測試系統(tǒng)的基本特性和測試條件

1、測試系統(tǒng)的基本特性和測試條件第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 本章學(xué)習(xí)要求：1.建立測試系統(tǒng)的概念 2.了解測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性 3.了解測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 4.掌握實(shí)現(xiàn)不失真測試的條件第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 所謂“系統(tǒng)”，通常是指一系列相關(guān)事物按一定聯(lián)系組成的能夠完成人們指定任務(wù)的整體。測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱。測試裝置本身就是一個(gè)系統(tǒng)。 第一節(jié)測試裝置與線性系統(tǒng) 簡單測試系統(tǒng)(光電池)V簡單測試系統(tǒng)：第三章 測試系統(tǒng)的基本特性復(fù)雜測試系統(tǒng)(軸承缺陷檢測) 加速度計(jì) 帶通濾波器 包絡(luò)檢波器第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 理想的測試裝置：具有單值的、確定的輸入輸出關(guān)系，即對于每

2、一輸入量都應(yīng)只有單一的輸出量與之 對應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。 輸出與輸入成線性關(guān)系為最佳。測試系統(tǒng)的輸入和輸出之間應(yīng)盡量滿足線性關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不失真測試。實(shí)際測試系統(tǒng)大多不可能在整個(gè)工作范圍內(nèi)完全保持線性，而只能在一定范圍內(nèi)和一定的（誤差）條件下作線性處理，這就是該測試系統(tǒng)的工作范圍。 一、測試裝置的基本要求 輸入量 輸出量 傳輸特性測試裝置 研究測試裝置的特性就是研究 之間的關(guān)系，知道其中兩個(gè)，就可確定另一個(gè)量。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性xy線性xy線性xy非線性不失真 在 基本不隨時(shí)間變化的靜態(tài)測量中，測試系統(tǒng)的線性關(guān)系總是希望的，但不是必需的，因?yàn)殪o態(tài)非線性校正較容易。在動(dòng)

3、態(tài)測試中，則力求測試系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。一是因?yàn)槟壳皩€性系統(tǒng)能夠做比較完善的數(shù)學(xué)處理與分析，二是因?yàn)閯?dòng)態(tài)測試中的非線性校正非常困難。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 二、線性系統(tǒng)及其主要性質(zhì) 在實(shí)際測試工作中，把測試系統(tǒng)在一定條件下，看成為一個(gè)線性系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 如果測試裝置的輸入量x(t)和輸出量y(t)之間的關(guān)系可用線性常微分方程來描述，即： 則稱該系統(tǒng)為時(shí)不變線性系統(tǒng)，也稱定常線性系統(tǒng)。通常nm，表明系統(tǒng)是穩(wěn)定的，即系統(tǒng)的輸入不會(huì)使輸出發(fā)散。系數(shù) 和 均為常數(shù)，不隨時(shí)間而變化 。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 嚴(yán)格地說，很多物理系統(tǒng)是時(shí)變的，因?yàn)闃?gòu)成物理系統(tǒng)的材料、元件、部件的特性并非

4、都是非常穩(wěn)定的。但是，在工程領(lǐng)域中，常?？梢砸宰銐虻木_度把一些時(shí)變線性系統(tǒng)當(dāng)作時(shí)不變線性系統(tǒng)來處理。線性時(shí)不變系統(tǒng)具有以下主要性質(zhì)：1. 疊加性 若 則 即符合疊加原理：作用于線性系統(tǒng)的各個(gè)輸入所產(chǎn)生的輸出是互不影響的?？傒敵龅扔谒袉蝹€(gè)輸入作用時(shí)的輸出相疊加。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 2.比例特性 若 對于任意常數(shù)k，則有 3.微分特性 系統(tǒng)對輸入微分的響應(yīng)等于對原輸入響應(yīng)的微分，即 若 則 4.積分特性 如果系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，則系統(tǒng)對輸入積分的響應(yīng)等于原輸入響應(yīng)的積分，即 若則第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 說明： 判斷一個(gè)系統(tǒng)是否是線性系統(tǒng)，只要判斷該系統(tǒng)是否滿足疊加性和比例性。若滿

