0緒論1測試系統(tǒng)(汽車試驗學)

1、第一章概概論一.測試試技術測試技術術是實驗驗科學的的一部分分，主要要研究各各種物理理量的測測量原理理和測量量信號的的分析處處理方法法。以確定被被測參數數之值為為目的的的一系列列操作叫叫測試，與之對對應的技技術叫測測試技術術例1：測測量黑板板的面積積，先要要測量長長寬再求求積，這這一系列列操作均均為確定定被測黑黑板面積積的值，與之對對應的技技術叫測測試技術術.例二測量量爐溫之之值為了測量量爐溫，要先安安裝傳感感器、放放大器、A/D轉換器器，計算算機顯示示器、記記錄器，這一系系列操作作均為確確定爐溫溫之值，與之對對應的技技術叫測測試技術術爐傳感器放大器記錄A/D顯示計算機簡單的測測試系統(tǒng)統(tǒng)可以只只

2、有一個個模塊，如下圖圖所示的的玻璃管管溫度計計。中間沒有有電量的的轉換和和分析處處理電路路，很簡簡單，但測量精精度底，同時也也很難實實現測量量自動化化。為提高測測量精度度、增加加信號傳傳輸、處處理、存存儲、顯顯示的靈靈活性和和提高測測試系統(tǒng)統(tǒng)的自動動化程度度，以利利于和其其它控制制環(huán)節(jié)一一起構成成自動化化測控系系統(tǒng)，在在測試中中通常先先將被測測對象輸輸出的物物理量轉轉換為電電量，然然后再根根據需要要對變換換后的電電信號進進行處理理，最后后以適當當的形式式顯示、輸出。測試系統(tǒng)統(tǒng)一般由由傳感器器、中間間變換裝裝置和顯顯示記錄錄裝置組組成。二.測試試技術的的應用產品質量量測量汽車、機機床等設設備和電

3、電機、發(fā)發(fā)動機等等零部件件出廠時時，必須須對其性性能質量量進行測測量和出出廠檢驗驗汽車制造造廠發(fā)動動機測試試系統(tǒng)原原理，發(fā)發(fā)動機測測量參數數包括潤潤滑油溫溫度、冷冷卻水溫溫度、潤潤滑油壓壓力、燃燃油壓力力以及每每分鐘的的轉速等等。.設備運行行狀態(tài)監(jiān)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)某火力發(fā)發(fā)電廠30MW汽輪發(fā)發(fā)電機組組的計算算機設備備運行狀狀態(tài)監(jiān)測測系統(tǒng)原原理框圖圖。家電產品品全自動洗洗衣機中中的滾筒筒液面高高度自動動檢測測試技術術在軍事事上的運運用機載雷達達聲納二戰(zhàn)初期期，德國國人憑借借潛艇優(yōu)優(yōu)勢，擊擊沉英美美大量運輸船只只、軍艦艦，但隨隨著聲納納技術的的出現，潛艇的優(yōu)勢逐逐漸消失失，最后后被消滅滅可以毫不不夸張的

4、的說一個個國家測測試水平平的高低低，決定著該國國軍事實實力的強強弱地質方面面的運用用地震法探探油測震儀油田炸藥醫(yī)學方面面聽診器、血壓計計、溫度度表、X光機、B超、心電圖圖、腦電電圖、CT、各各種生化化分析儀儀器都是是測試技技術在醫(yī)醫(yī)學方面面的應用用，由于于這些設設備的應應用提高高了確診診率，給給病人帶帶來福音音.總之，可可以說沒沒有測試試就沒有有科學，科學就就是禾加加斗組成成的，禾禾是谷子子斗是量量具，意意為用量量具測量量谷子叫叫測量.第二章測測試裝置置的技術術特性第一節(jié)測測試的基基本概念念一、測試試系統(tǒng)的的組成測試的基基本任務務是獲取取有用的的信息。信息是蘊蘊涵在某某些隨時時間或空空間變化化

5、的物理理量。信號就其其具體的的物理性性質而言言，有位位移信號號、速度度信號、加速度度信號、力信號號、光信信號和電電信號等等 。測試技術術中將信信號統(tǒng)一一抽象為為時間的的函數。測試系統(tǒng)統(tǒng)的組成成框圖傳感器信號調節(jié)器記錄器數據處理及其外圍設備被測非電量定度設備校準設備傳感器：將其輸輸入的被被測非電電物理量量轉換成成電信號號。信號調節(jié)節(jié)器：將電信號號變換成成傳輸不不失真且且便于記記錄、處處理的電電信號。如信號號源的阻阻抗變換換，信號號的放大大、衰減減與波形形變換，信號濾濾波，多多路信號號切換等等。顯示和記記錄器：記錄或顯顯示信號號調節(jié)器器輸出的的信號。顯示必必要的數數據變化化圖形，供直接接觀察分分析

