同济大学土木工程1测试的技术基础.pptx

2024/4/17 周三土木工程2024/4/17 周三土木工程1-11-1测试系统的组成及其主要性能指标测试系统的组成及其主要性能指标一、测试系统的组成一、测试系统的组成被测对象被测对象传感器传感器测量电路测量电路输出装置输出装置荷载系统荷载系统测量系统测量系统 显示记录显示记录信息输出信息输出 转换转换 传递传递 输出输出2024/4/17 周三土木工程一、测试系统的组成一、测试系统的组成控制阀液压泵控制阀法向液压传感器剪切液压传感器法向位移传感器剪切位移传感器动态电阻应变仪位移变送器法向千斤顶水平千斤顶节 理 试 件A/D 转 换计 算 机反馈回路2024/4/17 周三土木工程一、测试系统的组成一、测试系统的组成荷载系统：液压、重力、气压、杠杆、弹簧荷载系统：液压、重力、气压、杠杆、弹簧测量系统：传感器、中间变换、测量电路测量系统：传感器、中间变换、测量电路传感器又称为一次仪表，其余部分称为二次、三次仪表。传感器又称为一次仪表，其余部分称为二次、三次仪表。测量电路：使用较多的是电桥电路和放大电路，此外，还测量电路：使用较多的是电桥电路和放大电路，此外，还有滤波、整流，积分、微分电路、放大器等。有滤波、整流，积分、微分电路、放大器等。最简单情况，测量电路就是传感器和测量仪器之间的导线。最简单情况，测量电路就是传感器和测量仪器之间的导线。信号处理系统：对输出信号的处理信号处理系统：对输出信号的处理显示和记录系统显示和记录系统显示记录器和分析处理仪多被计算机取代。显示记录器和分析处理仪多被计算机取代。2024/4/17 周三土木工程二、测试系统的主要性能指标二、测试系统的主要性能指标1 1 精度和误差：精度和误差：绝对误差绝对误差相对误差相对误差引用误差引用误差2024/4/17 周三土木工程二、二、测试系统的主要性能指标测试系统的主要性能指标2 2 稳定性：稳定性：l稳定度：稳定度：时间上的稳定性时间上的稳定性表示方法：表示方法：s s1.3mV/8h1.3mV/8h；s s0.30.3/d/dl环境影响环境影响：u u0.02mA/10%0.02mA/10%；r r0.30.3/3 3 测量范围：测量范围：量程量程超载、工作频率范围超载、工作频率范围4 4 分辨率：分辨率：能测量的最小变化量能测量的最小变化量零点和零点和90%90%满量程满量程5 5 传递特性：传递特性：输入量与输出量的对应关系。输入量与输出量的对应关系。静态传递特性静态传递特性动态传递特性动态传递特性2024/4/17 周三土木工程1-21-2线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质1 1 线性时不变系统线性时不变系统lX X Y Y，X1X1 Y1 Y1，X2X2 Y2 Y2l线形系统的方程线形系统的方程输入输入x x（t)t)输出输出y y（t)t)系统系统h h（x)x)2024/4/17 周三土木工程1-21-2线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质2 2 线性系统的主要特性线性系统的主要特性l叠加性叠加性：X1+X2 X1+X2 Y1+Y2 Y1+Y2l齐次性（比例性）齐次性（比例性）：cX cX cY cYl微分特性微分特性：X X Y X Y X Y Yl积分特性积分特性：X X Y Y l频率保持特性频率保持特性：幅值、频率、相位差：幅值、频率、相位差x(t)x(t)Asin(t+)y(t)Asin(t+)y(t)Bsin(t+)Bsin(t+)2024/4/17 周三土木工程1-21-2线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质频率保持特性频率保持特性的证明的证明2024/4/17 周三土木工程1-21-2线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质例题例题对某线性装置输入简谐信号对某线性装置输入简谐信号x(t)x(t)Asin(t+)Asin(t+)，若输出为，若输出为y(t)y(t)Bsin(t+)Bsin(t+)，请对幅值等各对应量作定性比较，并用数学语言描述，请对幅值等各对应量作定性比较，并用数学语言描述它们之间的关系。它们之间的关系。解：解：B=kAB=kA（齐次性）（齐次性）=（保频）（保频）=-C=-C（保频）（保频）2024/4/17 周三土木工程1-21-2线性系统及其主要性质线性系统及其主要性质例题例题 滑动变阻器可以实现位移测试，能否进行速度和加速度测试？磁电式滑动变阻器可以实现位移测试，能否进行速度和加速度测试？磁电式传感器能够测移动速度，能否测位移和加速度？传感器能够测移动速度，能否测位移和加速度？答：答：利用微分特性和积分特性实现。利用微分特性和积分特性实现。