測試系統(tǒng)相關設計

1、測試系統(tǒng)相關設計內(nèi)容內(nèi)容 n基本原則基本原則n一般步驟一般步驟n抗干擾設計抗干擾設計n精度分配精度分配測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)典型組成典型組成 傳感器、信號調理、信號處理、顯示與記錄傳感器、信號調理、信號處理、顯示與記錄測測試試對對象象傳感器傳感器信號調理信號調理顯示顯示/記錄記錄電電 源源數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理信號處理信號處理1 1、基本原則、基本原則測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)設計原則設計原則p測量裝置選用測量裝置選用滿足關鍵指標滿足關鍵指標合理的帶寬合理的帶寬接口標準接口標準p誤差分配誤差分配綜合誤差最小或合成不確定度最小綜合誤差最小或合成不確定度最小選擇直接測量量的測量精度適中的方案，降低難度選

2、擇直接測量量的測量精度適中的方案，降低難度p傳感器選用傳感器選用優(yōu)先考慮功能、然后再是指標優(yōu)先考慮功能、然后再是指標p其它：成本、實現(xiàn)其它：成本、實現(xiàn)1 1、基本原則、基本原則步驟步驟F確定測試任務確定測試任務F選擇測量方法選擇測量方法F選擇傳感器選擇傳感器F后續(xù)測量系統(tǒng)的選定后續(xù)測量系統(tǒng)的選定F相應的軟件設計與編制相應的軟件設計與編制F測量系統(tǒng)的性能評定測量系統(tǒng)的性能評定2 2、一般步驟、一般步驟p確定測試任務確定測試任務 在如下環(huán)境中完成如下任務在如下環(huán)境中完成如下任務任務任務參數(shù)監(jiān)測參數(shù)監(jiān)測/ /檢測檢測/ /監(jiān)控監(jiān)控參數(shù)計算（功率測量、傳遞函數(shù)）參數(shù)計算（功率測量、傳遞函數(shù)）場分布，面

3、、陣測量場分布，面、陣測量組組/ /復合傳感器復合傳感器環(huán)境環(huán)境高壓、高溫、高沖擊高壓、高溫、高沖擊 工作介質工作介質: :水、油、空氣或蒸氣水、油、空氣或蒸氣被測表面被測表面: :材質、偏差材質、偏差2 2、一般步驟、一般步驟p選擇測量方法選擇測量方法 功能功能在線測量在線測量/ /離線測量離線測量是否固定是否固定實時測量實時測量/ /離線分析離線分析是否現(xiàn)場給出結果是否現(xiàn)場給出結果實時測控實時測控數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)布數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)布/ /數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸指標指標非線性度、精度、量程、分辨率非線性度、精度、量程、分辨率穩(wěn)定性、溫漂、零漂穩(wěn)定性、溫漂、零漂頻響頻響成本成本簡易：傳感器電壓表；傳

4、感器簡易：傳感器電壓表；傳感器A/DA/D板計算機板計算機適中：傳感器信號處理信號測量適中：傳感器信號處理信號測量先進：傳感器信號處理測量、分析、傳輸先進：傳感器信號處理測量、分析、傳輸2 2、一般步驟、一般步驟p選擇傳感器選擇傳感器被測參數(shù)被測參數(shù)傳感器類型傳感器類型振動、位移、溫度、轉速、壓力、扭矩振動、位移、溫度、轉速、壓力、扭矩測試部位測試部位對被測量的影響對被測量的影響加速度傳感器加速度傳感器對傳感器的影響對傳感器的影響渦流傳感器渦流傳感器選擇傳感器選擇傳感器指標：指標：靈敏度、線性范圍、精確度、頻響、穩(wěn)定性等靈敏度、線性范圍、精確度、頻響、穩(wěn)定性等 工程考慮：傳感器種類越少越好工程