6、，或或將其記記錄保存存，供后后續(xù)儀器器分析、處理。數據處理理器：將記錄的的信號按按測試目目的與要要求提取取其有用用信息，通過專專用計算算機進行行分析、處理，如概率率統(tǒng)計分分析、相相關分析析、功率率譜分析析和傳遞遞特性分分析等。定度與校校準設備備：是測試系系統(tǒng)的附附加設備備。測試前前要對傳傳感器及及測試系系統(tǒng)確定定其輸入入與輸出出物理量量轉換關關系的定定度曲線線，并根根據種較較高準確確度的參參考儀器器進行校校準，確確定整個個測試系系統(tǒng)的精精度。二、對測測試系統(tǒng)統(tǒng)的要求求及其主主要特性性基本要求求：系統(tǒng)具具有單值的、確定的輸入輸出關關系，其其中以輸輸出和輸輸入呈線性關系系為最佳。xy線性xy線性x

7、y非線性單向系統(tǒng)統(tǒng)：測試系系統(tǒng)對被被測量的的反作用用影響可可以忽略略。（非非接觸式式測試能能滿足要要求）。(例如：電流測測量）線性系統(tǒng)統(tǒng)：即輸出出與輸入入是線性性關系。（實際測試試系統(tǒng)不可能在在較大工工作范圍圍內保持持線性）靜態(tài)特性性：被測試試量不隨隨時間變變化或變變化很緩緩慢時，測試系系統(tǒng)的輸輸入輸出關關系。動態(tài)特性性：被測試試量隨時時間變化化時，測測試系統(tǒng)統(tǒng)的輸入入輸輸出關系系?；咎匦孕孕盘柕臉嫎嫵杉胺址纸鈽嫵蓽y試工作作研究的的對象是是信號，了解構構成信號號的基本本元素對對于了解解信號的的性質是是十分重重要的。就像了了解物質質的元素素、種類類及含量量對于了了解物質質的性質質至關重重要一樣

8、樣水是由碳碳和氫兩兩種元素素構成的的，食鹽鹽是由鈉鈉和氯兩兩種元素素構成的的，生石石灰是由由鈣和氧氧兩種元元素構成成的等等等。知道道了構成成某一物物質的元元素及含含量就可可以知道道該物質質的性質質，因此此，工業(yè)業(yè)上常采采用化學學分析的的手段來來了解物物質的成成分，指指導工業(yè)業(yè)生產。信號是否否也是由由基本元元素構成成的呢？信號的基基本元素素是正弦信號號。ASin其中中A代表表含量, 代代表元素素種類，即一種種頻率的的正弦信信號，代代表一種種元素素，可見見信號的的元素種種類是無無限的信號的分分解周期信號號的分解解（傅里里葉級數數）對于周期期信號只只要符合合狄氏條條件，就就可以用用傅里葉級級數分解解

9、成正弦弦信號。例,周周期方波波-TT t在區(qū)間的的函函數用傅里葉葉級數展展開后以頻率f為橫坐坐標，以以正弦函函數的幅幅值為縱縱坐標，繪出的的頻譜圖圖為:由該圖可可知周期函數數的頻譜譜是離散散的;任給一頻頻率，小小于等于于該頻率率的的正正弦函數數的個數數是有限限的;與頻率對對應的縱縱坐標是是正弦函函數的幅幅值.非周期函函數的分分解（傅傅氏變換換）對上式進進行傅里里葉變換換x(f)fX(t) T-T 0 h由頻譜圖圖可知:非周期函函數的頻頻譜是連連續(xù)的;任給一頻頻率區(qū)間間f1,f2，頻率率在該區(qū)區(qū)間的正正弦信號號的個數數是無窮窮的;隨機信號號可作為為非周期期函數處處理.周期信號號與非周周期信號號頻

