第二章 汽车试验基础理论.ppt

1,第二章 汽车试验基础理论,第一节 试验测试系统组成与特性第二节 测量不确定度与误差理论基础,2,第一节 试验测试系统组成与特性,试验测试系统组成,测试系统是由若干相互联系相互作用的单元（试验装置、仪器设备和传输及控制部件），为实现特定的测试目的而组成的有机整体对于实现不同目的的试验测试系统来说，其复杂程度是不同的，通常可以由一些基本的、实现单一功能的基本系统组成3,一般情况下，一个完备的试验系统应包括： 1、信号的转换系统 通常使用相应的传感器，将被测非电参量转换为电参量信号，作为测试系统的输入信号 2、信号的调整系统 这一系统通常由若干个放大器、滤波器、变换器等组成，通过信号源的阻抗变换、信号的放大、衰减与波形变换、信号滤波、多路信号切换或调制解调，将传感器输出的电信号变换成不失真且便于传输、记录、处理的电信号 3、信号的记录与处理系统 一方面对包含被测参数信息的信号进行记录或显示，显示必要的数据变化图形，供直接观察分析，或将,4,其保存，供后续仪器分析、处理；另一方面，将记录的信号按测试目的与要求提取其有用信息，通过专用或通用计算机进行分析、处理，如概率统计分析、相关分析、功率谱分析和传递特性分析等。

此外，为了确保测试系统的有效工作，还应包括相应的辅助装置 4、试验的激发装置 需要建立相应的试验激发装置（试验台），作为试验测试系统的前端，用以最大限度地获得被测参数可能的特征量 5、定度和校准装置 是测试系统的辅助设备，测试前要对传感器及测试系统确定其输入与输出物理量转换关系的定度曲线，并,5,根据一种较高准确度的参考仪器进行校准，确定整个测试系统的精度试验测试系统的数学模型 通常的工程测试问题总是处理输入量或被测量系统的传输或转换特性 和输出量 三者之间的关系 1）测量：如果系统的特性已知，通过对输出信号的观察分析，就能推断其相应的输入信号或被测量 2）定度过程：如果输入信号已知，通过对输出信,6,号的观察分析，就能推断测试系统的特性，这就是通常的系统或仪器的定度过程 3）信号预测：如果输入信号和系统的特性已知，则可以推断和估计系统的输出量，这就是通常的输出信号预测 大多数的测试系统都可以假定为具有集中参数、有限自由度和参数时变系统的物理系统因此，测试系统都可以作为线性非定常系统处理，即系统的输入信号（激励） 和输出信号（响应） 之间可用下列微分方程式来描述：,7,若 表示上述系统的输入、输出对应关系，则常系数线性系统具有如下基本性质： 1）叠加特性 是指几个输入同时作用于系统时的输出，等于这些输入单独作用于系统时系统各输出的总和，即,8,2）比例特性 是指当系统输入增大若干倍，其输出也增大若干倍，即则对任意常数 ，都有 3）微分特性 系统对输入微分的响应等同于对原输入响应的微分，即,9,4）积分特性 若系统的初始状态为零，则系统对输入积分的响应等同于原输入响应的积分，即 5）频率保持性 若系统输入为某一频率的正弦（余弦）激励，则其稳态输出也将只有该同一频率而不改变。

10,理想测试系统 理想的测试仪器或系统应该具有单值的、确定的输入、输出关系，而且最好是一个单向线性系统 单向系统是指测试系统对被测量的反作用影响可以忽略例如振动测试时，要求传感器的质量很小，使其对被测振动物体的固有频率的影响可忽略不计 线性系统，即输入与输出是线性关系在静态测试中，系统的线性关系虽然是所希望的，但不是必需的（因为在静态测试中，用校正曲线或输出补偿技术作非线性校正尚不困难）在动态测试中，测试系统本身应该力求是线性系统，这不仅是因为在动态测试中作非线性校正目前还相当困难，而且只能对线性系统作比较完善的数学处理与分析然而，实际测试系统不可能在较,11,大的工作范围内保持线性因此，只能在一定的误差范围和工作范围内做线性处理试验测试系统的基本要求 1）测试系统呈线性关系 测试系统应该具有单值的、确定的输入-输出关系，其中以输出和输入呈线性关系为最佳 2）测试目的 保证具有与测试目的和要求相适应的测量精度 3）测试过程中信号不失真 测试系统在任何时刻的输出与对应时刻的输入之比,12,是确定的常数，以确保测试结果在精度要求范围内不失真地反映被测物理量。

 4）系统必须有足够的信噪比 信噪比过小甚至使信号淹没在噪声中，使其所需要的信息无法正确分离获取，将给测试结果带来很大的不确定度 5）系统响应的时间较短 任何测试的过程都存在整个测试系统达到稳定的响应时间，而只有稳态的输出才能得到稳定可靠的数据因此，良好的动态测试系统应该具有尽可能短的响应时间和尽可能小的超调量13,试验测试系统的静态特性 测试系统的静态特性是指被测物理量处于稳定状态，输入和输出都是不随时间变化的常量（或变化缓慢，在所观察的时间间隔内可忽略其变化而视为常量）此时，输入输出关系可用下式表示，即其中： 表示输入的物理量 表示输出量 表示常数 当 时，表示即使在没有输入的情况下，仍有输出，通常称为零点漂移（零漂），理想的静态量测试,14,系统，其输出应是单值的，且线性比例于输入，即静态特性为 ，其输入与输出关系曲线是一条直线 实际测试系统的静态特性用下列指标进行表征： 1）准确度 是指测试系统的测量值与被测参数真值相符合的程度，它是表征测试系统静态特性的主要性能指标。

