汽车行业汽车试验方法
汽车试验方法
概述 机械量的电测量技术 汽车整车性能试验 汽车总成与零部件试验
第一章 概述
一、 基本概念
所谓“汽车测试”,简单地说,就是通过实际测试的手段确定汽车的某个(些)
参数。这里的“参数”,一般是指物理量的定量数值;个别情况下也可能是定性
评价。
一般来说,汽车试验所采用的仪器设备、试验场所、试验环境和试验工况等,
都应该遵循国家或者相关部门、行业或企业发布的正规标准文件。标准可以确保
试验操作规范、安全,数据结果准确、可信、具有典型性、代表性和可比性。而
有些探索性、创新性试验,也可以由研究人员自行制定试验标准和操作规范,这
也是对汽车基础理论、设计制造技术和汽车试验方法的有力推动。
二、 试验与理论的关系、试验的必要性
理论分析不能完全取代实际测试,尤其是对于现代汽车行业来说,汽车试验
的必要性主要体现在以下几方面。
1.作为一种室外交通工具,汽车的使用条件复杂,整车、各系统、机构和
零部件会遇到各种难以预料的载荷、工作条件和行驶环境。
2.汽车是一种高度普及的社会化的民用商品(军用和专业比赛车辆不在此
列),研究、制造单位之间的竞争异常激烈。厂商为了争夺市场,势必要在产品
的性能、质量和成本之间做出平衡,“不惜血本”的模式是走不通的,过分的“精
益求精”也是不符合商业规律的。一个研发任务,要在有限的人力、物力和时间
条件下,寻求在法规允许和市场满意框架下的利益最大化,势必要通过科学、合
理的试验手段,定量、可靠地确定产品的设计参数,达成研发和制造效费比的最
优化。而在深层次的理论分析和机理解释方面,暂时有所欠缺是可以接受的。
3.汽车研究和设计的许多问题,已经有了理论模型,但是这些模型并非普遍
适用,或者模型中的某些参数不易确定。
4.由上述几点可以看出,理论不能代替试验,归根结底,在于现有理论的不
准确性或者局限性。
因此,进行汽车试验,以及对汽车试验的方法进行研究,对于优化汽车产品
的设计、推动汽车工业的发展、完善汽车基础理论研究以及刺激和带动相关技术
理论(如,传感技术、信号分析理论和技术、电子设备制造技术等等)的发展,
都具有重要意义。
三、 汽车试验的分类
汽车试验的研究范围广泛、项目繁杂,可以从不同角度进行分类。
1. 按试验目的分类
(1)质量检查试验
(2)新产品定型(鉴定)试验
有时将质量检查试验和新产品定型试验统称为产品检验性试验。
(3)科研探索类试验
科研探索类试验,所涉及的大都是目前尚未成熟的技术或者尚未普遍成立的
理论,试验项目的深度、广度较大,试验规范和操作实施方法可以由试验者根据
具体的试验项目灵活确定,对试验数据的精确度要求很高,采用的设备非常先进,
手段通常较复杂。与之相比,产品检验性试验在试验项目、规范、过程和操作方
法等方面必须依据国家和部门、行业的有关标准来进行,确保试验工作有章可循,
试验对象之间的定量分析具有可比性。
2. 按试验对象分类
就是按车辆结构层次划分为三类:整车试验、机构及总成试验和零部件试验。
3. 按试验场所分类
主要就是室内和室外两个场所。两类试验各有优劣、互为补充。
(1)室外道路试验 由于试验环境条件真实,驾驶操作真实,通常不需要对
车辆进行解体,可以进行几乎所有整车性能试验,而且其结果可信度较高。但室
外条件不易控制,试验过程易受无关因素干扰,数据重复性较差。车载条件也对
测试仪器设备提出了更高的要求。而且室外道路试验的组织和实施耗时较长,动
用人员较多。对于有越野性能要求的车辆,“道路”也可以包括田间、沙地、冰
雪地等非铺装地面。
(2)室内台架试验 可以消除天气、道路状况和交通流量等不确定因素的影
响,有利于组织和安排试验,缩短试验周期,试验数据精密度高、重复性好、可
比性强。但真实行驶工况的模拟是一个需要重视的问题,否则试验结果是不可信
的。台架本身搭建时间可能较长,但试验操作本身过程较短(对于疲劳类试验,
台架运行的时间很长,但并不需要全程人工操作和监控),仪器设备大多是固定
式的,比较容易布置和操控。
(3)试验场试验 这是又一类室外道路试验。
(4)使用试验 顾名思义,使用试验就是在实际使用中对车辆(或车辆的某
部分)的某个指标进行测试,对于道路和气象条件、车辆载荷、驾驶操作习惯、
车辆技术状况和维修调整作业等不做任何特殊规定,完全按驾驶员意图和实际行
驶环境操作。得到的结果最为真实可信;但是试验数据的典型性和重复性不好,
且可操作性很差。能够采用使用试验方式的汽车试验项目并不多。
四、 汽车试验的基本步骤
总体而言,可以划分为四个基本步骤。
1. 制定试验大纲 它是指导试验的纲领性技术文件,它的编制是否科学、合
理,将影响整个试验的成败。
2. 试验仪器设备和人员的准备
3. 具体实施操作
4. 编写试验报告
第二章 机械量的电测量技术
在现代社会,试验测试手段和方法广泛应用于国民经济和社会生活的各个领
域。包括汽车试验在内,现代测试技术普遍具有两大特点:从测试装置的组织和
构成的角度看,采用的是“模块化”;在信号测量的实现手段上,采用的是“电
测法”。
第一节 测试系统的转换特性
一、 测试系统的基本组成
从“模块化”的观点出发,一个完整的测试系统,从被测信号变换和传输的
过程来看,主要包括三部分:传感器、信号调节器、记录与显示装置。另外还可
能有定度、校准装置和数据处理设备等。如图 2-1所示。
传感器:将被测量(通常是非电量)转换成电信号的装置。也称为感应器或
变送器。
信号调节器:也称信号调理器,指的是信号的中间变换与传输。来自传感器
的信号,经过中间处理后,才能成为能量足够、不易失真、干扰少、便于传输的
电信号,供记录或显示。
记录与显示装置:也就是测试系统的输出端,或称“负载”。
同时,为了使测试系统自身工作正常、结果可靠,还需要有定度和校准等装
置。
定度:也叫标定,就是确定测试装置的输出-输入关系,比如图 2-6显示的
定度曲线。
校准:校准,就是在同一信号的作用下,用该工作装置和更高精度等级的标
准装置的输出信号进行比较,找出工作装置的误差,进行修正。
此处的“测试系统”,仅是直接服务于被测物理量的测量。而整个汽车试验
的硬件体系还要包括被试件、动力输入装置、加载装置和其他联接支承设备等环
节,这些环节的功用,就是产生、并向测试系统提供一个或几个被测物理量。
二、 对测试系统的基本要求
一个理想的测试系统,要满足两点基本要求:
1. 具有单值、确定的输出-输入关系。最好是线性的。
2. 满足单向性。所谓“单向性”,是指被测系统的运作可以对测试系统施加影响、
而测试系统对被测系统没有反作用或者反作用尽量小。
三、 系统的基本思想
我们暂时不考察测试系统内部的详细构造和物理原理,将其视作一个“黑箱”,
那么这个黑箱的基本功能就是将输入量 x按某种关系转换成输出量 y。
显然,在输入、系统和输出三个环节中,已知两个,就可以求解另一个。
1. 已知系统特性 h和输出 y,就可以推断输入信号 x,这就是测量。
2. 已知输入 x和输出 y,可以确定系统特性 h,这就是定度(标定)。
3. 如果已知输入 x和系统特性 h,则可以在不进行实测的条件下确定输出 y。这
称为输出信号预测。
四、 测试系统的静态特性
静态,指的就是测试系统的输入和输出都不随时间变化(或非常缓慢)。
在这个定义中,“输入和输出”改成“输入或输出”是一样的。
测试系统的静态数学模型,用输出—输入关系式表达为:
(2-1)
式中—x为系统的输入量、y为输出量;
、、、…、等为常数。系统及其特性,就取决于、、、…、等的数值。
如果系统是绝对理想的,满足单值、单向和线性的条件,那么其输出—输
入关系式应该是一条过原点的直线:。系统的实际特性曲线与上述理想直线之间
存在着各方面的偏差,就构成了系统的静态特性。
1. 曲线的截距—零点漂移
零点漂移的含义是,当测试系统的输入为零时,输出不为零。显然,当 a0
不等于零时,就会造成零点漂移。
2. 曲线的斜率—灵敏度
灵敏度 S是系统的输出增量Δy与输入增量Δx之比,也就是输出—输入关
系曲线上各点的斜率。
一般来说,测试装置的灵敏度以高些为好,但灵敏度过高,往往会引起测量
范围变窄、装置的稳定性下降。
由于系统自身特性的改变或者环境条件改变等因素的影响,造成公式(2-1)
中的、、、…、等数值的变化,就表现为灵敏度的改变,或者叫“灵敏度漂移”。
灵敏度漂移常以在输入不变的情况下每小时输出的变化量来衡量,越小越好。
图 2-5 零点漂移、灵敏度及其漂移
3. 曲线与直线的偏差—非线性度
非线性度是指测试系统的实际输出—输入关系与理想线性关系的偏差。
图中实线为定度曲线,也就是系统输出—输入关系实际特性;虚线是根据实
际特性进行拟合得到的理论直线。B是实际曲线与理论直线的最大差值,A是仪
器的标称输出范围(即,满量程)。
定量评价:非线性度
4. 曲线上行和下行的差异—回程误差
同一输入量下,正向输入(输入量由小到大,即加载)和反向输入(输入量
由大到小,即卸载)时,所对应的输出量不同,这就是回程误差。如图 2-7所示。
图中Δh是正向输入与反向输入的差值,称滞后量。
回程误差=
回程误差的产生,主要来源于各种滞后的物理效应,以及仪器设备存在不工
作区(死区)。滞后效应包括磁性材料的磁化与退磁、弹性材料的变形与恢复等,
机械运动结构中的摩擦和间隙(自由行程)则是产生不工作区的主要原因。
五、 测试系统的动态特性
动态指的是系统的输入和/或输出随时间变化的状态。
1. 测试系统的动态数学模型—微分方程
大多数测试系统都是线性的,而且系统参数为常数,所以其数学模型是常系
数线性微分方程。其通式可以写作:
(2-2)
式中—x为系统的输入量、y为输出量;
、、…、、、、、…、、为常数。
也就是说,要写出微分方程,必须知道系统的结构参数。
1. 线性系统的主要性质
(1) 叠加特性:几个输入同时作用于系统所引起的输出,等于几个输入单独作
用于系统所引起的输出之和。
(2) 比例特性:某输入的若干倍作用于系统所引起的输出,等于该输入单独作
用于系统所引起的输出的若干倍。
(3) 微分特性:某输入先求微分、然后作用于系统所引起的输出,等于该输入
直接作用于系统所引起的输出、再求微分。
(4) 积分特性:某输入先求积分、然后作用于系统所引起的输出,等于该输入
直接作用于系统所引起的输出、再求积分。
(5) 频率保持性:线性系统,若输入为某一频率的正弦信号,则其稳态输出将
保持同一频率。
频率保持性的重要意义在于,对于线性测试系统,如果知道输入的频率,那
么系统的输出信号中就只有该频率的成分才有可能是这个输入引起的,其余频率
分量都是噪声干扰。
2. 传递函数
由数学分析可知,对微分方程进行拉普拉斯变换(拉氏变换),可以建立传
递函数 H(s)。
我们定义:传递函数=。经计算可得:
(2-3)
3. 频率响应函数(频率响应特性)
(1) 频率响应函数的数学定义
当系统的输入为简谐输入时,可以取,则传递函数就变成频率响应函数,简
称频响函数或频响。
(2-4)
式中,,即虚单位。
(2) 频率响应特性的基本思想(频率响应函数的工程解释)
对于一个线性系统,令其输入为任意正弦信号,那么稳态输出可写作:。
可见,系统的特性(转换关系)就表现为将转换成、将转换成。 于是定义
频率响应函数: 系统的输出量与输入量之比, 。
经过详细数学推证,我们定义:
幅频函数(幅频特性):频率响应函数的模,又称幅值比,为输出幅值与输
01
1n
1n
n
n
01
1m
1m
m
m
asasasa
bsbsbsb
sH
...
...
