《测试技术》PPT课件.ppt
2023/7/19,1,系统对任意输入信号的响应系统对单位阶跃输入信号的响应,2.4 测试装置对任意输入的响应,2023/7/19,2,一、系统对任意输入信号的响应,2023/7/19,3,对取极限，,此式表明，从时域看，系统的输出就是输入与系统的脉冲响应函数的卷积，是系统输入输出关系的最基本表达式。,2023/7/19,4,卷积积分是一种数学方法，在信号与系统的理论研究中占有重要的地位。特别是关于信号的时间域与变换域分析，它是沟通时域频域的一个桥梁。,1、卷积分基础：,2023/7/19,5,1）将信号x(t)分解为许多宽度为 t 的窄条面积之和，t=n t 时的第n个窄条的高度为x(n t)，在 t 趋近于零的情况下，窄条可以看作是强度等于窄条面积的脉冲。,2、卷积的物理意义：,2023/7/19,6,2）在t=nt时刻，窄条脉冲引起的响应为:x(nt)t h(t-nt),2023/7/19,7,3）各脉冲引起的响应之和即为输出y(t),2023/7/19,8,案例：音响系统性能评定,改进：脉冲输入/白噪声输入，测量输出，再求输出频谱。,飞机模态分析,2023/7/19,9,案例:镗杆固有频率测量,2023/7/19,10,实验：悬臂梁固有频率测量,2023/7/19,11,案例: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。,2023/7/19,12,二、系统对单位阶跃输入的响应,单位阶跃输入,一阶系统响应,二阶系统响应,输出,输入,X(s)=1/s,x(t)=u(t)0 t0,2023/7/19,13,单位阶跃激励下的稳态输出误差理论上为零系统初始上升斜率为,在理论上,，系统响应达到稳态无意义,对一阶装置,越小越好，达稳态时间越短。,一阶系统：,2023/7/19,14,二阶系统：,在单位阶跃激励下的稳态输出误差也为零，但其响应主要决定于,，,。,，响应越快；,，持续振荡，达不到稳态；,，虽不发生振荡，但也需要较长时间才能达到稳态；,响应在偏离稳态不到2%5%范围内。,2023/7/19,15,若系统输入信号为单位阶跃信号，即:x(t)=u(t)，则 X(s)=1/s，此时 Y(s)=H(s)/s,阶跃响应函数,2023/7/19,16,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：桥梁固有频率测量,2023/7/19,17,2.5实现不失真测试的条件,设有一个测试装置，其输出,与输入,满足：,-,输出和输入波形一致，只是幅值放大了,倍，,时间延迟,测试装置实现了不失真测量对作傅立叶变换：,若,2023/7/19,18,则,所以，测试装置实现不失真测试条件：,称幅值失真,成线性关系称相位失真,2023/7/19,19,注：满足不失真测试条件后，装置的输出仍滞后于输入若测试结果用作反馈控制信号，则此滞后影响系统的稳定性。应使滞后。实际装置很难实现完全理想的不失真常测试有误差只能将波形失真限制在一定误差范围内。,一阶装置：,时间常数 愈小，装置的响应愈快，近于满足不失真测试条件的通频带愈宽。所以时间常数 原则上愈小愈好。,2023/7/19,20,二阶装置：,，,的数值较小，,且,接近直线，,变化不超过10%，,波形输出失真很小。,，,接近,，,且随,变化甚小，,此时将实测电路反相，,则,基本满足不失真条件。,但此时,过小，输出幅值太小。,，可获得较为合适的综合特性；,的频率范围内，,的变化不超过5%，,同时,也接近于直线，所以相位失真也很小。,2023/7/19,21,设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系 y(t)=A0 x(t-t0),系统不失真测量条件,该系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。,2023/7/19,22,y(t)=A0 x(t-t0)Y()=A0e-jt0X(),不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足 A()=A0=常数()=-t0,做傅立叶变换,2023/7/19,23,2.6 测试装置动态特性测试,频率响应法阶跃响应法,主要叙述对装置本身动态特性的测试方法,2023/7/19,24,频率响应法,通过稳态正弦激励试验求其幅频和相频特性曲线,，,。,对于一阶装置：主要确定其时间常数,，,2023/7/19,25,对于二阶装置：,1)从相频特性,直接估计其动态特性参数,，,但准确测定相角较难。,2)从幅频特性曲线估计动态特性参数：,对,的欠阻尼系统，,的峰值稍偏离,的,处，,或,2023/7/19,26,当,甚小时，,先求,，再求,。,由,当,时，,，当,甚小时,接近峰值。,令,，,代入,中：,2023/7/19,27,在,曲线上，在峰值的,处作水平线交,曲线于a,b对应频率,则,2023/7/19,28,阶跃响应法（在工程中常用）（一）由一阶装置的阶跃响应求其动态特性参数,估算：测得一阶装置的阶跃响应，取输出值达到最终稳态值的63所经过的时间作为时间常数。