汽车工程测试技术基础培训.ppt

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1、学时/学分：32/2教 材：汽车拖拉机试验学/李杰敏主编.北京：机械工业出版社课程性质：考查参考资料：陈勇主编.汽车测试技术.北京理工大学出版社 2008.12.董辉主编.汽车用传感器.北京理工大学出版社 2005.13.魏春源等译.汽车电气与电子.北京理工大学出版社 2004.7 3.黄长艺主编.机械工程测试技术基础(第2版).机械工业出版社,主讲教师：龚元明（博士.副教授）,关联课程(先修课程)：高等数学 材料力学 理论力学 电工与电子技术 数字电路 单片机,考试方法和成绩：本课程为考查课。采取闭卷考试方式，最终成绩构成为，卷面成绩占总成绩的70%，平时成绩占总成绩的30%。平时成绩：随机

2、抽查到课情况，无故缺课一次（2学时），扣10分；,汽车工程测试基础课堂课时安排,传感器技术和检测技术的重要性,传感器技术和检测技术的重要性,传感器技术和检测技术的重要性,【问题】1.电饭煲为什么能自动加热和保温而不会使饭烧焦？2.电冰箱、空调为什么可以自动控制电机的运转而保持恒温？3.全自动洗衣机为什么可以自动完成洗衣过程？4.电梯门为什么不夹人？5.自动门为什么会自动开启？6.怎样实现自动通风、自动喷水、自动报警？这一切，都要归功于现代传感器技术和检测技术的发展和应用。,传感器技术和检测技术的重要性,检测技术在航天领域举足轻重,传感器技术和检测技术的重要性,军事,传感器技术和检测技术的重要性

3、,第一章 概论,第一章 概论,1.1 汽车试验概况,一、汽车试验在汽车工业发展中的重要性,汽车试验是伴随其工业的建立和发展而逐渐成长起来的，汽车工业发展到今天的水平与其试验研究工作是分不开的。,技术上许多新的发现和突破以及新设计的或现生产的产品，即使在设计和制造上考虑得非常周密，也都必须以试验测试为基础经过试验来检验。,试验是有助于人们深入了解 汽车在实际使用中各种现象的本质和规律，并推动其技术进步的一种极为重要的方法；它是保证产品性能、提高产品质量和市场竞争力的重要手段。,第一章 概论,实验，区别于试验，实验是为了解决文化、政治、经济及其社会、自然问题，而在其对应的科学研究中用来检验某种新的

4、假说、假设、原理、理论或者验证某种已经存在的假说、假设、原理、理论而进行的明确、具体、可操作、有数据、有算法、有责任的技术操作行为。通常实验要预设“实验目的”、“实验环境”，进行“实验操作”，最终以“实验报告”的新闻形式发表“实验结果”。而“试验”指的是在未知事物，或对别人已知的某种事物而在自己未知的时候，为了了解它的性能或者结果而进行的试探性操作。试验，是实验的一种，大多带有盲目性,第一章 概论,2010.2.17，由于油门踏板和脚垫的原因，丰田在美国召回109万辆汽车，国内将召回大约7.5万辆RAV4，在欧洲约200万辆汽车也在召回的考虑过程中。两周内，丰田召回已超346万辆，这将是丰田二

5、十年来遇到的最大一次信任危机！,汽车试验在汽车工业发展中的重要性,第一章 概论,丰田汽车是全球六大汽车品牌之一。TOYOTA在汽车的销售量、销售额、知名度方面均是世界一流公司之一。TOYOTA生产包括一般大众性汽车、高档汽车、面包车、跑车、四轮驱动车、商用车在内的各种汽车。其先进技术和优良品质倍受世界各地人士推崇。今天，丰田已经发展成为拥有数个车系，数十个车型和车款的庞大家族。它所含盖的车型从最低端的民用经济小汽车，一直到最高级的豪华轿车和suv。不管在世界上哪个地方制造的丰田车，都会尽力做到全球统一的丰田高质量品质，这也是为什么丰田能在全球获得成功的一个重要原因。丰田的历史可以追溯到 189