5、足就是線性系統(tǒng)。 由于非線性系統(tǒng)不具有線性性質(zhì)，對它的分析與求解就十分困難。然而，在許多情況下，非線性系統(tǒng)可以在一定范圍內(nèi)近似為線性系統(tǒng)。這樣，就使得對線性系統(tǒng)的研究變得更為重要。5.頻率保持特性 若 則 即信號經(jīng)過測試裝置后，幅值可能放大或縮小，相位也可能發(fā)生變化，但頻率不會(huì)變化。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性第二節(jié) 測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性 如果測量時(shí)，測試裝置的輸入、輸出信號不隨時(shí)間而變化（或變化極緩慢），則稱為靜態(tài)測量。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性是指被測信號為靜態(tài)信號(或變化極緩慢信號）時(shí)測試裝置的輸出與輸入之間的關(guān)系。 定度曲線描述測試裝置輸入輸出之間關(guān)系的曲線。 當(dāng)輸入信

6、號為靜態(tài)信號，由式（3-1）得 這是理想狀態(tài)下定常線性系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系，即單調(diào)的線性比例關(guān)系。然而，實(shí)際的測量裝置并不是理想的線性系統(tǒng)，定度曲線不是直線。通常是采用“最小二乘法”擬合的直線來確定線性關(guān)系。用實(shí)驗(yàn)方法，確定出定度曲線，由定度曲線的特征指標(biāo)，即可描述測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性。 幾點(diǎn)主意： 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 靜態(tài)特性主要有線性度、靈敏度、回程誤差三項(xiàng)。一、線性度定度曲線與理想直線的接近程度。以定度曲線與擬合直線的最大偏差B同標(biāo)稱范圍A的百分比表示。 yxAB線性度 = B/A100% 實(shí)用中對非線性定度曲線的處理： 通過非線性補(bǔ)償，擴(kuò)大系統(tǒng)的標(biāo)稱 輸出范圍。 限定輸入量變化范圍很

7、小，使定度曲線滿足線性要求。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 二、靈敏度 當(dāng)測試裝置的輸入信號有一增量x,引起輸出信號發(fā)生相應(yīng)變化y時(shí)，定義 S=y/x yxxy第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 對于理想的定常線性系統(tǒng) 鑒別力閾：又稱為死區(qū)，即對器具的響應(yīng)而言，被測量的最小變化值。 分辨力：即能夠肯定區(qū)分的指示器示值的最鄰近值。一般規(guī)定： 數(shù)字裝置：最后一位變化一個(gè)字的大小 模擬裝置：指示標(biāo)尺分度值的一半。 靈敏度的量綱取決于輸入輸出量的單位。當(dāng)二者相同時(shí)，常用“放大倍數(shù)”或“增益”代表靈敏度。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性三、回程誤差（也稱滯后或變差） 測試裝置在輸入量由小到大再由大到小的測試過程中，對于

8、同一輸入量所得輸出量不一致的程度。hmaxyxA 定義回程誤差為: 以hmax與測量系統(tǒng)滿量程輸出值A(chǔ)的百分比表示， 即 (hmax/A)100%第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 四、其他表征測試系統(tǒng)的指標(biāo) 1精確度 準(zhǔn)確度：反映測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的影響。 精密度：反映測量結(jié)果中隨機(jī)誤差的影響。 精確度：反映測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合影響，即反映測量的總誤差。作為技術(shù)指標(biāo)，常用相對誤差和引用誤差來表示。 es小，er大 es大，er小 es小，er小 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 3. 信噪比（SNR）信號功率與噪聲功率之比，或 信號電壓與噪聲電壓之比，單位為分貝。即 2漂移 測量裝置的測量特

