汽车测试技术第五章

G (e jω ) = G0 e jω n0
(5-8)
Yh (e jω ) = H (e jω )Y (e jω ) = X (e jω )
(5-10)
5.2 信号的记录
信号记录是汽车试验工作的一个必然的重要环节,保存 原始试验资料及对试验信号进行分析研究均需要记录. 信号的记录经历了人工记录,有纸记录和无纸记录的发 展过程,曾经在工程测试领域起过重要作用的记录设备,如 光线示波器,笔式记录仪,瞬态记录仪,模拟式磁带记录仪 等已逐渐退出历史舞台,目前工程侧试领域已全面进入无纸 数字式记录的新时代. 无纸数字式记录设备有多种: 数字存储示波器 数字式磁带记录仪 计算机记录
二,测试结果的函数补偿
测试结果的参数补偿主要用于静态测 量,其补偿方法有两种: 引入修正函数 消除系统误差
1,引入修正函数
在进行汽车试验之前,先对测试系统进行精确地标定,以 确定系统的输出y (t )与输入x(t ) 之间的修正函数 f (t ).将试验结果 y (t ) 乘以修正函数 f (t )便是被测参量地大小,即:
第五章 信号的记录,补偿与输出
测试系统的精度不仅与系统的动态特 性或静态特性有关,而且还与测试系统所 处的环境及干扰有关,为了获得满意的测 试结果,需对测试信号进行补偿和修正; 经补偿,修正和调理后的测试信号还需将 其记录下来,以便对其进行分析,处理和 输出测试结果.
5.1 信号的补偿和修正
测试信号的补偿与修正有多种不同的方法, 常用的主要有: 电桥补偿 函数补偿 通道补偿 均衡补偿
一,数字式记录设备的主要性能指标
数字记录设备的性能在很大程度上取决于数据采集卡 的性能,其评价指标主要有: 采样频率 采样延时 信号记录的分辨率 量程
1,采样频率
采样频率又称采样速度,即单位时间的采样 点数.采样频率与 A / D 转换器的位数有关,通常8 位 A / D 转换器的最高采样频率为20Mhz～100Mhz, 12位A / D转换器的最高采样频率为25Khz～1.25Mhz, 16位 A / D 转换器的最高采样频率为100Khz.
四,均衡补偿
设汽车试验中,某一测试系统的输入(被测量)为 x(n) ,测 试系统的输出为y (n) ,在理想情况下,我们都希望 y (n) = x(n) , 然而,由于实际测量环节中的线性和非线性畸变,通常会出 现 y (n) ≠ x(n)的情况.欲将 y (n) 恢复成原被测信号 x(n) 就需采 用一些特殊的处理,这种将测试系统的输出恢复成输入信号 x(n)的过程称为均衡补偿. 若仅考虑到线性时不变系统引起的畸变,则输出 y (n) 与输 入x(n) 的关系为:
2,采样延时
为了分析瞬态过程前后的信号状态,通常 在采集单次瞬态过程时需要有一定的负延时. 若将触发时刻定为时间坐标的零点,则在触发 时刻前的信号称为负延时信号.
3,信号记录的分辨率
信号记录的分辨率由 A / D转换器的位数决定, / D转换 A 器的位数越高,信号记录的分辨率越高,模拟信号转换为 数字信号所带来的量化误差越小.8位 / D 转换器,最低位 A 的相对误差为 对误差为 误差为
y ( n ) = g ( n) × x ( n)
(5-6)
式中: g (n) —测试系统的传递函数.
式(5-6)的离散富氏变换表达式为:
G jω 欲消除信号的畸变, (e )应为:
Y (e jω ) = G (e jω ) × (e jω )
(5-7)
) 即测试系统的输出信号 y (n)相对于输入信号 x(n只有幅度上的增益 G0 和时 间上的延时 n0,而实际上的G (e jω )与式(5-8)所表达的理想情况有较大 的差别.消除幅频特性上的误差,称为幅度均衡;消除相频特性上的误 差,称为相位均衡,或称相位补偿.欲做到这些,常用的方法是设计一 个数字滤波器(称为均衡滤波器),使之满足: yh ( n ) = h ( n ) × y ( n ) = x ( n ) (5-9) h H 式中: (n), (e jω ) —均衡滤波器的单位抽样响应函数和频率响应函数; yh (n), h (e jω )—均衡滤波器补偿后的系统响应函数和频响函数. Y 从理论上讲,均衡滤波器的频率响应函数是测试系统传输函数频率响 应的逆函数,即: 1 H (e jω ) = (5-11) G (e jω ) 均衡滤波器的实值是设计一个满足式(5-11)要求的数字均衡滤波器.