)(
入幅值之比。即。
相频函数(相频特性):频率响应函数的相角,为输出向量与输入向量的相
位差。 即。
(3) 一阶系统
其微分方程的一般式可以写作。稍加变形,即:
(2-5)
其中,,称为时间常数;,就是灵敏度。
由微分方程(2-5)可以得出传递函数:
(2-6)
当系统的静态灵敏度 S=1时,传递函数化为:
(2-7)
将改作,就可由传递函数写出频率响应函数:
(2-8)
分别计算其模和相角,得到幅频特性和相频特性:
(2-9)
(2-10)
一阶系统的幅频特性和相频特性曲线如图 2-9所示。
图 2-9 一阶系统的频率响应特性
一阶系统的实例,有忽略质量的弹簧阻尼系统和忽略电感的简单 RC电路等。
如图 2-10所示。
图 2-10 一阶系统的机械实例和电工实例
(4) 二阶系统
无论是测试系统还是其他应用的工作系统,以二阶系统最为常见。其微分方
程的一般式可以写作。
对二阶系统,做如下特性参数的定义:
灵敏度;
固有频率; (2-11)
阻尼比。
则二阶系统的频率响应函数表达为:
(2-12)
做灵敏度归一化,令 S=1,则幅频特性 A(ω)和相频特性φ(ω)为:
(2-13)
(2-14)
二阶系统的幅频特性和相频特性曲线如图 2-11所示。
图 2-11 二阶系统的频率响应特性
信号频率ω等于固有频率ωn、也就是频率比为 1,就是共振。
二阶系统的实例,有弹簧阻尼质量系统和简单 LRC电路等。如图 2-12所示。
图 2-12 二阶系统的机械实例和电工实例
5.不失真测量的条件
不失真测量:输出与输入波形精确地相似,幅值和相位允许有差异。如图
2-13所示。
图 2-13 波形不失真地复现
由数学分析可知,对于线性系统,要实现不失真测量,必须同时满足两个条
件:幅频特性为常数、相频特性成线性。
对于一阶系统,由相关公式和曲线可以看出,为满足公式(2-15),就要求ωτ
尽可能小。其中ω是输入信号的频率,无法预测和限制;所以一阶系统不失真测
量的条件就是时间常数τ越小越好。
二阶系统不失真测量的要求有如下三点:
(1) 阻尼比ζ≈(一般认为取 ~之间比较合适);
(2) 频率比或者固有频率ωn足够高;
(3) 固有频率ωn也不能太高,否则会导致灵敏度降低。
在本节分析中,认为系统的频率响应特性取决于系统参数,
即、、…、、、、、…、、等参数,这种思路适用于系统的原理分析、设计和选择等工
作。但是,如果该系统是测试研究的对象,工作目的是确定某个给定系统的特性,
那么上述参数很可能是不知道的。此时,就需要采用试验的方法,利用输出和输
入的关系来求解系统的频率响应函数。
第二节 传感器
含义:传感器是将被测物理量(通常是非电量)转换成电信号的装置,也称
为感应器或变送器。
传感器的基本构造可以分为两部分:敏感元件和辅助元件。敏感元件是传感
器的核心,直接负责将被测非电量转换为输出的电信号;其它辅助元件则为敏感
元件提供必要的机械联接、支承与定位、防护以及信号传送等。
传感器种类繁多,根据输出电信号的性质,可以分为两类:发电式和参量式。
发电式传感器输出的是电动势(此处的“电动势”泛指具有电能、能够主动
驱动测量仪表运转或显示的电学量,包括电压、电流和电荷等),因为自身输出
电动势,所以发电式传感器不需要外电源。
参量式传感器的输出是各种电参量,包括电阻、电容和电感等。电参量本身
不具有电场能,需要外加电源才能表达其电学特性。
一、 电阻式传感器
凡是能将被测非电量转化为电阻变化的传感器,都可称为电阻式传感器。
电阻式传感器是一种参量式传感器。根据产生电阻变化的机理不同,又可分
为电阻应变片式传感器和滑变电阻式传感器。
1. 电阻应变片式传感器
电阻应变片,简称应变片,任何物理量,只要能设法转换成应变,都可以由
应变片来测量。
(1) 应变片的基本构造和工作原理
电阻应变片的基本构造如图 2-14所示。
其工作原理是基于金属导线的电阻应变效应—金属导体在外力作用下,不仅
发生机械变形,其电阻也会发生改变。
图 2-14 电阻应变片的基本构造
由电阻定律可知,一根金属导线的电阻 R与其长度 L、截面积 A和电阻率ρ
有关。
(2-16)
两侧取自然对数、再微分,易得: (2-17)
其中,是单位电阻的电阻变化量,称为电阻变化率,就是应变片的输出。
是电阻率的变化率。
是金属导线长度的变化率,也就是线应变,按材料力学通常记作。
。,为泊松比。得。代入式(2-17):
(2-18)
这就是金属材料的电阻变化率与应变之间的关系。
将电阻变化率与应变之比称作导线材料的灵敏系数,记作,即:
(2-19)
(2) 应变片的种类
① 金属丝式应变片
金属丝式应变片制造简单,性能一般。
② 金属箔式应变片
通过光刻、腐蚀等工艺,把构成线栅的合金材料制成金属箔,“印刷”在应
变片的基底上。因而可以制成各种复杂的形状。
金属箔式应变片优点很多,使用非常广泛,基本上取代了金属丝式应变片。
③ 半导体应变片
半导体应变片的工作原理是半导体材料的压阻效应—当半导体受到应力作
用时,由于载流子迁移率的变化,使其电阻率ρ发生变化的现象。
半导体应变片最大的优点在于灵敏系数高。其缺点是价格较高,而且半导体
材料对温度的变化非常敏感,测量大应变时非线性度也较大。
(3) 应变片的主要特性
① 灵敏系数 K
当试件在一维应力作用下,应变片主轴线与主应力方向一致时,应变片的电
阻变化率与试件主应变的比值,称为应变片的灵敏系数。
(2-21)
由于存在横向效应和胶层传递应变失真,应变片的灵敏系数略小于导线材料
的灵敏系数。其具体数值需要做标定试验来确定。
② 横向效应
应变片对于垂直于其主轴线方向应变的响应,称为横向效应。金属箔式应变
片通过将横向部分做得很粗,其初始电阻就很小,横向效应就几乎没有了。
③ 温度特性
指的是在应变不变的条件下,随着温度的变化,应变片的输出—电阻变化
率—发生变化。显然,这对于测量工作来说是一种干扰。
温度特性来源于两方面:敏感线栅的电阻率随温度发生变化;试件、应变片
基底和敏感线栅的热膨胀系数不同,当温度改变时会产生热应变。
④ 应变片的阻值
指的是应变片未粘贴、不受力、处于室温(20°C)环境下的电阻值。有 60Ω、
120Ω、200Ω、…、1000Ω等多种规格,其中以 120Ω最常用。
(4) 应变片的粘贴工艺
应变片的粘贴工艺大致包括如下步骤:先要清理试件的待粘贴表面,必要时
在粘贴部位划线。选用粘合剂将应变片粘贴在指定部位。粘贴后要根据粘合剂的
不同给予足够的固化时间。然后焊接引线、检查粘贴质量和导线的绝缘性。最后
采用蜡封等方法将应变片与外界环境隔绝开。
(5) 应变片式传感器
开发了各种以电阻应变片为核心元件的专用传感器,称之为应变片式传感器。
应变片已经贴在传感器里面,不需要操作者做试验时自行安装。
应变片式传感器包括应变片、弹性元件和其他附件。
应变片式传感器在使用前一般要进行标定,确定被测物理量与传感器的输出
电阻变化率(或者电桥的输出电压)之间的转换关系。
图 2-16 圆柱式测力传感器
2. 滑变电阻式传感器
滑变电阻式传感器,又称电位计式传感器,主要用于被测物体的(角)位置
或(角)位移的测量。其传感核心就是一个滑线变阻器,
图 2-20 滑变电阻式传感器
滑变电阻式传感器原理简单、制造容易、输入—输出的线性度较好。一个缺
点是,当触点运动时产生一定的摩擦力,其趋势是阻碍被测物体运动,有可能影
响被测物体原来的运动状况,特别是对于低输入能量的运动量。
汽车发动机电控系统中的翼片式空气流量计和线性输出型节气门位置传感
器,采用的就是电位计式原理。
图 2-21 翼片式空气流量计 还有一类电阻式传感器,不依赖
运动和变形,而是单纯靠温度变化来
改变电阻材料的电阻率,从而改变输
出。例如,用于测量发动机冷却水温
和进气温度的绕线电阻式温度传感器,
其传感核心是高纯度的镍线电阻,其
电阻值随水温或气温的改变而变化。
这种传感器响应速度较慢,不能用于
追踪迅速变化的温度。
二、 电容式传感器
电容式传感器是将被测物理量的变化转换为电容值变化的一种传感装置,属
于参量式传感器。其基本构造就是一个具有可变参数的电容器。
1. 工作原理
平行板电容器的电容数值 C为:
(2-22)
式中,S为两极板的正对面积;δ为两极板的间距;ε0为真空中的介电常
数,为 ×10-12[库伦/伏特];εr为极板间实际介质的相对介电常数,极板间
填充不同物质,其相对介电常数不同,对于空气,取εr=1。
如果被测量能使电容器结构参数中的 S、δ或εr中的任一项变化,那么电
容值 C就会发生变化。
2. 主要类型和应用
根据被测量对电容器结构参数的不同影响,电容式传感器可以分为三类:
(1) 变极距型
这是最常见的电容式传感器。
变极距型电容传感器最擅长的是测量位移,特别是微小的位移。
在汽车噪声的测量中,广泛使用声级计,精密声级计的核心就是一个电容式
传感器,称电容微音器。
电容式传感器也可以测量流体压强的变化。例如,D型电控发动机喷射系统
中,发动机进气量由进气歧管压力和发动机转速推算。而进气压力的测量就是利
用电容式传感器,如图 2-25所示。
图 2-25 电容式进气压力传感器
图中,1接进气歧管,整个传感器
外表面处于该气体压力环境中。两个
氧化铝膜片 5都可以在气压变化下运
动。2和 4是厚膜电极,构成电容器的
两个极板。3是内部填充的绝缘介质。
进气压力的波动转变成电容值的变化,
该电容参与构成一个振荡器谐振电路,
其输出信号的频率与进气歧管压力成
正比。
(2) 变面积型
电容器的两个极板中,一个固定,另一个在其平面内做平动或转动,两者的
正对面积 S就发生变化,根据式(2-22),电容 C就发生改变。
a) 测线位移 b)测角位移 c)圆筒形
图 2-26 变面积型电容式传感器
变面积型电容传感器很多做成同轴圆筒形结构,如图 2-26-c)所示。因为筒
式电容器的径向变化对电容值影响相对较小。
(3) 变介电常数型
两个极板均不动,改变极板间的填充物质或者物质的尺寸、位置,不同物质
的相对介电常数不同,电容值随之发生改变。
变介电常数型电容式传感器通常用于测量电介质的厚度、电介质插入极板的
位置、电介质液体的高度或者成分变化等。
a) 测物体位置 b) 测物体厚度 c) 测液面高度
图 2-27 变介电常数型电容式传感器
3. 性能特点
电容式传感器的运动部分(主要就是活动极板)质量极小,因此固有频率非
常高,特别适合高频动态测量,比如声音信号。电容器极板间的静电作用力很小,
适宜进行低输入能量的测量,可以测量极低的压力、极小的加速度和极其微小的
位移,灵敏度和分辨力非常高,甚至能够感受到纳米级的位移。
但是,电容传感器也存在一些问题。
(1) 输出阻抗高
电容式传感器的电容值一般很小,当采用交流电路处理和变换时,容抗很大
(容抗,ω为交流电路的圆频率),要求绝缘电阻极大、放大器输入阻抗也很大。
提高供电频率可以降低容抗,但高频信号的放大和传输复杂,寄生电容的影响也
会增大。
(2) 受寄生电容的影响
相对于电容式传感器自身的电容(就是电容器两平行板间的电容),传感器
的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与周围导体形成的电容等,
共同构成寄生电容。寄生电容会降低传感器的灵敏度,而且寄生电容常常随机波
动,影响测量结果的精度。这就对电缆的选择、安置、连接方法和周围环境提出
了比较严格的要求。
(3) 极板间距和厚度的问题
平行板电容器靠近边缘的部分电场强度降低,这会降低传感器的灵敏度,而
且增大非线性度。为了降低这种边缘效应,同时进一步减小寄生电容,需要降低
极板原始间距、增大极板面积、降低极板厚度(如采用镀金或镀银工艺)。这对
极板的制造和装配技术提出了一定的要求。
对于变面积型和很多变介电常数型电容式传感器来说,输出与输入的线性关
系良好。但是对于最常见的变极距型电容式传感器,由于其基本原理缺陷,输出
电容与输入位移之间不是线性关系。数学推证可以得出:为了提高传感器的灵敏
度(和线性度),电容式传感器的极板原始间距要做得很小;而为了进一步提高
线性度,测量位移Δd还要远小于原始间距。所以,电容式传感器只能测量微小
的位移。
为了进一步提高测量的灵敏度和线性度、同时降低外界干扰的影响,可以采
用差动测量。差动测量是一种应用广泛的测试方法,其基本思想是设计两套相同
的测量装置,甲和乙。同一输入量分别作用于甲、乙两元件。甲元件的输出是(a+b),
其中 a是被测量引起的、b是外界干扰引起的;乙元件的输出的(-a+b),a、b的
含义同甲。两者的输出相减,(a+b)-(-a+b)=2a。可见,差动测量可以将灵敏度
提高一倍,同时将外界环境影响对两个测量元件的干扰抵消掉。
图 2-29 差动测量的原理和输出特性
三、 电感式传感器
顾名思义,电感式传感器,就是将被测非电量转换为电感的传感器,属于参
量式传感器。这类传感器的结构特征是具有参数可变的电感绕组(即线圈)。
电感包括自感和互感,所以电感式传感器也可以分为自感式和互感式两类。
1. 自感式电感传感器
电感绕组的自感系数(电感量)与磁路的几何尺寸、线圈的匝数和介质的导
磁率有关。一般来说,线圈的匝数和介质的导磁率不易改变,所以,被测量通常
是位移,改变的是磁路的几何尺寸。如图 2-30所示。
(a)变气隙型 (b)变截面型 (c)螺管型
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁
图 2-30 自感式传感器的类型和原理
也可以将变气隙型和变截面型称作可动衔铁型电感式传感器、将螺管型称做
可动铁芯型电感式传感器。
对于常见的可动衔铁型,由公式(2-23)可见,传感器的输出电感 L和被测
位移δ之间是非线性关系。为了提高线性度,同时提高灵敏度和抗干扰能力,同
电容式传感器一样,电感式传感器也经常采用差动测量方式。如图 2-32所示,
两个铁芯共用一个衔铁,衔铁的运动引起两个线圈的电感反向变化,将这两个电
感量差接进测量电路以实现差动测量。
(a)测量线位移 (b)测量角位移
图 2-32 自感式电感传感器的差动测量
2. 互感式电感传感器
互感式电感传感器,其构造就等效于一个互感系数可变的变压器。这种传感
器一般都做成差动式的,采用两个次级绕组,铁芯的运动对两个绕组的影响趋势
相反,常被称作差动变压器。如图 2-33所示。
图 2-33 差动变压器
3. 电感式传感器的特点
与电容式传感器相比,电感式传感器可以测量较大的位移(即使衔铁或铁芯
的运动超出量程也不会造成损坏)。
电感式传感器的运动部件与固定部件之间都没有摩擦,而且电感效应本身不
同于电磁感应,不需要很大的输入能量。因此,电感式传感器的动作阻力小、对
被测系统的影响小、本身无机械磨损。电感线圈允许输入较大的激励电压。
电感式传感器比较突出的一个问题是动作部分的惯量非常大。惯量大导致固
有频率低,为了满足不失真测量的条件,只能测量更低频的信号。所以,电感式
传感器不能用作高频动态测量。而且,电感式传感器的分辨率受测量范围的影响,
测量范围越大,分辨率越低。
四、 压电式传感器
1. 基本原理和性能特点
压电式传感器的工作原理是压电效应:某些材料当沿着一定的方向对其施加
压力(或拉力)时,材料不仅发生机械变形,而且内部发生极化,在两侧表面出
现等量的异号电荷,电荷量与压力大小成正比。当外力去掉后,该材料又重新回
到不带电的状态。如图 2-34所示。
(a) 受压力 (b) 受拉力
图 2-34 压电效应
压电效应原理中的电荷量 Q和压力 F的关系式可写作:
。式中,K—压电系数[库伦/牛顿]
压电式传感器在汽车试验中最多的应用就是用来测量振动加速度。另外,在
发动机电控系统中,需要感知爆振率信号,发动机的爆振程度通常由机体振动反
映,也可以采用压电式加速度传感器来测量。
