汽車測(cè)試技術(shù)第五章課件

第五章信號(hào)的記錄、補(bǔ)償與輸出測(cè)試系統(tǒng)的精度不僅與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性或靜態(tài)特性有關(guān)，而且還與測(cè)試系統(tǒng)所處的環(huán)境及干擾有關(guān)，為了獲得滿意的測(cè)試結(jié)果，需對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償和修正；經(jīng)補(bǔ)償、修正和調(diào)理后的測(cè)試信號(hào)還需將其記錄下來(lái)，以便對(duì)其進(jìn)行分析、處理和輸出測(cè)試結(jié)果。

5.1信號(hào)的補(bǔ)償和修正

測(cè)試信號(hào)的補(bǔ)償與修正有多種不同的方法，常用的主要有：電橋補(bǔ)償函數(shù)補(bǔ)償通道補(bǔ)償均衡補(bǔ)償

一、電橋補(bǔ)償

電橋具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)因環(huán)境變化所引起的測(cè)量誤差的補(bǔ)償，因此在測(cè)試工程中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋的電源可以是直流電，也可以是交流電。若接入電橋的激勵(lì)電壓（或稱供電電壓）是直流電，稱為直流電橋，若供電電壓是交流電，稱為交流電橋。

若電橋的輸出端所接的儀表或放大器的輸入阻抗很大時(shí)，可視為電橋的輸出端開路。據(jù)歐姆定理便可列出橋路a、b和a、d之間的電位差方程，即：輸出電壓為：[-]=-（5-1）

若接在四個(gè)橋臂上的四個(gè)電阻式傳感器的參數(shù)完全相同,即,且在測(cè)試過(guò)程中,各電阻式傳感器電阻量的變化均較小并同號(hào),即。、、同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)，則式（5-1）可改寫為：

（5-2）式（5-2）就是電橋的加減特性。若式(5-2)中的、和是因環(huán)境變化(如溫度的變化)所引起的,且各電阻式傳感器均處于相同的測(cè)試環(huán)境,即,則電橋的輸出電壓，傳感器因環(huán)境的變化所引起的電阻輸出在電橋中自動(dòng)被消除，這就是對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟怼Ｊ聦?shí)上，信號(hào)的電橋補(bǔ)償只要將兩個(gè)相同的電阻式傳感器分別接到1、2或3、4兩個(gè)臂上即可。若電橋四個(gè)橋臂上的電阻值均隨被測(cè)量的變化,(見圖5-1(a)),稱為全臂電橋；若只有兩個(gè)橋臂上的電阻隨被測(cè)量而變，稱為雙臂半橋；若只有一個(gè)橋臂上的電阻值隨被測(cè)量變化，稱為單臂半橋。顯然，若要利用電橋進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償，就必須采用雙臂半橋或全橋。若將欲組成差動(dòng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)傳感器分別接在電橋的1、2或3、4臂上，電橋不僅可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)傳感器的差動(dòng)連接，而且還自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)地自動(dòng)補(bǔ)償。式（5-2）還告訴我們，電橋的輸出與電橋供電電壓有關(guān)，電橋供電電壓的波動(dòng)會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。為了避免供電電壓波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，最簡(jiǎn)單的方法是調(diào)節(jié)圖5-1(a)所示電橋中各橋臂上的電阻值、、和，使電橋的輸出電壓，這種電橋稱為平衡電橋。2、交流電橋

若將電容或電感式傳感器接入電橋，電橋的電源就不能是直流電，而應(yīng)該向電橋供交流電。對(duì)于交流電橋，直流電橋所有的特性，如①利用加減特性對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償；②利用平衡電橋消除供電電壓對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響等。交流電橋均有，所不同的是在直流電橋中，各橋臂上是純電阻；在交流電橋中，各橋臂上是復(fù)阻抗（即便是交流電橋臂上是純電阻器件，但由于電阻器件也存在分布電容，因此它仍然是復(fù)阻抗）。將復(fù)阻抗、、和去代換直流電橋中的、、和，則直流電橋的所有計(jì)算公式都適合于交流電橋。正因?yàn)槿绱?，再加上受到篇幅的限制，在此不作詳?xì)介紹。二、測(cè)試結(jié)果的函數(shù)補(bǔ)償測(cè)試結(jié)果的參數(shù)補(bǔ)償主要用于靜態(tài)測(cè)量，其補(bǔ)償方法有兩種：引入修正函數(shù)消除系統(tǒng)誤差1、引入修正函數(shù)在進(jìn)行汽車試驗(yàn)之前，先對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行精確地標(biāo)定，以確定系統(tǒng)的輸出與輸入之間的修正函數(shù)。將試驗(yàn)結(jié)果乘以修正函數(shù)便是被測(cè)參量地大小，即：