9、性隨時(shí)間的緩慢變化,稱為漂移。 在規(guī)定條件下，對一個(gè)恒定的輸入在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的輸出 變化，稱為點(diǎn)漂；在裝置標(biāo)稱范圍最低值處的點(diǎn)漂，稱 為零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。隨環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的漂移 稱為溫漂。 4測量范圍 指測試系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常測試的工作量值范圍。若 為動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)，必須表明其在允許誤差內(nèi)正常工作 的頻率范圍。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 分貝dB測量證明，人耳對3000赫茲的聲波最敏感。只要這個(gè)頻率的聲強(qiáng)達(dá)到I01012瓦/米2，就能引起人耳的聽覺。聲強(qiáng)級就是以人耳能聽到的這個(gè)最小聲強(qiáng)I0為基準(zhǔn)規(guī)定的，并把I01012瓦/米2的聲強(qiáng)規(guī)定為零級聲強(qiáng)，也就是說這時(shí)的聲強(qiáng)級為零分貝。 當(dāng)聲強(qiáng)由I0加

10、倍為2I0時(shí)，人耳感到的聲音強(qiáng)弱并沒有加倍。只有當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到10I0時(shí)，人耳感到的聲音強(qiáng)弱才增大一倍，這個(gè)聲強(qiáng)對應(yīng)的聲強(qiáng)級為10分貝；當(dāng)聲強(qiáng)變?yōu)?00I0時(shí)，人耳感到的聲音強(qiáng)弱增大2倍，對應(yīng)的聲強(qiáng)級為20分貝；當(dāng)聲強(qiáng)變?yōu)?000I0時(shí)，人耳感到的聲音強(qiáng)弱增大3倍，對應(yīng)的聲強(qiáng)級為30分貝，依此類推。人耳能承受的最大聲強(qiáng)為1瓦/米21012I0，它對應(yīng)的聲強(qiáng)級為120分貝(注：10分貝= 1貝爾 )。式中： ， 裝置的測量上限、下限。 5動(dòng)態(tài)范圍（DR) 指系統(tǒng)不受各種噪聲影響而能獲得不失真輸出測量 的范圍。常用測量上下限比值的分貝值來表示，即： 良好的靜態(tài)特性是實(shí)現(xiàn)不失真動(dòng)態(tài)測試的前提。 第三章

11、測試系統(tǒng)的基本特性 描述測試系統(tǒng)的特性實(shí)質(zhì)上就是建立輸入信號、輸出信號和測試裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)三者之間的關(guān)系。即把測試系統(tǒng)這個(gè)物理系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型，而不管其輸入輸出量的物理特性（即不管是機(jī)械量、電量或熱學(xué)量等），分析輸入信號與響應(yīng)信號之間的關(guān)系。 第三節(jié) 測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性輸入量隨時(shí)間變化時(shí)測試系統(tǒng)所表現(xiàn)出的響應(yīng)特性。x(t)h(t)y(t)輸入量系統(tǒng)特性輸出第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 系統(tǒng)分析中的三類問題 1)當(dāng)輸入、輸出是可測量的(已知)，可以通過它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。(系統(tǒng)辨識) 2)當(dāng)系統(tǒng)特性已知，輸出可測量，可以通過它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。 (反求) 3)如果輸入和系統(tǒng)特性

12、已知，則可以推斷和估計(jì)系統(tǒng)的輸出量。(預(yù)測) 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性一、測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述方法 已知系統(tǒng)輸入 1時(shí)域微分方程 線性時(shí)不變系統(tǒng)，可用常系數(shù)線性微分方程(3-1)描述。 解微分方程 系統(tǒng)的響應(yīng)輸出 根據(jù)輸入輸出之間的傳輸關(guān)系就可確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 存在問題：解微分方程困難，不便實(shí)際應(yīng)用。解決方法：利用拉普拉斯變換或傅里葉變換。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性后者是x(t)的傅里葉積分公式。那么，一個(gè)非周期函數(shù)x(t)在什么條件下，可以用傅里葉積分公式來表示？關(guān)于拉普拉斯變換傅里葉變對 傅里葉積分定理若x(t)在（-，+）上滿足下列條件： 在任一有限區(qū)間上滿足狄利克雷條件； 在（

