第五节 试验系统的不失真测量

关于试验系统的失真问题，主要反映在动态试验系统中。关于静态测量，无论系统多么复杂，由式（2-1）知，若忽略测试误差和漂移的影响，输入与输出之间存在一一对应的关系，不存在失真问题。然而对于动态试验系统，由前面对各种典型输入下系统响应的分析可知，当系统进入稳态后，动态误差很小才可以忽略不计。显然，任何汽车试验，都是不允许失真存在的。那么如何才能避免失真呢?除必须遵循本章第二节有关典型函数输入响应的讨论所得到的结论外，还需要针对被测量和试验系统的不同特点具体问题具体分析。下面用汽车试验的实例来讨论试验系统的不失真问题。

一、汽车振动和噪声测试

汽车振动和噪声测试按其试验目的的不同，大致可分为以下4类：

1）结构的疲劳强度分析；

2）汽车行驶平顺性分析；

3）噪声分析；

4）发动机工作时的爆燃测量。

对于前三类测试，为了避免失真，通常是待系统进入稳态（时间t≥3τ或t≥4τ）后才开始采集试验数据。因为系统达到稳态后，输出和输入的误差非常小，可以忽略不计。

对于不能等到系统进入稳态后再取输出值的第四类测量，显然只能取输出的瞬态值进行分析，而瞬态值是存在较大动态误差（失真）的。欲解决这一问题，我们需对测试量的性质和测试目的进行分析。

1.测试量的性质

发动机爆燃是一种不正常的燃烧现象，爆燃一旦发生，在燃烧室内就会产生高频冲击波，即爆燃的重要特性在于，发动机缸体的振幅和振动频率均会产生突变。

2.测试目的

测量发动机爆燃，其目的是对发动机的燃烧状况（是正常燃烧还是爆燃）给出一个判断，并不需要准确地测量其振动量（振幅和相位）的大小。

通过对测试量的性质及测试目的的分析了解到，若安装在发动机缸体上的爆燃传感器输出振动加速度的幅值和频率突然显著增大，发动机便出现爆燃；反之，发动机处于正常燃烧状态，即希望知道发动处于何种燃烧状态（爆燃状态还是正常燃烧状态），实现“状态判断”。

二、速度、转速和位置、位移的测量

速度v和位移s的关系是：

若将线位移s换成角位移θ，式（2-85）就变成了角速度的计算式

若将一旋转的物体沿半径方向剪开并展开，转动便变成为直线运动。由此可见，速度、转速和位置、位移的测量，其实均是对同一量——位移的测量。图2-25a、b是两种典型的转速传感器。

尽管两种转速传感器所用的器件不同，但测量原理完全相同，即均是将转速的测量转换为对脉冲数的读取。在测量转速时，转速不同，其脉冲宽度和幅值均会不同，但脉冲数和转速的对应关系永远不会变化。

将转速、速度和位置、位移的测量转换为脉冲数的读取，是实现转速、速度和位置、位移测量不失真常用的一种最有效、最简便的方法。

三、发动机节气门位置的测量

发动机节气门位置是一个经常要变化的量，显然是动态测量。发动机节气门位置是发动机控制中一个十分重要的量，对其测量是不允许失真的。要做到这一点，需要将节气门位置测量的动态问题转换为静态来处理。由静态系统的数学模型可知，静态测量不存在失真问题。

那么如何变动态测量为静态测量呢？动态和静态原本没有一个严格的界限，若试验系统的响应频率ω_c远大于被测量的变化频率ω_b，即ω_c＞＞ω_b，则被测的动态量相对于试验系统而言，就是一个缓变量，即属于静态测试问题。

发动机节气门位置传感器常用的形式主要是：电位计式和光电式传感器。这两种传感器的响应频率均非常高，而节气门位置的变化频率较低，完全满足ω_c＞＞ω_b的测试条件。由此可见，用电位计式或光电式传感器来测量节气门位置的变化，就相当于是将动态测量问题转换成为一个静态测量，显然不会失真。

由上述三例不难看出，解决动态测量不失真问题没有一个完全统一的方法。试验对象、试验目的和试验方法不同，解决不失真测量问题的措施亦各不相同。对振动和噪声问题（除系统动态特征测定和分析之外），避免失真的方法是取稳态值；对速度、转速和位置、位移量的测量，解决失真问题的方法常是将被测量转换为脉冲数的读取；对变化频率不是太高的动态量的测量，常用的方法是采用响应频率很高的传感器对其进行测量，即将动态测量问题转换为静态测量。由此可见，解决动态测试中“失真”问题的常用方法有：

1）取稳态值。

2）状态判断。

3）将测试量转换为脉冲的读取（简称转换）。

4）变动态测量为静态测量（简称变换）。