压电式传感器的主要优点是体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频
率高、灵敏度和线性度都较高。
压电式传感器的主要缺点是:第一,通常作为振动加速度传感器,当被测运
动频率较低时,测试较困难。第二,输出信号弱、压电片的阻抗高。所以,一个
传感器里通常包含两个压电片,而且传感器输出端必须连接前置放大器。根据两
片压电片连接方式的不同,配套不同的放大器。
2. 前置放大器
压电式传感器的前置放大器有两个作用:一是将传感器输出的微弱信号放大;
二是阻抗匹配,将传感器的高阻抗输入转变成低阻抗输出,才能传给常规放大器
继续放大、处理。即,压电式传感器→前置放大器→常规放大器……当然,很多
测试系统所采用的前置放大器,内部包含了常规放大的功能,所以我们看到的放
大器只有一个。
压电片是有极性的,就是说受到压力时,出现正、负电荷的表面是固定的。
当一个传感器里面的两片压电片的异极性表面相连时,就是串联;当同极性表面
相连时,就是并联。如图 2-36所示。
(a)两片压电片串联 (b)两片压电片并联
图 2-36 两片压电片的连接
当压电片串联时,其输出电压相当于单片的两倍,适于采用电压式前置放大
器。这种放大器的输出电压与传感器输入电压成正比,但也会受到被测信号频率
和导线分布电容的影响。放大器的高频响应良好,但低频响应不好。对导线电缆
的品质要求高,导线不能过长(特别是要求高灵敏度的场合),更换电缆后需要
重新标定灵敏度。电压式前置放大器的优点是结构较简单,价格较低。
两片压电片并联,其输出电荷相当于单片的两倍,适用于采用电荷式前置放
大器。这种放大器线路结构复杂,调节困难,成本较高。但是其性能优点是很突
出的:放大器输出电压仅与输入电荷量和放大器反馈电容有关(电荷放大器的本
质是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器,其反馈电容属于结构设计参数,
是固定的或可选的),而与信号频率和导线分布电容无关。高频和低频响应都很
好,传输距离可长达数百米,对导线品质要求低,更换导线后不需要重新标定。
在线性度和信噪比等方面也优于电压放大式。所以目前多采用电荷放大式前置放
大器。
还有一种半导体压电效应:在单晶半导体上,人为添加一些不同物质,就会
形成一定的电阻值,对此电阻施加一定的应力(应变),其阻值就会发生变化。
例如,D型电控喷射发动机的进气压力传感器,就采用了这种原理,如图 2-37
所示。N型硅片的中央部位减薄,形成膜片,用光刻腐蚀工艺在膜片上形成 4个
P型应变电阻,各电阻的初始阻值都是 R。当膜片两侧有压力差时,就会向一侧
膨胀,导致 R1和 R3、R2和 R4的阻值变化相反,由电桥电路转化成输出电压 VE。
这种传感器体积小、精度高、成本低、抗振性和可靠性高,是目前最先进的进气
压力传感器,应用十分广泛。
五、 磁电式传感器
磁电式传感器,也叫感应式传感器,是一种发电式传感器,其工作原理是电
磁感应(亦称电磁效应)。由法拉第电磁感应定律可知:通过闭合回路面积内的
磁通量发生变化时,回路内会产生感应电动势,其大小正比于磁通量的变化率。
公式为:。式中, —感应电动势[伏特];—闭合回路线圈的匝数;—磁通
量的变化率[韦伯/秒];负号表示感应电流的磁场方向与上述磁通量的增长方向
相反。
在汽车试验中,磁电式传感器通常用于转速的测量。其中的一种是测速发电
机。其本质就是一台小型直流发电机。这种测速发电机的输出电压较高、能量较
强,可以直接带动负载(记录器)而省去中间变换电路;缺点是低转速时的线性
度较差,而且电压输出易受无关因素的干扰。
另一种应用较广的转速传感器是磁电式脉冲转速计,其原理如图 2-38所示。
转盘1与被测轴同步旋转,外圈有一圈凸齿。在固定支架4上安装有线圈2、
内部插有磁极 3,磁极前端与转盘凸齿之间的距离很近。当转盘转动时,其边缘
的齿顶和齿槽依次经过磁极正面,在线圈中感应出电脉冲。脉冲个数对应转过的
齿数。脉冲电压经整形后送入计数电路,根据单位时间通过的脉冲数以及转盘一
圈的齿数,算出平均转速。(平均时间很短,刷新频率很快,只要被测转速变化
不是非常剧烈,这种平均转速完全可以代替瞬时转速。)这种脉冲式转速计低频
响应更好,抗干扰能力更强,广泛应用于五轮仪、测功机等试验设备的转速测量
以及汽车电控系统的曲轴转速(或位置)和车轮转速的测量。
图 2-38 磁电式脉冲转速计
测速发电机的基本思想是用输出电压的幅值来反映被测量;而脉冲转速计的
基本思想则是用输出脉冲的频率来反映被测量。信号的幅值在传输、处理中比较
容易受到干扰,而频率信号在传输和处理过程中,抗干扰能力相对更强,因为线
性系统的基本特性之一就是频率保持性。脉冲式转速计就是利用频率来计数,信
号幅值的偏差不会影响测量结果。
推而广之,很多测试设备,都要把传感器直接输出的物理量转换成某种频率
信号,用以反映被测量,利用的就是这种“测频率比测幅值更可靠”的思想。(例
如 P15 图 2-25“电容式进气压力传感器”。)
六、 霍尔式传感器
1. 工作原理
霍尔式传感器的工作原理是霍尔效应(亦称“霍耳效应”)。
图 2-39 霍尔效应原理
长度 l、宽度 b、厚度 d的 N型(N型:电子型)半导体薄片,处在磁感应
强度为 B的磁场中,磁场方向垂直于薄片,在薄片长度方向上施加控制电流 I。
那么:在垂直于磁场和电流所形成的平面的方向(即图中宽度方向)上,将产生
电动势。被称为霍尔电动势或霍尔电压,该半导体薄片就是霍尔元件。给定霍尔
元件,霍尔电压与控制电流和磁感应强度之积 IB成正比。
(2-26)
为霍尔系数,与载流材料的电阻率和载流子迁移率成正比。金属材料的电阻
率太低,P型半导体的载流子是空穴、其迁移率小于电子,都不适合,所以霍尔
元件常用 N型半导体材料。另外,由式(2-26)可以看出,载流材料厚度越小,
霍尔电压越大,所以霍尔元件都比较薄,薄膜型霍尔元件可薄至 1微米。
2. 传感器特性及应用
霍尔片是长方形的薄片,长度方向上焊有两根控制电流引线 c、d,宽度方
向上焊有两根霍尔电压输出引线 a、b。
图 2-40 霍尔传感器
霍尔传感器的转换效率较低,对温度变化较敏感,对转换精度要求较高时需
要采取温度补偿措施。但由于结构简单、体积小、耐久性好、频率响应范围宽(从
直流到微波频段)、可靠性高、易于微型化和集成电路化等优点,霍尔传感器在
测量技术、信息处理和自动控制等方面仍然有广泛的应用。
霍尔传感器最直接的应用,是施加一个给定的控制电流,通过测量输出霍尔
电压,来测量所在位置的磁场方向和磁感应强度。其他物理量如位移、电流或者
速度,如果能引起这个磁场的变化,那么也可以使用霍尔传感器来测量。
图 2-41为发动机转速与曲轴位置传感器。永久磁铁 3和导磁板 5构成闭合
磁路,两者之间布置有霍尔元件 2,4是基座。外圈叶轮有 18个等间距齿、内圈
叶轮有 3个不等间距齿,叶轮和曲轴同步旋转。触发叶轮进入空气隙时,霍尔元
件的磁场大部分被叶片旁路,因此输出霍尔电压呈低电平信号;当触发叶轮离开
空气隙时,则输出高电平。根据 18X信号,可以计算出曲轴转角和发动机转速;
根据 3X信号,可以判断出点火缸号(3X脉冲信号上边沿分别对应 1、4缸,3、
6缸和 2、5缸压缩行程上止点前 75°)。两者结合,可以精确控制各缸点火时刻。
(a)触发叶轮进入空气隙 (b)触发叶轮离开空气隙
(c)传感器输出信号
图 2-41 霍尔式曲轴转速与位置传感器
有的资料将电感式传感器、磁电式传感器和霍尔式传感器等与磁场有关的传
感器,统称为磁敏式传感器。
七、 光电式传感器
1. 工作原理
光电式传感器的工作原理是光电效应。光电效应是一个统称,具体包括:
(1) 外光电效应,又称光电子发射效应。金属或半导体光电材料在光照下表面
逸出光电子,这是最经典、最狭义的光电效应。典型器件是光电管。
(2) 光伏特效应。半导体 PN结在光照下产生电动势。典型器件是光电池和光
敏二极管、三极管。
(3) 光导效应,又称内光电效应。高电阻率的半导体在光照下导电载流子增加,
电阻率下降。典型器件是光敏电阻。
(4) 热电效应。某些陶瓷材料在光照下受热,表面产生移动电荷(但不逸出)。
2. 性能特点和主要应用
光电式传感器通常是发光器件和接收器件(光电元件)配套使用。
光电式传感器体积小、精度和集成度高,在工业制造和控制领域常用于测量
物体的形状和位置、位移和距离、感光光学特性,以及非接触测量高温物体的温
度等。
汽车试验测试中,光电式传感器主要用于转速的测量,或者判断物体的位置。
图 2-42是一种典型的光电式转速传感器的原理示意图。这种测试思想与磁
电式脉冲转速计类似。但其对光学环境和仪器元件的清洁度要求相对较高。
图 2-42 光电式转速传感器
图 2-43 左右轮或前后轴是否平行的检测
在进行给定路段的车速试验时,经常采用光电
管遮蔽的原理测量汽车
到达起点或终点的时
刻。
另外,在机油品质
的检测或柴油机烟度的
测试等需要判定被测物质清洁度的试验中,也常采
用光电式传感器。
一些四轮定位仪,也采用光电式测量原理,参
见图 2-43。
八、 热电式传感器
1. 原理和性能
(1) 热电偶,参见图 2-44。
图 2-44 热电偶
两种不同性质的导体 A和 B连接
成一个回路,两个结合点的温度不同,
则在导体之间存在电势差,称热电动
势。
导体 A和导体 B是两个热电极,端称参比端或冷端、端称工作端或热端。由
这两种对偶导体材料组成、并将温度(实际上是与的温差)转换成热电动势的传
感器就叫热电偶。
热电偶的两个热电极 A和 B必须由不同材料制成;热电偶的两个端和的温度
必须不同;热电偶的输出热电动势只取决于两端的温度差-,和 A、B两个电极材
料中间部位的温度无关。因此,热电偶在工作时应确保温度不变或可控,使热电
动势是待测温度的单值函数,同时允许在两极之间中接入其他仪表构成测量回路。
热电偶最突出的优点是温度测量范围广,高温热电偶的工作温度可以超过
2000°C,低温热电偶则可低至-200°C以下。而且热电偶体积小,热惯性小,动
态响应快,可以测量复杂结构狭小处的温度或零件表面的温度,例如离合器和制
动器摩擦副表面的发热温度,是一种比较完善的热电式传感器,应用极广。
(2) 热电阻
热电阻的热敏元件是金属导体电阻。导体的电阻随着温度的升高,其电阻率
下降。(大多数导体电阻在温度升高 1°C时电阻率增加 %~%)。常用的热电
阻材料是铂、铜、镍、铁等纯金属。
热电阻传感器一般用于测量-200°C~500°C的温度。材料的电阻—温度特性
稳定,试验结果的精度和重复性好。与热电偶相比,不存在参比端温度的控制问
题。
(3) 热敏电阻
热敏电阻也是利用材料的电阻率随温度变化而变化的特性工作的。
与热电阻不同的是,热敏电阻采用的不是纯金属导体,而是半导体材料,所
以热敏电阻的电阻温度系数(单位温差引起的电阻率变化Δρ/ΔT)比热电阻高
很多,可达 10~100倍。另外,热电阻都是随着温度升高而升高、即正温度系数
的,而热敏电阻的电阻率随温度的升高可能升高、也可能降低,所以热敏电阻分
为正温度系数热敏电阻(ATC)和负温度系数热敏电阻(PTC),其中应用较多的
是 PTC型。
热敏电阻的优点主要在于温度系数高,而且热惯性很小,适于动态测量。缺
点是温度系数随温度变化而变化,也就是输出电阻率与输入温度不成线性,尤其
是高温时线性度更差,所以使用上限温度约为 300°C。半导体材料的稳定性和互
换性也较差,测试系统中更换元件需要重新标定。
2. 应用
热电偶的主要特点是高温性能好,所以可以用于测量发动机气缸内的温度和
排气门温度。通过埋入的方法,可以测量活塞表面及浅表层、离合器和制动器摩
擦片的表面温度。热电阻和热敏电阻通常测量较低的温度,或者表面的平均温度。
例如用热敏电阻制成的点温计,可以在万向节磨损试验中测量十字叉轴端的温度,
以判定其磨损程度。
第三节 信号的中间变换、传输与记录
一、 电桥
电桥是将电阻、电容或电感等电参量的变化转变为电压输出的一种中间变换
电路,一般与应变片式传感器配合使用。
1. 电桥电路与平衡条件
图 2-45 直流电阻电桥
如图 2-45,a、c间施加供桥电压
(激励电压),b、d间是输出电压,可
视作开路。
电桥平衡,就是指如果在 b、d之
间连接一块电流计,其指示为零,也
就是 b、d两点等势。所以,电桥平衡
条件就是输出电压为零。
输出电压,得:
(2-27)
可见,电桥平衡条件就是: (2-28)
一般的电桥在初始状态下,四个桥臂阻值都相等,即:
,平衡条件自然满足。
2. 电桥输出电压与加减特性
当初始状态时,电桥平衡,输出电压为零。现在令每个桥臂的电阻值都发生
变化:,, ,。我们把这些变化后的电阻值代入式(2-27),来计算输出电压:
当各桥臂的电阻变化量均远小于初始电阻时,将上式展开:
则电桥输出电压为:
(2-29)
各桥臂的电阻变化率,所以又可以写作:
(2-30)
可见,电桥的输出电压可以分解为 4个分量的简单加减,而且每个分量只取
决于某个桥臂的电阻变化,不同桥臂之间没有互相影响。可以将电桥输出电压公
式总结为电桥加减特性:电桥可以把各桥臂电阻变化所引起的输出电压自动加减
而后输出。加减规律为:对臂相加、邻臂相减。
公式中的电阻指的是某个桥臂的电阻,而不一定是某个电阻元件的电阻值。
3. 电桥的不同接法与灵敏度
(a)单臂电桥 (b)双臂电桥 (c)全桥
图 2-46 电桥的接法
电桥的输入是电阻变化率(也就是应变片的输出),电桥的输出是电压。因
此,电桥灵敏度就是输出电压与电阻变化率之比,即:
(2-31)
其中分母是仅指某一个桥臂的(习惯上通常取第 1臂)。
(1) 单臂电桥
对于单臂电桥,由式(2-29)可以看出,输出电压只有第一项。所以单臂电
桥的灵敏度。
(2) 双臂电桥
对于双臂电桥,令第一个工作臂为 1,那么另一个工作臂可能是对臂 3、也
可能是邻臂 2(或 4),目的是放大输出、提高灵敏度。当两个应变片输出的电阻
变化率绝对值相等时,由式(2-29)可以看出,电桥的输出电压是单片的 2倍,
那么双臂电桥的灵敏度就是单臂电桥的 2倍,灵敏度。
(3) 全桥
对于全桥,也就是四个桥臂都是工作臂,为了将输出电压尽可能提高,1、
2、3、4四个桥臂的应变符号一定是“正、负、正、负”。显然,当各桥臂应变
的绝对值相等时,全桥的输出电压相当于单臂电桥的 4倍,所以全桥的灵敏度相
当于单臂电桥的 4倍,。
4. 电桥加减特性的应用
电桥加减特性,通常用于以下三个目的:
(1) 消除温度变化的影响,将温度相同的应变片接为邻臂。具体办法有两个:
补偿片法:一个桥臂上接工作应变片,贴在试件上测量被测载荷。再选取一
块和被试件同样材质的零件,称为补偿件,放在被试件附近(保证两者温度相同)。
将另一个同样型号的应变片贴在补偿件上,称为温度补偿片。补偿片感受到的温
度应变和工作片相同,两者接为邻臂,“邻臂相减”,就可以把温度变化引起的干
扰消除掉。这种接法粘贴了两片应变片,但是工作片只有一片,其本质属于一种
单臂电桥,不能提高灵敏度,。
工作片自行消除:两个应变片都是工作片,粘贴在同一个试件上,在电桥中
接为邻臂。(注意,两个工作片感受到的有用信号的应变必须是异号的,否则有
用信号也互相抵消掉了。)显然,利用“邻臂相减”,这种方法既能提高电桥的灵
敏度,也能抵消两个工作片的温度效应。
(2) 尽量放大输出,提高灵敏度
将两个感受同号应变的应变片,接在电桥的对臂;
将两个感受异号应变的应变片,接在电桥的邻臂。
(3) 消除无关载荷的影响
将感受异号干扰的应变片,接在电桥的对臂;
将感受同号应变的应变片,接在电桥的邻臂。
对待具体测量问题要具体分析,灵活运用电桥加减特性,实现各种目的。
现举一例:一根转动的圆轴,同时受到弯矩和扭矩,要求测量扭矩、也就是
要消除弯矩的影响,同时还要尽量放大输出。应如何贴片和接桥?
