧继电器：干簧继电器主要由驱动线圈干簧继电器：干簧继电器主要由驱动线圈和干簧管组成，驱动线圈绕在干簧管外面。当线和干簧管组成，驱动线圈绕在干簧管外面。当线圈通以额定电流后，干簧管中的两根常开弹簧片圈通以额定电流后，干簧管中的两根常开弹簧片互相吸引而吸合。它的耐压较高，额定电流较大，互相吸

7、引而吸合。它的耐压较高，额定电流较大，导通电阻接近零，驱动功率约几十毫瓦。耗电较导通电阻接近零，驱动功率约几十毫瓦。耗电较大、大、速度较慢是干簧继电器的主要缺点。速度较慢是干簧继电器的主要缺点。干簧管 检 测 技 术模拟采样开关模拟采样开关 CMOS模拟采样开关是一种传输模拟信号的可控模拟采样开关是一种传输模拟信号的可控半导体开关。它的控制端处于半导体开关。它的控制端处于“有效有效”状态时，内部状态时，内部的的P沟道沟道MOS管或管或N沟道沟道MOS管导通，模拟开关处于管导通，模拟开关处于导通状态，导通电阻约几欧至几百欧（视型号而定）。导通状态，导通电阻约几欧至几百欧（视型号而定）。当控制端处

8、于当控制端处于“无效无效”状态时开关截止，截止电阻大状态时开关截止，截止电阻大于于108。CMOS模拟开关的优点是集成度高，动作快模拟开关的优点是集成度高，动作快（小于（小于1 s）、耗电省等。缺点是有一定的导通电阻、）、耗电省等。缺点是有一定的导通电阻、各通道间有一定的漏电、击穿电压低、易损坏等。各通道间有一定的漏电、击穿电压低、易损坏等。检 测 技 术放大器放大器 从从传感器来的信号有许多是毫伏级的弱信号，传感器来的信号有许多是毫伏级的弱信号，须经放大才能进行须经放大才能进行A/D转换。系统对放大器的主要要转换。系统对放大器的主要要求是：精度高、温度漂移小、共模抑制比高、频带求是：精度高、

9、温度漂移小、共模抑制比高、频带宽至直流。宽至直流。目前常用的放大器有以下几种型式：一种是高目前常用的放大器有以下几种型式：一种是高精度、低漂移的双极型放大器；另一种为隔离放大精度、低漂移的双极型放大器；另一种为隔离放大器，它带有光电隔离或变压器隔离的低漂移信号放器，它带有光电隔离或变压器隔离的低漂移信号放大器，以及一个高隔离的大器，以及一个高隔离的DC/DC电源。电源。检 测 技 术精密隔离精密隔离放大器举例放大器举例 线性误差：小于0.01%输入阻抗：1M隔离度：2500V/50Hz/1min工作温度：-10+60 检 测 技 术A/D转换器转换器（ADC）放大器放大后的模拟信号必须进行放大

10、器放大后的模拟信号必须进行A/D转换才转换才能由计算机进行运算处理。目前采用较多的能由计算机进行运算处理。目前采用较多的A/D转转换器有两大类：一类是并行换器有两大类：一类是并行A/D转换器，另一类是转换器，另一类是串行串行A/D转换器。转换器。在并行在并行A/D转换器中，又有逐位比较型和双积转换器中，又有逐位比较型和双积分型之分。前者转换速度较快，有分型之分。前者转换速度较快，有8位、位、12位、位、16位等规格。位数越高，精度也越高，但价格也相应位等规格。位数越高，精度也越高，但价格也相应提高；后者转换速度较慢（每秒提高；后者转换速度较慢（每秒10次左右），但价次左右），但价格便宜。常见的

11、有格便宜。常见的有3位半、位半、4位半等规格。位半等规格。检 测 技 术A/D转换器转换器的的光耦接口电路光耦接口电路 检 测 技 术智能仪器的芯片及模块智能仪器的芯片及模块51系列单片机芯片 检 测 技 术各种嵌入式计算机数据采集卡各种嵌入式计算机数据采集卡 检 测 技 术嵌入式计算机数据采集系统嵌入式计算机数据采集系统 传感器信号采集卡可多层叠合，插入到传感器信号采集卡可多层叠合，插入到嵌入式嵌入式计算机的总线接口中，就可以构成数据采集系统。计算机的总线接口中，就可以构成数据采集系统。检 测 技 术端子板与功能卡的连接端子板与功能卡的连接37芯排线端子板PCI数据采集、控制卡传感器信号线接