（5-5）這種補(bǔ)償方法在汽車試驗(yàn)中經(jīng)常用到。如進(jìn)行汽車基本性能試驗(yàn)及汽車排放和噪聲測(cè)試之前，通常應(yīng)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)（如五輪儀、燃油流量計(jì)、廢氣分析儀和聲級(jí)計(jì)）進(jìn)行標(biāo)定，以確定其修正函數(shù)。實(shí)現(xiàn)函數(shù)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：1）將修正函數(shù)輸入測(cè)試系統(tǒng)（鍵入或旋鈕調(diào)節(jié)），測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)測(cè)試結(jié)果的修正；2）人工處理，試驗(yàn)人員通過(guò)手工計(jì)算來(lái)完成測(cè)試結(jié)果的修正工作。方法1）在汽車試驗(yàn)中被廣泛采用，方法2）在某些特殊場(chǎng)合仍有采用，如汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的環(huán)境修正等。

三、通道補(bǔ)償測(cè)試信號(hào)的通道補(bǔ)償主要用于消除測(cè)試信號(hào)的干擾。在進(jìn)行測(cè)試信號(hào)的采集和記錄時(shí)，專門拿出一個(gè)信號(hào)通道來(lái)記錄外界的干擾信號(hào)（該通道不記錄任何測(cè)試信號(hào)），這個(gè)通道稱為補(bǔ)償通道。在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理之前，將測(cè)試信號(hào)與補(bǔ)償通道進(jìn)行比較，這樣便可消除外界的干擾。這種補(bǔ)償方法在汽車試驗(yàn)中經(jīng)常用到，凡是采用磁帶記錄儀及計(jì)算機(jī)記錄的汽車測(cè)試系統(tǒng)，均采用這種信號(hào)補(bǔ)償方式。如進(jìn)行汽車振動(dòng)、噪聲和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析時(shí)，都采用通道補(bǔ)償法。四、均衡補(bǔ)償

設(shè)汽車試驗(yàn)中，某一測(cè)試系統(tǒng)的輸入(被測(cè)量)為，測(cè)試系統(tǒng)的輸出為，在理想情況下，我們都希望，然而，由于實(shí)際測(cè)量環(huán)節(jié)中的線性和非線性畸變，通常會(huì)出現(xiàn)的情況。欲將恢復(fù)成原被測(cè)信號(hào)就需采用一些特殊的處理，這種將測(cè)試系統(tǒng)的輸出恢復(fù)成輸入信號(hào)的過(guò)程稱為均衡補(bǔ)償。若僅考慮到線性時(shí)不變系統(tǒng)引起的畸變，則輸出與輸入的關(guān)系為：

（5-6）式中：—測(cè)試系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

式(5-6)的離散富氏變換表達(dá)式為：

（5-7）欲消除信號(hào)的畸變，應(yīng)為：

（5-8）即測(cè)試系統(tǒng)的輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)只有幅度上的增益和時(shí)間上的延時(shí)，而實(shí)際上的與式（5-8）所表達(dá)的理想情況有較大的差別。消除幅頻特性上的誤差，稱為幅度均衡；消除相頻特性上的誤差，稱為相位均衡，或稱相位補(bǔ)償。欲做到這些，常用的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器（稱為均衡濾波器），使之滿足：

（5-9）

（5-10）式中：、—均衡濾波器的單位抽樣響應(yīng)函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)；、—均衡濾波器補(bǔ)償后的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)和頻響函數(shù)。從理論上講，均衡濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)是測(cè)試系統(tǒng)傳輸函數(shù)頻率響應(yīng)的逆函數(shù)，即:

(5-11)均衡濾波器的實(shí)值是設(shè)計(jì)一個(gè)滿足式（5-11）要求的數(shù)字均衡濾波器。

圖（5-2）是一典型數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成框圖，從圖中不難看出，數(shù)字存儲(chǔ)示波器就是一臺(tái)便攜式的專用記錄計(jì)算機(jī)。