,精确计算：一阶装置的阶跃响应表达式：,(不可靠，取决于某瞬时值，有误差),2023/7/19,29,所以,成线性关系，作曲线，依其斜率计算,(此法运用了全部测试数据，测试结果较可靠),2023/7/19,30,（二）由二阶装置的阶跃响应求其动态特性参数,2023/7/19,31,有阻尼固有频率,其瞬态响应为以,为园频率作衰减振荡，,各振荡峰值对应时间,，,，,，,，,当,时，,为超调量,2023/7/19,32,所以,作 图，,求阻尼比,若：测响应较长的瞬变过程，用 和 求阻尼比,，,2023/7/19,33,当 时，以1代替，则,2023/7/19,34,1、一阶系统,温度,酒精,湿度,典型系统的动态响应,2023/7/19,35,特征：测量滞后,阶跃响应,2023/7/19,36,一阶系统时间常数测量：,阶跃响应,2023/7/19,37,实验：一阶系统时间常数对测量的影响,2023/7/19,38,2 二阶系统,称重(应变片),加速度,2023/7/19,39,特征：震荡,脉冲响应,典型系统的动态响应,2023/7/19,40,二阶系统参数测量,脉冲响应/阶跃响应函数法：,2023/7/19,41,传递函数法,2023/7/19,42,阻尼系数和固频的作用,2023/7/19,43,实验：二阶系统参数对测量的影响,2023/7/19,44,2.7负载效应 定义：,大多数测量元件（或仪表）总要从被测对象中吸取一些能量，它会或多或少地改变被测量的数值，这种效应称为测试装置的负载效应。为比较各种仪表的负载效应，在电测仪表中常用输入阻抗来表示：,2023/7/19,45,测量元件消耗的功率，为使,，需使仪表具有很大的输入阻抗,措施：,1、采用辅助能源放大器，使测量元件只从被测的环 节上取得微小的功率，再借助放大器使仪表获得所需的功率，减少前一环节的功率损耗。2、利用负反馈技术组成零位测量，在达到平衡时，理论上可认为不消耗被测介质中的能量。3、提高输入阻抗，使放大器输出阻抗减小。,2023/7/19,46,实际测量工作中，测量系统和被测对象会产生相互作用。测量装置构成被测对象的负载。彼此间存在能量交换和相互影响，以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加或连乘。,V=ER2Rm/R1(Rm+R2)+RmR2,令R1=100K,R2=150K,Rm=150K,E=150V,得:U0=90V,U1=64.3V，误差达28.6%。,2023/7/19,47,案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量,灵敏度=y/x,非线性度=B/A100%,回程误差=(hmax/A)100%,测量范围：,2023/7/19,48,2.8测试装置的抗干扰,测量装置的干扰源防供电干扰防信道干扰接地提高系统精度,2023/7/19,49,测量过程中，除待测量信号外，各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中。这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。,测量系统的抗干扰,2023/7/19,50,1)电磁干扰:干扰以电磁波辐射方式经空间串入测 量系统。,2)信道干扰：信号在传输过程中，通道中各元件产 生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。,2)电源干扰：这是由于供电电源波动对测量电路引 起的干扰。,一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元器件，印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰性。,2023/7/19,51,其它应用：,肌电诱发电位仪,生理信号传导速度60m/s-70m/s,2023/7/19,52,测量装置的干扰源,电磁场干扰外部电磁波辐射；信道干扰装置内部元器件之间的相互影响；电源干扰电源、电网波动。,测试系统的干扰源：干扰（噪声）进入测试系统的无用信号。其干扰了需要测量的信号，并改变、影响被测量信号的正确显示，以致于误测、误判、误读。,干扰进入测试系统的三条途径：,2023/7/19,53,2.8.2 防供电干扰,一、电网电源噪声二、供电系统干扰三、去干扰措施 1、交流稳压器 2、隔离变压器（稳压器）3、低通滤波器 4、独立功能模块单独供电,采用电源稳压器稳定电源电压；采用隔离稳压器减少高频噪声；采用低通滤波器；采用独立电源或直流电源供电。,2023/7/19,54,防信道干扰,1、合理设计、选用元器件2、合理布置元器件和线路走向3、采用屏蔽,2023/7/19,55,接地,1、采用单点接地法2、加宽加粗公共接地线3、缩短接地线4、数字和模拟接地,2023/7/19,56,提高系统精度,设计选型调试定期维护,2023/7/19,57,休 息 一 下,