6、6年。那一年，29岁的丰田佐吉发明了“丰田式汽动织机”。他发明的这台织机不仅是日本有史以来第一台不依靠人力的自动织机，而且与以往织机不同的，是可以由一名挡车工同时照看3至4台机器，极大地提高了生产力。连当时世界排名第一的纺织机械厂家英国普拉德公司也向丰田佐吉发出了转让专利权的请求，最终佐吉在1929年（昭和4年）以10万英镑（合当时的100万日元）的价格出让了这项专利的使用权。,全球六大汽车品牌:宝马，奔驰，奥迪，大众，通用，丰田,全球十大汽车品牌:通用,福特,克莱斯勒,丰田,大众,本田,日产,雪铁龙,菲亚特,宝马,第一章 概论,二、汽车试验技术的发展,试验内容：探索性试验、新结构的原理试验、

7、获取原始控制数据的标定试验，为产品、结构改进提供支持的功能试验，产品工艺的验证试验，整车及总成部件的可靠性、耐久性试验、产品质量控制试验等。,1、汽车试验方法的发展,试验内容逐年增加：,试验方法不断更新,高等级、高速公路的发展带来了汽车速度的显著提高，需更新试验方法；汽车法规的日渐严格，需要更新试验方法；人们对汽车要求的日益提高，需要更新试验方法；试验技术的进步也会带来试验方法得变化。,发动机“三高”标定试验？,二、汽车试验技术的发展,发动机标定试验是指在不同条件下，通过对汽车发动机的不断调试，找出其最佳工作状态下的参数，充分满足用户在各种环境的使用需要。多点电喷的发动机必须要经过所谓“三高”

8、试验即高温、高原和高寒试验，这样才能确保达到整车发动机热启动、冷启动、排放和安全等各方面的指标。高温标定试验 夏季标定试验就是在高温环境条件下(高于40摄氏度)对发动机进行调试，让发动机做到排放低，并尽可能增强车辆性能，节省燃油，提高车辆在夏季的可操作性。这也是电喷发动机开发工程中必不可少的关键环节，能确保汽车在炎热的夏季避免开锅、气阻和着火等问题的发生，让消费者放心地使用汽车。高寒标定试验 冬季标定试验就是在低温环境条件下(低于零下30摄氏度)对发动机进行调试。主要试验内容包括低温启动性、低温驾驶性、怠速稳定性以及结冰试验、故障诊断等。高原标定试验 高原标定试验是在高海拔条件下(高于海拔40

9、00米)调试发动机，让整车在高海拔环境下保持良好的启动性能和驾驶性能，并使发动机的运作经济节油，提升发动机性能，也是电喷发动机开发工程中必不可少的关键环节。,2、汽车试验仪器设备发展的特征,高精度、高效率；,自动化程度越来越高；,功能集成；,在试验室再现各种试验环境；,3、汽车测试技术的发展,智能化虚拟化网络化微型化软测量技术,1.2 汽车试验的分类,一、按试验特征（方法）分类,二、按试验对象分类,四、各类试验的关系 无论何种试验对象（整车、总成、零部件），何种试验目的（质检、定型、科研），均需进行室内台架试验、汽车试验场试验和室外道路试验。,三、按试验目的分类,室内台架试验,室外道路试验,试

10、验场试验,整车试验,总成与各大系统试验,零部件试验,质量检查试验,新产品定型试验,科研性试验,东风汽车试验场,该场可进行汽车法规试验，定型试验，商检试验，并可为国内外厂家进行研究试验和产品开发试验。,汽车底盘测功机,思考题：,1.列出你身边的测试技术应用的例子。,2023/3/4,26,第二章 测试装置的技术特性,本章学习要求：,掌握测试的基本概念,掌握信号分类方法和描述,掌握信号时域波形分析方法,测试系统的要求与特性,测试系统的静态特性（评价指标）,测试系统的动态特性（传递函数）,2023/3/4,27,2.1 测试的基本概念,一、测试、信息和信号的概念,1、测试:测量是为了确定被测对象的量