13、-，+）上絕對可積（即積分 收斂），則有 成立，而左端的 x(t) 在其間斷點(diǎn)處，應(yīng)以x(t+0)+ x(t-0)/2代替。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性傅里葉變換的不足：問題 1：為什么要用拉普拉斯變換？傅里葉變換有不足。1）絕對可積的條件比較強(qiáng)，許多函數(shù)即使是很簡單的函數(shù)（如單位函數(shù)、正弦函數(shù)、余弦函數(shù)以及線性函數(shù)等)都不滿足這個(gè)條件。2）可以進(jìn)行傅氏變換的函數(shù)必須在整個(gè)數(shù)軸上有定義，但在物理、無線電技術(shù)等實(shí)際應(yīng)用中，許多以時(shí)間t為自變量的函數(shù)往往在t0) 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性單位函數(shù)u(t): 因 不收斂，u(t)不滿足絕對可積條件。 將 u(t) 看成 傅氏變換 推廣傅氏變換的定義

14、 這樣定義的傅氏變換應(yīng)理解為是在廣義意義下的傅氏變換。所謂廣義是相對于古典意義而言的，在廣義意義下的傅氏變換是允許交換積分運(yùn)算和求極限運(yùn)算的次序，即第三章 測試系統(tǒng)的基本特性指數(shù)衰減函數(shù): x(t) 0 t 1 |G()| 0 1/ 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性任意函數(shù) x(t)使積分區(qū)間由(-, +)換成 0, +)使其變得絕對可積x(t) ，再取傅里葉變換 產(chǎn)生拉普拉斯變換對 取傅氏變換，得 設(shè) ，則得 由此確定的 X(s)，實(shí)際上是由 f(t) 通過一種新的變換得來的，這種變換我們稱為拉普拉斯變換。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 拉普拉斯變換定義：設(shè)函數(shù) f(t) 當(dāng) t0時(shí)有定義，而且積分（

15、s 是一個(gè)復(fù)變量） 在 s 的某一域內(nèi)收斂，則由此積分所確定的函數(shù)可寫為 X(s) 是 f(t) 拉氏變換(或稱為象函數(shù))，記為：f(t) 為X(s)的拉氏逆變換(或稱為象原函數(shù))，記為：拉氏變換的存在定理：若f(t)滿足：在t0的任一有限區(qū)間上分段連續(xù)；在t充分大后滿足不等式|f(t)|Mect，其中M、c都是實(shí)常數(shù)。則X(s)=Lf(t)在半平面Re(s)上一定存在。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性拉普拉斯變換與傅里葉變換的區(qū)別：FT: 時(shí)域函數(shù)f(t)頻域函數(shù) 變量 t變量 LT: 時(shí)域函數(shù)f(t)復(fù)頻域函數(shù) （變量 t、 都是實(shí)數(shù)）變量 t變量s (復(fù)頻率） t（實(shí)數(shù)）(復(fù)數(shù)） 即： 傅里

16、葉變換建立了時(shí)域與頻域之間的聯(lián)系；拉普拉斯變換建立了時(shí)域與復(fù)頻域之間的聯(lián)系。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性拉普拉斯變換的應(yīng)用：1、微分方程的拉氏變換解法取拉氏變換象函數(shù)的代數(shù)方程解代數(shù)方程象函數(shù)取拉氏逆變換微分方程象原函數(shù) （微分方程的解）目的2、線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性2傳遞函數(shù) 設(shè) Ly(t) = Y(s)， Lx(t) = X(s)，根據(jù)拉氏變換的微分性質(zhì)若則可得 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性公式兩邊取拉氏變換并整理 令令其中系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性其中 傳遞函數(shù)H(s)表達(dá)了系統(tǒng)本身的特性，而與激勵(lì)及系統(tǒng)的初始狀態(tài)無關(guān)。但Hh(s)則由激勵(lì)和系統(tǒng)本身的