圖5-2數(shù)字存儲(chǔ)示波器組成框圖事實(shí)上，無(wú)論哪一種數(shù)字記錄設(shè)備，其工作原理都基本相同，都是首先通過(guò)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)（即調(diào)碼），然后將其寫入記憶體（如磁帶、磁盤或硬盤）中。正因?yàn)槿绱耍袁F(xiàn)在常將配有數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字計(jì)算機(jī)稱為通用的數(shù)字式記錄設(shè)備。數(shù)字式記錄設(shè)備的突出特點(diǎn)是，它采用脈碼調(diào)制方式記錄試驗(yàn)信號(hào)，即經(jīng)各種相應(yīng)處理的模擬信號(hào)首先經(jīng)過(guò)模數(shù)()轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，再將其記錄在數(shù)字存儲(chǔ)媒體（如磁帶、磁盤、光盤、新型的半導(dǎo)體存儲(chǔ)盤等）中。轉(zhuǎn)換器有8位、12位、16位、…之分。位數(shù)越高，則分辨率越高，即設(shè)定的額定最大輸出信號(hào)在幅值方向離散出的點(diǎn)數(shù)越多。信號(hào)的大小用一定位數(shù)（8位、12位、16位、…）的二進(jìn)制編碼來(lái)表示（編碼規(guī)則見相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)），這種利用轉(zhuǎn)換器將模擬試驗(yàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為脈碼調(diào)制（簡(jiǎn)稱調(diào)碼）。一、數(shù)字式記錄設(shè)備的主要性能指標(biāo)

數(shù)字記錄設(shè)備的性能在很大程度上取決于數(shù)據(jù)采集卡的性能，其評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：

采樣頻率采樣延時(shí)信號(hào)記錄的分辨率量程2、采樣延時(shí)為了分析瞬態(tài)過(guò)程前后的信號(hào)狀態(tài)，通常在采集單次瞬態(tài)過(guò)程時(shí)需要有一定的負(fù)延時(shí)。若將觸發(fā)時(shí)刻定為時(shí)間坐標(biāo)的零點(diǎn)，則在觸發(fā)時(shí)刻前的信號(hào)稱為負(fù)延時(shí)信號(hào)。

3、信號(hào)記錄的分辨率

信號(hào)記錄的分辨率由轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定，轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高、信號(hào)記錄的分辨率越高，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)所帶來(lái)的量化誤差越小。8位轉(zhuǎn)換器，最低位的相對(duì)誤差為，即0.39％，12位轉(zhuǎn)換器最低位的相對(duì)誤差為＝0.024％，16位轉(zhuǎn)換器的最低位的相對(duì)誤差為＝0.0015％。3、觸發(fā)方式觸發(fā)方式即啟動(dòng)設(shè)備開始進(jìn)入數(shù)字記錄的操作方式。通常數(shù)字記錄設(shè)備都設(shè)有手動(dòng)觸發(fā)、內(nèi)觸發(fā)、單通道內(nèi)觸發(fā)、全通道內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)等多種觸發(fā)方式。（1）手動(dòng)觸發(fā)是指由儀器操作者直接操縱儀器給出記錄開始的觸發(fā)信號(hào)。（2）內(nèi)觸發(fā)預(yù)設(shè)一觸發(fā)電平，當(dāng)測(cè)試信號(hào)到達(dá)預(yù)設(shè)電平值時(shí)，便觸發(fā)儀器自動(dòng)開始信號(hào)的記錄。（3）單通道內(nèi)觸發(fā)只有當(dāng)選定通道的測(cè)試信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)電平值時(shí)，儀器才開始記錄。（4）全通道內(nèi)觸發(fā)任一通道的測(cè)試信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)電平值時(shí)，儀器才開始記錄。（5）外觸發(fā)通過(guò)輸入一脈沖來(lái)觸發(fā)儀器開始記錄。二、使用數(shù)字式記錄設(shè)備的注意事項(xiàng)

在使用數(shù)字式記錄設(shè)備之前，通常要對(duì)與測(cè)試信號(hào)記錄相關(guān)的量進(jìn)行設(shè)置，以獲得一個(gè)好的記錄效果。

1、采樣頻率的選擇采樣頻率與測(cè)試信號(hào)的頻率有關(guān)，采樣頻率越高，會(huì)大大地增加數(shù)據(jù)記錄容量；采樣頻率太低，又會(huì)帶來(lái)信號(hào)的失真。為了較好地協(xié)調(diào)二者之間的矛盾，采樣頻率為信號(hào)頻率的5倍左右。