5、考慮：傳感器種類越少越好合并：位移振動合并：位移振動類型優(yōu)化：一種傳感器多種測量類型優(yōu)化：一種傳感器多種測量( (渦流傳感器：位移、渦流傳感器：位移、振動、轉速振動、轉速) )輸出標準：輸出標準：減少信號處理難度減少信號處理難度電流電流 420mA420mA、電壓、電壓5V; 5V; 數(shù)字通訊（數(shù)字通訊（TCP/IPTCP/IP）2 2、一般步驟、一般步驟切角面切角面3x探頭直徑探頭直徑圓柱面圓柱面3x探頭直徑探頭直徑傳感器傳感器p后續(xù)測量系統(tǒng)的選定后續(xù)測量系統(tǒng)的選定傳感器與信號調理裝置的匹配問題傳感器與信號調理裝置的匹配問題 各個測量裝置的靜動態(tài)特性匹配問題各個測量裝置的靜動態(tài)特性匹配問題測

6、量系統(tǒng)的精度設計指標測量系統(tǒng)的精度設計指標頻響頻響p相應的軟件設計與編制相應的軟件設計與編制實現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動化、智能化實現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動化、智能化 成本成本人機交互界面人機交互界面p測量系統(tǒng)的性能評定測量系統(tǒng)的性能評定經(jīng)濟合理性經(jīng)濟合理性抗干擾能力抗干擾能力測試精度分析測試精度分析2 2、一般步驟、一般步驟干擾源干擾源外部干擾外部干擾環(huán)境環(huán)境 電磁場、振動、溫度、濕度等電磁場、振動、溫度、濕度等內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾電路電路元器件干擾元器件干擾信號回路干擾信號回路干擾負載回路干擾負載回路干擾電源干擾電源干擾數(shù)字電路干擾數(shù)字電路干擾3 3、抗干擾設計、抗干擾設計干擾傳播路徑干擾傳播路徑F靜電感應：導

7、體之間通過分布電容耦合到的有效輸入成分靜電感應：導體之間通過分布電容耦合到的有效輸入成分F電磁感應：變化的電流通過互感作用在另一回路電磁感應：變化的電流通過互感作用在另一回路中引起的感應電動勢中引起的感應電動勢F輻射電磁干擾：周圍強烈的電磁場產(chǎn)生的感應電動輻射電磁干擾：周圍強烈的電磁場產(chǎn)生的感應電動勢造成的干擾勢造成的干擾F漏電流干擾：電器元件絕緣不良或功率器件間距不夠產(chǎn)生漏電流干擾：電器元件絕緣不良或功率器件間距不夠產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象的漏電現(xiàn)象F公共阻抗：阻抗不等的兩個電路與另一公共阻抗串聯(lián)產(chǎn)生公共阻抗：阻抗不等的兩個電路與另一公共阻抗串聯(lián)產(chǎn)生的干擾的干擾3 3、抗干擾設計、抗干擾設計屏蔽技術屏

8、蔽技術 靜電屏蔽：靜電屏蔽：在靜電場作用下，導體內(nèi)部各點等電位在靜電場作用下，導體內(nèi)部各點等電位 利用銅、鋁等低阻導電材料，做成利用銅、鋁等低阻導電材料，做成接地金屬容器，隔離內(nèi)外部電力線，消接地金屬容器，隔離內(nèi)外部電力線，消除靜電耦合除靜電耦合n磁屏蔽：磁屏蔽：導體層以導體層以渦流方式消耗高頻干擾磁場的能量渦流方式消耗高頻干擾磁場的能量 鐵磁材料（硅鋼、坡莫合金）制成容器鐵磁材料（硅鋼、坡莫合金）制成容器n電磁屏蔽：電磁屏蔽：用導電良好的金屬材料（銅箔用導電良好的金屬材料（銅箔,鋁箔鋁箔/板）做成的接地電磁屏蔽板）做成的接地電磁屏蔽層，同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用層，同時起到電磁屏蔽和

9、靜電屏蔽兩種作用 屏蔽導線、屏蔽電纜屏蔽導線、屏蔽電纜3 3、抗干擾設計、抗干擾設計屏蔽技術屏蔽技術 簡單的屏蔽簡單的屏蔽接地、浮置接地、浮置 在高電壓強磁場的環(huán)境下，測量儀器經(jīng)常采用浮地系統(tǒng)在高電壓強磁場的環(huán)境下，測量儀器經(jīng)常采用浮地系統(tǒng) 為了防止在外殼上感應出高電壓，外殼必須接大地為了防止在外殼上感應出高電壓，外殼必須接大地o安全可靠安全可靠o制造工藝復雜制造工藝復雜o飛機、艦船上的設備采用浮地飛機、艦船上的設備采用浮地機殼機殼機殼機殼機殼機殼絕緣層絕緣層 A Us Ui Rc1 Rc2 Rs Ri 3 3、抗干擾設計、抗干擾設計屏蔽技術屏蔽技術電纜屏蔽層電纜屏蔽層單地原則單地原則屏蔽線的