11、值而进行的试验过程；测试（测量和试验的结合）是具有试验性的测量，获得研究对象的状态、运动和特征等信息。测试是人们认识客观事物的方法。测试过程是从客观事物中提取有关信息的认识过程。测试包含测量与试验，在测试过程中，借助专门设备，通过合适的试验和必要的数据处理，求得所研究对象的有关信息量值。,2023/3/4,28,2、信息 可理解为消息、情报或知识，信息是事物运动的状态和方式。信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输依靠物质和能量。例如：人类的语言文字是社会信息；商品报道是经济信息；遗传密码是生物信息。,3、信号 传输信息的载体称为信号，信息蕴含于信号之中。例如：古代的烽火，人们观察到的是光信

12、号，它所蕴含的信息是“敌人进攻来了”；无线电通讯中，电磁波信号运载着各种声音信号。信号具有能量，它描述了物理量的变化过程，在数学上可以表示为一个或几个独立变量的函数，可以取为随时间或空间变化的图形。例如：噪声信号可以表示为一个时间函数；机械零件的表面粗糙度，可以表示为一个二元空间变量的高度函数。,2.1 测试的基本概念-测试、信息和信号的概念,2023/3/4,29,为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：,4.信号的分类及描述,2.1 测试的基本概念-信号分类及描述,从信号描述上：确定性信号与非确定性信号；,从信号幅值和能量：能量信号与功率信号；,

13、从连续性：连续时间信号与离散时间信号；,从可实现性：物理可实现信号与物理不可实现信号,2023/3/4,30,确定性信号与非确定性信号,可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。,2.1 测试的基本概念-信号分类及描述,2023/3/4,31,简单周期信号,复杂周期信号,周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号,2.1 测试的基本概念-信号分类及描述,2023/3/4,32,b)非周期信号：再不会重复出现的信号。,准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。如：,瞬态信号:持续时间有限的信号 如,2.1 测试的基本概念-信号分类及描述

14、,2023/3/4,33,c)非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。,噪声信号(平稳),2.1 测试的基本概念-信号分类及描述,2023/3/4,34,能量信号与功率信号,一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。,a)能量信号:在所分析的区间,满足条件 能量为有限值的信号称为能量信号,2.1 测试的基本概念-信号分类及描述,2023/3/4,35,一般持续时间无限的信号都属于功率信号:,b)功率信号 在所分析的区间（-，），能量不是有限值。此时，研究信号的平均功率更为合适。,2.1 测试的基本概念-信号分类及描述,2023/3/4,36,连续时间

15、信号与离散时间信号,a)连续时间信号:在所有时间点上有定义,b)离散时间信号:在若干时间点上有定义,2.1 测试的基本概念-信号分类及描述,2023/3/4,37,周期信号的频域描述,2.1 测试的基本概念-信号分类及描述,2023/3/4,38,2.1 测试的基本概念-信号分类及描述,信号的描述时域描述：人们直接观测或记录的信号一般是随时间变化的物理量，以时间作为独立变量的描述方法。它的特点是：只能反映信号的幅值随时间变化的规律。从时域图形中可以知道信号的周期、峰值和平均值等，可以反映信号变化的快慢和波动情况，比较直观、形象，便于观察和记录。频域描述：是以频率作为独立变量而建立的信号与频率的

16、函数关系。它的特点是：研究信号的频率结构，即组成信号的各频率分量的幅值及相位的信息。二者的关系：它们是从不同的侧面观察，二者之间有着密切的关系且互为补充。我们之所以要对信号做不同域中的分析和描述，是因为我们分析一个信号所要解决的问题不同，所需要掌握信号的不同方面的特征。,2023/3/4,39,2.1 测试的基本概念-测试系统的组成,二、测试系统的组成,由若干相互联系、相互作用的传感器和仪器设备等元件为实现一定测试目的而组成的有机整体。一个完整的测试系统包括：传感器、信号处理、信号传输、信号采集、信号显示和记录等环节。,2023/3/4,40,2.1 测试的基本概念-测试系统的组成,2023/