12、线端子输出信号接线端子去计算机PCI槽 检 测 技 术USB接口卡及接口卡及USB线线 检 测 技 术一体化工作站一体化工作站平板式工作站（带触摸屏）军用便携式工作站 检 测 技 术工业计算机（工控机）机箱工业计算机（工控机）机箱工控机的抗电磁干扰能力、防振、防潮、防尘能力均较强，有较多的扩展槽，它的电源系统有较好的抗电磁干扰能力。虽然工控机的价格比个人电脑贵，但可靠性强得多，性能价格比高，适合在工业现场条件较恶劣的场合使用。检 测 技 术2024/1/4工业级底板工业级底板（参考研祥智能科技有限公司资料）（参考研祥智能科技有限公司资料）底板上的扩展槽用于 插接各种数据采集卡PCI扩展槽ISA

13、扩展槽 检 测 技 术D/A转换器转换器（DAC）与接口电路与接口电路 计算机运算处理后的数字信号有时必须转换计算机运算处理后的数字信号有时必须转换为模拟信号，才能用于工业生产的过程控制。它为模拟信号，才能用于工业生产的过程控制。它的输入是计算机送出的数字量，它的输出是与数的输入是计算机送出的数字量，它的输出是与数字量相对应的电压或电流。如果在计算机与字量相对应的电压或电流。如果在计算机与D/A之之间插入多路光耦合器就能较好地防止工业控制设间插入多路光耦合器就能较好地防止工业控制设备干扰计算机的备干扰计算机的工作。如果使用多路采样保持器，工作。如果使用多路采样保持器，只要使用一只只要使用一只D

14、/A即可进行多路即可进行多路D/A转换。转换。检 测 技 术D/A转换器转换器的的光耦接口电路光耦接口电路 420mA 检 测 技 术复杂测试系统（轴承缺陷监测）复杂测试系统（轴承缺陷监测）检 测 技 术 检 测 技 术1 1）具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一）具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成成线性关系线性关系最佳。最佳。xy线性线性xy线性线性xy非线性非线性2 2）系统的特性不随时间的推移发生改变。

15、）系统的特性不随时间的推移发生改变。理想的测试系统传输特性理想的测试系统传输特性 检 测 技 术最佳的测试系统具有最佳的测试系统具有线性时不变特性线性时不变特性。许多实际测试系统无法在较大工作范围内满许多实际测试系统无法在较大工作范围内满足线性时不变要求，但在足线性时不变要求，但在有效测量范围有效测量范围内近似满内近似满足线性时不变传输特性要求也可。足线性时不变传输特性要求也可。本书所讨论的测试系统限于线性时不变系统。本书所讨论的测试系统限于线性时不变系统。一般在工程中使用的测试系统都看作线性时一般在工程中使用的测试系统都看作线性时不变系统。不变系统。理想的测试系统传输特性理想的测试系统传输特

16、性n信号不失真信号不失真n信噪比必须充分大信噪比必须充分大n动态测试系统具有尽可能短的过渡过程和尽可能小的超动态测试系统具有尽可能短的过渡过程和尽可能小的超调量调量 测试系统基本要求：测试系统基本要求：检 测 技 术 系统输入系统输入x(t)x(t)和输出和输出y(t)y(t)间的关系可以用常系数间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：线性微分方程来描述：-时不变系统或者定常系统时不变系统或者定常系统 常系数线性微分方程中的常系数线性微分方程中的系数为常数系数为常数，所描述，所描述的是线性时不变系统。的是线性时不变系统。线性系统线性系统线性系统的性质：线性系统的性质：叠加性：引起的输出分别为

17、如输入为 则输出为比例特性（齐次性）:如 引起的输出为 ，则 引起的输出为 。微分特性：引起的输出为积分特性：引起的输出为频率保持性：如 则 检 测 技 术重要结论：线性系统具有频率保持特性的含义是输入信号的频率成分通过线性系统后仍保持原有的频率成分。u根据输入信号的频率成分确定输出信号的频率成分，识别输出信号的真伪及噪声、干扰；u比较输入输出信号的频率成分，判断系统是否为线性系统。检 测 技 术静态特性（静态特性（Static characteristicsStatic characteristics）：即输入量和输出：即输入量和输出量不随时间变化或变化缓慢时，输出与输入之间的量不随时间变化