一,电桥补偿
电桥具有灵敏度高,测量范围宽,容易实现 对因环境变化所引起的测量误差的补偿,因此在 测试工程中得到了广泛的应用.电桥的电源可以 是直流电,也可以是交流电.若接入电桥的激励 电压(或称供电电压)是直流电,称为直流电桥, 若供电电压是交流电,称为交流电桥.
1,直流电桥
图5-1(a)是直流电桥的基本型式,电桥的四个臂上均 为纯电阻,分别为 R1 , R2 ,R3 和 R4 .若用四个电阻式传 R R 感器去取代四个桥臂电阻 R1 , 2 , 3 和R4 ,则此电桥就变 成了图5-10(b)所示的型式.
R3 , R4同时为正或同时为负,则式(5-1)可改写为: U R R R R U bd = 0 ( 1 2 + 3 4 ) (5-2) 4 R0 R0 R0 R0
式(5-2)就是电桥的加减特性.若式(5-2)中的 R1 , R2
R3 和 R4 是因环境变化(如温度的变化)所引起的,且各电
阻式传感器均处于相同的测试环境,即 R1 = R2 = R3 = R4 , 则电桥的输出电压 U bd = 0 ,传感器因环境的变化所引起的 电阻输出在电桥中自动被消除,这就是对测试信号进行补 偿的工作原理.
=-
( R1 ± R1 )( R3 ± R3 ) ( R2 ± R2 )( R4 ± R4 ) U0 ( R1 ± R1 + R2 ± R2 )( R3 ± R3 + R4 ± R4 )
(5-1)
若接在四个桥臂上的四个电阻式传感器的参数完全 相同,即 R1 = R2 = R3 = R4 = R0 ,且在测试过程中,各电阻式传感 器电阻量的变化均较小并同号,即 Ri<<R 0 (i = 1,2,3,4).R1,R2
2,交流电桥
若将电容或电感式传感器接入电桥,电桥的电源就不能 是直流电,而应该向电桥供交流电. 对于交流电桥,直流电桥所有的特性,如①利用加减特 性对信号进行补偿;②利用平衡电桥消除供电电压对测试结 果的影响等.交流电桥均有,所不同的是在直流电桥中,各 桥臂上是纯电阻;在交流电桥中,各桥臂上是复阻抗(即便 是交流电桥臂上是纯电阻器件,但由于电阻器件也存在分布 电容,因此它仍然是复阻抗).将复阻抗 Z1 ,2 ,3 和Z 4 去代 Z Z R R 换直流电桥中的 R1 ,2 , 3 和 R4 ,则直流电桥的所有计算公式 都适合于交流电桥.正因为如此,再加上受到篇幅的限制, 在此不作详细介绍.
U ad
输出电压为: R ± R U bd = U ab U ad = [ ( R ± R ) + ( R
1 1 1
R4 ± R4 = I 2Байду номын сангаас( R4 ± R4 ) = U0 ( R3 ± R3 ) + ( R4 ± R4 )
1 2 ± R2 )
-
R4 ± R4 ]U 0 ( R3 ± R3 ) + ( R4 ± R4 )
1 216 1 212 1 28
,即0.39%,12位A / D 转换器最低位的相
=0.024%,16位 A / D 转换器的最低位的相对
=0.0015%.
3,触发方式
触发方式即启动设备开始进入数字记录的操作方式.通 常数字记录设备都设有手动触发,内触发,单通道内触发, 全通道内触发和外触发等多种触发方式. (1)手动触发是指由仪器操作者直接操纵仪器给出记录 开始的触发信号. (2)内触发 预设一触发电平,当测试信号到达预设电 平值时,便触发仪器自动开始信号的记录. (3)单通道内触发 只有当选定通道的测试信号达到 预设电平值时,仪器才开始记录. (4)全通道内触发 任一通道的测试信号达到预设电平 值时,仪器才开始记录. (5)外触发 通过输入一脉冲来触发仪器开始记录.
对于直流电桥的基本型式(见图5-1(a)),它的输出 电压为:
U bd = R1 R3 R2 R4 U0 ( R1 + R2 )( R2 + R3 )
(5-3)
当 U bd
=0
时,则有
R1 R 3 R2 R4 = 0 R2 R3 = R1 R4
(5-4)
式(5-4)就是直流电桥的平衡条件. 当然,电桥的平衡不能靠改变接在桥臂上的传感器来实 现,常用的方法是在桥臂上串接可变电阻.