17、初始條件所決定。若這些初始條件全為零，即Hh(s)=0 時(shí)，有 或 這表明，在零初始條件下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)等于其響應(yīng)的拉氏變換與其激勵(lì)的拉氏變換之比。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 1）只反映系統(tǒng)本身的傳輸特性，與輸入和初始條件均無關(guān)。 2）只反映系統(tǒng)本身的傳輸特性，與系統(tǒng)具體的物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。 3）對實(shí)際的物理系統(tǒng)，由于輸入和輸出常具有不同的量綱，傳遞函數(shù)通過系數(shù) 和 反映出輸入輸出量綱的變換關(guān)系。 4）H(s)中的分母取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。分子則與外界因素有關(guān)。一般的測試裝置都是穩(wěn)定系統(tǒng)，穩(wěn)定的必要條件之一就是 傳遞函數(shù)有以下特點(diǎn)： 5）傳遞函數(shù)不表明系統(tǒng)的物理性質(zhì)。許多性質(zhì)不同的物理系統(tǒng)，可以有

18、相同的傳遞函數(shù)；而傳遞函數(shù)不同的物理系統(tǒng)，即使系統(tǒng)的激勵(lì)相同，其響應(yīng)也是不同的。因此，對傳遞函數(shù)的分析研究，就能統(tǒng)一處理各種物理性質(zhì)不同的線性系統(tǒng)。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 3.頻率響應(yīng)函數(shù) 根據(jù)定常線性系統(tǒng)的頻率保持特性，若輸入為一正 弦信號x(t)=X0sint，則穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出是與輸入同頻率的正弦信號y(t)=Y0sin(t+)，但其幅值和相位角通常不等于輸入信號的幅值和相位角。所以，幅值比A=Y0/X0和相位差都是輸入信號頻率的函數(shù)。幅值比定義為該系統(tǒng)的幅頻特性，記為 ； 相位差定義為該系統(tǒng)的相頻特性，記為 。系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)：復(fù)雜信號可分解為正弦信號的疊加，系統(tǒng)的頻率特性也是適用

19、的。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性在傳遞函數(shù)H(s)中，令=0 ，即s=j，便可求得頻率響應(yīng)函數(shù)H(j) 頻率響應(yīng)函數(shù)有時(shí)記為H(j)，以此說明它源于H(s)。 若在t=0 時(shí)，將激勵(lì)信號接入穩(wěn)態(tài)常系數(shù)線性系統(tǒng)，在拉氏變換中令 ，實(shí)際上是將拉氏變換變成傅氏變換。又由于系統(tǒng)的初始條件為零，因此系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)就成為H()就成為 在傳遞函數(shù)H(s)中，令=0 ，即s=j，便可求得頻率響應(yīng)函數(shù)H(j) 頻率響應(yīng)函數(shù)有時(shí)記為H(j)，以此說明它源于H(s)。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性可將 的實(shí)部和虛部分開，記為 在工程領(lǐng)域中，常用特性曲線來描述系統(tǒng)的傳輸特性。將 和 分別作圖，即為系統(tǒng)的幅頻特性曲線和

20、相頻特性曲線。實(shí)際作圖時(shí)，為了方便，常常采用如下作圖方法。 1）將自變量或f 的坐標(biāo)取對數(shù)，幅值比取分貝數(shù) ,相角 取實(shí)數(shù)作圖，分別稱為對數(shù)幅頻特性曲線和對數(shù)相頻特性曲線，總稱為伯德(Bode)圖。 則 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 2）用H()的實(shí)部P()和虛部Q()分別作P() 和Q()的曲線，可得到系統(tǒng)的實(shí)頻特性和虛頻特性曲線圖。 3）用P()和Q()分別作為橫、縱坐標(biāo)畫出Q()P()曲線，并在曲線某些點(diǎn)上分別注明相應(yīng)的頻率，就是系統(tǒng)的奈奎斯特(Nyquist)圖。圖中自原點(diǎn)畫出的矢量向徑，其長度和與橫軸的夾角分別是該頻率點(diǎn)的 A()和()。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性頻率響應(yīng)函數(shù)的測量(