18、或变化缓慢时，输出与输入之间的关系，可用代数方程表示。关系，可用代数方程表示。动态特性（动态特性（Dynamic characteristicsDynamic characteristics）：即输入量和：即输入量和输出量随时间迅速变化时，输出与输入之间的关系，输出量随时间迅速变化时，输出与输入之间的关系，可用微分方程表示。可用微分方程表示。测试系统传输特性的分类测试系统传输特性的分类 检 测 技 术示值范围示值范围Ao静态特性静态特性 :当输入量不随时间变化当输入量不随时间变化或变化十分缓慢时，输出与输入量或变化十分缓慢时，输出与输入量之间的关系：之间的关系：线性静态特性线性静态特性：希望仪

19、器的输入与：希望仪器的输入与输出为一种规定的线性关系：输出为一种规定的线性关系：第二节第二节 测量仪器的特性测量仪器的特性一、仪器的静态特性与线性度一、仪器的静态特性与线性度 检 测 技 术示值范围示值范围Ao非线性误差非线性误差 ：仪器实际特性与规定特性不符：仪器实际特性与规定特性不符 线性度线性度 ：最大偏差：最大偏差 与标准与标准 输出范围输出范围A A的百分比：的百分比：线性度线性度一、仪器的静态特性与线性度一、仪器的静态特性与线性度 检 测 技 术 准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。准确度指测量仪器给出的示值和真值的接近程度。v测量仪器最主要的计量性能指标；测量仪器最主要的

20、计量性能指标；v仅仅由仪器自身的原因造成；仅仅由仪器自身的原因造成；v定性概念；定性概念；v定量指标用准确度等级、示值误差或引用误差表示：定量指标用准确度等级、示值误差或引用误差表示：v 示值误差测量值真实值示值误差测量值真实值v （真实值用约定真值代替）真实值用约定真值代替）v 引用误差引用误差=示值误差示值误差/量程量程v 准确度等级就是根据示值误差或引用误差而划分的准准确度等级就是根据示值误差或引用误差而划分的准确度级别。确度级别。v 当某个测量仪器的引用误差不大于当某个测量仪器的引用误差不大于0.010.01时（时（1 1），该仪），该仪器的准确度为器的准确度为1 1级。但只是准确度等

21、级为级。但只是准确度等级为1 1级而决非准确度级而决非准确度为为1 1 。如：电工仪表的准确度等级可分为：如：电工仪表的准确度等级可分为：0.1 0.1、0.20.2、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.02.0、5.05.0七级。七级。一、测量仪器的准确度及其定量指标一、测量仪器的准确度及其定量指标 检 测 技 术 在在相同测量条件下，重复测量同一个被测量时测相同测量条件下，重复测量同一个被测量时测量仪器示值的一致程度。量仪器示值的一致程度。v 重复性可以用示值的分散性来定量表示。要求仪器重复性可以用示值的分散性来定量表示。要求仪器示值分散在允许的范围内。示值分散在允许的范围内。v

22、 重复性是测量仪器的重要指标，反映了仪器工作的重复性是测量仪器的重要指标，反映了仪器工作的可信度和有效性。可信度和有效性。二、测量仪器的重复性（精密度）二、测量仪器的重复性（精密度）检 测 技 术 测量仪器响应测量仪器响应(输出输出)的变化除以对应的激励的变化除以对应的激励(输入输入)的变的变化。若输入激励量为化。若输入激励量为 X X，相应输出是相应输出是 Y Y，则灵敏度表示为：则灵敏度表示为：S=YS=YXX 灵敏度是仪器对被测量变化的反映能力。灵敏度是仪器对被测量变化的反映能力。灵敏度又称为放大比。灵敏度又称为放大比。特性曲线的斜率即为灵敏度。特性曲线的斜率即为灵敏度。三、灵敏度三、灵

23、敏度 检 测 技 术数字式仪器：数字式仪器：分辨力是指仪器显示的分辨力是指仪器显示的最末一位最末一位数字间隔代数字间隔代表的被测量值。表的被测量值。分辨力：分辨力：显示装置能有效辨别的最小示值。显示装置能有效辨别的最小示值。分辨力是与仪器的精度密切相关的。要提高仪器精度分辨力是与仪器的精度密切相关的。要提高仪器精度必须有足够的分辨力来保证；反过来仪器的分辨力必须与必须有足够的分辨力来保证；反过来仪器的分辨力必须与仪器精度相适应仪器精度相适应,不考虑仪器精度而一味的追求高分辨力是不考虑仪器精度而一味的追求高分辨力是不可取的。不可取的。模拟式仪器：模拟式仪器：分辨力就是分辨力就是分度值分度值。三、