2024/4/17 周三土木工程 1-3 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数一、静态方程和标定曲线一、静态方程和标定曲线静态方程静态方程标定曲线标定曲线yx静态特性静态特性与理想系统的接近程度与理想系统的接近程度2024/4/17 周三土木工程 1-3 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数2 2 测试系统的主要静态特性参数测试系统的主要静态特性参数(1)(1)灵敏度灵敏度xy表示方法表示方法 S=2/mm数字仪表：分辨力数字仪表：分辨力2024/4/17 周三土木工程 1-3 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数2 2 测试系统的主要静态特性参数测试系统的主要静态特性参数(2)(2)（非）线性度（直线度）（非）线性度（直线度）定义：测量系统的标定曲线定义：测量系统的标定曲线(由试验确由试验确定的实际工作曲线定的实际工作曲线)对理论拟合直线的对理论拟合直线的接近程度接近程度非线性度非线性度均方差最小的直线均方差最小的直线一般要求小于一般要求小于3 32024/4/17 周三土木工程 1-3 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数2 2 测试系统的主要静态特性参数测试系统的主要静态特性参数(3)(3)回程误差（迟滞性）回程误差（迟滞性）系统滞后现象和不工作区引起系统滞后现象和不工作区引起2024/4/17 周三土木工程 1-3 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数2 2 测试系统的主要静态特性参数测试系统的主要静态特性参数（4 4）环境影响与对应措施）环境影响与对应措施l温度、湿度、气压、电源电温度、湿度、气压、电源电压、接地条件、绝缘电阻压、接地条件、绝缘电阻l灵敏度漂移灵敏度漂移l零点漂移零点漂移l减少环境影响的措施：减少环境影响的措施：隔离、补偿、增益反馈、计隔离、补偿、增益反馈、计算机修正补偿算机修正补偿2024/4/17 周三土木工程 1-3 1-3测试系统的静态传递特性及其主要参数测试系统的静态传递特性及其主要参数例题：例题：某次压力测量时，磁电式传感器的灵敏度某次压力测量时，磁电式传感器的灵敏度S=90.0vS=90.0vMPaMPa，将它与增，将它与增益为益为0.005V0.005Vvv的电压放大器相连，输出到灵敏度为的的电压放大器相连，输出到灵敏度为的20mm20mmv v笔式笔式记录仪。记录仪。求系统的总灵敏度。求系统的总灵敏度。当当P=5.0MPaP=5.0MPa时，记录笔在记录纸上的偏移量时，记录笔在记录纸上的偏移量?解：解：K=K1K2 K3K=K1K2 K3=90v=90vMpa0.005VMpa0.005V v 20mm v 20mm v v=9mm=9mm Mpa Mpa W=K P=9mm W=K P=9mm Mpa 5.0MPa=45mmMpa 5.0MPa=45mm2024/4/17 周三土木工程 1-4 1-4 动态传递特性动态传递特性1 1 传递函数传递函数输输入入、输输出出关关系系可可用用微微分分方方程程描描述述。在在输输入入x(t)x(t)、输输出出y(t)y(t)以以及及各各阶阶导导数数的的初初始始值值均均为为零零的的情情况况下下，对对微微分分方方程程进进行行拉拉普普拉拉斯斯变变换换(简简称称拉拉式变换式变换)，得，得 输出的拉氏变换和输入拉氏变换之比输出的拉氏变换和输入拉氏变换之比 即为传递函数即为传递函数2024/4/17 周三土木工程一、一、动态传递特性动态传递特性拉普拉斯变换拉普拉斯变换（1）拉普拉斯变换是线性变换，变换前后不会影响原方程包含的信息。拉普拉斯变换是线性变换，变换前后不会影响原方程包含的信息。变换前后两个方程等价。变换前后两个方程等价。（2 2）传递函数是一个代数有理分式函数，其特征容易识别与研究。而传递函数是一个代数有理分式函数，其特征容易识别与研究。而考察微分方程的特性困难。考察微分方程的特性困难。说明：说明：（1 1）传递函数实质是以复数域（传递函数实质是以复数域（s=a+jb)s=a+jb)中的象函数中的象函数X(s)X(s)、Y(s)Y(s)的代数的代数式去代替实数域中原函数式去代替实数域中原函数x(t)x(t)、y(t)y(t)的微分方程式。的微分方程式。（2 2）H(s)H(s)是将实际的物理系统抽象成数学模型，经过变换后得出的，是将实际的物理系统抽象成数学模型，经过变换后得出的，所以同一个传递函数可以表示具有相同的传输特性的不同系统。所以同一个传递函数可以表示具有相同的传输特性的不同系统。（3 3）传递函数传递函数H(s)H(s)用于描述系统本身固有的特性，与输入用于描述系统本身固有的特性，与输入X(t)X(t)的表达的表达式无关。式无关。