第四章 测试系统组成与设计原则

第四章测试系统组成与设计原则主要学习内容测试系统的组成结构信息获取信号转换信息的显示、处理测试系统的设计原则与设计方法测试系统的基本结构一般非电量电测系统的基本结构信息的获得——传感器(变送器，换能器)；获得被测量的信息，把它变换成电量。信息的转换——也称为信号调理；主要器件为放大器，变换器；把获得的信息变换、放大，便于后级的处理、传输。信息的显示——指示仪，记录仪，报警器。信息的处理——调节器，数据分折仪，电子计算机。信息的获取输出量为电压、电流、频率等电量；输出的电信号一般较微弱；输出信号与噪声混杂在一起----传感器内部噪声；传感器的信噪比小、输出信号弱----信号淹没在噪声中；传感器的输出特性呈线性或非线性（一般在某个范围内是线性的）；外界环境的变化会影响传感器的输出特性（如温度、冲击等）。主要由传感器完成。其输出信号有以下特点：信号的转换信号转换包含的内容阻抗变换----输出阻抗很高时；信号放大----输出信号微弱时；噪声抑制----信号淹没在噪声中；电压/电流（V/A）转换----需要电流输出时；模拟/数字（A/D）转换----需要输出数字信号时信号转换作用对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量；消除或抑制传感器输出量中的无用信号；提高测量、分析的准确度；简化后续系统的组成。信号的显示、处理信号的显示信号的处理利用matlab用户可以实现波形的产生、信号的变换、滤波、功率谱估计、滤波器设计、系统分析与小波分析等众多功能。频谱图滤波前信号滤波后数据传感器及其组成直接接触被测量，并输出与被被测量成确定关系的其他量的器件（各种弹性元件）不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件，压电晶体，应变片等定义：工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。信息的获取传感器分类按被测物理量分类常见的被测物理量：机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等.按测量原理分类按能量关系分类能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.传感器分类按信号变换特征分类物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.传感器分类1）输入量性能指标：量程或测量范围及过载能力等2）静态特性指标：线性度，迟滞，重复性，精度，灵敏度，分辨率，稳定性和漂移等3）动态特性指标：固有频率，阻尼比，频率特性，时间常数，上升时间，响应时间，超调量，稳态误差等4）可靠性指标：工作寿命，平均无故障工作时间，故障率，疲劳性能，绝缘，耐压，耐温等。5）环境要求指标：工作温度，温度漂移，灵敏度漂移，抗潮湿，抗介质腐蚀，抗冲振等。6）配接要求：供电方式，电压幅度与稳度，功耗，安装方式等。传感器的常用技术性能指标常用传感器选用原则1）灵敏度2）响应特性3）线性范围4）稳定性5）精确度6）测量方式传感器的发展趋势传感器向物性型方向发展传感器向集成化、智能化、微小化方向发展传感器向大量程和宽频带方向发展传感器向高过载能力方向发展信号的放大通常传感器的输出信号很微弱，必须用放大电路放大后便于后续处理，放大器的选取取决于应用的场合和测试系统的要求，需具有如下性能：足够的放大倍数；高输入阻抗，低输出阻抗；高共模抑制比；低温漂，低噪声，低失调电压和电流。信号转换信号的转换一般包括信号放大、滤波和A/D转换运算放大器R1R1R2R2AAUscUscUsrUsr(a)(b)同相放大器反相放大器12RRUUAsrsc121RRUUAsrsc仪器放大器输入USCA3A1A2UIN1反向输入同向输入UaUbR1R2R3R4R1R5R6RGUIN2可编程增益放大器UsrUsrUscA1A2R2R3R'3R'2数字量输入开关驱动电路S1S2S3S'1S'2S'3滤波器M1M1有用信号：与测试目的有关，测试希望得到的信号，如平衡转子的同频振动有用信号、干扰噪声和滤波的必要性干扰噪声：与测试目的无关的信号，如平衡转子时，轴承滚子振动，轴不圆引起振动。要准确地测得()Exf要极大地放大()Exf极大地衰减()Nxf滤波器的工作滤波器频率通带对于一个滤波器来说，能通过它的频率范围称该滤波器的频率通带。频率阻带被滤波器抑制或衰减的频率范围称频率阻带。截止频率频率通带和阻带的交界点称截止频率。211AfAf31212()AfAfAfff41221()AfAfAfff滤波器的分类低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。