24、分辨力、鉴别力阈三、分辨力、鉴别力阈 检 测 技 术 混杂混杂在输出信号中的无用成分称为噪声。在输出信号中的无用成分称为噪声。v信噪比的表达式：信噪比的表达式：定义定义1 1：20lgAS/AN (20lgAS/AN (输出信号峰值输出信号峰值/噪声信号峰值噪声信号峰值)；定义定义2 2：10lgPS/PN (10lgPS/PN (输出信号功率输出信号功率/噪声信号功率噪声信号功率)；一般仪器的信噪比要在一般仪器的信噪比要在4040分贝以上。分贝以上。三、信噪比三、信噪比 检 测 技 术 示值范围是显示装置上最大与最小示值的范围。示值范围是显示装置上最大与最小示值的范围。当仪器有多档量程时，用

25、标称范围取代示值范围。当仪器有多档量程时，用标称范围取代示值范围。量程指标称范围两极限值之差的模。量程指标称范围两极限值之差的模。v如：温度计下限如：温度计下限-30-30，上限，上限8080，则量程为，则量程为110110。测量范围又称工作范围，指测量仪器的误差处在规定极测量范围又称工作范围，指测量仪器的误差处在规定极限内的一组被测量的值。一般小于或等于标称范围。限内的一组被测量的值。一般小于或等于标称范围。动态范围是仪器所能测量的最强信号和最弱信号之比。动态范围是仪器所能测量的最强信号和最弱信号之比。v动态范围动态范围=20lg=20lg（最大信号幅值或有效值（最大信号幅值或有效值/最小信

26、号的幅最小信号的幅值或有效值）值或有效值）v测量范围可以随着输入信号的衰减或增益而改变，但动测量范围可以随着输入信号的衰减或增益而改变，但动态范围不变。态范围不变。四、标称范围、量程、测量范围和动态范围四、标称范围、量程、测量范围和动态范围 检 测 技 术 在相同条件下，被测量值不变，计量器具行程方向不同在相同条件下，被测量值不变，计量器具行程方向不同（正程、反程，正转、反转等）其示值之差的绝对值。（正程、反程，正转、反转等）其示值之差的绝对值。产生回程误差的主要原因是仪器零件之间存在间隙或摩产生回程误差的主要原因是仪器零件之间存在间隙或摩擦，或齿轮啮合面的变动；对于电磁式传感器或压电式传感擦

27、，或齿轮啮合面的变动；对于电磁式传感器或压电式传感器，由于正反程磁滞或电滞现象也会出现滞后误差（滞差）。器，由于正反程磁滞或电滞现象也会出现滞后误差（滞差）。五、回程误差五、回程误差 检 测 技 术零点漂移：零点漂移：测量装置的输出零点偏离原始零点的距离。测量装置的输出零点偏离原始零点的距离。灵敏度漂移：灵敏度漂移：由于材料性质的变化所引起的输入和输出由于材料性质的变化所引起的输入和输出关系（斜率）的变化。关系（斜率）的变化。总误差总误差=零点漂移零点漂移+灵敏度漂移灵敏度漂移五、零点漂移和灵敏度漂移五、零点漂移和灵敏度漂移六、工作频率范围、响应特性和响应时间六、工作频率范围、响应特性和响应时

28、间 检 测 技 术XWB-300FA热变形、维卡软热变形、维卡软化点温度测定仪化点温度测定仪主要技术参数：主要技术参数：1、温度控制范围：室温-3002、升温速率：50/h误差0.5/6min120/h误差1.0/6min3、温度分辨率：0.14、变形测量方法：位移传感器5、变形测量范围：0-1mm（标准配置）0-3mm（非标配置）6、输入方式：7寸彩色触摸屏7、变形分辨率：0.001mm8、试样架数：三架9、试样跨距：52-110mm（连续可调节）10、加热介质：甲基硅油11、电源：220V 50Hz12、冷却方法：循环水冷却13、机型：台式 检 测 技 术 在在对对动动态态物物理理量量进进

