汽車試驗(yàn)學(xué)課件 第2章 汽車試驗(yàn)的基礎(chǔ)理論1-

第2章

汽車試驗(yàn)的基礎(chǔ)理論課件制作：許兆棠汽車試驗(yàn)學(xué)（許兆棠主編）機(jī)械工業(yè)出版社2.1汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成及工作原理

2.2汽車測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性2.3汽車測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2.4汽車測(cè)試的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.5汽車測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建2.6汽車測(cè)試的測(cè)量誤差及其分析講授內(nèi)容2.1汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成及工作原理

1.汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成

汽車測(cè)試系統(tǒng)是指為獲得被測(cè)對(duì)象的測(cè)量參數(shù)的系統(tǒng)，整車或總成部件為被測(cè)對(duì)象。

汽車測(cè)試系統(tǒng)的基本任務(wù)是獲得要測(cè)量的被測(cè)對(duì)象的物理量

汽車測(cè)試系統(tǒng)由被測(cè)對(duì)象、傳感器、信號(hào)處理裝置和顯示、記錄裝置等組成。圖2-1汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成1.汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成

（1）被測(cè)對(duì)象

被測(cè)對(duì)象是指要進(jìn)行汽車試驗(yàn)的整車或總成部件。被測(cè)對(duì)象上具有要測(cè)量的速度、加速度、功率、燃油消耗量、重量、力、電壓、電流等物理量。

（2）傳感器

傳感器是將被測(cè)對(duì)象的物理量（通常是非電量）轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電阻等電量，并形成電信號(hào)的裝置。

（3）信號(hào)處理裝置

信號(hào)處理裝置是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成顯示、記錄裝置可顯示、記錄被測(cè)對(duì)象的物理量的數(shù)字量或模擬量的裝置。

信號(hào)預(yù)處理裝置將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于傳輸和處理的規(guī)范信號(hào)。

信號(hào)傳輸裝置是將信號(hào)預(yù)處理后的信號(hào)傳輸給信號(hào)后處理裝置。信號(hào)傳輸裝置主要有調(diào)制、解調(diào)器和數(shù)據(jù)采集卡。

信號(hào)后處理裝置是將模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成被測(cè)對(duì)象的物理量。信號(hào)處理裝置主要是單片機(jī)、計(jì)算機(jī)的主機(jī)及軟件。1.汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成

（4）記錄與顯示裝置

記錄與顯示裝置記錄測(cè)試信號(hào)，并顯示被測(cè)對(duì)象的物理量。1.汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成測(cè)量分析儀器手持式頻譜分析儀

示波器測(cè)試系統(tǒng)的基本組成例汽車通用測(cè)試儀器汽車測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器汽車專用測(cè)試儀器VBOX汽車測(cè)試系統(tǒng)

汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成與測(cè)試任務(wù)有關(guān)，并不一定都包含圖2-1中的所有裝置。

汽車測(cè)試系統(tǒng)與一般測(cè)試系統(tǒng)的主要區(qū)別是被測(cè)對(duì)象。汽車測(cè)試系統(tǒng)的被測(cè)對(duì)象是整車或總成部件，整車是一個(gè)剛、柔體有機(jī)結(jié)合的多體系統(tǒng)，具有運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)；此外，汽車動(dòng)力性、制動(dòng)性等測(cè)試還與駕駛員、道路、環(huán)境等有關(guān)；還有，在汽車測(cè)試過程中，汽車自身有些特性還會(huì)發(fā)生變化，如汽車制動(dòng)的熱穩(wěn)定性，汽車由冷態(tài)到熱態(tài)行駛，電動(dòng)汽車電池的電壓在行駛中逐漸降低，從汽車構(gòu)造、理論、設(shè)計(jì)和控制等方面深入研究整車及總成部件，有助于深層次地認(rèn)識(shí)汽車測(cè)試系統(tǒng)。1.汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成2.汽車測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

如圖2-1所示，整車或總成部件產(chǎn)生要測(cè)量的物理量，傳感器將要測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換成電量，并形成電信號(hào)，信號(hào)處理裝置將電信號(hào)經(jīng)預(yù)處理、傳輸和后處理，轉(zhuǎn)換成可記錄和顯示被測(cè)對(duì)象物理量的數(shù)字量或模擬量，記錄與顯示裝置記錄測(cè)試信號(hào)，并通過數(shù)字或圖、表或光、聲、色彩信號(hào)，顯示被測(cè)對(duì)象的物理量。圖2-1汽車測(cè)試系統(tǒng)的組成3.汽車測(cè)試系統(tǒng)的輸入、傳輸和輸出關(guān)系