10、接地應與公共端連接屏蔽線的接地應與公共端連接Us放放大大器器12UG正確連接正確連接Us放放大大器器12C1C2C3正確連接正確連接UG3 3、抗干擾設計、抗干擾設計隔離技術隔離技術 切斷地環(huán)路電流干擾切斷地環(huán)路電流干擾F兩個測試電路的地電位完全隔離開，避免干擾兩個測試電路的地電位完全隔離開，避免干擾F數(shù)字電路很適用數(shù)字電路很適用F模擬電路中，要選用線性度好的隔離器件模擬電路中，要選用線性度好的隔離器件濾波技術濾波技術阻止某一頻帶信號通過測試系統(tǒng)阻止某一頻帶信號通過測試系統(tǒng)3 3、抗干擾設計、抗干擾設計接地技術接地技術接地作用：接地作用：安全、基準電位安全、基準電位抗干擾（抗噪聲、靜電屏蔽等）

11、抗干擾（抗噪聲、靜電屏蔽等）接地方式接地方式并聯(lián)接地并聯(lián)接地串聯(lián)接地串聯(lián)接地串并聯(lián)接地串并聯(lián)接地3 3、抗干擾設計、抗干擾設計接地技術接地技術接地原則：一點接地接地原則：一點接地地線應連在一起并通過一點接地地線應連在一起并通過一點接地避免公共地線各點電位不均勻而形成接地回路，產(chǎn)生干擾避免公共地線各點電位不均勻而形成接地回路，產(chǎn)生干擾Rc1Rc2RiUG放放大大器器ABRsUs3 3、抗干擾設計、抗干擾設計衡量精度的指標衡量精度的指標p測量的準確度測量的準確度(是精密度和正確是精密度和正確 度的綜合度的綜合)測量結果與被測量真值之間的一致程度測量結果與被測量真值之間的一致程度精密度精密度重復測量

12、所得各測量值的離散程度重復測量所得各測量值的離散程度反映隨機誤差的大小反映隨機誤差的大小正確度正確度測量值偏離真值的程度測量值偏離真值的程度反映系統(tǒng)誤差的大小反映系統(tǒng)誤差的大小 涉及真值，多作涉及真值，多作定性描述定性描述4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配隨機誤差隨機誤差系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差理想情況理想情況p測量的不確定度測量的不確定度測量結果不能肯定的程度、被測量之值測量結果不能肯定的程度、被測量之值x的分散性的分散性范圍范圍n被測量的真值被測量的真值x以一定概率落在某個量值以一定概率落在某個量值最佳估值的范圍內(nèi)最佳估值的范圍內(nèi) -u, u 不確定區(qū)間不確定區(qū)間最佳估值最佳估值測量結果測量結

13、果不確定度分為兩類不確定度分為兩類A類不確定度：用統(tǒng)計方法求出類不確定度：用統(tǒng)計方法求出多次測量多次測量B類不確定度：用其他方法得出類不確定度：用其他方法得出單次測量單次測量mmx005.0515.9最佳估值和不確定度最佳估值和不確定度 單位單位4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配不確定度的評定不確定度的評定pA類不確定度的評定類不確定度的評定用用有限次數(shù)測量數(shù)據(jù)有限次數(shù)測量數(shù)據(jù)的標準差估值來度量測量結果的不確定性的標準差估值來度量測量結果的不確定性最佳估值取其算術平均值，則置信區(qū)間為最佳估值取其算術平均值，則置信區(qū)間為有限次數(shù)有限次數(shù)n：不宜超過：不宜超過10 (等精度測量難度隨等精度測量