10、譜的的比較周期信號號的頻譜譜相當于于力學中中的集中中載荷，非周期期信號的的頻譜相相當于力力學中的的分布載載荷.系統(tǒng)，輸入和輸輸出工程測試試問題：處理輸輸入量或或被測量量x(t)、系統(tǒng)統(tǒng)的傳輸輸或轉換換特性h(t)和輸出出量y(t)三者之之間的關關系已知系統(tǒng)統(tǒng)特性H，通過過觀察分分析輸出出信號Y，推斷斷其相應應的輸入入信號或或被測量量X，即即測量已知輸入入信號X，通過過觀察分分析輸出出信號Y，推斷斷其系統(tǒng)統(tǒng)特性H，即系系統(tǒng)或儀儀器的定度過程程已知輸入入信號X和系統(tǒng)統(tǒng)特性H，可以以推斷和和估計出出系統(tǒng)的的輸出量量，此為為輸出信號號預測。x(t)h(t)y(t)測試裝置置的基本本特性三者之間間的關系

11、系是唯一一的，知知道任意意兩者，可求第第三者;測試的目目的是通通過系統(tǒng)統(tǒng)的輸出出y（t）確定定系統(tǒng)統(tǒng)的輸入入x（t）;例如測量量爐溫，是通過過熱電偶偶的輸出出電壓y（t）求輸入入熱電偶偶的溫度度x（t）的;因此，系系統(tǒng)的特特性對測測量的影影響很大大。為了了研究系系統(tǒng)的特特性，通通常從兩兩方面入入手：.系統(tǒng)統(tǒng)的靜特特性;.系統(tǒng)統(tǒng)的動特特性.第二節(jié)測測試試裝置的的靜態(tài)特特性輸出輸入關關系：y=a0+a1x+a2x2+anxn（2-1）式式中x輸入的物物理量y輸出出量；a0，a1，a2,an常常數。零點漂移移（零漂漂）：當a00時，即使在在沒有輸輸入的情情況下仍仍有輸出出，（為為非理想想的靜態(tài)態(tài)特性

12、）。靜態(tài)特性性指標：靈敏度、非線性度度和回程誤差差，此外有有分辨率、零點漂移移及測量范圍圍。靈敏度靈敏度選選?。簻y試裝裝置的靈靈敏度越越高，測測量范圍圍越窄，穩(wěn)定性性也越差差。靈敏度S：S=y/x，對對于特性性呈直線線關系的的裝置，S=y/x =y/x=常量。當輸入入與輸出為同一一量綱時時，靈敏敏度又稱稱為放大倍數。靈敏度漂漂移：在被測測量不變變和情況況下，由于外外界環(huán)境境條件等等因素的的變化，可能引起起測試裝裝置輸出出的變化化，最后后表現為測測試裝置置靈敏度度的變化化。（性性能良好的的測試裝裝置靈敏敏度漂移移極?。M合直線線：與定度曲曲線最接接近的一一條直線線，通常常是用最最小二乘乘法求出出

13、的。非線性度度非線性度度：指系統(tǒng)的的輸出輸輸入之間間的關系系是否保保持線性性關系的的一種度度量.即即定度曲曲線（實實際特性性曲線）偏離其其擬合直直線（理理想曲線線）的程程度。定定義如下下:式中:B 定度曲線與擬合直線的最大偏差; A輸出額定最大量程.定度曲線線：靜態(tài)測試試中，通通常用試試驗的辦辦法求得得裝置的的輸入輸輸出關系系曲線，稱之為為定度曲線線。理想狀態(tài)態(tài)是一條條直線，實際上上或多或或少均有有一定非非線性.當輸入增增加時，x、y的關系系沿下面面的曲線線變化;當輸出出達到最最大量程程時，減減少輸入入量x，這時x、y關關系沿上上面的曲曲線變化化.回程誤差差回程誤差差：測試裝置置全量程程A內的

14、最大大滯后量量hmax和A之比值。是一種種由滯后后效應引引起的測測量誤差差. x y 0 對應同一輸入量，兩個輸入量的最大偏差;A 額定最大輸出值回程誤差差是很難難修正的的，因此此，對傳傳感器而而言必須須嚴格限限制小結測試系統(tǒng)統(tǒng)要有足足夠的靈靈敏度，非線性性度和回回程誤差差要盡可可能小，才能使使測試結結果正確確。第三節(jié)測測試裝置置的動態(tài)態(tài)特性動態(tài)特性性定義：被測試試量隨時時間快速速變化時時，測試試系統(tǒng)的的輸入輸出信信號的函函數關系系。研究測試試裝置的的動態(tài)特特性的意義：為了降降低和消消除測試試裝置的動態(tài)態(tài)特性給給測量帶帶來的誤誤差動態(tài)特性性的研究究方法：1理論方法法（解析析法）：建立數學學模型