图(5-2)是一典型数字存储示波器的组成框图,从图 中不难看出,数字存储示波器就是一台便携式的专用记录 计算机.
图5-2 数字存储示波器组成框图
事实上,无论哪一种数字记录设备,其工作原理都基本 相同,都是首先通过A / D 转换器将模拟信号转换成二进制的 数字信号(即调码),然后将其写入记忆体(如磁带,磁盘 或硬盘)中.正因为如此,所以现在常将配有数据采集卡的 数字计算机称为通用的数字式记录设备. 数字式记录设备的突出特点是,它采用脉码调制方式记 录试验信号,即经各种相应处理的模拟信号首先经过模数 ( A / D)转换器将其转换成二进制数,再将其记录在数字存储 媒体(如磁带,磁盘,光盘,新型的半导体存储盘等)中. A / D 转换器有8位,12位,16位,…之分.位数越高,则分 辨率越高,即设定的额定最大输出信号在幅值方向离散出的 点数越多.信号的大小用一定位数(8位,12位,16位,…) 的二进制编码来表示(编码规则见相应的国际标准),这种 利用 A / D 转换器将模拟试验信号转换为数字信号的过程称为 脉码调制(简称调码).
2,消除系统误差
通过对测试结果的误差进行分析, 找出测试结果中的系统误差,然后再利 用数学方法消除其系统误差.这种方法 在第七章静态测试数据处理中专门讨论.
三,通道补偿
测试信号的通道补偿主要用于消除测试信号的 干扰.在进行测试信号的采集和记录时,专门拿出 一个信号通道来记录外界的干扰信号(该通道不记 录任何测试信号),这个通道称为补偿通道.在进 行试验数据处理之前,将测试信号与补偿通道进行 比较,这样便可消除外界的干扰. 这种补偿方法在汽车试验中经常用到,凡是采 用磁带记录仪及计算机记录的汽车测试系统,均采 用这种信号补偿方式.如进行汽车振动,噪声和实 验模态分析时,都采用通道补偿法.
事实上,信号的电桥补偿只要将两个相同的电阻式传 感器分别接到1,2或3,4两个臂上即可. 若电桥四个桥臂上的电阻值均随被测量的变化,(见图 5-1(a)),称为全臂电桥;若只有两个桥臂上的电阻随被测 量而变,称为双臂半桥;若只有一个桥臂上的电阻值随被 测量变化,称为单臂半桥.显然,若要利用电桥进行信号 补偿,就必须采用双臂半桥或全桥. 若将欲组成差动结构的两个传感器分别接在电桥的1, 2或3,4臂上,电桥不仅可实现两个传感器的差动连接, 而且还自动地实现了信号地自动补偿. 式(5-2)还告诉我们,电桥的输出与电桥供电电压有 关,电桥供电电压的波动会带来测量误差.为了避免供电 电压波动对测试结果的影响,最简单的方法是调节图5R R 1(a)所示电桥中各桥臂上的电阻值 R1 ,2 , 3 和 R4 ,使电桥 的输出电压U bd = 0 ,这种电桥称为平衡电桥.
x (t ) = f (t ) y (t )
(5-5)
这种补偿方法在汽车试验中经常用到.如进行汽车基本 性能试验及汽车排放和噪声测试之前,通常应对测试系统 (如五轮仪,燃油流量计,废气分析仪和声级计)进行标定, 以确定其修正函数 f (t ) . 实现函数补偿的方法有两种:1)将修正函数输入测试系 统(键入或旋钮调节),测试系统自动完成对测试结果的修 正;2)人工处理,试验人员通过手工计算来完成测试结果的 修正工作.方法1)在汽车试验中被广泛采用,方法2)在某 些特殊场合仍有采用,如汽车燃料经济性的环境修正等.
图5-1 直流电桥 (a)直流电桥的基本型式 (b)将传感器接入电桥的型式
若电桥的输出端所接的仪表或放大器的输入阻 抗很大时,可视为电桥的输出端开路.据欧姆定理 便可列出桥路a,b和a,d之间的电位差方程,即:
U ab = I1 ( R1 ± R1 ) = R1 ± R1 U0 ( R1 ± R1 ) + ( R2 ± R2 )