14、難度隨n增加增加)測量結果：測量結果：對于有限次測量，其測量結果對于有限次測量，其測量結果4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配pB類不確定度的評定類不確定度的評定 確定工程上大多確定工程上大多單次測量單次測量x x的不確定度的不確定度根據(jù)經(jīng)驗或資料及假設的概率分布估計的標準差來表征根據(jù)經(jīng)驗或資料及假設的概率分布估計的標準差來表征 a a為誤差區(qū)間的半寬度，即被測量誤差可能值的區(qū)間為誤差區(qū)間的半寬度，即被測量誤差可能值的區(qū)間(-a(-a，a)a)k k為測量值落在為測量值落在a a區(qū)間內(nèi)概率分布的置信因子區(qū)間內(nèi)概率分布的置信因子 測量結果的置信區(qū)間測量結果的置信區(qū)間4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系

15、統(tǒng)精度分配pB類不確定度的評定類不確定度的評定根據(jù)誤差分布規(guī)律確定根據(jù)誤差分布規(guī)律確定k P(%) 50 68.27 90 95.45 99 99.73K 0.67 1 1.645 1.960 2.576 34、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配pB類不確定度的評定類不確定度的評定示例示例引用誤差引用誤差 已知儀表滿度已知儀表滿度A和精度等級和精度等級r，則最大允許誤差為，則最大允許誤差為 根據(jù)均勻分布，置信因子及標準不確定度為根據(jù)均勻分布，置信因子及標準不確定度為儀器的基本誤差儀器的基本誤差 儀器在指定條件下對某量測量時，可能達到的最大誤差界限值為儀器在指定條件下對某量測量時，可能達到的最大

16、誤差界限值為a，按均勻分布假，按均勻分布假設，置信因子及標準不確定度設，置信因子及標準不確定度 若已知分布，則按實際分布計算若已知分布，則按實際分布計算4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配pB類不確定度的評定類不確定度的評定示例示例儀器的分辨力儀器的分辨力 數(shù)字式儀器的指示裝置或數(shù)字式儀器的指示裝置或A/D的分辨力為的分辨力為x，其區(qū)間半寬，其區(qū)間半寬 由均勻分布假設，置信因子及標準不確定度為由均勻分布假設，置信因子及標準不確定度為未給出儀器誤差時估計未給出儀器誤差時估計最大允許誤差最大允許誤差a連續(xù)可讀儀器連續(xù)可讀儀器 最小分度最小分度/2/2非連續(xù)可讀儀器非連續(xù)可讀儀器 最小分度最小分度

17、/2/2 可按均勻分布假設，置信因子及標準不確定度為可按均勻分布假設，置信因子及標準不確定度為4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配3/3akaukB連續(xù)可讀連續(xù)可讀最小分度最小分度1 1m mmmmm最大誤差最大誤差0.005mm0.005mm不確定度的評定不確定度的評定pB類不確定度的評定類不確定度的評定示例示例正態(tài)分布變量正態(tài)分布變量 測量量以測量量以2/3即即67%的概率落在的概率落在a-a+的區(qū)間，則最佳估值為（的區(qū)間，則最佳估值為（a-+a+）/2，而區(qū)間半寬，而區(qū)間半寬 置信因子及標準不確定度為置信因子及標準不確定度為4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配不確定度的評定不確定度的

18、評定p合成標準不確定度的評定合成標準不確定度的評定測量誤差是測量過程中所有因素及環(huán)節(jié)引起誤差的綜合結果測量誤差是測量過程中所有因素及環(huán)節(jié)引起誤差的綜合結果 傳感器的非線性、遲滯、分散性、環(huán)境等傳感器的非線性、遲滯、分散性、環(huán)境等定義：定義：n個影響量獨立引起測量結果的不確定度個影響量獨立引起測量結果的不確定度ui 的幾何合成的幾何合成ui既可為既可為A類標準不確定度，也可為類標準不確定度，也可為B類標準不確定度類標準不確定度當誤差分量項數(shù)較?。ㄒ话惝斦`差分量項數(shù)較?。ㄒ话鉵3）時）時 4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配直接測量結果的誤差估計直接測量結果的誤差估計p量程量程xm和準確度等級和

19、準確度等級a%決定的測量結果誤差決定的測量結果誤差 p多次測量多次測量隨機誤差隨機誤差 標準差估計值為標準差估計值為sx，測量誤差修正為，測量誤差修正為K為置信因子，通常取值為為置信因子，通常取值為3 4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配間接測量結果的誤差估計間接測量結果的誤差估計p間接測量量的估計值間接測量量的估計值間接測量量間接測量量y是是n個直接測量量個直接測量量xi的單值函數(shù)，即的單值函數(shù)，即間接測量量的最佳估值間接測量量的最佳估值 各直接測量量各直接測量量x xi i的算術平均值的函數(shù)值的算術平均值的函數(shù)值4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配間接測量結果的誤差估計間接測量結果的誤