15、。即從具具體測試試裝置的的物理結結構出發(fā)發(fā)，根據據其所遵遵循的物物理定理理，建立立起把測測試裝置置的輸出出和輸入入量聯系系起來的的運動微微分方程程；在給定的的條件下下求解，從而得得到任意意輸入x(t)激勵下測測試裝置置的響應應y(t)。一般測測試裝置置都是線線性系統(tǒng)統(tǒng)，其數數學模型型是常系系數微分分方程，經過簡簡單運算算可求得得其傳遞遞函數，該傳遞遞函數也也就能描描述測試試裝置的的固有動動態(tài)特性性。2實驗方法法：根據測試試裝置實實際工作作時最常常見的輸輸入信號號的形式式，選擇擇一些典典型信號號（如正正弦信號號、脈沖沖信號、階躍信信號及隨隨機信號號等）作作為測試試裝置的的輸入，然后測測出其輸輸出

16、，求求出輸入入輸出關關系。對該測試試裝置的的動態(tài)特特性在時時間域、頻率域域作出分分析和評評價。1.時間間域內用用階躍響響應表示示，稱為為時間響應應特性。2.頻率率域內用用頻率響響應表示示，稱為為頻率響應應特性。動態(tài)特性性的分析析方法：測試裝置置的傳遞遞函數及及其頻率率響應特特性傳遞函數數：零初始條條件下，系統(tǒng)（或元件件）輸出出拉氏變變換和輸輸入入拉氏變變換之比比。拉氏變換富氏變換傳遞函數數的意義義：傳遞函數數是我們們對元件件及系統(tǒng)統(tǒng)分析研研究與綜綜合的有有力工具具，作為為代數方方程，它它使解算算簡化、方便而而直觀、避免了了解微分分方程的的困難，且便于于分析研研究系統(tǒng)統(tǒng)動態(tài)特特性。作作為一種種對

17、系統(tǒng)統(tǒng)特性的的解析描描述，它它包含了了瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)時時間響應應和頻率率響應的的全部信信息。優(yōu)點：直觀的反反映了系系統(tǒng)對不不同頻率率成分輸輸入信號號的扭曲曲情況。傳遞函數數的分解解式中每一一個因子子式可看看成一個個子系統(tǒng)統(tǒng)的傳遞遞函數。其中A零階系系統(tǒng)傳遞遞函數1/(s+Pi)一階系系統(tǒng)傳遞遞函數1/(s2+2jnjs+2nj)二階系系統(tǒng)傳遞遞函數對大多數數測試裝裝置而言言，可以以假設則簡化為為其中分母母是變量量s的實實系數多多項式，總可以以分解為為一次和和二次的的實系數數因子式式常系數線線性微分分方程式式的傳遞遞函數頻率響應應函數1.頻率率響應的的基本概概念頻率響應應：研究測測試系統(tǒng)統(tǒng)對正弦輸入

18、入信號的穩(wěn)態(tài)響響應。頻率特性性：是指測試試系統(tǒng)輸輸入、輸輸出之振振幅（模模）比和和相位差差隨頻率率變化的的規(guī)律。在頻率響響應中，穩(wěn)態(tài)輸輸出與輸輸入之比比的復數數關系，反應了了系統(tǒng)的的動態(tài)特特性。頻率響應應函數2.頻率特性性的求法法微分方法法：傳遞函函數試驗求：基本方法法：對于線線性時不不變系統(tǒng)統(tǒng)，有頻頻率不變變特性，若輸入入頻率為為的正弦信信號，測測試裝置置將有同同頻率的的正弦信信號穩(wěn)態(tài)態(tài)輸出，只是輸輸出的幅幅值和相相位有變變化，改改變輸入入正弦信信號的圓圓頻率，即可得得到幅頻頻特性和和相頻特特性?？焖俑道锢锶~變換換（FFT）：隨著計計算機以以及數字字信號分分析技術術的發(fā)展展，可利利用脈沖沖信