17、3/4,41,2.1 测试的基本概念-测试系统的组成,智能电子警察监测系统,2023/3/4,42,2.1 测试的基本概念-测试系统的组成,号,2023/3/4,43,2.1 测试的基本概念-测试系统的组成,2023/3/4,44,2.1 测试的基本概念-测试系统的组成,2023/3/4,45,2.1 测试的基本概念-测试系统的组成,传感器：将输入的被测非电物理量转换为电信号。,国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规

18、律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。,2023/3/4,46,2.1 测试的基本概念-测试系统的组成,信号调理：将传感器输出的电信号变换成传输不失真且便于记录、处理的电信号，如信号源的阻抗变换，信号的放大、衰减与波形变换，信号滤波，多路信号切换等。,信号传输：从接受信号到处理、输出信号的全部传输过程，传输过程贯穿于各个单元环节之中，一般不单独设置。如单独讨论传输单元时，则专指长距离的信号传输。这是因为在长距离传输信号时，如果方法、设备选用不当，很可能加入大量干扰信号，丢失有用信号，以至无法检测,数

19、据采集：对信号调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信号对应的数字信号；,信号处理：进行数据处理,记录&显示器：记录或显示信号调节器输出的信号。显示必要的数据变化图形，供直接观察分析，或将其保存，供后续仪器分析、处理。,2023/3/4,47,2.1 测试的基本概念-测试系统的要求其主要特性,三、对测试系统的要求其主要特性,1、对测试系统的要求,从测试对象、测试目的和要求出发，使其达到技术上合理，经济上节约；,综合考虑精度要求、使用环境及被测物理量变化的快慢、测量范围、成本费用及自动化程度等因素.,应当具有单值的、确定的输入输出关系，最好呈线性关系。,2023/3/4,48,2.1 测试

20、的基本概念-测试系统的要求其主要特性,传递特性指测试装置输出量与输入量之间的关系。,2、主要特性,衡量一个测试系统的性能，可根据其输入特性、输出特性和传递特性进行评价。,输入特性指输入信号的性质、输入范围、输入阻。输入信号是电量还是非电量；输入范围决定了输入信号的上下限；输入阻抗的大小决定了输入能量。,输出特性包括输出信号的性质、输出范围和输出阻抗等。,单向系统测试系统对被测量的反作用影响可以忽略。线性系统输入和输出是线性关系。单值函数一个自变量对应一个因变量，具有唯一性。,2023/3/4,49,2.1 测试的基本概念-测试系统的要求其主要特性,3、系统特性的划分：-静态特性和动态特性,静态

21、特性:当被测量不随时间变化或变化缓慢时，输出量与输入量之间的关系成为静态特性，可以用代数方程表示。,动态特性:当被测量随时间迅速变化时，输出量与输入量之间的关系称为动态特性，可以用微分方程表示。,2023/3/4,50,2.1 测试的基本概念-测试系统的要求其主要特性,(1)如果系统特性 已知，通过对输出 的观察分析，就能推断出相应的输入-测量；如：压力测量,20 bar/v,(3)如果输入 和系统特性 已知，则可以推断和估计输出-输出信号的预测。如：压力测量,20 bar，20 bar/v，则输出1v,(2)如果输入 已知，通过对输出 的观察分析，就能推断出测试系统的特性-系统或仪器的定度过

22、程；如：压力测量,20 bar-1v 输出,2023/3/4,51,2.1 测试的基本概念-测试系统的要求其主要特性,四、线性系统及其主要性质（后面重点讲）,2023/3/4,52,2.2 测试系统的静态特性,测试装置的静态特性定义：表示被测量处于稳定状态，输入和输出都是不随时间变化的常量。,2023/3/4,53,2.2 测试系统的静态特性,测试装置的静态特性指标的表征参数,灵敏度,非线性度,回程误差。,2023/3/4,54,2.2 测试系统的静态特性,在选择测试装置时，应注意其灵敏度的合理性？灵敏度越高，测量范围？稳定性？,一、灵敏度：用来描述测试系统对被测量变化的反映年能力的指标1、当