21、正弦波法) 測量過程：依次用不同頻率fi的簡諧信號去激勵(lì)被測系統(tǒng)，同時(shí)測出激勵(lì)和系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出的幅值、相位，得到幅值比、相位差。 測量依據(jù)：頻率保持性，即若 x(t)=Acos(t +x) ，則y(t)=Bcos(t +y)第三章 測試系統(tǒng)的基本特性優(yōu)點(diǎn)：簡單，信號發(fā)生器，雙蹤示波器 缺點(diǎn)：效率低 從系統(tǒng)最低測量頻率fmin到最高測量頻率fmax，逐步增加正弦激勵(lì)信號頻率f，記錄下各頻率對應(yīng)的幅值比和相位差，繪制就得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性。 A(f)f (f)f 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性4.脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)輸出的拉氏變換為 輸入為單位脈沖函數(shù) h(t)、x(t)、y(t) 三者間的關(guān)系：

22、y(t)= h(t)*x(t) h(t) 稱為測試系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)或權(quán)函數(shù)。它是測試系統(tǒng)特性的時(shí)域描述形式。 傳遞函數(shù)H(s)、脈沖響應(yīng)函數(shù) h(t) 和頻率響應(yīng)函數(shù)H()分別是在復(fù)頻域、時(shí)域和頻域中描述測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。三者是一一對應(yīng)的。 h(t) 和 H(s)、是拉氏變換對， h(t) 和 H(j )是傅氏變換對。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性案例：音響系統(tǒng)性能評定y(t)=x(t)*h(t) Y(f)=X(f)H(f) 改進(jìn)：脈沖輸入/白噪聲輸入，測量輸出，再求輸出頻譜。飛機(jī)模態(tài)分析第三章 測試系統(tǒng)的基本特性案例:鏜桿固有頻率測量第三章 測試系統(tǒng)的基本特性實(shí)驗(yàn)：懸臂梁固有頻率測量第三章

23、測試系統(tǒng)的基本特性案例:橋梁固頻測量原理：在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車過礙時(shí)的沖擊對橋梁進(jìn)行激勵(lì)，再通過應(yīng)變片測量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性二、測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 1、一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性能用微分方程描述的系統(tǒng)均為一階系統(tǒng)。 x(t)為輸入位移量，y(t)為輸出位移量。通常阻尼力Fb與運(yùn)動(dòng)速度成正比，作用力Fa與彈簧剛度及位移成正比，即(a) 由彈簧、阻尼器組成的一階機(jī)械系統(tǒng)剛度系數(shù)阻尼系數(shù)根據(jù)力平衡，得出第三章 測試系統(tǒng)的基本特性 RCy(t)x(t) (b) RC低通濾波器 輸出電壓y(t)與輸入電壓x(t)之間的關(guān)系為(c) 液柱式溫度計(jì) 若用Ti(t

24、)表示溫度計(jì)的被測溫度，即輸入； To(t)表示溫度計(jì)的示值溫度，即輸出。C表示溫度計(jì)的熱容量，R為傳導(dǎo)介質(zhì)的熱阻，則根據(jù)熱力學(xué)定律，它們之間關(guān)系為即第三章 測試系統(tǒng)的基本特性由彈簧、阻尼器組成的一階機(jī)械系統(tǒng)RC低通濾波器液柱式溫度計(jì)輸出量 輸入量 由測試系統(tǒng)特性確定的常數(shù) 測試系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù) 測試系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度令 得到歸一化為標(biāo)準(zhǔn)形式：第三章 測試系統(tǒng)的基本特性一般一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在動(dòng)態(tài)特性分析中，靈敏度只起著使輸出量增加倍數(shù)的作用。因此為了方便起見，令1）對于時(shí)不變線性系統(tǒng)， = 常數(shù) 2）設(shè)初始條件為零，取拉氏變換令 s =j頻率響應(yīng)函數(shù) 幅頻特性： 相頻特性： 第三章 測試系統(tǒng)的基