19、號或或隨機信信號（如如白噪聲聲）信號號作為系系統(tǒng)的輸輸入，運運用快速速傅里葉葉變換（FFT）技術術，可很很快得到到頻率響響應函數數。頻率響應應函數3.頻率率特性的的一般公公式對穩(wěn)定的的常系數數線性系系統(tǒng)，取取s=j代入上式式得物理意義義:可可以從頻頻率域形形象、直直觀、定定量地表表征測試試系統(tǒng)的的動態(tài)特特性頻率特性性幅頻特性性：相頻特性性：典型測試試裝置的的動態(tài)響響應特性性典型測試試裝置的的分類一階系統(tǒng)統(tǒng)實例：忽略質量量的自由由振動系系統(tǒng)（彈彈簧阻阻尼機械械系統(tǒng)）簡單RC低通濾濾波電路路液體溫度度器熱電偶傳傳感器LC諧振振測量電電路溫度濕濕度度酒酒精二階系統(tǒng)統(tǒng)實例彈簧質量量阻尼系系統(tǒng)RLC電路

20、單位階躍躍輸入系系統(tǒng)的響響應單位階躍躍輸入系系統(tǒng)的響響應一階系統(tǒng)統(tǒng)的時間間響應特特性：穩(wěn)態(tài)響應應瞬態(tài)響應應1.t，y(t)1；說明：單位階躍躍輸入系系統(tǒng)的響響應二階系統(tǒng)統(tǒng)的時間間響應特特性：單位階躍躍輸入系系統(tǒng)的響響應時間響應應特性指指標：上升時間間try(tr)=1，得tr=（-2）/d，一定時時，若要要tr較較短，要要使系統(tǒng)統(tǒng)具有較較高的無無阻尼自自然頻率率n。峰值時間間tp峰值時間間tp=/d=Td/2當一定定時，n越大大，tp越小，反應越越快；當n一一定時，越小小，tp也越小小。單位階躍躍輸入系系統(tǒng)的響響應時間響應應特性指指標：最大超調調量Mp最大超調調量Mp=y(t)-1=Mp與無無

21、阻尼自自然頻率率n無無關。Mp只是是阻尼比比的函數數，越小，Mp越越大，當當=0時，Mp=1，而=1時時，Mp=0。調整時間間ts調整時間間誤差在在5%2%之之間時，ts=(34)Td單位階躍躍輸入系系統(tǒng)的響響應二階系統(tǒng)統(tǒng)的時間間響應特特性總結：二階系統(tǒng)統(tǒng)的瞬態(tài)態(tài)響應特特性由系系統(tǒng)的阻阻尼比和無阻阻尼自然然頻率n共同同決定，欲使二二階系統(tǒng)統(tǒng)具有滿滿意的瞬瞬態(tài)響應應指標，必須綜綜合考慮慮和的影影響，選選取合適適的和和n。若保持不變而而增大n，對對超調量量無影響響，卻可可以減小小峰值時時間tp，上升升時間tr和調調整時間間ts，即可以以提高系系統(tǒng)的快快速性。所以增增大系統(tǒng)統(tǒng)的無阻阻尼自然然頻率對對

22、提高系系統(tǒng)性能能是有利利的。若保持n不變變而增大大，則則會使超超調量Mp減小小，增加加相對穩(wěn)穩(wěn)定性，減弱系系統(tǒng)的振振蕩性能能。但是是，在0.7時，調整時時間隨的增大大而增大大，系統(tǒng)統(tǒng)的快速速性變差差。綜合考慮慮系統(tǒng)的的相對穩(wěn)穩(wěn)定性(由最大大超調量量Mp決決定)和和快速性性(由上上升時間間tr，峰值時時間tp，調整整時間ts決定定)，通通常取=0.60.8,這時系系統(tǒng)的超超調量在在10%2.5%之之間，若若0.8，則系統(tǒng)統(tǒng)反應遲遲鈍，靈靈敏性差差。當=0.7時，超調量量和調整整時間均均最小，故稱=0.7為最最佳阻尼尼比。實現不失失真測試試的條件件測試裝置一個線性性測量裝裝置，其其輸入信信號為X(t),系統(tǒng)統(tǒng)的響應應是y(t).X(t)又可以以分解為為,X(T)輸入入測試裝裝置的響響應又可可看作輸輸入測測試裝置置后的疊疊加.作作為輸輸入信號號，系統(tǒng)統(tǒng)的響應應為:.其中K1為放大大倍數，Q1為為滯后相相位角.一般來說說，不同同頻率的的正弦