图 2-48 受扭的试件及其表面单元体应力分析
由二向应力状态理论可知,受扭的圆轴,其表面与轴线成 45°方向和 135°方
向存在着最大拉应力和最大压应力,而且拉应力和压应力的绝对值σ都等于扭转
剪应力τ。所以应该沿着与试件轴线成 45°和 135°的方向粘贴应变片。
图 2-49 圆轴展开示意和电桥接法
贴片和接桥方法如图 2-49所示。
对于被测扭矩:四个应变片按 45°、135°、45°、135°的方向粘贴,感受到
的正应变符号一定是“正、负、正、负”;在接桥图中,按电桥加减特性的次序,
形成(正-负+正-负)的电压输出,最终相当于单片应变片的 4倍。
对于干扰弯矩:和相隔 180°贴片,感受到的弯曲正应变绝对值相等、符号
相反;在接桥图中,接为对臂,相加,互相抵消。和也如此。所以电桥的最终输
出中没有弯矩信号。
对于温度变化:四个应变片都是工作片,位于同一试件上,温度始终相同;
全部接入电桥,显然,温度应变经“+-+-”的加减运算,全部抵消掉。
5. 平衡式与非平衡式电桥
如果输入信号改变,输出仪表的显示值也直接改变,我们把这种测量方法称
作非平衡法,或者叫偏位法。比如弹簧测力计。如果输入信号改变,通过试验人
员调节测试装置,确保输出仪表示值不变,通过调节量来反映被测输入量,这种
方法就是平衡法,或者叫零位法。比如天平。
上述电桥,属于非平衡式。非平衡式电桥的线路相对简单,调节容易;但是
由式(2-29)或式(2-31)可以看出,当电源电压波动时,会引起电桥输出电压
或灵敏度的改变,造成误差,或者需要频繁标定。为此,可以采取平衡式电桥,
如图 2-51所示。
当被测量为零时,调节可调电阻,使指针归零。当某桥臂的电阻随被测载荷
发生变化时,调节可调电阻,使指针再次归零。事前将可调电阻的调节量与桥臂
电阻的变化做好标定,就可以用调节量来反映被测桥臂的电阻变化率。可见,这
种零位测量法,输出—输入关系以及系统的测试误差仅取决于可调电阻标度的
精确度,与电源电压无关。
图 2-51 平衡式电桥
由于零位法测量需要随着输入量的变化由操作者主动调节可调电阻,不适于
跟踪快速变化的信号,所以零位法一般用于测量静态信号。
6. 交流电桥
直流电桥的优点很多:高稳定度的直流电源容易获得;直流电桥平衡条件较
简单;输出的直流电压容易测量和显示;直流电对容抗和感抗不敏感,所以对应
变片、电桥和应变仪之间导线的要求较低。直流电桥的缺点是直流放大器较复杂,
抗干扰能力不理想,所以目前广泛采用交流电桥。
交流电桥和直流电桥的工作原理相同,基本计算公式也通用;区别在于:交
流电桥的供桥电压是交流电源,各桥臂上除了有纯电阻,还可能有电感和电容(事
实上直流电桥的各桥臂上也有电感和电容,但是对于直流电,电感相当于短路、
电容相当于断路,不需考虑)。
直流电桥的平衡条件是。对于交流电桥,只需将各桥臂阻值用复阻抗、、和
表达,平衡条件仍然是:
(2-32)
直流电桥平衡条件的数学本质是两个实数相等,式(2-28)是一个条件;而
交流电桥平衡条件的数学本质是两个复数相等,式(2-32)是两个独立的条件。
以交流电容电桥为例,如图 2-52(a)所示。桥臂 1是一个纯阻抗和一个容抗
串联,其复阻抗为;桥臂 2和桥臂 3都只有纯阻抗,,,桥臂 4与 1类似,复阻抗。ω
为交流电的圆频率。
代入式(2-32),易得交流电容电桥的平衡条件:
(2-33)
图 2-52 交流电桥
交流电桥,除了平衡条件较复杂外,与直流电桥相比,还容易受到分布电容
的影响。
电桥输出电压公式、电桥加减特性、电桥灵敏度的定义等直流电桥的基本关
系,对于交流电桥同样适用。
7. 应变仪
应变片是手动粘贴的或者事先固定在应变片式传感器内部,而供桥电压的施
加、输出电压的拾取、输出和放大、电桥平衡的调节等,都由应变仪来完成。
应变仪的核心功能是信号放大,根据放大器的工作原理,应变仪分为直流放
大和交流载波放大两类。交流载波放大器稳定性好,零漂小,目前使用较多。
按被测信号的变化规律,应变仪分为静态应变仪和动态应变仪。静态应变仪
用于测量静止的或变化缓慢的应变,通常采用零位法(平衡式)测量。动态应变
仪的工作频率在 0~2kHz,高频被测信号的输出一般不能直读、也不能采取零位
测量法,而是与各种记录器配合使用,记录电桥输出电压。
二、 滤波器
滤波器,是一种频率选择装置,根据信号的频率高低对信号进行取舍,将不
需要的频率成分极大地衰减。其频率选择特性可以分为高通、低通、带通和带阻
四类,如图 2-54所示。
当输入信号频率高于某一数值或低于某一数值时,幅频特性值将急剧下降,
也就是说输入信号被急剧衰减,那么该频率值就称为截止频率。导通频带的上限
称上截止频率,即图中;下限称下截止频率,即。(带阻滤波器图中的和则可称
作“导通频率”。)
图 2-54 滤波器的工作特性
滤波器的基本功用是进行频率选择,常用于消除测量干扰、平滑信号或者选
择、分离信号中的不同频率成分。
例如,在进行悬架装置的固有频率和阻尼比测试时,得到的振动原始信号通
常包含了很宽的频带。而由汽车理论可知,车身或车轮部分做自由衰减振动时,
有其固有频率。对于车身部分而言,固有频率大致在 1~2Hz,车轮部分则是在
10~15Hz。那么我们就可以将加速度传感器得到的原始信号先进行低通滤波,对
于车身部分以 5Hz为上截止频率(上截止频率:对于低通滤波器来说,上截止频
率以上的频率成分被极大地衰减,如图 2-54 (a)中的)、车轮部分则可取 20Hz
为上截止频率。
经过滤波后,得到的信号非常平滑,易于判定峰值,从而计算周期。图 2-55
是信号平滑的示意图。
图 2-55 低通滤波与信号的平滑处理
三、 放大器
对于来自传感器的电信号,通常要采用放大器进行放大,提高其输出功率。
放大器介于传感器和负载之间,即:传感器→放大器→负载。其阻抗匹配包
括两方面:放大器与其前端传感器的阻抗匹配、放大器与其后端负载的阻抗匹配。
1. 传感器与放大器的阻抗匹配
传感器作为信号源,令其输出电压为,自身内阻为;放大器输入阻抗为,输
入端获得的电压为。
传感器与放大器的阻抗匹配的基本原则就是:传感器的输出电压尽可能多地
转换为放大器的输入电压。匹配原理见图 2-56。
图 2-56 传感器与放大器输入端
因此,传感器与放大器合理的阻
抗匹配要求:放大器的输入阻抗尽可
能高于传感器的内阻抗,即。
所以,放大器的输入阻抗一般都很高。如果信号源内阻非常高,致使普通放
大器不能满足的要求,这时就要求采取特殊的放大器。例如,压电式传感器的内
阻很高,就需要采用输入阻抗极高的前置放大器来做阻抗匹配。
2. 放大器与负载的阻抗匹配
放大器的输出用于推动负载(记录器)工作,负载工作需要的是功率。
所以,放大器与负载的阻抗匹配的基本原则就是:负载获得的功率尽可能大。
令放大器的输出电压的均方根为,输出阻抗为;负载阻抗。按交流电的复阻
抗理论,可得负载的有功功率(不是视在功率):。功率取极大值,显然需要,
此时负载功率。此式取极大值的条件就是。
因此,放大器与负载的阻抗匹配的要求就是:负载阻抗与放大器输出阻抗互
为共轭复数,即,。
纯电阻部分的匹配较容易实现。而电抗部分的匹配,随着测试信号频率的变
化会被打破,而且信号频率变化幅度越大,电抗部分不匹配就越严重。这一点要
引起注意。
四、 调制与解调
一般来说,高频交变信号的放大比较简单,而直流或者缓变信号的放大比较
复杂,存在一些较难克服的困难。
为了放大低频信号,往往采取一种“迂回”的处理方法:先将低频信号转变
为高频信号,然后对信号进行高频放大,最后再将信号还原为低频信号,就得到
了与原频率一样、且放大了的信号。如图 2-57所示。
图 2-57 低频信号的放大途径
其中,将低频信号转变为高频的过程,叫做调
制;而将高频信号转变为
低频的过程,就是解调。
一般称原始低频信号为调制信号,载送低频信号的高频振荡为载波,经调制
后得到的高频信号为已调波。如果调制信号控制的是载波的幅值、频率或相位,
这个调制过程就分别称为调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。
图 2-58 调幅和调频的基本原理
与调幅波相比,调频波是用频率
体现原始信号的信息,频率信号在进
一步的传输和处理过程中,不易跌落、
错乱和失真,便于远距离传输和采用
数字处理技术。调频波的幅值在传输
和处理过程中可能受到干扰,发生变
化,但对信息的传递基本没有影响。
五、 信号的传输
信号传输包括接触传输和非接触(无线)传输。接触传输又包括导线传输和
集流环传输。其中导线传输的应用最为广泛。
1. 导线传输
导线传输,其目的就是通过良好导体的连接,使两个或多个被连接点等势。
导线不可能是绝对的等势体,其物理元件必然存在电阻、电容和电感。
所以在测量工作中,为了消除导线自身电参量的影响,应尽量缩短导线传输
距离、采用高品质的电缆线(单位长度的电阻和电容值越小越好),做好导线的
安置和固定,更换导线后最好重新标定测试系统。
除了这些导线自身的电学参数外,外界环境干扰对导线传输的影响也很大。
主要的干扰源包括电力线路、电器设备和电磁波等。
针对这些导线传输的外界干扰,通常采取如下措施加以抑制。
(1)屏蔽 屏蔽是最常见的抑制静电耦合的方法。常见的、对于传输导线的
屏蔽措施,就是采用屏蔽线。
(2)合理接地 很多处理电路都有接地。设置接地点的目的,是希望这些点
等势。但是“地”并不一定是绝对等势的,尤其是测试系统采取多点接地后,“地”
的各点之间存在电位差。所以,要采取合理的接地连线方式。图 2-59是几种常
见的接地线连接方式。
(a) 串联接地
(b) 并联接地
(c) 高频多点接地
图 2-59 几种常见的地线连接方式
由图 2-59(a)中可以看出,串联接
地就是复杂电路系统的各个需要接地
的点,都接到一根地线上,这根地线
与接地点相连接。
这种接地方法的优点是布线简单。
缺点是:由于地线的各段电阻 R1、R2
和 R3串联在一根“总地线”上,各接
地点之间的接地电流和对地电压互相
影响。而且要求低电平的电路布置在
距接地点最近处。(如图中,电路 1)。
并联接地则是将各电路需要接地
的点,各用一条单独的地线接到接地
点。很显然,由于各线之间并联,接
地电流和对地电压互不影响,各点是
否与接地点等势仅取决于自身地线的
电阻。这种并联接地的缺点是布线较
复杂;而且当地线较长、信号频率较
高时,导线的电感不能再忽略不计,
同时导线之间距离较近,可能有互感
效应。
为了解决并联接地法的互感问题,
对于复杂电路、高频信号的场合,可
以采取高频多点接地的方法,如图(c)
所示。各电路需要接地的点,直接接
到“地”(台架铁地板等金属基础),
各接地线尽可能短、尽可能远离,就
近接地。
对接地点的连接工艺要求:不能利用滚轮、铰链等活动物,避免使用螺纹联
接件,尽量使用焊接方式。
(3)抑制电磁感应的干扰 增大信号线与干扰源的距离;合理布线,减少信
号线与旋转磁场的交链(交链:导线与磁场的相对运动引起导线回路内磁通量的
变化,即“导线切割磁感线”);将产生干扰的回路导线和可能受到干扰的回路导
线分别扭绞;采用具有高导磁率屏蔽材料的双芯屏蔽线和同轴电缆。
2. 集流环
在很多试验中,传感元件随同被试件一同连续旋转,而信号处理设备固定布
置。在此情况下,旋转试件和固定设备之间电信号的传输,就需要采用集流环。
集流环分为接触式和非接触式两类,接触式主要包括滑环式和水银槽式,非接触
式主要就是旋转变压器式。其中滑环式应用较为广泛,有些场合将“集流环”就
简称“滑环”。
滑环式集流环就是利用固体导体直接接触,靠固定件和运动件的端部之间的
滑动接触传递信号,类似于各种电机的固定电源线与旋转绕组之间的电刷—滑
环配合。
滑环式集流环经常与应变片配合使用,此时要注意接触电阻的影响。接触电
阻广泛存在于固体导体的交界面处,其数值 r很小,但是电阻应变片的输出电阻
变化就很小,因此,接触电阻及其变化,会影响应变片的输出,造成试验误差。
为了减小接触电阻的影响,可以采取如下措施:
采用高阻值的应变片;改进滑环结构,减小接触电阻及其变化;采用全桥接法,
集流环各滑动触点的接触电阻都被移出电桥。
3. 信号的无线传输
无线传输常称为“无线电遥测”。当运动件与固定件之间的相对运动速度很
高,或者被试件与固定设备之间的相对位置发生急剧变化(如室外道路试验)时,
可以采取无线传输。信号的无线传输就是利用电磁波来传输信号,传感器与被试
件固定在一起,装有信号发射器(天线),在固定设备上则设置信号接收装置。
六、 记录器
典型的测试系统,记录器是最后一个环节,也被称作“负载”,用以记录测
试数据,供后续分析计算或显示、打印。
根据记录器信号的性质,可以将记录器分为模拟记录和数字记录两大类。
模拟记录又包括可以直接看见信号波形的显性记录,和不能直接看到波形的
隐性记录。
显性记录直观、方便,但是信号的储存、传输和复制比较困难,不利于试验
检测的自动化和智能化,使用日益减少。
现代试验测试中,广泛使用各种隐性记录器。隐性记录器大多采用磁介质记
录。可以使用专业的磁带记录器,也可以记录在计算机的磁盘上。
目前,使用较多的是各种磁带记录器,简称磁带机。其基本工作原理:记录
时,被记录信号经放大器的放大,由记录磁头感应到磁带上。磁带的表层有铁磁
性物质,经过磁头正前方时被磁化;磁带在传动机构的带动下离开磁头后,磁带
上磁性层的磁场减退,但不会全部消失,信号就以剩余磁化的形式记录在磁带上。
重放时,重放磁头检测到磁带上的剩余磁化,将磁信号还原为电信号。
按具体工作原理的不同,磁带记录器可以分为三类:直接记录式、调频记录
式和数字记录式。
专业的磁带记录器可以实现多通道同时记录。其中,可以选择一个通道做语
音通道。还可以选择一个通道做补偿通道,该通道在记录时对地短接,也就是不