2、觸發(fā)方式的選擇內(nèi)觸發(fā)方式簡(jiǎn)便易行，因此被廣泛采用，但若要對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行挑選則最好采用手動(dòng)觸發(fā)或外觸發(fā)方式。

3、量程的選擇量程的選擇是否合適，會(huì)影響到信號(hào)的記錄精度，通常測(cè)試信號(hào)的最大值應(yīng)為所選量程的2/3。

5.3信號(hào)的輸出汽車試驗(yàn)的最終目的是要獲得試驗(yàn)結(jié)果，即要將所得到的測(cè)試信號(hào)從儀器中輸出。近些年信號(hào)輸出技術(shù)發(fā)展十分迅速，信號(hào)輸出的種類很多。如何選擇信號(hào)的輸出方式要視測(cè)試信號(hào)的類型、要求、方式、精度等而定。

一、信號(hào)的指針式輸出信號(hào)的指針式輸出方式是早期測(cè)試儀器設(shè)備較常用的一種輸出方式，由于此輸出方式的精度較差，因此現(xiàn)在在汽車測(cè)試儀器設(shè)備中已較少采用。但指針式輸出方式簡(jiǎn)便直觀的獨(dú)特特點(diǎn)，使得它在輸出精度要求不高及輸出僅作指示和參考（如過(guò)程監(jiān)控儀表）的場(chǎng)合仍大量采用。在汽車試驗(yàn)領(lǐng)域，目前仍采用指針式輸出方式的物理量主要有流體壓力、車速、轉(zhuǎn)速、噪聲、汽車排出廢氣中有害氣體的濃度。若這些量是汽車試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，目前已很少采用指針式輸出方式。

三、圖示顯示輸出現(xiàn)在眾多的汽車試驗(yàn)項(xiàng)目，所需的輸出已不僅僅是數(shù)值量，往往需要輸出復(fù)雜的二維、三維曲線，有時(shí)還希望能實(shí)時(shí)顯示其多維運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的圖像關(guān)系。欲滿足曲線和圖像輸出的要求，顯然前面所介紹的信號(hào)輸出設(shè)備均無(wú)能為力。需要用到圖視顯示輸出設(shè)備。近些年圖視顯示輸出設(shè)備的發(fā)展十分迅速，目前在用的有陰極射線管（Cathode－RayTube）圖視顯示器，簡(jiǎn)稱CRT、液晶顯示器，又稱LCD圖視顯示器。CRT圖視顯示器已有100多年的發(fā)展歷史，其突出特點(diǎn)是品質(zhì)好、性能穩(wěn)定可靠、尋址方式簡(jiǎn)單、制造成本低、價(jià)格便宜。目前CRT圖視顯示器是電視機(jī)和計(jì)算機(jī)的主流顯示設(shè)備。CRT圖視顯示器的缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯，尤其是彩色CRT圖視顯示器，它不僅耗能高，而且輻射強(qiáng)，人體與之長(zhǎng)期接觸會(huì)對(duì)健康構(gòu)成危害。20世紀(jì)60年代，液晶光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，人們便找到了一種重量輕、能耗低、輻射小、顯示面積大的理想片狀顯示設(shè)備。液晶（LCD）圖視顯示器經(jīng)幾十年的發(fā)展，尤其是20世紀(jì)90年代初尋址薄膜晶體管陣列（TFT）器件的日趨成熟，便結(jié)束了LCD視圖顯示器的性能和穩(wěn)定性不如CRT圖視顯示器的歷史，揭開了便攜式圖視顯示技術(shù)的新紀(jì)元，也為圖視顯示設(shè)備和其它汽車試驗(yàn)儀器同時(shí)上車以完成復(fù)雜的汽車試驗(yàn)工作創(chuàng)造了物質(zhì)條件。不僅如此，LCD圖視顯示技術(shù)的發(fā)展，還推動(dòng)了虛擬儀器系統(tǒng)在汽車道路試驗(yàn)中的應(yīng)用。在過(guò)去欲完成汽車各項(xiàng)復(fù)雜的道路試驗(yàn)工作，通常要來(lái)回更換沉重的各種不同的儀器，然而現(xiàn)在卻可以將過(guò)去各種復(fù)雜的汽車道路試驗(yàn)儀器全部集成到一