29、行行测测试试时时，测测试试装装置置的的输输出出变变化化是是否否能能真真实实地地反反映映输输入入变变化化，则则取取决决于于测测试试装置的动态响应特性。装置的动态响应特性。微分方程微分方程第三节第三节 测量系统的数学模型及频率特性测量系统的数学模型及频率特性 检 测 技 术传递函数传递函数频率响应函数频率响应函数脉冲响应函数脉冲响应函数 检 测 技 术 传递函数的定义：传递函数的定义：x(t)x(t)、y(t)y(t)及其各阶导数的及其各阶导数的初始值为零，初始值为零，系统输出信号的拉普拉斯变换系统输出信号的拉普拉斯变换(拉氏变换拉氏变换)与输入信号的拉氏变换之比，与输入信号的拉氏变换之比，记记为

30、为 式中式中 复变数复变数s s为拉氏变换算子为拉氏变换算子:和和 皆为实变量皆为实变量一、传递函数一、传递函数 检 测 技 术一、传递函数一、传递函数 检 测 技 术 检 测 技 术传递函数的特性传递函数的特性1 1、H(s)H(s)与输入与输入 及系统的初始状态无关，它及系统的初始状态无关，它只表达系统的传输特性。只表达系统的传输特性。2 2、H(s)H(s)是对物理系统的微分方程，即对式（是对物理系统的微分方程，即对式（2-12-1）求拉普拉斯变换而求得的，它只反映系统的传输求拉普拉斯变换而求得的，它只反映系统的传输特性而不拘泥于物理系统的实际结构特性而不拘泥于物理系统的实际结构3 3、

31、对于实际的物理系统，输入、对于实际的物理系统，输入 和输出和输出 都都具有各自的量纲。具有各自的量纲。4 4、H(s)H(s)中的分母取决于系统的结构。分母中中的分母取决于系统的结构。分母中s s的的最高幂次最高幂次n n代表系统微分方程的阶数。分子则和代表系统微分方程的阶数。分子则和系统同外界之间的关系有关。系统同外界之间的关系有关。检 测 技 术或或二、频率响应函数（系统传输特性频域表现）二、频率响应函数（系统传输特性频域表现）检 测 技 术H(H()一般是一般是 实变量实变量 的复函数的复函数,即即（一）幅频特性、相频特性和频率响应函数（一）幅频特性、相频特性和频率响应函数1 1、幅频特

32、性、幅频特性定常线性系统在简谐信号激励下其稳态输定常线性系统在简谐信号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，记为出信号和输入信号的幅值比为系统的幅频特性，记为 。2 2、相频特性、相频特性上述条件下，稳态输出对输入的相位差被上述条件下，稳态输出对输入的相位差被定义为该系统的相频特性，记为定义为该系统的相频特性，记为 。检 测 技 术3 3、系统频率特性、系统频率特性该系统的幅频特性和相频特性该系统的幅频特性和相频特性统称为系统频率特性。统称为系统频率特性。用用 表示系统频率特性，也称为频率响应函数。表示系统频率特性，也称为频率响应函数。其中其中一个复数可表示为一个复数可表示为

33、 检 测 技 术 检 测 技 术 检 测 技 术 常称为系统的脉冲响应函数或权函数，可作为系常称为系统的脉冲响应函数或权函数，可作为系统特性的时域描述。统特性的时域描述。由拉氏变换求出由拉氏变换求出由由若输入为单位脉冲，即若输入为单位脉冲，即时域波形参数识别时域波形参数识别则则变换出变换出三、脉冲响应函数（系统传输特性时域表现）三、脉冲响应函数（系统传输特性时域表现）检 测 技 术 4 4、关系、关系 3 3、传递函数、传递函数 在复数域描述系统特性。在复数域描述系统特性。2 2、频率响应函数、频率响应函数 在频域描述系统特性。在频域描述系统特性。1 1、脉冲响应函数、脉冲响应函数 在时域描述

34、系统特性。在时域描述系统特性。传递函数传递函数频率响应函数频率响应函数脉冲响应函数脉冲响应函数 检 测 技 术 检 测 技 术四、环节的串联与并联四、环节的串联与并联串串联联 检 测 技 术串串联联当串联环节间无能量交换时，串联后系统的传递函数：当串联环节间无能量交换时，串联后系统的传递函数：频率响应函数频率响应函数幅频特性幅频特性相频特性相频特性四、环节的串联与并联四、环节的串联与并联 检 测 技 术四、环节的串联与并联四、环节的串联与并联并并联联 检 测 技 术并并联联并联后系统的传递函数：并联后系统的传递函数：频率响应函数：频率响应函数：检 测 技 术高阶系统高阶系统分解为分解为s s的