输入任何有用信号,实际上是将各通道都感受到的各种干扰误差都记录下来。在
重放时将其信号反向施加到其他通道上,可以将各种干扰和误差抵消掉。
第四节 测量误差分析
一、 基本概念
1. 测量和测量误差
(1) 测量的分类
直接测量:通过测试装置,将被测量参数与同一物理量的标准量直接比较,
或者用事先经过标准量校正的测量仪器进行测量,直接求得被测量参数的数值。
间接测量:被测量参数与某些独立的参数存在确定的函数关系,对这些独立
的参数进行直接测量,然后利用该函数关系计算得出被测量参数。
无论哪种测量,测定值都不等于被测量的真实值,因为存在误差。
(2) 测量误差及其分类
测量误差,简称误差,是被测量参数的测定值 l与真实值 X之间的差值,即:
(2-35)
根据产生因素和变化规律的不同,可以将误差分为三类:
系统误差:保持恒定或者按一定规律变化的误差。系统误差是可以发现并加
以消除的,我们应该追求没有系统误差的测量结果。
过失误差:也叫“粗大误差”,是由于操作者在测量工作中犯错误或疏忽大
意而产生的明显偏离真实值的误差。过失误差的出现毫无规律可循,而其对测量
结果的歪曲又非常严重。含有过失误差的测定值一般认为是要剔除的。
随机误差:当我们确定排除了系统误差和过失误差后,测定值之间依然存在
差异,这种误差就是随机误差,也叫“偶然误差”。随机误差就其个体而言是没
有规律的,但其总体符合统计学规律。由于随机误差的产生因素不确定,所以只
能对其水平进行估计,而不能消除随机误差。
图 2-62表示了系统误差和随机误差的性质及其对测量结果的影响。X是被
测参数的真实值。由于系统误差θ的存在,测定值的中心趋势 L偏离了 X。由于
随机误差的存在,各测定值不重合,围绕 L以一定幅度波动。是随机误差的最大
值,称极限误差。(过失误差的出现和数值毫无规律,图中未演示。)
图 2-62 系统误差和随机误差对于测定值的影响
本节重点讨论关于随机误差的问题。
(3) 测量误差的来源
在测量工作中,测量误差主要来源于:
① 仪器误差:仪器结构缺陷或调整校正不当等引起的误差。
② 环境误差:实际测试环境与标准规定不一致引起的误差。
③ 方法误差:测试或计算方法不完善或不合理造成的误差。
④ 人员误差:由于试验操作者技术不熟练或其他主观原因造成的误差。
2. 精确度的概念及其影响因素
精度就是精确度的简称,由精密度和准确度组成。
(1) 精密度:对同一被测参数进行多次重复测量,各测定值之间的接近程度。
在图 2-62中,±之间的误差带越大,精密度就越差。随机误差波动范围越
大,测定值之间就越离散,精密度就低。所以,测量的精密度受随机误差
控制。
(2) 准确度:对同一被测参数进行多次重复测量,测量结果(通常就是测定值
的算术平均值)与被测参数的真实值之间的接近程度。在图 2-62中,L
偏离 X越远,准确度就越低。如果存在较明显的系统性误差,测量结果就
会明显偏离真实值。所以,测量的准确度受系统误差控制。
(3) 精确度:就是精密度与准确度的综合。
还有一个较为抽象的概念:不确定度。不确定度是由于测量误差的存在而对
被测参数不能肯定的程度。其定量评价一般用置信区间[-Kσ,Kσ]来表示,σ
是所讨论参数的标准差,K是置信系数。
不确定度越大,置信区间就越大,真实值出现在其中的可能性就越大。
二、 随机误差的统计学规律
随机误差服从正态分布,其数学模型用概率密度函数描述:
(2-36)
式中,Δ—随机误差;
σ—随机误差的标准差(均方根误差),();
n—重复测量次数
(a)概率密度函数 (b)标准差的意义 (c)正态积分概率
图 2-64 随机误差的概率密度函数
由图 2-64(a)可见,随机误差的分布规律是:绝对值越小的随机误差,出现
的概率越大;绝对值相等的随机误差,正、负值出现的概率相等。
由图 2-64(b)和式(2-36)都可以看出,标准差影响概率密度函数。所以标
准差是一个精密度参数,标准差越小,随机误差越小,精密度越高。
由图 2-64(c)可见,在给定标准差、也就是概率密度函数曲线确定的前提下,
随机误差出现在某一对称区间内的概率,取决于区间的宽度Δ。将区间宽度看做
标准差的若干倍,即,显然,区间宽度就取决于置信系数。也就是说,随机误差
出现在某一对称区间内的概率,是该区间的置信系数 K的一元函数。(前提是标
准差给定,也就是等精密度测量。)
随机误差出现在倍标准差内的概率,记为,有时称作正态积分概率,即:。
经计算,得,,。
三、 等精密度直接测量参数测定值的处理与计算—随机误差分析
在相同的测量条件下(即精密度不变),对某一被测参数进行 n次重复测量,
得到的测定值数列,就是测量列,通常写作,,…,。
1.算术平均值和残差
一般来说,求各测定值的算术平均值,可以作为测量结果的粗略估计。
(2-37)
假定测量列中不包含过失误差和系统误差,那么可以证明:重复测量次数越
多,算术平均值越接近真实值;有限次测量条件下,则是的最可信赖值。
定义残差:测定值与算术平均值之差。即,
2.测量列的标准差估计
公式(2-36)中指出,标准差的定义为()。在有限次测量情况下,标准差
可以采用贝赛尔方法进行估计。贝塞尔方法的核心就是:用残差代替误差。于是,
测量列的标准差估计为:
(2-39)
由于贝赛尔方法的核心思想是用残差代替误差、也就是用算术平均值代替真
实值,所以其成立的前提是重复测量次数不能太少,否则难以保证用代替的可靠
性。
3.异常数据的取舍
所谓“异常数据”,就是指该测定值的残差的绝对值很大。
系统误差是不会造成测定值的残差过大的,因为系统误差会使得测量列的算
术平均值整体偏移(参见图 2-62),各测定值的残差不会改变。所以,异常数据
的取舍判定,就是要判定该误差属于随机误差还是过失误差。
异常数据取舍判定的任务,就是发现含有过失误差的测定值,将其舍弃。
用统计学的方法进行异常数据的取舍判定,可以采取来伊达准则或者格拉布
斯准则。
(1) 来伊达准则
由正态积分概率可知,。也就是说,某个服从正态分布的随机变量,其绝对
值不超过 3倍标准差的概率是 %;反之,随机变量的绝对值超过 3倍标准
差的可能性只有大约 1/370,是比较罕见的。随机误差就是服从正态分布的。如
果在容量不大的测量列中,出现了某个测定值的残差超过了 3倍标准差估计,即,
就有理由认为这个误差不服从正态分布,不完全是由随机误差造成的,也就是包
含过失误差,应将该测定值舍弃。来伊达准则因此又称为 3σ准则。
来伊达准则的基础之一是重复测量次数不能太少,否则用代替不可靠。
运用来伊达准则的另一个要求是,重复测量次数不能太多,否则易将含有较
大的随机误差的测定值舍弃。
(2) 格拉布斯准则
格拉布斯准则的判据是:测定值的残差为,如果某测定值存在,则认为该测
定值中包含过失误差,应将其舍弃。
其中,称为临界值,取决于重复测量次数和危险率。又称为信度或显著性水
平(检出水平),其含义是:按某种准则判定某数据含有过失误差将其舍弃、而
实际上该数据不含有过失误差的概率,也就是“误删除”的概率。
4.测量结果的标准差及其估计
这里的“测量结果”,指的就是测量列的算术平均值。算术平均值也是一个
随机变量,我们要对其进行区间估计,也就是要求其标准差。
统计学分析表明,测量结果的标准差(也就是算术平均值的标准差)与测量
列的标准差和重复测量次数有关。公式为:
(2-40)
当我们对测量列的标准差采用估计值时,也可以得到测量结果的标准差估计:
(2-41)
5.测量结果的表达
一个完整的测量结果,应该包括被测量参数真实值的最可信赖值,及其给定
概率下的区间估计。
我们已经知道,最可信赖值就是算术平均值。下面讨论其区间估计的方法。
是的标准差、即精密度参数,那么根据正态积分概率的含义,有:,也就是
说,被测量的真实值有的概率出现在以为中心、以为半径的区间内。所以,测量
结果可以写作:
(2-42)
其中,是置信概率,即真实值出现在以为中心、以为半径的区间内的概率。
换言之,我们有的把握相信,以算术平均值代替被测参数的真实值,误差不会超
过。显然,进行具体计算时,除了要已知试验测试所产生的测量列之外,还要事
先给定(或由操作者自行决定)置信系数或置信概率。
还有一种测量结果的表达方法:分布法,就是置信系数和置信概率之间具有
分布的数学关系。。其中,,是一个自由度为、置信概率为的分布随机变量,在此
计算中就相当于一个置信系数。为进行此种表达,也需事先确定置信概率或置信
系数。给定与两者之一,另一个可由分布表查得。
第五节 静态测量数据的处理
一、 概述
所谓“静态测量数据”,就是指不随时间变化、或者在测试过程中可以视作
不随时间变化的测量数据(该数据可能已经过误差分析,包含了对误差的估计)。
探求两个(或多个)变量之间的定量关系,就是静态数据处理的主要目的和
任务。
为此,我们可以采取三种处理和表达方法。
1.列表法
列表法的优点是数据真实,完全源于实测数据(可能经过误差分析与处理),
表格形式清晰、明了、紧凑,数据显示直接,易于参考比较。缺点是揭示数据的
变化趋势不够直观,未能较本质地分析变量之间的数学关系,而且当所需研究的
数据不在表中时,需要进行数值分析(插值或者拟合计算)。
2.图形法
可以这样说,图形法就是把列表法所罗列的客观数据绘制在选定的坐标上,
并将数据点按某种规则连接起来。常见的坐标体系有直角坐标和极坐标等。
图形法的优点是能够直观、形象地表达数据的变化趋势和不同变量之间的互
相影响,使读者在第一时间就察觉到数据增减的规律或分布密度信息等。缺点是
当变量达到 3个或更多时,用平面坐标表达较复杂或较困难。图形法的另一个缺
点是相同的测量数据,由不同的工作者绘制曲线,结果不唯一。
3.经验公式法
“经验公式”,顾名思义,就是经过实践验证的公式。意指其纯理论背景不
是很强,主要是源于对实测数据的归纳,其适用范围和可靠程度有一定限制。
这个数学关系式通常称作“回归方程”,用于揭示变量之间的关系,指导变
量的预测或控制。
经验公式表达的优点是结果经过较严密的数学推证,可信度较高,而且具有
严格的唯一性,不受操作者主观因素的影响。公式表达紧凑,又能全面揭示整个
定义域内的变量关系,可以很方便的计算出实测数据(点)以外的数据量。尤其
当采用计算机进行数字计算处理时,经验公式法比列表法和图形法方便得多。
本节主要讨论依据实测数据建立经验公式的方法,也就是回归分析。
二、 回归分析
根据实测数据,同时结合给定或判定的经验公式构型,按照最小二乘法原理
寻求两个或多个变量之间的经验函数关系,就是回归分析。回归分析的几何解释
一般称作拟合。
回归或拟合的具体计算,由数值方法课程讲授。
三、 回归分析的检验
回归分析的检验包括两方面:显著性和精度。
1.显著性检验
回归分析的显著性是指:根据已知数据(坐标上的 n个数据点),按给定方
程构型进行回归分析是否有意义,也就是讨论实测数据是否真的如事先判定的那
样,服从一个 m次多项式的规律。
2.精度检验
回归方程的精度是:根据回归计算得到的一个理论方程,利用变量 x预报或
者控制变量 y的精确程度。
所谓“预报”,是指给出一个自变量 x,求其对应的函数值 y;“控制”则是
要求函数值达到 y,问自变量 x应该多大。
显著性检验,是回答“对给定的 n对实测数据做 m次回归,这个问题提得有
没有道理?”的问题。从理论上说,显著性的高低与回归方程的求解无关。对同
一个回归问题,显著性水平只有一个。而精度是研究某个回归方程与实测数据的
变化规律有多大的偏差,同一个回归问题,不同的回归方程,其精度是不同的。
第六节 动态测量数据的处理与分析
一、 数据的分类
“动态测量数据”,指的就是随时间变化的测量数据。其原始数据通常表现
为时间历程 x(t),也就是被测物理量 x随时间 t的变化规律。测量数据总体上
分为两大类:确定性数据和随机性数据。
1.确定性数据
确定性数据,就是时间历程函数 x(t)可以被明确写出的数据。又分为:
(1) 周期性数据
①正弦数据
任一个正弦函数可以写作。其中,X0是幅值,ω是圆频率,φ是初始相位。
图 2-69 正弦数据的时间历程和频谱
正弦数据的谱线只有一条。(频谱分析可参看本节后面频域分析的内容。)
②复杂周期性数据
复杂周期数据不再成正弦规律变化,但仍然存在一个确定的周期。图 2-70
所示,复杂周期数据的频谱图表现为等间隔的离散谱线。频率比为有理数。
图 2-70 复杂周期数据的时间历程和频谱
(2) 非周期性数据
①准周期数据
所谓“准周期数据”,指的是这种数据的频谱仍然是离散线谱,但是谱线之
间不再是等间距,任意两阶相邻的谐波的频率之比为无理数,如图 2-71所示。
图 2-71 准周期数据的频谱
②瞬变数据
与其他确定性数据不同,瞬变数据的谱线是连续的。
图 2-72 瞬变数据实例
2.随机性数据
随机性数据就是时间历程函数 x(t)不能明确写出的数据。
随机性数据不能按频谱图的特性分类,而是要对随机过程的特性进行分析。
通俗地讲,“随机过程”就是一个可以重复进行的物理过程,每进行一次,
就得到一个观测结果,各次之间互不相同。
随机过程包括平稳随机过程和非平稳随机过程。“平稳性”是指统计特性不
随时间的推移而变化。
平稳过程又包括各态历经过程和非各态历经过程。各态历经性指的是随机过
程的总体平均参数可用任意时间历程按时间平均所求得的统计参数代替。
实践证明,很多随机现象都可以在不同程度上看做各态历经过程。我们可以
只测取一个样本,就以这个样本来计算其总体特性。
二、 采样定理
对测试数据可以进行模拟处理和数字处理。数字处理时,首先要将连续的模
拟量转换为离散的数字量。这种将连续时间信号离散化的过程,就是采样。
图 2-74 混淆现象
最常见的就是等间隔采样。采样
间隔的倒数就是采样频率,采样定理
要求(证明从略):采样频率不能低
于信号中最高频率的 2倍,即。
如果,就会发生原始信号中的高