低通滤波器与高通滤波器的串联低通滤波器与高通滤波器的并联滤波器理想低通滤波器的频率响应函数：其幅频及相频特性曲线脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸，从图中可以看出，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t0时，滤波器就已经有响应了。显然，这是一种非因果关系，在物理上是不能实现的。理想滤波器实际滤波器1）纹波幅度d2）截止频率fc3）带宽B和品质因数Q值4）倍频程选择性W5）滤波器因数012()()2AAfcAfc3213dBccndBBfffQB表征了滤波器的分辨能力表示过渡带变化快慢越接近1，过渡带变化越快dbdbBB360222lg20ccfAfAW2lg2011ccfAfAWRC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性电路的微分方程一阶RC低通滤波器其截止频率为RCfc21一阶RC高通滤波器RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性电路的微分方程RC带通滤波器带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性H(s)=H1(s)H2(s)当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器一阶有源低通滤波器有源滤波器滤波前后比较滤波前的波形滤波后前的波形A/D变换A/D变换是实现模拟信号与数字信号的转后，以便适合传输、处理和存储。A/D变换是将模拟信号进行离散即抽取，再进行编码输出。取样器0f(t)fs(t)fs(t)f(t)0tt采样定理在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。时域采样定理频带为F的连续信号f(t)可用一系列离散的采样值f(t1),f(t1±Δt)，f(t1±2Δt)，...来表示,只要这些采样点的时间间隔Δt≤1/2F，便可根据各采样值完全恢复原来的信号f(t)。这是时域采样定理的一种表述方式。时域采样定理的另一种表述方式是：当时间信号函数f(t)的最高频率分量为fM时,f(t)的值可由一系列采样间隔小于或等于1/2fM的采样值来确定,即采样点的重复频率f≥2fM。图为模拟信号和采样样本的示意图。时域采样定理时域采样定理是采样误差理论、随机变量采样理论和多变量采样理论的基础。频域采样定理对于时间上受限制的连续信号f(t)（即当│t│T时,f(t)=0,这里T=T2-T1是信号的持续时间），若其频谱为F（ω）,则可在频域上用一系列离散的采样值来表示,只要这些采样点的频率间隔ω≦π/tm。采样定理一个频谱受限信号f(t)的最高频率为fm，则f(t)可以用不大于T=1/(2fm)的时间间隔的采样值唯一地确定。……0m－s1s1Fs1()11T……021Tms2－s2Fs2()0……31T－s3ms3Fs3()0－s1s1P1()s1)s1＞2m0P2()s2＝2ms2)s20P3()s3)s3＜2ms3－m－mmsffT211时域采样采样信号tptftfsPFtFs21nsnnPPtp2FtfsnnsnFPFnssnFTF1当采样函数为周期冲激序列时，采样信号的频谱为采样信号的频谱为时域采样00……f(t)tP()s－ss……p(t)(1)T2Tt0fs(t)tT2T0－mmF()T10……－ssmFs()－m0原信号的恢复0000……0fs(t)T2TFs()T1－smsc－cTH()F()m－mf(t)tth(t)f(t)fs(t)由无混叠的Fs(ω)中提取原信号f(t)的频谱F(ω),可以用一矩形频谱函数（理想低通）与Fs(ω)相乘。FHFs测试系统的设计原则和设计方法测试系统的设计原则①了解被测参数的特点，持续时间、幅值范围等；②测试要求的精度；③安装条件，安装方法及要求；④测试环境，温度、湿度、气压等；⑤了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点；⑥了解国内有关方面的加工工艺水平及关键元器件的销售情况。前期工作遵循的原则测试系统的设计原则和设计方法灵敏度分配和误差分配原则组建测量系统的基本原则将传感器、调理电路、数据采集系统组建为一个测量系统的基本原则是使测量系统的基本参数、静态性能及动态性能均达到预先规定的要求。测试系统的设计要考虑测试仪器的精度，对测试系统中已选结构型式的一起要正确的进行各环节的灵敏度分配和误差分配。测试系统的设计方法测试系统的设计原则和设计方法方案设计系统构成方框图的确定环节的设计和制造总装调试和试验分析基本特性、指标的测试和性能考核