35、一次和二次实函数因子式的一次和二次实函数因子式式中式中 为实常数，其中为实常数，其中据此，可以把式据此，可以把式(2-13)(2-13)改写成改写成 检 测 技 术v系统阶次由系统阶次由输出量最高微分阶次输出量最高微分阶次确定。最常见的测确定。最常见的测试系统可概括为零阶系统、一阶系统、二阶系统试系统可概括为零阶系统、一阶系统、二阶系统。v零阶系统零阶系统（Zero-order system)数学表述数学表述传递函数传递函数K：静态灵敏度静态灵敏度v零阶系统的输出和输入同步变化，不产生任何的失真和延迟，零阶系统的输出和输入同步变化，不产生任何的失真和延迟，因此是一种理想的测试系统，如位移电位器

36、、电子示波器等。因此是一种理想的测试系统，如位移电位器、电子示波器等。检 测 技 术二、一阶、二阶系统的特性二、一阶、二阶系统的特性1.1.一阶系统一阶系统 检 测 技 术令令x(t)x(t)、y(t)y(t)分别为输入、输出电压，分别为输入、输出电压，有有式中式中 称为时间常数，其量纲为称为时间常数，其量纲为T T令令 ，得，得 检 测 技 术取取s=1s=1（传递函数）（传递函数）（频率响应函数）（频率响应函数）（相频特性）（相频特性）（幅频特性）（幅频特性）负号说明输出信号滞后于输入信号。负号说明输出信号滞后于输入信号。检 测 技 术幅、相频特性及其图像描述幅、相频特性及其图像描述6 6

37、、乃奎斯特图、乃奎斯特图4 4、虚频特性曲线、虚频特性曲线3 3、实频特性曲线、实频特性曲线5 5、伯德、伯德(Bode)(Bode)图图2 2、相频特性曲线、相频特性曲线1 1、幅频特性曲线、幅频特性曲线A()-()-)-20lgA(20lgA()-lg)-lg：对数幅频曲线：对数幅频曲线()-lg)-lg：对数相频曲线。：对数相频曲线。Re()-Im()-Im()-Re()自原点画出的矢量向径自原点画出的矢量向径和横轴夹角分别是该频和横轴夹角分别是该频率率 点的点的A()和和()7 7、脉冲响应函数、脉冲响应函数 h(t)h(t)检 测 技 术幅幅频频和和相相频频曲曲线线1.1.一阶系统一

38、阶系统相频特性曲线相频特性曲线幅频特性曲线幅频特性曲线A()-()-)-检 测 技 术伯伯德德图图伯德伯德(Bode)(Bode)图图20lgA(20lgA()-lg)-lg：对数幅频曲线：对数幅频曲线()-lg)-lg：对数相频曲线。：对数相频曲线。检 测 技 术特点：特点：（1 1）当）当 (约约 )时，时，值接近于值接近于1 1（误差不（误差不超过超过2%2%），输入输出幅值几乎相等，见图），输入输出幅值几乎相等，见图2-11.2-11.当当 时，即时，即 时，时，与之对应方程式为与之对应方程式为输入与输出的积分成正比，系统相当于一个积分输入与输出的积分成正比，系统相当于一个积分器，其中

39、器，其中 与与 成反比，相位相差近成反比，相位相差近9090度。一度。一阶系统装置使用于测量缓变或低频的测量。阶系统装置使用于测量缓变或低频的测量。检 测 技 术（2 2）是一阶系统的重要参数。在是一阶系统的重要参数。在 处，处，相角滞后相角滞后4545。决定了该决定了该 装置适用的频率范围。装置适用的频率范围。（3 3）一阶系统伯德图可以用一条折线近似描述。）一阶系统伯德图可以用一条折线近似描述。的直线，的直线，为一条为一条-20dB/10-20dB/10倍倍 频斜率直线，频斜率直线，是转折频率，最大误差为是转折频率，最大误差为-3dB-3dB。检 测 技 术奈奈奎奎斯斯特特图图 检 测 技