频成分折叠到低频成分上去的现象,
就是混叠。
在实际工作中,可以将采样频率
取为信号中最高频率的 3~4倍。
如果确知测试信号中的高频分量是噪声干扰引起的,那么可以将信号先送入
低通滤波器,去掉高频干扰,再以较低的采样频率进行采样,这样既可以满足采
样定理、不会造成混叠,又可以减少数字计算量。
三、 时域分析
1.相关系数
所谓“相关”,在这里指的就是两个变量 x和 y之间的线性关系,以相关系
数表示。越接近 1,相关性越强。 。其中,是变量 x的数学期望,;是变量 y
的数学期望,;和分别表示 x和 y标准差。
2.自相关函数
(1) 定义
设 x(t)是来自某各态历经随机过程的一个样本,按定义,变量 x(t)和变量
x(t+τ)之间的相关系数为:
由各态历经性和平稳性,可以得出:
将上式分子的第一项称作自相关函数,记作,即:
(2-47)
以及
,
就是。
注意,自相关函数是时域分析的重要工具,但是其自变量不是时间 t,而是
时移τ。
(2) 主要性质
当时移τ=0时,显然相关系数,由,易得,这是自相关函数的最大值。
如果将-τ代入自相关的定义式,可得:
,令,则:
可见,自相关是偶函数。
当时移τ→∞时,相关系数。由,易得。也就是说,自相关函数的无穷极限
是均值的平方。
自相关函数的上述性质见图 2-77。
图 2-77 随机信号的自相关函数
自相关函数最重要的性质是:周期函数的自相关函数仍然是周期函数,且频
率相同,但不包含原函数的相位信息。
例 2-1 求任意正弦函数的自相关函数。
解:按定义有
上式中的被积函数具有周期,
运用三角函数的积化和差公式,得:
可见,对周期函数做自相关分析,可以保留原函数的幅值和频率信息,但是
会丢失初始相位信息。
(3) 主要应用
在测试信号的分析处理中,通常利用“周期函数的自相关函数仍然是周期函
数,且频率相同”这一性质,对信号进行周期性检验,也就是鉴定杂乱无章的随
机信号中是否混有周期分量。
例如,某汽车在特定试验路面上行驶,记录其车身上某点的振动加速度时间
历程,为杂乱的随机信号(图略)。而对该信号进行自相关分析,得到的曲线则
表现出比较明显的周期性振荡,参见图 2-78。
图 2-78 车身振动加速度的自相关
选取最高峰值和第二峰值之间进行测量,时间差约为 (或者根据连续
三个波动之间的总时间差为 ,合算每个波动的周期约为 ),也就是
说自相关函数中包含有周期为 、也就是频率为 10Hz的周期成分,这表明信
号中有频率为 10Hz的周期分量。
3.互相关函数
(1) 定义
互相关函数的定义和自相关函数类似,有
(2-48)
互相关函数不是偶函数,即;但是有。
(2)主要性质及应用
在图 2-80中,在特定时移,互相关函数值达到最大,则该时移反应 x(t)和
y(t)之间基本物理因素的滞后时间。
图 2-80 互相关函数的性质
通常利用这一性质,测量不同信号的滞后时间,或者结合速度和位移其中之
一、求解另一个。
四、 值域分析
值域分析主要是进行各种统计学计算,主要有以下参数。
1.均值
均值,也就是统计学中的数学期望。表示信号的常值分量、也就是直流分量,
是信号变化的中心趋势。
(2-49)
2.均方值
均方值就是样本信号平方的均值,代表信号的强度。
(2-50)
均方值的正平方根就是均方根值,可以记作或。
3.方差
方差描述信号的波动分量,也就是信号 x(t)相对其中心趋势—均值—的总
体偏离程度。
(2-51)
方差的正平方根就是标准差。对于零均值信号,均方值就是方差,均方根值
也就是标准差。
4.概率密度函数
如图 2-83所示,各态历经过程的任一样本 x(t),在某区间(x,x+Δx]内取值
的总时间为。x(t)在区间(x,x+Δx]内取值的概率就是,即。
图 2-83 概率密度的定义及计算
则由数理统计的定义,概率密度函数就是:
(2-52)
概率密度函数从本质上提供了测量数据在幅值域的分布信息。其数学意义和
信息量强于均值、均方值和方差等统计参数,但直观性不够强。
五、 频域分析
频域分析的基本思想:把待研究的动态数据看做若干简谐信号(即正弦波)
的叠加,研究该数据就等价于研究这些参与叠加的正弦波。一个正弦波有频率、
幅值和相位三个独立的信息,如果我们能做到“任意给定一个正弦波的频率,就
能指出该频率分量的幅值和相位”,那么我们就能得到所有参与叠加的正弦波的
信息,也就是获取了待研究数据的信息。这种以频率信息为“索引”,研究各频
率分量信息的方法,就是频域分析(频谱分析)。
以图 2-84所示的“周期方波的傅氏级数展开”为例:认为待研究的原始方
波信号由频率分别为 f1、3f1 、5f1 、…、(2n-1)f1 …的谐波叠加得到,问题
就转换为求这些频率分量的幅值和相位。图 2-84(b)演示的就是:1阶谐波(就
是频率为 f1)分量,加上 3阶谐波,再加上 5阶谐波……随着阶数的增加,各阶
谐波的叠加越来越趋向于周期方波。
图 2-84 周期方波的频谱分析—傅氏级数展开
一般来说,数据的频域信息比时域或值域信息更重要。
根据数据类型的不同,频域分析的方法不同,频谱表达的形式也不同。
1.周期性数据的频谱分析—谐波分析
任何一个满足狄利克雷条件(狄氏条件要求同时满足以下两点:该函数在一
个周期内连续或者只有有限个第一类间断点,即所谓“分段连续”;且在一个周
期内只有有限个极值点,即所谓“分段光滑”)的周期函数,都可以展开成若干
简谐函数(即正弦函数)之和。可以写作
(2-53)
其中,是信号的均值,也就是直流分量,。
是所有参与叠加的正弦函数中的最低频率,称基频。基频就是该周期函数的
频率,也就是周期的倒数,即。式中的也可以写作。
是第 n阶谐波的幅值, n=1,2,3,…
。
是第 n阶谐波的初始相位,。
周期性数据的频谱具有离散性、谐波性和收敛性。即:叠加构成该周期数据
的各正弦波的频率是离散的、有间隔的;各正弦波之间的频率间隔是相等的;无
穷多个谐波的叠加结果不是无穷大(该结果当然就是原周期信号)。
其中,根据收敛性,我们可以在满足精度要求的条件下,对傅氏级数展开进
行截断,以前面若干项之和近似代替原周期函数,即略去后面的无穷项高阶谐波
分量。
2.非周期确定性数据的频谱分析—傅氏变换
对于非周期确定性数据要进行傅里叶积分变换。注意,时间历程存在傅里叶
积分,一方面仍需要满足狄利克雷条件,另外还需要满足“无穷区间上的绝对可
积性”,即。
傅里叶变换: (2-54)
傅里叶逆变换: (2-55)
例 2-2 求矩形窗函数的频谱。
解:矩形窗函数的定义为
1
0
满足傅氏变换存在的条件。。
代入的表达式,经计算、并结合正弦形式的欧拉公式,可得。
窗函数的图像称作时间窗、频谱的图像则为谱窗。如图 2-85。
时间窗越宽,说明信号的突变相对不明显,那么参与叠加的谐波频率成分就
不是非常多,高频分量显得较少,所以谱窗尖耸、高频成分衰减迅速。
可以推想,如果采取其他形式的窗函数,使时间历程的变动更平缓,一定可
以使得信号的谱分析结果更趋于集中在低频带(更趋于图 2-85 a)所示)。这种
思想就可以用于后文所述的泄露误差的抑制。
图 2-85 不同宽度 T的时间窗与谱窗
3.随机性数据的频谱分析—功率谱分析
随机性数据,其时间历程一般表现为无穷区间上的“没头没尾”的杂乱振荡,
不满足无穷区间上的绝对可积性该要求,所以不能直接对该随机数据本身进行傅
氏变换,而是采用功率谱分析法。
令为某各态历经过程的任意样本,其均值,且其中没有周期性分量。那么,。
于是,可以对随机信号的自相关函数做傅里叶积分变换,并将其定义为自功率谱
密度函数,简称自谱,记作。
(2-56)
(2-57)
自相关函数和自谱互相包含对方的全部信息:自相关是偶函数,自谱也是偶
函数;自相关分析会丢失原始信号中的初始相位信息,自谱亦然。
自谱的数学定义域是,有时称为双边谱。但在工程实际中只能在非负区间定
义频率,因此将双边谱在“负频率”区间的数值折叠到正频率区间,定义为单边
谱:
=
0 其他
与自谱的定义类似,互相关函数做傅里叶积分变换就得到互功率谱密度函数,
简称互谱,记作。显然,互谱的傅氏逆变换就是互相关。
(2-58)
(2-59)
将角标 x和 y互换,当然还有:
和。
4.谱密度分析的应用
功率谱密度函数的应用很广泛,如汽车理论的平顺性分析中表达物理量强度
的频域分布信息。在测试分析中也有应用,下面举两个例子。
(1) 确定系统的频响特性
在本章第一节“五、测试系统的动态特性”部分,其方法体系的基础在于认
为系统的频率响应特性取决于系统参数。这种思路适用于系统的原理分析、设计
和选择等工作,但是在实测环节,上述系统参数很可能是不知道的。
此时,就需要采用试验的方法,给系统施加一个已知的、特定的输入,测量
并分析其输出,利用输出和输入的关系来求解系统的频率响应函数,或者其他系
统特性参数。
一个线性系统,如果其输入为、输出为,求出输入的自谱、输出的自谱和输
入与输出的互谱。
于是,系统的频率响应函数可以表达为:。
对于幅频特性,则有。
(2) 相干分析
相干分析就是判断中有多少成分来自、多少来自。参见图 2-86。注意,在
这个模型中,认为干扰噪声来自系统的输出端。
图 2-86 相干分析模型
相干分析利用的数学工具是相干函数,又称凝聚函数,定义为:
(2-60)
其判定方法如下:
,说明测试系统中没有干扰,输出完全来自输入。
,这说明测试系统中没有输入,输出完全来自干扰。
相干函数介于 0和 1之间,则又有三种可能:
①测试系统是非线性的;
②同时存在正常输入和噪声干扰;
③在输入端存在以外的其他信号,也就是输入端有干扰。
在线性系统中,相干函数用来说明输出与输入之间在频域上的相关程度。当
相干函数时,可以认为输出与输入是相关的、或称“凝聚”的。
5.泄漏简介
随机性数据的时间历程,就其数学本质而言是无限时长的,而测试系统只能
记录和处理有限长度的信号,也就是必然要对该时间历程进行截断。
截断可以看做是用无限长的时间信号乘以有限宽的窗函数,最简单的就是矩
形窗。由例 2-2无论时间窗宽度多长,其谱窗必然扩展到无限宽频带上。
前文已述,数字化处理首先要进行采样,采样定理要求采样频率不能低于信
号中最高频率的 2倍。截断导致信号的最高频率趋于,当然任何采样方法也不可
能使采样频率达到无穷大的 2倍。可见,只要进行了信号截断,在进行数字处理
时就不可能满足采样定理,必然造成混叠。
因此定义:在数据处理中,由于信号截断导致能量分散,必然会产生一些误
差,这一现象叫做泄露。
为了抑制泄露,最容易想到的办法就是增大截断长度。由例 2-2的推论可以
看出,时间窗(就是截断长度)越长,谱窗就越狭窄、越尖耸,谱分析的能量越
集中于低频带,泄露误差就越小。
但是单纯增大截断长度意味着记录时间的延长,这会导致试验难度加大、工
作量和成本上升。因此,我们追求在不改变截断长度的条件下,抑制泄露。比较
有效的措施就是采用其他形式的窗函数。我们可以采取三角窗或者汉宁窗。参见
图 2-87。(时间历程的公式略。)
但是在某些需要分辨系统特征频率的场合,例如测定汽车悬架系统的固有频
率时,矩形窗的效果优于三角窗和汉宁窗。对比图 2-85和图 2-87可以看出,同
样的截断长度下,矩形窗的主瓣“又细又高”,显然更容易分辨其峰值频率。
主瓣:谱窗曲线与横坐标的两个交点之间的部分,也就是谱窗中间最高大的
部分。
图 2-87 三角窗和汉宁窗的时间窗和谱窗
第三章 汽车整车性能试验
第一节 通用试验条件
汽车的整车性能试验种类很多,各项试验所要求的具体条件也不尽相同,但
大多数的试验条件是通用的。这些具有共性的试验条件总结起来就是通用试验条
件。
1. 装载质量
除有特殊规定之外,试验车辆在试验时均应处在厂定最大装载质量状态或最
大总质量状态,装载质量应均匀分布在车厢内。对于货车,较好的装载物为大小
适中的铁块或混凝土块(沙袋等在货厢内可能会因冲击振动而移动、或受雨雪影
响而改变质量,并不适用于货车);对于客车、轿车,则以沙袋、卵石为宜。对
于乘员质量,一般的客车、轿车按 60kg/人来模拟,其他车辆按 65kg/人模拟。
2. 车辆装备及试验仪器
试验车的各总成、零部件必须齐全有效,包括备胎和随车工具等附属装置,
也必须放在规定的位置上。试验仪器、设备必须经合法计量检定,处在有效期内。
测试系统在正式测量之前要经过标定,确定输出信号和输入物理量之间的定量关
系。对于随车使用的设备,应选择好合适的位置并妥善固定,如果质量较大,要
考虑其对试验车总质量(以及质心位置)的影响,合理估算。
3. 轮胎气压
轮胎充气压力对很多整车行驶试验都有显著影响。试验前的冷态气压要符合
试验车技术条件的规定,误差不超过。
4. 燃料、润滑油(脂)和其他液媒
试验车应使用符合技术条件规定的燃料和润滑油(脂),以及制动液、转向
助力液、液压离合器助力液以及空调制冷剂等。除可靠性行驶试验、耐久性道路
试验(包括整车和零部件的耐久性试验)及使用试验无法控制外,同一次试验的
各项性能测定必须使用同一批次的油液媒。
5. 试验车调整、保养和修理工作的要求
不能随意进行作业。必须按照汽车技术条件、使用说明书或者试验标准进行,
并做详细记录。
6. 预热行驶
在进行性能试验之前必须进行预热行驶,使车辆达到技术条件规定的热状态,
并保持稳定。其目的是使燃料雾化良好、燃烧完全,发动机和底盘的润滑剂达到
理想温度,降低摩擦阻力和磨损,同时轮胎也达到热状态。
一般要求发动机出水温度达到 80~90°C,发动机润滑油温度 50~95°C,变速
器和主减速器润滑油温度不低于 50°C。环境温度较低,难以达到规定的热状态
时,要采取必要的保温措施,例如在发动机罩和后桥壳等部位蒙上防寒被。
另外还有一种“检查行驶”,和“预热行驶”是不同的。
检查行驶是在车辆磨合行驶之后、整车性能试验之前进行。要求在平坦的平
