传感器与测试技术课件第三章测试系统特性3动态特性.ppt
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1、传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院第一篇第一篇 工程测试技术基础工程测试技术基础第第3章章 测试系统的特性测试系统的特性1.1.建立测试系统的概念建立测试系统的概念 2.2.掌握描述测试系统静态特性的方法掌握描述测试系统静态特性的方法3.3.掌握描述测试系统动态特性的方法掌握描述测试系统动态特性的方法4.4.掌握实现系统不失真测试的条件掌握实现系统不失真测试的条件传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院3.3 测试系统的动态特性测试系统的动态特性 测试系统的动态特性不仅取决于系统的结构参数,测试系统的动态特性不仅取决于系统的结构参数,而且与输入信号有关。研究而且与输入信号有关
2、。研究测试系统的动态特性实测试系统的动态特性实质质就是建立输入信号、输出信号和系统结构参数三就是建立输入信号、输出信号和系统结构参数三者之间的关系者之间的关系数学建模数学建模。动态特性的数学描述:动态特性的数学描述:1)微分方程)微分方程 2)传递函数)传递函数 3)频率响应函数)频率响应函数 4)阶跃响应函数等)阶跃响应函数等传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院1 1、动态特性的数学描述、动态特性的数学描述1 1)线性微分方程)线性微分方程 微分方程是最基本的数学模型微分方程是最基本的数学模型,求解微分方程,求解微分方程,就可得到系统的动态特性。就可得到系统的动态特性。对于一个复杂
3、的测试系统和复杂的测试信号,对于一个复杂的测试系统和复杂的测试信号,求解微分方程比较困难,甚至成为不可能。为此,求解微分方程比较困难,甚至成为不可能。为此,根据数学理论,根据数学理论,不求解微分方程不求解微分方程,而应用,而应用拉普拉斯拉普拉斯变换变换求出传递函数、频率响应函数等来描述动态特求出传递函数、频率响应函数等来描述动态特性。性。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院2 2)传递函数)传递函数定义定义:系统的初始条件为零时,输出系统的初始条件为零时,输出y(t)y(t)的拉氏变的拉氏变换换Y(s)Y(s)和输入和输入x(t)x(t)的拉氏变换的拉氏变换X(s)X(s)之比称为系
4、统的之比称为系统的传递函数,记为传递函数,记为H(s)H(s)。)(/)()(sXsYsH 当系统的初始条件为零时,对微分方程进行拉当系统的初始条件为零时,对微分方程进行拉氏变换,可得氏变换,可得)()()()(01110111sXbsbsbsbsYasasasammmmnnnn01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm则传递函数则传递函数js称为拉氏变换算子称为拉氏变换算子 传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院传递函数的特点:传递函数的特点:H H(s s)与输入信号与输入信号x x(t t)及系统的初始状态无关,系统及系统的初始状态无关,
5、系统的动态特性完全由的动态特性完全由H H(s s)决定。决定。H H(s s)只反映系统传输特性,而和系统具体物理结构只反映系统传输特性,而和系统具体物理结构无关。即无关。即同一形式的传递函数可表征具有相同传输特同一形式的传递函数可表征具有相同传输特性的不同物理系统性的不同物理系统。H H(s s)的分母取决于系统的结构(分母中的分母取决于系统的结构(分母中s s的幂次的幂次n n代表系统微分方程的阶数),分子则和系统与外界之代表系统微分方程的阶数),分子则和系统与外界之间的关系,如输入(激励)点的位置、输入方式、被间的关系,如输入(激励)点的位置、输入方式、被测量及测点布置情况有关。测量及
6、测点布置情况有关。传递函数与微分方程完全等价,可以相互转化传递函数与微分方程完全等价,可以相互转化。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院 H(s)H(s)是在是在复频域复频域中中表达系统的动态特性,而微分表达系统的动态特性,而微分方程则是在方程则是在时域时域表达系统的动态特性,而且这两种动表达系统的动态特性,而且这两种动态特性的表达形式对于任何输入信号形式都适用。态特性的表达形式对于任何输入信号形式都适用。;)()()(2)()()(10112200110asasabsXsYsHnasabsXsYsHn 二二阶阶系系统统的的传传递递函函数数当当;一一阶阶系系统统的的传传递递函函数数当
7、当即即为为静静态态灵灵敏敏度度零零阶阶系系统统的的传传递递函函数数当当高高阶阶系系统统的的传传递递函函数数。当当 00)()()(03absXsYsHnn传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院3 3)频率响应函数)频率响应函数定义定义:系统的初始条件为零时,输出系统的初始条件为零时,输出y(t)y(t)的傅立叶的傅立叶变换变换Y(jY(j)和输入和输入x(t)x(t)的傅立叶变换的傅立叶变换X(X(j)之比称为之比称为系统的频率响应函数,记为系统的频率响应函数,记为H(H(j)或或H(H()。)(/)()(jXjYjH 当系统的初始条件为零时,对微分方程进行傅当系统的初始条件为零时,对
8、微分方程进行傅立叶变换,可得频率响应函数为立叶变换,可得频率响应函数为01110111)()()()()()()()()(ajajajabjbjbjbjXjYjHnnnnmmmm将将s=js=j代入传递函数公式具有同样的形式,因此,代入传递函数公式具有同样的形式,因此,频率响应函数是传递函数的特例。频率响应函数是传递函数的特例。)(/)()(XYH或或传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院 线性系统的频率响应函数线性系统的频率响应函数H(jH(j)实际上就等于用实际上就等于用虚数指数函数表示的正弦输出与正弦输入之比虚数指数函数表示的正弦输出与正弦输入之比,因,因此也将频率响应函数称为此