25、本特性圖3-7 一階系統(tǒng)的伯德圖 a)對數(shù)幅頻特性曲線 b)對數(shù)相頻特性曲線 圖3-6 一階系統(tǒng)的幅頻和相頻特性 a)幅頻特性曲線 b)相頻特性曲線=0， A(0)=1 =1/，A( =1/， 20lg(0.707)= -3dB =1/，(1/ )= - 450 =1/時(shí)，輸出信號的幅度下降至輸入的，輸出滯后輸入450。 是一階系統(tǒng)的重要參數(shù)。 越大，測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍越寬。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性對上式進(jìn)行拉氏反變換，得其時(shí)域響應(yīng)一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng) 一階系統(tǒng)對具體輸入信號的相應(yīng)特性： 當(dāng)輸入信號x(t)=(t)，其拉氏變換為L(t)=(s)=1，所以 （1)一階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)可見

26、，輸入(t)后，系統(tǒng)的輸出從突變值1/迅速衰減。 越小，系統(tǒng)的輸出越接近(t)。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性（2）一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 取拉氏變換 u(t)10t取拉氏反變換為時(shí)間常數(shù)。當(dāng) t 4后，系統(tǒng)輸出與輸入基本相同（誤差小于1.8%），可認(rèn)為穩(wěn)態(tài)誤差為零。 越小，一階系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間越小。一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性一階系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)測量：階躍響應(yīng)0.63第三章 測試系統(tǒng)的基本特性2.二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 典型的二階系統(tǒng) (a)彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng) (b)RLC電路 (c)動(dòng)圈式儀表 (a) (b) (c) 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性輸入運(yùn)動(dòng)線圈的電流信號 現(xiàn)以動(dòng)圈

27、式電表為例來討論二階測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。其運(yùn)動(dòng)特性可用二階微分方程來描述， 令運(yùn)動(dòng)線圈產(chǎn)生的角位移輸出信號取決于轉(zhuǎn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)形狀和質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量阻尼系數(shù)游絲的扭轉(zhuǎn)剛度電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)對具體系統(tǒng)而言，S是個(gè)常數(shù)。為分析方便，令S=1，得到歸一化的二階微分方程，代表二階系統(tǒng)特性的標(biāo)準(zhǔn)式。取拉氏變換固有頻率阻尼比靜態(tài)靈敏度第三章 測試系統(tǒng)的基本特性二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：令 s =j二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)：幅頻特性為： 相頻特性為： 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性二階系統(tǒng)的頻率特性 (a)幅頻特性曲線 (b)相頻特性曲線 頻率特性受n和 的共同影響。 1）當(dāng)阻尼很大( 1)，二階系統(tǒng)的頻率特性與一階系統(tǒng)近似。 當(dāng) 很小時(shí)，在=n處，系統(tǒng)發(fā)生共振。 當(dāng) ， (0.60.8)n時(shí)，A()1，對應(yīng)的頻率范圍大，()與近似線性關(guān)系。這種情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)誤差較小。 2）實(shí)際應(yīng)用中，要避免系統(tǒng)進(jìn)入共振點(diǎn)。一般選取(0.60.8)n， 。第三章 測試系統(tǒng)的基本特性脈沖響應(yīng)：二階系統(tǒng)對具體輸入信號的響應(yīng) 1）二階系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)拉氏逆變換X(s)=1第三章 測試系統(tǒng)的基本特性2）二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 2y(t)1）當(dāng) 1 過阻尼， = 1 臨界阻尼，0 1 欠阻尼。2）阻尼比決定階躍響應(yīng)趨于穩(wěn)態(tài)的快慢，通常取 。 3）不變時(shí)，n越大，響應(yīng)速度越快。 第三章 測試系統(tǒng)的基本特性三