原公路上进行,交通流量较小,单程不少于 50km,最好有里程标志,车速为设
计最高时速的 55%-65%,尽量保持匀速、不用空挡滑行。行驶中检查各总成的工
况、噪声及温度,密切注意转向器和制动器等部件的效能。检查行驶的目的是检
查车辆的技术状况是否符合要求,如果存在异常和故障则要进行调整或修理,否
则试验结果无效。
通过检查行驶的试验车,在进行某项具体性能试验之前还要进行预热行驶。
7. 气象条件
除了对气象有特殊要求的试验项目(如极端温度下的可靠性试验或者防雨密
封性试验等)外,整车性能试验都要求在无雨、无雾的环境下进行,风速不超过
3m/s,气温为 0~40°C,相对湿度小于 95%。
8. 道路条件
除强化可靠性试验或支承通过性试验等项目之外,各项整车性能试验都应在
干燥、平坦、坚硬以及附着良好的路面上进行。道路的宽度和长度要满足安全行
驶的要求,纵向坡度要满足试验工况的要求。有条件的话,最好在专用试车场或
飞机场跑道上进行。
第二节 动力性试验
一、 底盘测功试验
底盘测功,就是测定汽车在特定工况下的驱动轮输出功率或驱动力。
底盘测功试验在底盘测功机上进行,这也是为数不多的可以在室内台架上进
行的整车性能试验之一。
1. 底盘测功机
底盘测功机,又称转鼓试验台,因为该设备最显著的标志就是顶部露出地面
的转鼓(亦称滚筒)。参见图 3-1,图中仅画出了滚筒装置。
图 3-1 单滚筒式和双滚筒式底盘测功机
底盘测功机主要由滚筒装置、测功装置、飞轮机构、测量装置和控制与指示
装置等部分组成。
(1)滚筒装置 滚筒相当于连续移动的路面,供汽车的驱动轮在其上模
拟道路行驶。按滚筒数量,底盘测功机可分为单滚筒底盘测功机和双滚筒底盘测
功机。单滚筒底盘测功机单滚筒底盘测功机多用于大型制造企业、科研单位和高
校试验室等。双滚筒底盘测功机多用于检测机构和销售、维修企业。
(2)测功装置 测功装置亦称功率吸收装置,就是测功器。
底盘测功机常用的测功器有三种:水力测功器,原理简单,调控精度差,已
趋淘汰;电力测功器结构紧凑、功能强大,作为发电机时充当负载、提供阻力,
且能实现能量回收,作为电动机时则能提供动力、拖动被测汽车运转,但结构复
杂,成本很高;国内生产和使用较多的是电涡流式测功器,电涡流测功器只能作
为负载、提供阻力,其测试精度高、结构较简单、易于调控、测量的转速和功率
范围都较大。
(3)测量装置 作为测功设备,必须要有测量扭矩和转速的功能。
扭矩的测量体现的就是驱动轮输出的驱动力,一般整合在测功器中,多采用
测力杠杆式。
转速的测量体现的就是车速,测速装置一般安装在滚筒的一端,如图 3-2中
速度传感器 5所示。测速原理有磁电式、光电式或者霍尔式等。
(4)飞轮机构 很多变工况试验,比如加速、滑行试验,或者多工况燃
油消耗量试验,需要模拟汽车的惯性。电力测功器可以直接提供汽车的加速阻力。
而对于非电力测功器,就需要利用飞轮机构来模拟整车惯量。一套飞轮机构一般
具有多个飞轮,通过不同飞轮的组合来模拟当前被试汽车的惯量。
(5)控制与指示装置 通常制成一体,构成控制柜。
除了上述装置,底盘测功机还有举升装置和纵向约束装置。
2. 底盘测功
底盘测功的被测参数是汽车的驱动轮输出功率或者驱动力。测试工况一般选
取三个:发动机额定转速(即发动机外特性的最大功率对应的转速)所对应的车
速、发动机最大转矩转速所对应的车速、汽车常用车速(如经济车速)。测量功
率时,要求从静止起步逐级换入最高挡,节气门全开,动力输出达到稳定时读数。
具体包括恒速控制法和恒矩控制法 。
由于传动环节多、效率差、特别是轮胎-滚筒间的滚动阻力大,使得底盘测
功试验得到的测量结果比发动机标称功率小很多。
二、 滑行试验
滑行试验就是测定汽车在规定初速度下的滑行距离。滑行试验是汽车基本性
能试验的首做项目。
滑行试验要求汽车在(50±3)km/h的速度下,迅速踩下离合器踏板,变速
器挂空挡,滑行直至停车。测量汽车在滑行阶段驶过的距离即可。
室外道路试验中,可以采用五轮仪或各种非接触式速度计。
五轮仪的核心传感部分多采用磁电式脉冲计数原理(可参见图 2-38)。非接
触式速度仪则是一种基于空间滤波器的光电技术,测量范围大,测速精度高
滑行试验也可以在底盘测功机上进行。由于底盘测功机上的阻力比真实道路
上的阻力大得多,所以测功机上的标准滑行距离与道路试验的标准值不同,请注
意区别。
三、 最低稳定车速试验
最低稳定车速指的是汽车在直接挡条件下能够达到稳定行驶的最低车速。
“稳定行驶”的含义是以某一车速匀速通过一段距离后,急踩加速踏板全力加速,
发动机不熄火、传动系不抖动。规定的稳速路段一般是 50m。其间不允许为控制
车速而切断离合器或使用制动器。
此车速越低,汽车就可以尽量用高挡行驶而不必频繁换挡,尤其在交通流量
不畅通、汽车启停频繁的路段,既简化了驾驶操作,又能保证汽车维持较高的平
均技术速度。
四、 最高车速试验
进行最高车速试验的理想场地是足够长的直线路段,其中供加速的直线路段
至少长 1~3km,视车辆动力性不同而定;在测速路段后面还要有足够长的制动路
段。也可以在试验场的高速环形跑道上进行,但是测速路段应该是直线。
测速时,变速器应置于汽车设计最高车速相对应的挡位。
国家标准要求测速路段为 200m、纵向坡度不超过 %,在该路段两端设置
标志杆,测量通过该路段的时间,算出速度。同一路段往返各进行一次,取平均
值作为试验结果。
可以采用秒表计时,但是该方法误差较大。
比较理想的方法是利用光电元件遮蔽的原理。
另外,也可以采用五轮仪或者非接触式速度仪等测速设备,测量精度较高,
操作简便,而且由于设备直接测出速度,省去了在测速路段两端设置标记等工作。
五、 加速试验
起步连续换挡加速性能试验,要求车辆停在试验路段起点,以规定的挡位起
步:三挡变速器用 1挡起步,四挡及以上变速器用 2挡起步。起步后将加速踏板
踩到底,当发动机达到最大功率转速时,力求迅速、无声地换入高一挡,然后立
刻将加速踏板踩到底。直至车速达到最高挡最高车速的 80%以上(对于轿车,应
加速至 100km/h以上)。测量加速过程所用的时间。相同路段往返各进行一次,
取平均值作为试验结果。
需要注意的是,某些车型存在加速过渡性不良的问题,即在刚刚起步阶段,
如果马上把加速踏板踩死,加速过猛,会造成传动系严重抖动和汽车“点头”的
现象,反而会造成加速性能下降。所以对于这类汽车,应进行反复预试,找出加
速时间最短的加速方式,也就是寻求起步阶段最合理的加速踏板开度。
固定挡加速性能试验,反映汽车的超车加速能力,通常进行最高挡和次高档
的加速时间测量。试验时,变速器置于预定挡位,以稍高于该挡位下最低稳定车
速的速度为初速度(一般选取 20km/h、25km/h等 5的整倍数)匀速行驶,至试
验路段的起点时立即将加速踏板踩到底,直至该挡位下最高车速的 80%以上(对
于轿车,应加速至 100km/h以上),记录该过程的时间。相同路段往返各进行一
次,取平均值作为试验结果。
六、 爬坡试验
爬坡试验包括两项,爬陡坡试验和爬长坡试验。
1. 爬陡坡试验 有两种测试方法:坡路实测法和负荷拖车法。
(1) 坡路实测法
就是在实际坡路上测试车辆的极限爬坡能力。每个坡道长度不小于 25m,中
部设置 10m长的测速路段,坡道底部前端设有 8~10m的平直路段。
试验时,被试车辆达到正常热状态,停在坡道前面的水平路面上。变速器挂
最低挡(不允许挂倒挡倒车上坡),起步,迅速将加速踏板踩到底,保持节气门
全开,不换挡爬至坡顶。同一坡道可以爬两次。
坡路实测法依赖于修建很多条坡度各异的高质量坡道,这无疑提高了试验场
地的建设成本和试验难度。
(2) 负荷拖车法
负荷拖车是一种具有制动能力(一般采用电机制动)的拖车,由被试车牵引
前进,被试车施加于负荷拖车的牵引力由两车之间的拉力传感器测出。
被试车挂低档、节气门全开,带动负荷拖车行驶,调节负荷拖车的制动力,
使得两车匀速行驶,很容易算出最大爬坡角度:。其中就是被试车施加于负荷拖
车的最大牵引力,是被试车的满载总重量。
负荷拖车法可以在平路上测试最大爬坡度,大大降低了爬陡坡试验对于试验
场地的要求。
负荷拖车法的成立需要一个条件:试验车的 1挡最大驱动力明显小于该车驱
动轮在水平良好路面上的附着力。
2. 爬长坡试验
爬长坡试验的目的是考察汽车长时间在大负荷下运转的动力性、燃料经济性、
发动机和传动系的技术状况以及变速器的挡位利用率、挡位设置的合理性等。
试验路段要求为表面平整、坚实的连续上坡路,长度为 8~10km,其中上坡
路段占总长度的 90%以上,最大纵向坡度不小于 8%。
试验过程中,在保证安全和符合交通法规的前提下,尽可能高速、匀速行驶,
尽可能使用较高的挡位行驶。
第三节 燃料经济性试验
一、 概述
按照试验时对各种因素的控制程度,燃料经济性试验可以分为四类:
(1)不控制的道路试验 属于一种将被试车辆投放到试验点(使用单位)
进行的使用试验。这类试验的工况与实际使用情况完全相同,数据结果真实可信,
但是试验成本高、耗时长,也没有成形的标准可供参考,实际上很少采用。
(2)控制的道路试验 这种试验是在维持行驶道路和交通状况等使用因
素基本不变的条件下,进行燃料消耗量的测定。
(3)道路上的循环试验 这种试验是指完全按照编制好的车速—时间规
范在道路上进行的试验。
(4)底盘测功机上的循环试验 就是将道路上的循环试验移植到底盘测
功机上进行。台架试验能严格控制试验条件,排除外界无关因素的干扰,能完成
复杂的工况循环,而且效率很高,因而作为不同车型的横向对比手段或者新技术、
新产品的验证工具,是十分有效的。
二、 燃料经济性试验项目
1. 限定条件下的平均使用燃料消耗量试验
该试验就是传统的“百公里油耗测定试验”,要求在 3级以上平原干线公里
上进行,单程距离不小于 50km,往返各测量一次,取平均值作为试验结果。
试验时,交通情况应正常,被试车辆在保证交通安全和遵守交通法规的前提
下尽量匀速行驶。车速标准随车型不同而异,轿车为 60km/h,铰接式客车为
35km/h,其他车辆为 50km/h,允许偏差均为±2km/h。
2. 等速燃料消耗量试验
等速燃料消耗量试验是测定汽车燃料经济性最基本的试验, 基本方法就是
测量汽车以稳定速度通过一定距离(如,500m)的平直路段所消耗的燃料,换算
得到该车速下的百公里油耗。改变车速,得到不同车速下的等速燃油消耗量。
变速器挡位置于常用挡位,如直接挡,试验车速从略高于该挡位最低稳定车
速的 10km/h的整倍数起(通常取 20km/h起;如果该挡位最低稳定车速超过
20km/h,则从 30km/h起),至最高车速的 90%,至少选定五个车速。
同一车速下往返各进行两次测试,测量每次行驶的燃料消耗量,经重复性检
验(见下文)后取平均值作为试验结果。每次行驶的时间间隔尽量短,以保证车
辆热状态一致。
对于等速燃料经济性的评价,着重考察三个方面:最低燃料消耗量、经济车
速(最低燃料消耗量所对应的车速区间)和高速油耗比低速油耗的相对增量(%)。
3. 直接挡全负荷加速燃料消耗量试验
直接挡全负荷加速燃料消耗量试验是检验汽车在大负荷全力加速工况下的
动力性和燃油经济性的综合性试验,也是汽车燃料经济性试验的首做项目。本项
试验结束后,可以根据本项试验的结果判断其他项目有无进行的必要,以及是否
需要对发动机进行调整;再进行其他试验项目时,发动机不得做任何调整。
本项试验操作较简单,只要能保证规定的初速度,就能获得满意的试验结果。
4. 多工况燃料消耗量试验
编制多工况循环的目的,就是模拟某种类型汽车的实际运行工况,力图使试
验数据能够代表被试车辆的真实燃料经济性。
多工况循环的要点,就在于试验车的驾驶员必须在标准允许的误差范围内、
严格按照给定的循环工况执行操作。因此对驾驶技术要求很高,试验成功率低,
尤其是对于较复杂的循环(如 15工况),道路试验非常困难,最好在底盘测功机
上进行。
图中每一点允许有±2km/h的车速误差和±1s的时间误差。
由图中最后一行“工况时间”可以看出一共有 15个工况:第 1个工况持续
11s、第 2个 4s、第 3个 8s、…、第 14个 12s、第 15个 7s。
燃油消耗量试验的结果还要经过重复性检验,并校正为标准状态下的结果。
三、 油耗仪
燃料消耗量试验,必须采用油耗传感器,也称油耗仪。按测量方式的不同,
油耗仪分为容积式、质量式、流量式和流速式等种类。目前采用较多的是容积式
和质量式油耗仪,尤其是容积式中的行星活塞式油耗仪应用最为广泛。
1. 容积式油耗仪
容积式油耗仪的代表就是行星活塞式油耗仪。其机械部分是一个四缸油压马
达,如图 3-5所示。燃油流过时带动各活塞运动,活塞通过各自的连杆进而带动
曲轴旋转。四个活塞及其液压缸各完成一次进、排油,曲轴转动一周,对应固定
的燃料容积。
图 3-5 行星活塞式油耗仪的液压马达工作原理
2. 质量式油耗仪
质量式油耗仪的典型结构如图 3-6所示。秤盘上有油杯 1,燃油经电磁阀 3
流入油杯,装在平衡块上的行程限位器 8拨动两个微型限位开关 6和 7以控制电
磁阀的开闭。光敏二极管 5和 10、装在棱形指针上的光源 9构成光电传感器,
用于给出油耗始点和终点信号。光敏二极管 5固定,10装在活动滑块上,滑块
通过齿轮齿条机构带动,齿轮轴与鼓轮 12相连,计量的燃油量通过转动鼓轮 12
从刻度盘上读出。测量前,首先给油杯 1充油,秤盘左端下沉,当限位器 8达到
限位开关 7的位置时,电磁阀 3关闭,停止充油。计量开始时,光源 9的光束照
射在光敏二极管 5上,光敏二极管发出信号使计数器 13开始计数,随着油杯中
燃油的消耗,秤盘左侧升高,指针摆动。当油杯中燃油耗尽时,光束照射到光敏
二极管 10上,10发出信号,使计数器停止计数。
3. 燃油管路的连接
使用油耗仪测量燃料消耗量,要注意供油管路的回油问题以及空气泡的排除
