7测试系统设计

测试技术——测试系统设计(3)第七章内容1.基本原则2.一般步骤3.抗干扰设计4.精度分配任务-设计测试系统传感器、信号调理、信号处理、显示与记录测试对象传感器信号调理显示/记录数据采集数据处理信号处理1、基本原则基本性能：技术性能：具有良好的静、动态性能；具有良好的可靠性与足够的抗干扰能力；经济性：具有较高的性能价格比；方便实用性：测试系统的组建容易实现、便于使用和维护。1、基本原则主要考虑因素测量方法分析比较各种可能的方法（接触与非接触、离线与在线等）传感器选用优先考虑功能、然后才是指标误差分配综合误差最小或合成不确定度最小其它：成本、实现1、基本原则1）确定测试任务2）根据任务要求选择测量方法3）选择传感器4）后续测量系统的选定5）相应的软件设计与编制6）测量系统的性能评定2、一般步骤1）确定测试任务根据测试任务（测试目的）确定需测量的信息与相应的物理参数，应防止两种情况的发生:信息过多:过分最求高水平、高精度、高分辨率信息不足：数据达不到要求具体性能指标：测量精度：非线性度、精度、量程、分辨率、稳定性、温漂、零漂、频响等效率：实时、速度等使用环境条件：温度、湿度、大气压力编制任务书：明确具体要求2、一般步骤伺服电机电机控制柜光栅尺读数头温度传感器红外温度传感器噪声传感器加速度传感器行程限位开关工控机角度编码器电涡流测微仪铸铁平台扭矩传感器传感器接线板计数卡网卡数据采集卡RS485丝杠综合性能测试2）选择测量方法依据：测试精度、测试成本、测试对象、测试条件、数据应用（存储、发布、传输）等方法：接触测量和非接触测量?接触测量优点：简单、信噪比高，缺点是存在磨损、负载、信号获得等问题在线测量和离线测量?在线测量常用于需实时反馈系统，对系统性能要求高可靠、高稳定等成本：简易：传感器＋电压表；传感器＋A/D板＋计算机适中：传感器＋信号处理＋信号测量先进：传感器＋信号处理＋测量、分析、传输2、一般步骤3）选择传感器根据上述测量方法的选定首先确定相应的传感器类型：依据被测参数：振动、位移、温度、转速、压力、扭矩然后根据测量系统的精度要求选择不同型号的传感器；依据性能要求：灵敏度、线性范围、精确度、响应特性、测量方式工程考虑同一系统中传感器种类越少越好合并：位移＋振动(如：涡流传感器——位移、振动、转速)输出标准：减少信号处理难度电流4-20mA、电压±5V;数字通讯2、一般步骤4）后续测量系统的选定传感器与信号调理装置的匹配问题各个测量装置的静态特性与测试任务匹配问题灵敏度、分辨率、量程、非线性等各个测量装置的动态特性与测试任务匹配问题频响特性与测量信号匹配测量系统的精度匹配问题：各个环节的误差分配接口匹配：标准接口其它因素：体积小、重量轻、结构简单、易于安装与维修、价格便宜、通用化和标准化程度高2、一般步骤5）软件设计与编制测试系统自动化、智能化要求使用计算机或虚拟仪器软件环境：汇编、C++、LABVIEW、MATLAB流程图实时性、稳定性、可靠性（容错设计）人机交互界面2、一般步骤6）测量系统的性能评定抗干扰能力性能标定测试精度分析技术经济合理性2、一般步骤2、一般步骤任务：变压器振动与噪声测量举例1测试步骤（1）分析测试任务：变压器振动与噪声测量目的：掌握振动与噪声源，为理论建模奠定基础获得实际数据，验证理论分析结果合理性测量参数：测量振动空间分布状态及频谱特性测量噪声空间分布大小及频谱特性明确环境：生产厂条件下不同工况测试2、一般步骤（2）（3）：选择测试方法及传感器噪声测量：非接触测量声强测试——避免其它设备干扰声阵列测试（声学照相机）——判断噪声源振动测量：接触测量加速度测量箱体振动——方便2、一般步骤（4）后续测量系统的选定声强、声阵列、激光测试系统测量均需配置专门的后续测量仪器；加速度测量需要配置电荷放大器，同时需考虑多通道数据处理系统2、一般步骤（5）软件设计与编制本任务选用现有仪器，不需要编制测试软件（6）测量系统的性能评定仪器全部选用高精度设备，性能指标可保证经济成本偏高，但作为科研，成本不是主要考虑的问题2、一般步骤思路：干扰原因窜入途经抗干扰措施1）干扰因素外部干扰——环境电磁场、振动、温度、湿度等内部干扰——电路元器件干扰信号回路干扰负载回路干扰电源干扰3、测试系统抗干扰设计2）干扰传播路径3、测试系统抗干扰设计静电感应：导体之间、导体与地之间存在分布电容干扰电压通过分布电容静电感应耦合到有效信号。