一般来说准确度是一个定性的概念，大多数情况下，可以按准确度等级、系统测试误差或系统最大允许误差等方法加以描述 2）灵敏度 灵敏度是测试系统静态特性的一个基本参数15,对于特性呈线性直线关系的系统，有而非线性系统的灵敏度就是该系统静态特性曲线上各点的斜率，当测试系统的输出和输入为同一量纲时，灵敏度常称为放大倍数测试系统的灵敏度越高，测试范围往往越窄，稳定性也往往越差16,3）非线性度 非线性度指测试系统的输出、输入间是否能保持常值比例关系（线性关系）的一种量度通常用试验方法求取系统的输入、输出关系曲线，并称其为“定度曲线” 4）回程误差 回程误差也叫迟滞误差，它是判断实际测试系统的特性与理想系统特性差别的一项指标理想测试系统的输出与输入应是单值的一一对应关系，而实际测试系统有时会对同一大小的输入量，其正向输入（输入量由小到大）和反向输入（输入量由大到小）的输出量数值不同，其差值称为滞后量测试系统全量程内的最大滞后量和量程之比值称为回程误差或迟滞误差，即,17,5）重复度 重复度是指在相同的条件下，重复测试同一个被测参数时测定值的一致程度。

任何一种测试系统，只要被测参数的真值与测试值之间存在一一对应的确定性单调关系，且这种关系是可重复的，这个系统就是可信、有效、能够满足要求可见，测试系统的重复度也是测试系统的重要指标 为了使测试结果最大限度地反映出实际情况，要求测试系统有较高的准确度、重复度和足够的灵敏度，而非线性度和回程误差要尽可能小18,试验测试系统的动态特性 测试系统的动态特性是指输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关系就动态测量用的测试系统而言，必须对其动态特性有清楚地了解，否则根据所得的输出是无法正确地确定所要测定的输入量为降低和消除测试系统的动态特性给测试带来的误差，对于动态测试的测试系统，必须考虑并掌握测试系统的动态特性，判断测试时会产生什么误差要研究测试系统的动态特性，首先必须建立其数学模型 1）测试系统的传递函数 传递函数的定义,19,实际测试系统都能在一定误差范围内和一定的量程范围内看作是不变线性系统通常可以用多项式来描述输出和输入之间的关系，可以通过对微分方程进行拉普拉斯变换建立传递函数的概念来表示它的动态特性传递函数是代数方程，将使其计算简化，方便而直观，避免了解微分方程的困难，便于分析研究系统的动态特性。

 若线性系统的初始条件为零，即在考察时刻（ ）其输入量、输出量及其各阶导数均为零，则对多项式进行拉普拉斯变换，得,20,通常，将输出量和输入量两者的拉普拉斯变换之比定义为传递函数，即  传递函数以代数式的形式表征了系统的传输、转换特性，其中分母中的幂次代表系统微分方程的阶数传递函数有以下特点： 1）传递函数只描述了系统本身的动态特性，它与输入量无关 2）传递函数不说明被描述系统的物理结构，不管是电路系统，还是机械系统，只要动态特性相似，就可以用同一种类型传递函数来描述21,多环节组合测试系统的传递函数  一个系统是由若干个环节组成，为了求得整个系统的传递函数，需要研究系统中各个环节的联系： 两个传递函数各为 和 的环节，如果串联后，它们的阻抗相互匹配，相互不影响彼此的工作状况，则所组成系统的传递函数为类似地，对n个环节串联组成的系统，有,22,若两个环节并联，则因故其传递函数为由n个环节并联组成的系统，有,23,传递函数的分解 一般测试装置可简化成时不变线性系统，建立起常系数微分方程式，假设则传递函数的定义式简化为其中分母是变量 的实系数多项式，它总可以分解为一次和二次的实系数因子式，即,24,第二节 测量不确定度与误差理论基础,测量就是将被测量和同一物理量的标准值进行比较的试验过程，以期获得被测量的参数值。

由于人们对客观世界认识的局限性和测量设备的不准确性，任何测量都不可避免地会产生测量误差人们只能获得被测量的一个估计值或近似值，即被测量结果具有不确定性只有对测量结果的不确定性给出客观的评价，测量结果才具有可参考价值，测量才是有意义的25,第二节 测量不确定度与误差理论基础,测量工作及其分类测量不确定度概念测量误差的概念与分类随机误差系统误差异常数据的取舍,26,测量工作及其分类 对具体测量过程而言，就是用测量工具（测量仪器），将被测参数与同一物理量的标准量进行比较，从而确定该参数数值的过程根据测量方法的不同，测量工作可以分为直接测量、间接测量和组合测量 直接测量 通过测试仪器，将被测量参数与同一物理量的标准量直接比较，或者用事先经过标准量校正的测量仪器进行测量，从而直接求得被测量参数的数值换句话说，直接测量就是从测量结果直接获得被测量参数数值的一种测量方法可用公式表示为,27,其中： ——被测量参数的数值 ——测量结果 间接测量 被测量参数通过某个已知的函数关系和一些独立的参数相联系，对这些独立的参数进行直接测量，取得测量结果并代入函数式计算，以间接获得被测量参数的数值。

可用公式表示为其中： ——被测量参数的数值 ——直接测量参数的测量结果,28,组合测量 将一定数量的被测量参数以不同的方式组合（或者改变试验条件的方法取得这种不同的组合），通过直接测量或间接测量取得测量结果，求解相应的方程式，以获得被测量参数的数值。