汽車測(cè)試問題就是在處理輸入量x(t)、系統(tǒng)的傳輸特性h(t)和輸出量y(t)三者之間的關(guān)系。圖2-2汽車測(cè)試系統(tǒng)模型

如果已知傳輸特性h(t)，通過對(duì)輸出量y(t)的分析，就能得到輸入量x(t)，稱為測(cè)量。

如果已知輸入量x(t)，通過對(duì)傳輸特性y(t)的分析就能得到傳輸特性h(t)，稱為系統(tǒng)或儀器的定度過程。

如果輸入量x(t)和傳輸特性h(t)都已知，可以推斷或估計(jì)輸出量y(t)，這稱為輸出信號(hào)預(yù)測(cè)。4.

對(duì)汽車測(cè)試系統(tǒng)的要求

一個(gè)理想的汽車測(cè)試系統(tǒng)，要滿足以下三點(diǎn)基本要求。

要求1：測(cè)試系統(tǒng)為單值、具有確定的輸入—輸出關(guān)系的系統(tǒng)。

這就要求系統(tǒng)的一個(gè)輸入值x只能對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出值y，同樣，一個(gè)輸出值y也只能對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入值x。

要求2：測(cè)試系統(tǒng)為單向影響系統(tǒng)。

單向影響系統(tǒng)是指測(cè)試裝置或測(cè)試儀器對(duì)被測(cè)量的影響可以忽略，不能因?yàn)樵O(shè)置了測(cè)試測(cè)試裝置或測(cè)試儀器而影響被測(cè)對(duì)象原來的工作狀況。

要求3：測(cè)試系統(tǒng)為線性系統(tǒng)。

線性系統(tǒng)是指測(cè)試系統(tǒng)的輸出—輸入關(guān)系具有線性關(guān)系。2.2

汽車測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性

1.數(shù)學(xué)模型

汽車測(cè)試系統(tǒng)的靜態(tài)特性是指汽車測(cè)試系統(tǒng)的輸入和輸出狀態(tài)都不隨時(shí)間變化（或變化極緩慢，在所觀察的時(shí)間間隔內(nèi)可忽略其變化而視為常量）的特性。

具有靜態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以表示為（2-1）

具有理想靜態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，其輸入和輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為（2-2）2.靜態(tài)特性（1）零點(diǎn)漂移

零點(diǎn)漂移是指當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的輸人為零時(shí)，輸出不為零。圖2-3零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移（2）靈敏度

靈敏度S是測(cè)試系統(tǒng)的輸出增量與輸入增量之比。（2-3）圖2-4靈敏度2.靜態(tài)特性（3）分辨率

分辨率是指測(cè)試裝置最小輸入量引起輸出量的變化。對(duì)于模擬儀表來說，分辨率就是標(biāo)尺的最小刻度值的一半；對(duì)于數(shù)字儀表，就是顯示末位的1個(gè)單位值。（4）非線性度

非線性度是定度曲線偏離其擬合直線的程度。圖2-5定度曲線與非線性度（2-4）2.靜態(tài)特性（5）回程誤差

正向輸入與反向輸入所對(duì)應(yīng)的輸出的差值，稱為滯后量，也是絕對(duì)回程誤差。圖2-6回程誤差（2-5）2.靜態(tài)特性（6）重復(fù)度

重復(fù)度是指在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)同一被測(cè)參數(shù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量時(shí)測(cè)量值的一致程度。（7）信噪比

信噪比是信號(hào)幅值對(duì)噪聲幅值之比，通常用分貝值dB等對(duì)數(shù)參數(shù)表示。

綜上所述，從靜態(tài)特性的角度看，良好的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有足夠高和足夠穩(wěn)定的靈敏度、分辨率和信噪比，非線性度和回程誤差則要盡可能地小，重復(fù)度要高，要消除零點(diǎn)漂移。2.3

汽車測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

1.數(shù)學(xué)模型

汽車測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是指測(cè)試系統(tǒng)的輸入和輸出狀態(tài)都隨時(shí)間變化的特性。

具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為常系數(shù)線性微分方程，其一般式為（2-6）2.動(dòng)態(tài)特性（1）疊加特性

疊加特性是指幾個(gè)輸入同時(shí)作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于這些輸入單獨(dú)作用于系統(tǒng)所引起的輸出之和。即輸入

的輸出為

，輸入

的輸出為

，則輸入

的輸出為

。（2）比例特性

比例特性是指某輸入的若干倍作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于該輸入單獨(dú)作用于系統(tǒng)所引起的輸出的若干倍。