电磁感应：变化的电流通过互感作用在另一回路中引起的感应电动势。公共阻抗：阻抗不等的两个电路与另一公共阻抗串联产生的干扰。Z1、Z2由于不相等而彼此产生干扰.UnZiMInEnUnZiCm干扰电路3、测试系统抗干扰设计EIa)ΦRaRib)图7-23产生差模干扰的例子EnZiRUn辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场产生的感应电动势造成的干扰。如：电能频繁交换、高频换能装置等处漏电流干扰：电器元件绝缘不良产生的漏电现象。磁屏蔽：一定厚度的铁磁材料作成外壳，外壳以涡流方式消耗高频干扰磁场的能量。磁力线无法穿入壳内，可以保护内部仪器不受外部磁场的影响电磁屏蔽：一定厚度的导电材料作成接地外壳，交变电磁场在导体中按指数规律衰减，可以使壳内仪器不受外界电磁场影响。+E/BE/B3）抗干扰技术屏蔽、隔离、接地、滤波3、测试系统抗干扰设计（1）屏蔽技术利用金属材料对电磁波具有良好的吸收能力来抗干扰静电屏蔽：导体作成的接地的屏蔽外壳，隔离内外部电力线，消除静电耦合。在外电场作用下，壳内场强为零保护其中电路；或壳内电场不能穿透到外部。导线屏蔽：导线是信号有线传播的唯一通道，干扰将通过分布电容耦合到信号中，因此导线可选用同轴电缆，同时其屏蔽层要接地.屏蔽技术举例简单的屏蔽——外壳接地、仪器浮置在高电压、强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地安全可靠制造工艺复杂飞机、舰船上的设备采用浮地3、测试系统抗干扰设计AUsUiRc1Rc2RsRi（2）隔离技术——切断地环路电流干扰3、测试系统抗干扰设计测试电路1光耦合器件测试电路2空间隔离包裹干扰源(将电源变换器包裹起来)合理布置功能电路数字与模拟电路隔离弱信号通路与高频电路隔离信号与负载电路隔离信号之间隔离(多路信号输入时用地线隔离)器件隔离光电隔离隔离放大器隔离变压器两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰数字电路很适用模拟电路中，要选用线性度好的隔离器件（3）接地技术接地作用仪器的安全抗干扰接地原则：不同目的接地应分开同一目的接地应单点接地，尽量避免形成回路。“地”分类信号地、电源地、模拟地、数字地、屏蔽地5、测试系统设计3、测试系统抗干扰设计问题——多点接地造成回路干扰解决——电缆屏蔽层单地原则屏蔽线的接地应与公共端连接3、测试系统抗干扰设计Us放大器12UG正确连接Us放大器12C1C2C3正确连接UGRc1Rc2RiUG放大器ABRsUs（4）滤波技术只允许或只阻止某一频带信号通过测试系统，滤除干扰信号滤波电源滤波模拟滤波数字滤波串模干扰滤波3、测试系统抗干扰设计1）衡量精度的指标（1）测量的准确度测量结果与被测量真值之间的一致程度•精密度△重复测量所得各测量值的离散程度△反映随机误差的大小•正确度△测量值偏离真值的程度△反映系统误差的大小准确度是精密度与正确度的综合。