等问题。
关于燃料消耗量测定的排气法(碳平衡法)
当采用室内台架(底盘测功机)进行燃料消耗量试验时,为了提高试验效率,
减轻拆装作业量,可以采取“排气法”进行油耗的测量。也就是汽车理论中介绍
的碳平衡法。
在试验设备、油品和试验室环境较理想的条件下,碳平衡法和采用油耗仪的
直接测定法相比,具有大体上一样的精度和稳定性。
第四节 排放性试验
排放,指的是汽车由于使用化学燃料而对周围环境造成的化学污染。汽车排
放污染有三个途径:排气污染、曲轴箱污染,和燃油蒸发污染。
显然,汽车排放污染物中,排气污染是主要的,而且一般的排放性试验也只
对经由排气管排出的污染物进行测试,所以在本课的叙述中,“排放”和“排气”
的含义是相同的,都是指化学污染物经由排气管排出。
一、 汽车排气污染物的主要成分
1. 一氧化碳 CO
CO是燃料燃烧氧化不充分的产物,是汽油机排出的主要有害成分。柴油机
的 CO排放量相对较少,约为汽油机的 1/10~1/5。
2. 碳氢化合物 HC
HC不是单一种物质,而是许多种由碳元素和氢元素构成的化合物的总称,
也就是化学中的“烃”。
3. 氮氧化物 NOx
发动机在大负荷、高温富氧的条件下工作时,少量氮气 N2会被氧化成 NO和
NO2,在排气管排出时大部分 NO又被氧化成 NO2。NOx就是排气中的 NO和 NO2。
4. 碳烟
由于可燃混合气形成方式以及燃烧机理的不同,柴油机的碳烟排放量比汽油
机大得多,可达 30~80倍。
排气中还有少量硫氧化物和醛类化合物,也属于对人体有害的污染物。氯氟
烃等物质则会破坏大气臭氧层。另外,排放中含量最多的气体是二氧化碳 CO2,
二氧化碳本身对人体无害,但是“温室效应”理论认为二氧化碳属于温室气体。
二、 排气污染物的表示方法
1. 浓度排放量
常用体积分数和质量浓度来表示。体积分数是指排气体积中污染物所占的比
例,如%。质量浓度则是指单位排气体积中污染物的质量,常用计量。
2. 质量排放量
质量排放量是指实际测试时每小时或每测试循环汽车排放的污染物质量,常
用(g/h)或(g/循环)来计量。
3. 比排放量
比排放量是指汽车单位行驶里程或发动机单位输出功所排放的污染物质量,
反映排放污染量与汽车使用功效之比。常用单位是 g/km或 g/(kW·h)。
三、 排气污染物的取样方法
1. 直接取样法
直接取样法是将取样探头直接插入发动机排气管内,用取样泵直接采取一定
量的气样,供废气分析仪分析。
2. 全量取样法
全量取样法是将汽车排出的尾气全部采集到一个足够容积的气袋中进行成
分分析。
3. 定容取样法
定容取样法(Constant Volume Sampling,CVS),也称变稀释度取样法,是
一种接近于汽车排气扩散到大气中的实际状态的取样方法。该方法是将排气全部
用清洁空气稀释,并使稀释后的总流量保持一定,再将部分稀释后的排气与未被
稀释排气的流量成一定比例地搜集在气样袋里,然后导入气体分析仪进行分析。
该方法测定的基本上就是汽车在实际行驶环境中的真实排气浓度,而且易于进行
连续测量,能对有害成分的质量排放量自动实时计算。现在世界各国的排放法规
均规定采用定容取样法。
四、 排气污染物的检测原理
排气污染物的检测原理指的是用何种物理或者化学的原理将排气中某种污
染物的含量测定出来。不同的排气成分适用的检测原理也不同。
1. 不分光红外分析法(NDIR)
NDIR是测定 CO和 CO2最好的方法,也能测定 HC或 NOx,但测定 NOx精度不
高。
不分光红外分析法的原理是:不同气体对不同波长的红外线具有选择性吸收
能力(如 CO的吸收波段为 ~5μm,CO2为 4~μm),而且气体浓度越高,吸
收红外线的能力越强。
假定红外线光源发出的红外线处
在 CO的吸收波段内,即 CO会吸收该
红外线。旋转遮光片能连续地导通、
截止两个红外线光源,从而形成一定
频率的红外射线脉冲,分别进入试样
室 2和对比室 6。对比室内填充着对红
外线无吸收作用的气体(如 N2),红外
线不经任何衰减地透过对比室进入检
查室左侧;试样室内则有待测气体通
过,其中的 CO浓度越高对红外线的吸
收程度就越高,穿过试样室进入检查
室右侧的红外线就少。红外线是具有
热能的,于是,检查室左右两侧就出
现了温度差,温度差导致两侧压力差,
中间的分隔膜片 4就产生凹凸变形。
该膜片是电容式微音器(就是一个高
灵敏度的电容式传感器)的活动极板,
其左侧是固定极板。可见,随着试样
室内 CO浓度的变化,检查室两侧产生
压力差,电容传感器的电容值就发生
变化。由后续电路测出。
为了使红外分析仪在测定某一种气体的浓度时不受其他气体浓度变化的影
响,在红外光源和对比室与试样室之间设置了滤波室。滤波室内填充干扰气体,
如 CO2、水蒸气等,来滤掉红外线中干扰气体所对应波段的那部分辐射。例如,
滤波室内的 CO2将其敏感频段的红外线吸收掉,剩余的红外线进入试样室就不会
再受到 CO2的吸收了。
2. 氢火焰离子分析法(FID)
FID是检测排气中 HC成分最有效的办法。
氢火焰离子分析法的原理是:大多数有机碳氢化合物在氢火焰的高温(2000
°C左右)下产生热致电离,形成自由离子,离子数与引入火焰中的碳氢化合物
分子中的碳原子数基本成正比。
这种方法对不同的碳氢化合物分子没有分辨能力,所以它用于测定总的 HC
排放量,在仪器上通常以正己烷的当量体积百万分数(ppm,即 10-6)表示。
3. 化学发光分析法(CLD)
CLD是测定 NOx最好的方法,灵敏度非常高。
化学发光分析法的原理是:检测时令待测气体中的 NO与臭氧 O3反应,生成
NO2*(NO2的激发态)分子,在 NO2*由激发态向基态衰减的过程中,会发出波长为
~3μm的光量子,这一现象即化学发光。其发光强度与 NO的体积分数成正比。
对于被测气体中的 NO2,先通过适当的转换将其还原成 NO,即可间接测出 NO2量
以及 NOx总量。
四气体与五气体分析仪—能同时检测 CO、CO2、HC和 O2这四种气体成分的就
是四气体分析仪。如果在上述四气体基础上再增加 NOx检测的功能,就成为五气
体分析仪。
4. 烟度的测定原理
排气中碳烟含量的高低用烟度来表征,具体包括滤纸烟度和不透光烟度。
(1) 滤纸烟度
从排气管抽取规定容积的排气,使之通过规定面积的标准洁白滤纸,滤纸被
染黑的程度就是滤纸烟度。
滤纸式烟度计具有结构简单、调整方便、使用可靠、测量精度高、试验试样
便于保存等优点,目前在检测和维修行业使用的较多。其缺点是,只能检测黑色
碳烟。另外,滤纸烟度的计量原理决定了其只能测量一张滤纸染黑全过程(也就
是发动机一次测量工况的排气过程)的总染黑度,不能动态测量。
(2) 不透光烟度
不透光烟度又称消光式烟度,它是利用不透光度来反映排气中碳烟等可见污
染物的含量。
测量前,向空气校正器中吹入干净空气,转动转换手柄,使光源和光电池移
至校正器两侧,做零点校正。然后再转动手柄,将光源和光电池移至排气测试管
两侧,并将需要测定的一部分汽车排气连续不断地导入测试管。光源发出的光被
排气中的可见污染物所吸收,烟度越大,光吸收率就越高、即不透光度越高,光
电池接收到的光通量也就越小,并通过光电转换显示出测量结果。
不透光烟度计充分考虑了排气中的黑烟、蓝烟和
白烟等可见污染物对环境的综合污染,可以对柴油
车排气可见污染物进行连续的动态测量,便于分析
发动机工况变化对于碳
烟排放的影响。
五、 排气污染物的试验方法
排气污染物的试验方法指的是对汽油车和柴油车分别采取哪些试验工况来
测定其排气污染物的含量。
1. 汽油车的排放试验方法
(1) 怠速法
也就是单怠速法,是一种经典的测量汽油机排气污染物的方法,就是选择怠
速作为试验工况,一般仅测量 CO和 HC。仅以稳态的怠速排放量作为汽车排放污
染水平的定量表征,缺乏全面性。怠速法突出的优点是简便易行、效率高,而且
测试装置价格便宜、便于携带。
(2) 双怠速法
双怠速法是对怠速法的一种完善,就是在怠速工况的基础上增加了高怠速工
况。高怠速,按我国的标准定义为 倍的额定功率转速(美国规定为
2500rpm,俄罗斯规定为 倍额定功率转速)。
(3) 工况法
工况法是将汽车若干常用工况和排放污染较重的工况结合在一起,按规定工
况循环模式测定排放污染物的方法。工况法的优点在于试验结果更全面、更可靠,
但操作复杂,对仪器设备的要求较高,其应用受到一定的限制。
2. 柴油车的排放试验方法
柴油机(车)排气污染物的试验方法分为稳态法和非稳态法。
(1) 稳态法
稳态法是指在柴油机稳定运转状态下,对其排气污染物进行测定。由于柴油
车在全负荷运转时排黑烟较严重,所以稳态试验法通常就是测量柴油车全负荷运
转时的排气烟度。
由于需要准确控制柴油机的转速和负荷,稳态烟度试验适用于在发动机试验
台架上进行。另外,只进行稳态烟度测定,不能反映柴油机的全部排烟特性。
(2) 非稳态法
非稳态法包括自由加速法和加载减速法,其中自由加速法的应用最为广泛。
自由加速法是指在发动机怠速下,迅速但不猛烈地踩下加速踏板,使喷油泵
供给最大油量,柴油机达到调速器允许的最大转速后立即松开踏板,恢复至怠速。
自由加速法不需要对柴油机加载,易于就车进行,并且能客观地反映柴油机
的排烟特性。
对于机动车保有量大、污染严重的地区,也可以采用加载减速试验法。加载
减速法是在一定工况条件下测量柴油车排气可见污染物的方法,加载减速过程必
须完全自动化。
第五节 噪声试验
所谓噪声,是泛指人们不欢迎的、不需要的和令人烦躁、讨厌的干扰声。在
示波器上往往表现为一系列不规则或随机的声信号。
一、 声音的评价指标
1. 声压与声压级
设介质处于平衡状态时各处的静压强为,当声波通过时介质中某点的压强变
化为,其变化量即为声压,单位为帕斯卡()即:
定义声压级为:(dB)。 基准声压
2. 响度级
响度级是人耳听到声音时的主观感觉的定量描述,单位是方(phon),其数
值等于频率为 1000Hz的纯音的声压级分贝值。
人耳对高频声音比对低频声音要敏感,感觉声音更响;但是频率过高(大约
超过 4000Hz)后敏感度下降。如图 3-15所示。
图 3-15 等响曲线
因此,除了 1000Hz的纯音以外,人感觉到的响
度级和声音的声压级是
不同的。频率不是
1000Hz的两个声音听起
来一样响,但是其声压
级是不同的。
二、 噪声试验的仪器—声级计
声级计通常由传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波电路和指示表头等
部分组成,如图 3-16所示。
图 3-16 声级计的基本原理
传声器是声级计的声—电转换器件,也就是传感器。精密声级计采用电容式
传声器、也就是电容式微音器。
声级计中的放大器是用来放大传声器的输出信号的。衰减器则是用来控制指
示表头的显示量程,通常每一档的衰减量为 10dB。
噪声试验的声场中存在若干频率不同的声音,而声级计只显示一个声压级,
必然要考虑不同频率的声音对最终测量结果的“贡献程度”,也就是各声音要按
频率加权,这就是计权网络的功用。声级计设有 A、B、C三种计权网络,A声级
的加权方式和人耳的生理特征最接近,在汽车试验中应用最广。
声级计的指示表头上有“快”、“慢”两档,它们表示表头的阻尼特性,或称
动特性。“快”档用来测量随时间起伏变化较小的噪声。当采用“快”档测量而
指示读数波动大于 4dB时,应采用“慢”档测量。
这只是声级计的基本的、共性的原理,进行具体测量工作时,应仔细阅读所
用声级计的说明书。
汽车噪声试验一般包括车外噪声试验、车内噪声试验和驾驶员耳旁噪声试验,
另外对汽车喇叭的声级也有一定要求。
三、 车外噪声试验方法
场地要求水平、坚实、平整,半径 50m范围内不得有大的反射物。
使用两个声级计,其传声器距地面高 ,如图 3-17所示。
图 3-17 车外噪声试验的试验路线和传声器布置
试验时包括风在内的本底噪声(本底噪声:测试对象噪声不存在时,周围环
境的噪声)比所测汽车噪声至少低 10dB。
被测汽车空载,分别进行加速行驶和匀速行驶车外噪声的测量,关于车速、
发动机转速、加速强度和变速器挡位等,严格按有关标准执行。
声级计采用 A计权网络、“快”档进行测量。
进行数据处理时,要注意:汽车同侧的噪声值可以进行平均,但两侧的噪声
值不做平均,取较大者作为该车的代表。
四、 车内噪声试验方法
周围不得有大型反射物的距离要求由 50m降低为 20m。
车内噪声试验的一个重点是车内测量点的选择:一个测量点必选选在驾驶员
座位,基本处于驾驶员右耳旁;对于轿车,可以在后排无人座位上追加一个测量
点;对于客车还应追加车厢中部和后部站立处的测量点,距地板高 ~米,
基本处在站立乘客的耳旁。
从以下三种运行工况中选出一种可以代表被试汽车车内噪声的运行条件:匀
速行驶、全节气门加速和车辆定置。
声级计采用 A计权网络、“快”档进行测量。
五、 驾驶员耳旁噪声试验方法
驾驶员耳旁噪声试验要求汽车处于静止状态,变速器挂空挡,发动机于额定
转速稳定运转。(车内噪声试验的定置工况,则是要求变速器空挡,发动机由低
速空转开始,迅速踩下加速踏板,全力加速至发动机高速空转,测量 5s。)
声级计采用 A计权网络、“快”档进行测量。
六、 汽车喇叭噪声试验方法
测量喇叭声级时,声级计的传声器距地面高度为,距被测汽车最前端2m。
测试时应注意不被偶然的其他声源峰值干扰,测量次数最好达到两次以上,并注
意监听喇叭声音是否悦耳。其声压级应在 90~115dB(A)之内。
第六节 制动性试验
制动性试验可以采取道路试验、也可以采取室内台架试验的方法。
一、 制动性的道路试验
主要试验项目及要点如下。
1. 磨合试验
磨合试验包括磨合前的检查试验、磨合前的制动效能试验和磨合试验。
(1) 磨合前的检查试验
初速度为 30km/h,末速度为 0,减速度为