X(t)X(t)不同时，不同时，Y(t)Y(t)的表达式不同，但传递函数的表达式不同，但传递函数H(s)H(s)保持不变。保持不变。（4 4）传递函数传递函数H(s)H(s)分母完全由系统的结构决定，而分子则和待测变量分母完全由系统的结构决定，而分子则和待测变量及测点布置情况有关及测点布置情况有关。2024/4/17 周三土木工程一、一、动态传递特性动态传递特性2 2 串、并联环节的传递函数串、并联环节的传递函数 串联系统串联系统Z（s）H1（S）H2（S）H（s）Xt）Y（t）H（s）H1（S）H2（S）X（t）Y（t）Y1（s）Y2（s）并联系统并联系统2024/4/17 周三土木工程一、动态传递特性一、动态传递特性3 3 频率响应函数频率响应函数传递函数的傅式变换传递函数的傅式变换物理意义：物理意义：对对于于稳稳定定的的常常系系数数线线性性系系统统，若若输输入入为为正正弦弦信信号号，则则稳稳态态时时的的输输出出是是与与输输入入为为同同一一频频率率的的正正弦弦信信号号；输输出出的的幅幅值值和和相相角角通通常常不不等等于于输输入入的的幅幅值值和和相相角角，输输出出和和输输入入幅幅值值比比和和相相位位差差都都是是输输入入频频率率的的函函数数，并并反映在系统的幅频特性和相频特性中。反映在系统的幅频特性和相频特性中。2024/4/17 周三土木工程一、动态传递特性一、动态传递特性3 3 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l幅频特性幅频特性当当输输入入正正弦弦信信号号的的频频率率沿沿频频率率轴轴滑滑动动时时，输输出出、输输入入正正弦弦信信号号振振幅幅之比随频率的变化规律之比随频率的变化规律l相频特性相频特性输入、输出正弦信号的相位差之比随频率的变化规律输入、输出正弦信号的相位差之比随频率的变化规律2024/4/17 周三土木工程一、动态传递特性一、动态传递特性频率响应函数与传递函数的区别频率响应函数与传递函数的区别l传递函数中的传递函数中的s s换成换成jj便得到了频率响应函数。便得到了频率响应函数。l传递函数是输出与输入拉氏变换之比，其输入并不限于正弦激励，不传递函数是输出与输入拉氏变换之比，其输入并不限于正弦激励，不仅描述了测量装置的稳态特性也描述了它的仅描述了测量装置的稳态特性也描述了它的瞬态特性瞬态特性。l频率响应函数是在频率响应函数是在正弦信号正弦信号激励下，测量装置达到激励下，测量装置达到稳态稳态后输出与输入后输出与输入之间的关系。之间的关系。2024/4/17 周三土木工程一、一、动态传递特性动态传递特性4 4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性常见测试系统的传递函数和频率响应特性（1 1）一阶系统一阶系统幅频特性幅频特性相频特性相频特性2024/4/17 周三土木工程一、动态传递特性一、动态传递特性4 4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性常见测试系统的传递函数和频率响应特性（1 1）一阶系统）一阶系统m=0k位移y（t）力x（t）力学模型力学模型2024/4/17 周三土木工程传递函数传递函数一、动态传递特性一、动态传递特性4 4 常见测试系统的传递函数和频率响应特性常见测试系统的传递函数和频率响应特性（2 2）二阶系统）二阶系统固有频率固有频率阻尼比阻尼比灵敏度灵敏度频率响应特性频率响应特性幅频特性幅频特性相频特性相频特性2024/4/17 周三土木工程二、系统在典型输入下的动态响应二、系统在典型输入下的动态响应1 1 单位脉冲信号单位脉冲信号2 2 单位阶越信号单位阶越信号3 3 单位斜坡信号单位斜坡信号4 4 单位正弦信号单位正弦信号5 5 任意输入任意输入2024/4/17 周三土木工程三、信号的失真及不失真测量条件三、信号的失真及不失真测量条件1 1 定义定义 不失真测试（传递）实质不失真测试（传递）实质 系统的响应波形（输出）与输入波形系统的响应波形（输出）与输入波形完全相似。可保持原信号的特性和全部完全相似。可保持原信号的特性和全部信息。信息。2 2 不失真条件不失真条件幅频函数为常数幅频函数为常数相频函数为相频函数为线性（过原点的直线）线性（过原点的直线）2024/4/17 周三土木工程1-51-5测试系统选择的原则测试系统选择的原则l灵敏度灵敏度对干扰的敏感。灵敏度高，测量范围小，稳定性差对干扰的敏感。灵敏度高，测量范围小，稳定性差l准确度准确度价格影响。前面环节的准确度高于后面环节的准确度价格影响。前面环节的准确度高于后面环节的准确度l响应特性响应特性不失真，延迟时间短不失真，延迟时间短l线性范围线性范围保证在近似线形区间工作保证在近似线形区间工作l稳定性稳定性适应环境，零漂和漂移适应环境，零漂和漂移l测量方式测量方式满足实际的工作条件，在现场实时条件满足实际的工作条件，在现场实时条件l匹配性匹配性 2024/4/17 周三土木工程The end.Thanks!Thanks!