涉及真值，难以量化表示，多作定性描述4、测量系统精度分配随机误差系统误差理想情况(2)测量误差的估计（A）直接测量结果的误差估计对于以量程的百分数表示准确度的仪器仪表的测量结果，测量误差的估计为：对于多次测量，还需考虑随机误差的影响，若标准差估计值为Sx，则测量误差的估计为4、测量系统精度分配%maxx%axxmx)%(xmKsaxxxxx测量结果表示（B）间接测量结果的误差估计a）间接测量量的估计值•间接测量量y是n个直接测量量xi的单值函数，即•间接测量量的最佳估值即：各直接测量量xi的算术平均值的函数值4、测量系统精度分配),,,(21nxxxfy),,,(21nxxxfyb）间接测量量的误差估计值•已知：则有：直接测量量xi的测量绝对误差为△xi，是一个微小变化量，泰勒级数展开，略去高阶小量，则间接测量量y的绝对误差为4、测量系统精度分配niiinnxcxxfxxfxxfy12211iixfc),,,(21nxxxfy),,,(2211nnxxxxxxfyyyyy测量结果表示误差传播系数:直接量的误差间接量误差问题？•间接测量量y是指数函数时，用相对误差更方便：△相对误差传播系数4、测量系统精度分配iixfdlnN3时，由于各个误差不可能均为最大，则计算误差偏大，修正为工程处理——niiixcy1防止负数导致测量误差的不合理niiixcy122几何合成法iiniiiniiiyxdxxfxxfyyyr11ln1绝对值合成法间接测量量的误差传播系数意义Δ确定最大误差项，作为提高测量精度方向Δ确定最小误差项，降低测量精度要求4、测量系统精度分配221niiiyxciixfc例如：将和的电阻串联，求总电阻的误差范围。解：因为：绝对值合成法：几何合成法：可见：几何合成法估计值偏小，所以，大于三项时才采用。110010%R24005%R4、测量系统精度分配110010%10R24005%20R1(1020)30niiiycx22221102022.4niiiycx4、测量系统精度分配（3）测量的不确定度测量不确定度是在经典误差理论上不断发展和完善而得出的，应用测量不确定度更科学、更实用。1970年以来世界各国的计量领域测量不确定度得到广泛应用。A）基本概念定义：测量的不确定度表示对被测量真值不能肯定的误差范围的一种评定，或者说它是测量值不能肯定的程度。表示方法：被测量的真值以一定概率（置信水平）落在某个置信区间。uxxx如[-u,u]是置信区间，为最佳估值•不确定度是测量结果所应有的指标•不确定度越小，测量结果的可信度越高4、测量系统精度分配有关不确定度的几个术语：1）标准不确定度：用估计量的标准差给出的测量不确定度；2）A类标准不确定度：用测量列按统计学方法计算得到的标准不确定度—适合多次测量；3）B类标准不确定度：由非统计学方法评定出来的标准不确定—适合单次测量；4）合成标准不确定度：测量结果的若干个A类和B类标准不确定度分量联合影响测量结果的一个最终完整的标准不确定度。B）不确定度的评定（a）A类标准不确定度的评定用来估计真值，它也是随机变量，也存在标准差•用有限次数测量数据平均值的标准差来度量测量结果的不确定性4、测量系统精度分配xAun__(x~x)AAAuuxu2nn_2iii1i111(x-x)vn-1n-1xxxxnxxxixxix可见：1)虽然和都可以用作真值的估计，但用估计更为可靠，因为的标准偏差较的标准偏差小2)有限次数n不宜超过10(等精度测量难度随n增加)测量结果：对于有限次测量，其测量结果最佳估计值取其算术平均值，则置信区间为一倍标准差（b）B类标准不确定度的评定工程上大多为单次测量，其不确定度为B类标准不确定度•根据经验或资料及假设的概率分布估计的标准差，即：a为可能误差区间的半宽度，即被测量误差可能值的区间(-a，a)k为测量值落在±a区间内概率分布的置信因子测量结果的表达：4、测量系统精度分配kauBˆˆˆ(~)BBBxuxuxu根据误差分布规律确定置信因子k4、测量系统精度分配概率分布适应范围置信因子k三角分布两个值的差或和等引起的不确定度61/2均匀分布数据的舍入、数字仪表的分辨力、仪表的最大允