《测试系统设计》PPT课件.ppt

测试技术测试技术 测试系统设计测试系统设计(2)第七章第七章内容内容 1.基本原则基本原则2.一般步骤一般步骤3.抗干扰设计抗干扰设计4.精度分配精度分配测试系统测试系统典型组成典型组成 传感器、传感器、信号调理信号调理、信号处理、显示与记录、信号处理、显示与记录信号处理信号处理1、基本原则、基本原则测试系统测试系统设计原则设计原则p测量装置选用测量装置选用满足关键指标满足关键指标合理的带宽合理的带宽接口标准接口标准p误差分配误差分配综合误差最小或合成不确定度最小综合误差最小或合成不确定度最小选择直接测量量的测量精度适中的方案，降低难度选择直接测量量的测量精度适中的方案，降低难度p传感器选用传感器选用优先考虑功能、然后再是指标优先考虑功能、然后再是指标p其它：成本、实现其它：成本、实现1、基本原则、基本原则步骤步骤F确定测试任务确定测试任务F选择测量方法选择测量方法F选择传感器选择传感器F后续测量系统的选定后续测量系统的选定F相应的软件设计与编制相应的软件设计与编制F测量系统的性能评定测量系统的性能评定2、一般步骤、一般步骤p确定测试任务确定测试任务 在如下环境中完成如下任务在如下环境中完成如下任务任务任务参数监测参数监测/检测检测/监控监控参数计算（功率测量、传递函数）参数计算（功率测量、传递函数）场分布，面、阵测量场分布，面、阵测量组组/复合传感器复合传感器环境环境高压、高温、高冲击高压、高温、高冲击 工作介质工作介质:水、油、空气或蒸气水、油、空气或蒸气被测表面被测表面:材质、偏差材质、偏差2、一般步骤、一般步骤p选择测量方法选择测量方法 功能功能在线测量在线测量/离线测量离线测量是否固定是否固定实时测量实时测量/离线分析离线分析是否现场给出结果是否现场给出结果实时测控实时测控数据存储、数据发布数据存储、数据发布/数据传输数据传输指标指标非线性度、精度、量程、分辨率非线性度、精度、量程、分辨率稳定性、温漂、零漂稳定性、温漂、零漂频响频响成本成本简易：传感器电压表；传感器简易：传感器电压表；传感器A/DA/D板计算机板计算机适中：传感器信号处理信号测量适中：传感器信号处理信号测量先进：传感器信号处理测量、分析、传输先进：传感器信号处理测量、分析、传输2、一般步骤、一般步骤p选择传感器选择传感器被测参数被测参数传感器类型传感器类型振动、位移、温度、转速、压力、扭矩振动、位移、温度、转速、压力、扭矩测试部位测试部位对被测量的影响对被测量的影响加速度传感器加速度传感器对传感器的影响对传感器的影响涡流传感器涡流传感器选择传感器选择传感器指标：指标：灵敏度、线性范围、精确度、频响、稳定性等灵敏度、线性范围、精确度、频响、稳定性等 工程考虑：传感器工程考虑：传感器种类种类越少越好越少越好合并：位移振动合并：位移振动类类型型优优化化：一一种种传传感感器器多多种种测测量量(涡涡流流传传感感器器：位位移移、振动、转速振动、转速)输出标准：输出标准：减少信号处理难度减少信号处理难度电流电流 420mA420mA、电压、电压5V;5V;数字通讯（数字通讯（TCP/IPTCP/IP）2、一般步骤、一般步骤切角面切角面3x探头直径探头直径圆柱面圆柱面3x探头直径探头直径传感器传感器p后续测量系统的选定后续测量系统的选定传感器与信号调理装置的匹配问题传感器与信号调理装置的匹配问题 各个测量装置的静动态特性匹配问题各个测量装置的静动态特性匹配问题测量系统的精度设计测量系统的精度设计指标指标频响频响p相应的软件设计与编制相应的软件设计与编制实现测试系统的自动化、智能化实现测试系统的自动化、智能化 成本成本人机交互界面人机交互界面p测量系统的性能评定测量系统的性能评定经济合理性经济合理性抗干扰能力抗干扰能力测试精度分析测试精度分析2、一般步骤、一般步骤干扰源干扰源外部干扰外部干扰环境环境 电磁场、振动、温度、湿度等电磁场、振动、温度、湿度等内部干扰内部干扰电路电路元器件干扰元器件干扰信号回路干扰信号回路干扰负载回路干扰负载回路干扰电源干扰电源干扰数字电路干扰数字电路干扰3、抗干扰设计、抗干扰设计干扰传播路径干扰传播路径F静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有效输入成分效输入成分F电磁感应：变化的电流通过互感作用在另一回电磁感应：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路中引起的感应电动势F辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场产生的感应辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场产生的感应电动势造成的干扰电动势造成的干扰F漏电流干扰：电器元件绝缘不良或功率器件间漏电流干扰：电器元件绝缘不良或功率器件间距不够产生的漏电现象距不够产生的漏电现象F公共阻抗：阻抗不等的两个电路与另一公共阻公共阻抗：阻抗不等的两个电路与另一公共阻抗串联产生的干扰抗串联产生的干扰3、抗干扰设计、抗干扰设计屏蔽技术屏蔽技术 静电屏蔽：静电屏蔽：在静电场作用下，在静电场作用下，导体导体内部各点等电位内部各点等电位 利用铜、铝等利用铜、铝等低阻导电材料，做成低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外部接地金属容器，隔离内外部电力线，消除静电耦合电力线，消除静电耦合磁屏蔽：磁屏蔽：导体层以导体层以涡流方式涡流方式消耗高频干扰磁场的能量消耗高频干扰磁场的能量 