40、 术脉冲响应函数脉冲响应函数 检 测 技 术例：求周期信号例：求周期信号 通过传递通过传递函数为函数为 的装置后所得到的稳态响应。的装置后所得到的稳态响应。解：利用叠加原理和频率保持性解题解：利用叠加原理和频率保持性解题 检 测 技 术2.2.二阶系统二阶系统 检 测 技 术称重（应变片）称重（应变片）压电式传感器压电式传感器2.2.二阶系统二阶系统 检 测 技 术 检 测 技 术 检 测 技 术幅幅频频特特性性曲曲线线相相频频特特性性曲曲线线 检 测 技 术伯伯德德图图 检 测 技 术特点特点：（：（1 1）当）当 时，时，；当；当 时，时，（2 2）影响二阶系统动态特性的参数是固有频率和阻

41、）影响二阶系统动态特性的参数是固有频率和阻尼比，尼比，尤为重要。当尤为重要。当 时，系统共振。时，系统共振。，不因阻尼比不同而改变。，不因阻尼比不同而改变。（3 3）伯德图可用折线近似。在）伯德图可用折线近似。在 段，用段，用近似；在近似；在 区间，因共振区，偏差较大。区间，因共振区，偏差较大。（4 4）在）在 段，段，甚小，在甚小，在 段，段，趋近于趋近于180180度，输出与输入反相。在度，输出与输入反相。在 靠近靠近 区间，区间，随频随频率剧烈变化，率剧烈变化，。（5 5）二阶系统是一个振荡环节，从测试角度看，希）二阶系统是一个振荡环节，从测试角度看，希望在宽频范围内不理想频率特性引起的

42、误差尽可能小。望在宽频范围内不理想频率特性引起的误差尽可能小。为此，需恰当选择固有频率和阻尼比。为此，需恰当选择固有频率和阻尼比。一般情况下一般情况下 检 测 技 术四、环节的串联与并联四、环节的串联与并联串串联联当串联环节间无能量交换时，串联后系统的传递函数：当串联环节间无能量交换时，串联后系统的传递函数：频率响应函数频率响应函数幅频特性幅频特性相频特性相频特性 检 测 技 术并并联联并联后系统的传递函数：并联后系统的传递函数：频率响应函数：频率响应函数：检 测 技 术（传递函数）（传递函数）（频率响应函数）（频率响应函数）（相频特性）（相频特性）（幅频特性）（幅频特性）一阶系统一阶系统 检

43、 测 技 术幅、相频特性及其图像描述幅、相频特性及其图像描述6 6、乃奎斯特图、乃奎斯特图4 4、虚频特性曲线、虚频特性曲线3 3、实频特性曲线、实频特性曲线5 5、伯德、伯德(Bode)(Bode)图图2 2、相频特性曲线、相频特性曲线1 1、幅频特性曲线、幅频特性曲线A()-()-)-20lgA(20lgA()-lg)-lg：对数幅频曲线：对数幅频曲线()-lg)-lg：对数相频曲线。：对数相频曲线。Re()-Im()-Im()-Re()自原点画出的矢量向径自原点画出的矢量向径和横轴夹角分别是该频和横轴夹角分别是该频率率 点的点的A()和和()检 测 技 术图图2-10 2-10 一阶系统

44、的伯德图一阶系统的伯德图a a）对数幅频曲线）对数幅频曲线 b b）对数相频曲线）对数相频曲线图图2-12 2-12 一阶系统的幅频、相频特性曲线一阶系统的幅频、相频特性曲线a a）幅频曲线）幅频曲线 b b）相频曲线）相频曲线图图2-11 2-11 一阶系统的奈奎斯特图一阶系统的奈奎斯特图图图2-13 2-13 一阶系统的脉冲响应函数一阶系统的脉冲响应函数 检 测 技 术二阶系统二阶系统 检 测 技 术幅幅频频特特性性曲曲线线相相频频特特性性曲曲线线 检 测 技 术伯伯德德图图 检 测 技 术奈奈奎奎斯斯特特图图 检 测 技 术图图2-18 2-18 二阶系统的脉冲响应函数二阶系统的脉冲响应

45、函数 检 测 技 术1.1.一阶系统的动态特性参数是一阶系统的动态特性参数是 。A A 固有频率固有频率 B B 阻尼比阻尼比 C C 时间常数时间常数 D D 灵敏度灵敏度2.2.系统在全量程内，输入量由小到大及由大到小时，对于同一个输入量所得系统在全量程内，输入量由小到大及由大到小时，对于同一个输入量所得1.1.到的两个数值不同的输出量之间的最大差值称为到的两个数值不同的输出量之间的最大差值称为 。A A 回程误差回程误差 B B 绝对误差绝对误差 C C 相对误差相对误差 D D 非线性误差非线性误差4.4.不属于测试系统的静特性。不属于测试系统的静特性。A A 灵敏度灵敏度 B B 线