9、也将频率响应函数称为正弦传递函数正弦传递函数。tjXetXtxsin)()()sin()(tjYetYty依据:依据:若若则则将输入、输出的各阶导数代入线性微分方程,可得将输入、输出的各阶导数代入线性微分方程,可得传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院H(j)H(j)为复变量函数,有相应的模和相角为复变量函数,有相应的模和相角)()()()()(相相频频特特性性幅幅频频特特性性XYAeAjHj 模模A A()反映了线性时不变系统在正弦信号激励反映了线性时不变系统在正弦信号激励下,下,其稳态输出与输入的幅值比随频率的变化,其稳态输出与输入的幅值比随频率的变化,称为称为系统的幅频特性系统的
10、幅频特性;幅角幅角()反映了反映了稳态输出与输入的相位差稳态输出与输入的相位差随频随频率的变化率的变化,称为,称为系统的相频特性系统的相频特性。频率响应特性频率响应特性传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院频率响应特性的图形描述:频率响应特性的图形描述:直观地反映了测试系统对不同频率成分输入信号直观地反映了测试系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况的扭曲情况输出与输入的差异。输出与输入的差异。A幅频特性曲线幅频特性曲线相频特性曲线相频特性曲线传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院 实际作图时,常对自变量取对数标尺,幅值坐标实际作图时,常对自变量取对数标尺,幅值坐标取分贝数,即作取
11、分贝数,即作lg)(lg)(lg20A对数幅频特性曲线对数幅频特性曲线对数相频特性曲线对数相频特性曲线伯伯德德图图传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院频率响应函数的求法:频率响应函数的求法:1 1)定义)定义傅立叶变换法傅立叶变换法 在初始条件为零时,同时测得输入在初始条件为零时,同时测得输入x(t)x(t)和输出和输出y(t)y(t),由其傅里叶变换由其傅里叶变换X(X()和和Y(Y()求得频率响应函数求得频率响应函数H(H()=Y()=Y()X(X()。2 2)传递函数法)传递函数法 在初始条件为零时,求取系统的传递函数在初始条件为零时,求取系统的传递函数H(s)H(s),将将s
12、=js=j代入即得。代入即得。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院3 3)实验法)实验法正弦激励法正弦激励法 依次用不同频率依次用不同频率f fi i的简谐信号去激励被测系的简谐信号去激励被测系统,同时测出激励和系统的统,同时测出激励和系统的稳态输出稳态输出的幅值、相的幅值、相位,得到幅值比位,得到幅值比A Ai i、相位差、相位差i i。频率响应函数是描述系统的频率响应函数是描述系统的简谐输入简谐输入和其和其稳态稳态输出输出的关系,在求解系统频率响应函数时,必须在的关系,在求解系统频率响应函数时,必须在系统响应达到稳态阶段时才测量。系统响应达到稳态阶段时才测量。传感器与测试技术第3
13、章 测试系统的特性航海学院 从系统最低测量频率从系统最低测量频率fminfmin到最高测量频率到最高测量频率fmaxfmax,逐步,逐步增加正弦激励信号频率增加正弦激励信号频率f f,记录下各频率对应的幅值,记录下各频率对应的幅值比和相位差,绘图就得到系统幅频和相频特性。比和相位差,绘图就得到系统幅频和相频特性。传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院4 4)阶跃响应函数)阶跃响应函数 若系统输入信号为单位阶跃信号,即若系统输入信号为单位阶跃信号,即x(t)=u(t)x(t)=u(t),则则X(s)=1/sX(s)=1/s,此时,此时Y(s)=H(s)/sY(s)=H(s)/s,拉氏反变
14、换即可,拉氏反变换即可得到输出得到输出y(t)y(t)H(S)时域特性参数识别时域特性参数识别传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院5 5)脉冲响应函数)脉冲响应函数 若系统的输入为单位冲击若系统的输入为单位冲击(t)(t),因,因(t)(t)的傅立的傅立叶变换为叶变换为1 1,有:,有:Y(S)=H(S)Y(S)=H(S),则,则y(t)=Fy(t)=F-1-1H(S)H(S)h(t)h(t)h(t)h(t)称为冲击响应函数称为冲击响应函数(脉冲响应函数)(脉冲响应函数)H(S)傅立叶傅立叶变换变换固有频率、阻尼等固有频率、阻尼等传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院在复频域
15、用传递函数在复频域用传递函数H(s)H(s)来描述;来描述;在频域用频率响应函数在频域用频率响应函数H(H()描述;描述;在时域可用微分方程、阶跃响应函数和脉冲响应在时域可用微分方程、阶跃响应函数和脉冲响应函数函数h(t)h(t)。其中传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数三者其中传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数三者之间存在着之间存在着一对应的关系一对应的关系。h(t)(t)和传递函数和传递函数H(s)H(s)是一对拉普拉斯变换对;是一对拉普拉斯变换对;h(t)h(t)和频率响应函数和频率响应函数H(H()又是一对博里叶变换对。又是一对博里叶变换对。动态特性数学描述的几点结论:动态特性数学描
16、述的几点结论:传感器与测试技术第3章 测试系统的特性航海学院频率响应函数频率响应函数的含义是一系统对输入与输出皆为正的含义是一系统对输入与输出皆为正弦信号传递关系的描述。它反映了系统弦信号传递关系的描述。它反映了系统稳态输出稳态输出与与输入之间的关系,也称为输入之间的关系,也称为正弦传递函数正弦传递函数。传递函数传递函数是系统对输入是正弦信号,而输出是是系统对输入是正弦信号,而输出是正弦正弦叠加瞬态信号叠加瞬态信号传递关系的描述。它反映了系统包括传递关系的描述。它反映了系统包括稳态稳态和和瞬态瞬态输出与输入之间的关系。输出与输入之间的关系。动态特性数学描述的几点结论:动态特性数学描述的几点结论
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