23、测试装置的输入，有一个增量，引起输出 发生相应的变化，则称 为该测试装置的灵敏度。灵敏度是一个有量纲量。,2023/3/4,55,2.2 测试系统的静态特性,上次课已讲了：,测试系统的静态特性,2023/3/4,56,2.2 测试系统的静态特性,2、放大倍数（增益）当测试装置的输入和输出为同一量纲时，灵敏度常称为放大倍数，此时灵敏度是无量纲量。,3、灵敏度漂移 实际在被测量不变的情况下，由于外界环境条件等因素的变化，也可能引起测试装置输出的变化，最后表现为灵敏度的变化，由此引起测试装置灵敏度的变化称为灵敏度漂移。,灵敏度漂移 Why?,2023/3/4,57,2.2 测试系统的静态特性,任一静

24、态系统的输入、输出关系可用下式表示：其中：系统的输入（被测量）系统的输出（测试结果）非常数=f(t),为什么重要的计量分析室要恒温、恒湿？高精度低温漂电阻：温度系数最低可以做到正负5PPM/C,2023/3/4,58,2.2 测试系统的静态特性,1、定度曲线（实际特性曲线）在静态测试中，通常用试验的方法求取装置的输入、输出关系曲线，这种关系曲线称为定度曲线。2、拟合直线（理想直线）拟合直线的确定通常采用通过座标原点，并与定度曲线间的偏差 的均方值（）为最小来确定。3、非线性度 定度曲线偏离其拟合直线的程度就是非线性度。4、非线性度的表示 在测试装置的标称输出范围A内，定度曲线与该拟合直线的最大

25、偏差B与A的比值来表示非线性度。,二、非线性度：输入和输出是否保持比例关系的程度,2023/3/4,59,2.2 测试系统的静态特性,非线性度=,2023/3/4,60,2.2 测试系统的静态特性,三、回程误差（迟滞误差）,2023/3/4,61,2.2 测试系统的静态特性,四、重复性 同一测试系统在相同的测试条件下对同一测试对象进行多次测量，其各次测试结果的接近程度。随机误差大，测试的重复性就差。灵敏度越高，重复性？,五、分辨率与分辨力 分辨率是指测试系统能测量到最小输入量变化的能力，即能引起输出量发生变化的最小输入变化量，用X表示。以满量程的百分数表示，无量纲；分辨力是指测试装置有效鉴别紧

26、密相邻量值的能力，以最小量程的单位来表示，有量纲；,2023/3/4,62,2.2 测试系统的静态特性,六、精度与精确度 精度：表示在相同测量条件下，重复测量同一被测量，测量仪器提供相近示值的能力，也表示测试装置的随机误差接近零的程度，常用误差限表示；精确度：测量仪器的指示值和被测真实值的符合程度；,2023/3/4,63,2.2 测试系统的静态特性,我国仪表精度等级是如何划分的？基本误差=最大绝对误差/仪表量程*100=（检测仪表的指示值-被测量真值）MAX/（测量上限-测量下限）*100%精确度（简称精度）:将仪表的基本误差去掉“”号及“%”号。目前，我国生产的仪表常用的精确度等级有:0.