46、性度线性度 C C 回程误差回程误差 D D 阻尼系数阻尼系数则输出信号则输出信号 的的6.6.某一阶系统的频率响应函数为：某一阶系统的频率响应函数为：，输入信号，输入信号幅值是幅值是 ，相位是相位是 。，3.3.忽略质量的单自由度振动系统是忽略质量的单自由度振动系统是 系统。系统。A A 零阶零阶 B B 一阶一阶 C C 二阶二阶 D D 高阶高阶5.5.两环节的相频特性各为两环节的相频特性各为和和，则两环节串联组成的测试系统，则两环节串联组成的测试系统，其相频特性为其相频特性为 。A AD DC CB BCADBB -45 检 测 技 术第四节第四节 测量装置对任意输入的响应测量装置对任

47、意输入的响应一.一.系统对任意输入的响应系统对任意输入的响应系统对任意输入的响应系统对任意输入的响应将输入将输入x(t)x(t)分割成众多相邻分割成众多相邻接的、持续时间为接的、持续时间为的脉的脉冲信号。冲信号。系统的输出则应是所有系统的输出则应是所有 诸贡献之和，即诸贡献之和，即 检 测 技 术当当据卷积定义据卷积定义对于对于t0t0时，时，和和 积分下限可取为积分下限可取为0 0，上限取为，上限取为t t，因此：，因此：（2-292-29）检 测 技 术此式表明：此式表明：（1 1）系统的输出就是输入与系统的脉冲响应）系统的输出就是输入与系统的脉冲响应函数的卷积。函数的卷积。（2 2）输入

48、）输入输出关系形式简明，含义明确。输出关系形式简明，含义明确。（3 3）可利用）可利用 的关系，以及拉氏的关系，以及拉氏变换、傅氏变化的卷积定理，将卷积计算变变换、傅氏变化的卷积定理，将卷积计算变换成复数域或频域的乘法运算，简化计算工换成复数域或频域的乘法运算，简化计算工作。作。检 测 技 术二、系统对单位阶跃输入的响应二、系统对单位阶跃输入的响应单位阶跃输入为单位阶跃输入为其拉氏变换为其拉氏变换为一阶系统传递函数一阶系统传递函数一阶系统输出为一阶系统输出为 检 测 技 术一阶系统输出一阶系统输出改变形式改变形式拉氏反变换拉氏反变换一阶系统输出一阶系统输出二阶系统输出二阶系统输出其中其中 检

49、测 技 术图图2-19 2-19 单位阶跃信号单位阶跃信号图图2-20 2-20 一阶系统的单位阶跃响应一阶系统的单位阶跃响应图图2-21 2-21 二阶系统的单位阶跃响应二阶系统的单位阶跃响应 检 测 技 术说明：说明：（1 1）单位脉冲函数）单位脉冲函数 的积分是单位阶跃函数的积分是单位阶跃函数 ，即：，即：故单位阶跃输入下的输出就是系统脉冲响应的积分故单位阶跃输入下的输出就是系统脉冲响应的积分一阶系统一阶系统（2 2）一阶系统在）一阶系统在 激励下稳态输出误差理论上为零，激励下稳态输出误差理论上为零，初始上升斜率为初始上升斜率为 ，并且，并且 检 测 技 术（3 3）二阶系统在）二阶系统

50、在 激励下激励下稳态输出误差也为零。但很稳态输出误差也为零。但很大程度上取决于大程度上取决于 和和 。（a a），超调量为，超调量为100%100%，振荡不稳定；，振荡不稳定；（b b），系统退化为两个一阶系统串联，需长时间稳定；，系统退化为两个一阶系统串联，需长时间稳定；（c c），系统在较短时间进入偏离状态不到，系统在较短时间进入偏离状态不到25%25%的范围内，可取。的范围内，可取。检 测 技 术 检 测 技 术 检 测 技 术 检 测 技 术第五节第五节 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件某装置输出某装置输出 与输入与输入 满足下式满足下式（2-322-32）时域条件时域条件 检