20、差估計合成誤差：通過函數(shù)傳遞的誤差合成誤差：通過函數(shù)傳遞的誤差 直接測量量直接測量量x xi i的測量絕對誤差為的測量絕對誤差為x xi i，是一個微小變化量，則間接測量量，是一個微小變化量，則間接測量量y y的絕對誤差和相對誤差為的絕對誤差和相對誤差為近似：泰勒級數(shù)展開，略去高階小量近似：泰勒級數(shù)展開，略去高階小量誤差傳播系數(shù)誤差傳播系數(shù)： 直接量的誤差直接量的誤差間接量誤差間接量誤差4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配間接測量結果的誤差估計間接測量結果的誤差估計工程處理工程處理偏導數(shù)處理：防止負數(shù)導致測量誤差的不合理偏導數(shù)處理：防止負數(shù)導致測量誤差的不合理N3時計算誤差偏大，修正為時計算

21、誤差偏大，修正為結果表示結果表示示例示例4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配間接測量結果的誤差估計間接測量結果的誤差估計誤差傳播系數(shù)意義誤差傳播系數(shù)意義確定最大誤差項，作為提高測量精度方向確定最大誤差項，作為提高測量精度方向確定最小誤差項，降低測量精度要求確定最小誤差項，降低測量精度要求合成標準不確定度合成標準不確定度函數(shù)函數(shù)y y的合成不確定度由直接測量量的合成不確定度由直接測量量x xi i的標準不確定度的標準不確定度u uxixi確定確定n3n3時，推薦用絕對值合成時，推薦用絕對值合成4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配誤差分配與測量方案的選擇誤差分配與測量方案的選擇p誤差分配誤差分

22、配誤差分配是誤差合成的逆問題，即在總誤差給定的前提下，確定出各分誤差分配是誤差合成的逆問題，即在總誤差給定的前提下，確定出各分項誤差項誤差誤差分配方案誤差分配方案誤差的分配和誤差傳播系數(shù)誤差的分配和誤差傳播系數(shù)ci有關，涉及到不同測量方案有關，涉及到不同測量方案p方案選擇原則方案選擇原則綜合誤差最小綜合誤差最小直接測量量的測量精度適中，難度降低直接測量量的測量精度適中，難度降低直接測量量直接測量量xi的誤差小于合成誤差的三分之一，可忽略的誤差小于合成誤差的三分之一，可忽略p誤差分配步驟誤差分配步驟根據(jù)不同的假設對誤差進行預分配根據(jù)不同的假設對誤差進行預分配按照實際可能（現(xiàn)有技術水平、工藝設備、

23、實驗環(huán)境、操作難易程按照實際可能（現(xiàn)有技術水平、工藝設備、實驗環(huán)境、操作難易程度、經(jīng)濟效益等）對預分配方案進行調整度、經(jīng)濟效益等）對預分配方案進行調整按照誤差合成理論對分配方案進行校核按照誤差合成理論對分配方案進行校核4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配誤差分配與測量方案的選擇誤差分配與測量方案的選擇p誤差預分配方法誤差預分配方法直接測量量誤差相等法直接測量量誤差相等法 xi取相同誤差量取相同誤差量誤差分項相等法誤差分項相等法 CiXi取相同誤差量取相同誤差量求其直接測量量的誤差求其直接測量量的誤差 可能導致一些量的測量精度無法實現(xiàn)可能導致一些量的測量精度無法實現(xiàn)優(yōu)勢誤差加權分配法優(yōu)勢誤差加權分配法 重點考慮重點考慮Ci項大的，加大取值權重項大的，加大取值權重求其直接測量量的誤差求其直接測量量的誤差4、測量系統(tǒng)精度分配、測量系統(tǒng)精度分配誤差分配與測量方案的選擇誤差分配與測量方案的選擇p方案選擇示例方案選擇示例現(xiàn)有量程為Vm = 300V ，準確度等級為0.5級的交流電壓表一只；量程Im =10A