27、005,0.02,0.05,0.1,0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等。如果某台测温仪表的基本误差为1.0%，则认为该仪表的精确度等级符合1.0级。如果某台测温仪表的基本误差为1.3%,则认为该仪表的精确度等级符合1.5级。级数越小，精度（准确度）就越高。科学实验用的仪表精度等级在0.05级以上；工业检测用仪表多在0.14.0级，其中校验用的标准表多为0.1或0.2级工业检测用仪表多在0.14.0级。,2023/3/4,64,2.3 测试装置的动态特性,测试装置的动态特性指测试装置的输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关系。,测试装置的输入量变化时，其输出量会受到：研

28、究对象的动态特性的影响 测试装置动态特性的影响,为降低和消除测试装置的动态特性给测量带来的误差，必须掌握并考察测试装置的动态特性，为此要建立数学模型；,测试装置一般是线性系统，所以它们的数学模型是常系数线性微分方程。当描述一个系统的微分方程已知，研究系统的动态特性的最基本的方法是解微分方程式。这种方法的优点是物理意义比较明确，并能给出全过程的数值解。,2023/3/4,65,2.3 测试系统的动态特性,一、测试装置的传递函数及其频率响应特性,2023/3/4,66,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,67,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,68,2.3 测试系统的动态特性

29、,频率保持性在动态测试中具有重要的作用：若已知系统是线性的，其输入的激励频率已知，那么测量信号中就只有与激励频率相同的频率成分才可能是由该激励引起的振动，而其它频率完全是噪声干扰。,2023/3/4,69,2.3 测试系统的动态特性,（二）传递函数传递函数将输出量和输入量两者的拉氏变换之比定义为传递函数，用 表示。实际的测试系统在一定误差范围内和一定量程范围内看成时不变线性系统，通常可用式（22）来描述输出和输入之间的关系。可对微分方程进行拉氏变换求传递函数来表示其动态特性。若系统初始条件为零，则对式（22）进行拉氏变换，得：,2023/3/4,70,2.3 测试系统的动态特性,是在用拉氏变换

30、求解线性常微分方程的过程中引申出来的概念。微分方程是在时域中描述系统动态性能的数学模型，在给定外作用和初始条件下，解微分方程可以得到系统的输出响应。系统结构和参数变化时分析较麻烦。用拉氏变化法求解微分方程时，可以得到控制系统在复数域的数学模型传递函数。定义：线性定常系统的传递函数，定义为零初使条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。,2023/3/4,71,2.3 测试系统的动态特性,拉氏变换的定义 若 为时变数 的函数，且 时，。则函数 的拉氏变换定义为：式中：拉氏变换符号+j为复数，有时称变量S为复频域 的拉氏变换函数，即象函数 对应为 的原函数 e=2.7182818.,20

31、23/3/4,72,2.3 测试系统的动态特性,数学工具拉普拉斯变换与反变换,拉氏变换基本定理线性定理 位移定理 延迟定理 终值定理,2023/3/4,73,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,74,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,75,2.3 测试系统的动态特性,二、典型测试装置的动态响应特性,静态灵敏度,固有圆频率,阻尼比,静态灵敏度,静态灵敏度,表21 测试装置分类,2023/3/4,76,2.3 测试系统的动态特性,三、典型时间信号函数（信号）的拉氏变换,2023/3/4,77,2.3 测试系统的动态特性,拉氏变换为：,2023/3/4,78,2.3 测试系统的

32、动态特性,2023/3/4,79,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,80,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,81,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,82,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,83,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,84,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,85,2.3 测试系统的动态特性,五、典型元部件的传递函数,2023/3/4,86,2.3 测试系统的动态特性,单位角位移，输出电压(v/rad)E-电位器电源(v)电位器最大工作角(rad),2023/3/4,87,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/

33、4,88,2.3 测试系统的动态特性,2 惯性环节,式中 T-时间常数特点：含一个储能元件，对突变的输入,其输出不能立即复现，输出无振荡,2023/3/4,89,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,90,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,91,2.3 测试系统的动态特性,式中 阻尼比-自然振荡角频率（无阻尼振荡角频率）特点：环节中有两个独立的储能元件，并可进行能量交换，其输出出现振荡。实例：RLC电路的输出与输入电压间的传递函数。,5 振荡环节,2023/3/4,92,2.3 测试系统的动态特性,2023/3/4,93,2.3 测试系统的动态特性,思考题：1、P28 习题2-1,