輸入

的輸出為

。2.動(dòng)態(tài)特性（3）微分特性

微分特性是指某輸入先求微分，再作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于該輸入直接作用于系統(tǒng)所引起的輸出，再求微分。

輸入

的輸出為

。（4）積分特性

積分特性是指某輸入先求積分，再作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于該輸入直接作用于系統(tǒng)所引起的輸出，再求積分。

輸入

的輸出為

。2.動(dòng)態(tài)特性（5）頻率保持性

頻率保持性是指線性系統(tǒng)的輸入頻率與輸出頻率相同。若輸入為某一頻率的正弦信號(hào)，則其穩(wěn)態(tài)輸出將保持同一頻率。而穩(wěn)態(tài)是指輸入和輸出信號(hào)都進(jìn)入等振幅的周期振蕩狀態(tài)，測(cè)試系統(tǒng)的常系數(shù)線性微分方程的解為其特解。3.具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的分析方法

具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的分析方法有傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)法，其結(jié)果均是要得到汽車測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，這兩個(gè)特性是具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的輸入與輸出的幅值關(guān)系、相位關(guān)系的主要特性。

在汽車測(cè)試中，要用到并主要測(cè)試這兩個(gè)特性；在汽車測(cè)試前，通過理論分析，得到這兩個(gè)特性，將有利于選擇傳感器及其測(cè)試儀器，減小測(cè)試誤差，避免傳感器固有頻率選擇的錯(cuò)誤。3.具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的分析方法

（1）傳遞函數(shù)

當(dāng)初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)輸出的拉普拉斯變換與系統(tǒng)輸入的拉普拉斯變換之比，為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

令

為復(fù)變量，對(duì)式（2-6）的兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換，得（2-7）

由式（2-7）得具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（2-8）3.具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的分析方法

（2）頻率響應(yīng)函數(shù)

令,則

，由式（2-8），得具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)

將頻率響應(yīng)函數(shù)寫成復(fù)數(shù)的形式（2-9）

幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性為（2-11）（2-10）（2-12）3.具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的分析方法

（3）幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性的求解

幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性的求解步驟：

（1）確定汽車動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，寫出具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系的常系數(shù)線性微分方程。

（2）對(duì)具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系的常系數(shù)線性微分方程的兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換，得具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

。

（3）令

,得具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)

。

（4）將頻率響應(yīng)函數(shù)

寫成復(fù)數(shù)的形式。

（5）求頻率響應(yīng)函數(shù)的模,得具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)特性

。

（6）求頻率響應(yīng)函數(shù)的輻角,得具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)的相頻響應(yīng)特性

。4.一階系統(tǒng)的幅頻和相頻響應(yīng)特性

圖2-7所示的RC電路是一個(gè)可用一階微分方程描述的一階系統(tǒng)

由圖2-7和式（2-6），得一階系統(tǒng)的微分方程為（2-13）圖2-7RC電路4.一階系統(tǒng)的幅頻和相頻響應(yīng)特性

當(dāng)

時(shí)，按幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性的求解步驟，解得幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性分別為（2-14）a)幅頻響應(yīng)特性曲線（2-15）b)相頻響應(yīng)特性曲線圖2-8一階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性曲線5.二階系統(tǒng)的幅頻和相頻響應(yīng)特性

圖2-9a、b所示的質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)和LRC電路均是可用二階微分方程描述的二階系統(tǒng)。

由圖2-9和式（2-6），得二階系統(tǒng)的微分方程為（2-16）a)質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)b)LRC電路圖2-9二階系統(tǒng)5.二階系統(tǒng)的幅頻和相頻響應(yīng)特性

當(dāng)

時(shí)，按幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性的求解步驟，解得幅頻響應(yīng)特性和相頻響應(yīng)特性分別為（2-17）a)幅頻響應(yīng)特性曲線（2-18）b)相頻響應(yīng)特性曲線圖2-10二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性曲線6.具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)不失真測(cè)量的條件

（1）不失真測(cè)量的條件

具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)不失真地測(cè)量，就是被測(cè)試信號(hào)通過測(cè)試系統(tǒng)后，其輸出波形與輸入波形精確地相似，幅值和相位允許有差異，如圖2-11所示。圖2-11波形不失真地復(fù)現(xiàn)（2-19）

對(duì)于線性系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)不失真測(cè)量，就必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件：幅頻響應(yīng)特性為常數(shù)和相頻響應(yīng)特性成線性，即6.具有動(dòng)態(tài)特性的汽車測(cè)試系統(tǒng)不失真測(cè)量的條件

（