铁磁材料铁磁材料（硅钢、坡莫合金）制成容器（硅钢、坡莫合金）制成容器电磁屏蔽：电磁屏蔽：用导电良好的用导电良好的金属材料金属材料（铜箔（铜箔,铝箔铝箔/板）做成的接板）做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用 屏蔽导线、屏蔽电缆屏蔽导线、屏蔽电缆3、抗干扰设计、抗干扰设计屏蔽技术屏蔽技术 简单的屏蔽简单的屏蔽接地、浮置接地、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，外壳必须接大地为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地o安全可靠安全可靠o制造工艺复杂制造工艺复杂o飞机、舰船上的设备采用浮地飞机、舰船上的设备采用浮地机壳机壳机壳机壳机壳机壳绝缘层绝缘层3、抗干扰设计、抗干扰设计屏蔽技术屏蔽技术电缆屏蔽层电缆屏蔽层单地原则单地原则屏蔽线的接地应与公共端连接屏蔽线的接地应与公共端连接Us放放大大器器12UG正确连接正确连接Us放放大大器器12C1C2C3正确连接正确连接UG3、抗干扰设计、抗干扰设计隔离技术隔离技术 切断地环路电流干扰切断地环路电流干扰F两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰F数字电路很适用数字电路很适用F模拟电路中，要选用线性度好的隔离器件模拟电路中，要选用线性度好的隔离器件滤波技术滤波技术阻止某一频带信号通过测试系统阻止某一频带信号通过测试系统3、抗干扰设计、抗干扰设计接地技术接地技术接地作用：接地作用：安全、基准电位安全、基准电位抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等）抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等）接地方式接地方式并联接地并联接地串联接地串联接地串并联接地串并联接地3、抗干扰设计、抗干扰设计接地技术接地技术接地原则：一点接地接地原则：一点接地地线应连在一起并通过地线应连在一起并通过一点接地一点接地避免公共地线各点避免公共地线各点电位不均匀而形成接地回路，电位不均匀而形成接地回路，产生干扰产生干扰Rc1Rc2RiUG放放大大器器ABRsUs3、抗干扰设计、抗干扰设计衡量精度的指标衡量精度的指标p测量的准确度测量的准确度(是精密度和正确是精密度和正确 度的综合度的综合)测量结果与被测量真值之间的测量结果与被测量真值之间的一致程度一致程度精密精密度度重复测量所得各测量值的离散程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反映随机误差的大小正确正确度度测量值偏离真值的程度测量值偏离真值的程度反映系统误差的大小反映系统误差的大小 涉及真值，多作涉及真值，多作定性描述定性描述4、测量系统精度分配、测量系统精度分配随机误差随机误差系统误差系统误差理想情况理想情况p测量的不确定度测量的不确定度测量结果测量结果不能肯定不能肯定的程度、被测量之值的程度、被测量之值x的分散性的分散性范围范围被测量的真值被测量的真值x以一定概率落在某个量值以一定概率落在某个量值最佳估值的范围内最佳估值的范围内 -u,u 不确定区间不确定区间最佳估值最佳估值测量结果测量结果不确定度分为不确定度分为两类两类A类不确定度：用类不确定度：用统计统计方法求出方法求出多次测量多次测量B类不确定度：用其他方法得出类不确定度：用其他方法得出单次测量单次测量最佳估值和不确定度最佳估值和不确定度 单位单位4、测量系统精度分配、测量系统精度分配不确定度的评定不确定度的评定pA类不确定度的评定类不确定度的评定用用有限次数有限次数测量数据测量数据的的标准差估值标准差估值来度量测量结果的不确定性来度量测量结果的不确定性最佳估值取其最佳估值取其算术平均值算术平均值，则置信区间为，则置信区间为有限次数有限次数n：不宜超过：不宜超过10(等精度测量难度随等精度测量难度随n增加增加)测量结果：测量结果：对于有限次测量，其测量结果对于有限次测量，其测量结果4、测量系统精度分配、测量系统精度分配pB类不确定度的评定类不确定度的评定 确定确定工程工程上大多上大多单次测量单次测量x x的不确定度的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来表征根据经验或资料及假设的概率分布估计的标准差来表征 a a为误差区间的半宽度，即被测量误差可能值的区间为误差区间的半宽度，即被测量误差可能值的区间(-a(-a，a)a)k k为测量值落在为测量值落在aa区间内概率分布的置信因子区间内概率分布的置信因子 测量结果的置信区间测量结果的置信区间4、测量系统精度分配、测量系统精度分配pB类不确定度的评定类不确定度的评定根据误差分布规律确定根据误差分布规律确定k P(%)50 68.27 90 95.45 99 K 0.67 1 1.645 1.960 2.576 34、测量系统精度分配、测量系统精度分配pB类不确定度的评定类不确定度的评定示例示例引用误差引用误差 已知仪表满度已知仪表满度A和精度等级和精度等级r，则最大允许误差为，则最大允许误差为 根据均匀分布，置信因子及标准不确定度为根据均匀分布，置信因子及标准不确定度为仪器的基本误差仪器的基本误差 仪器在指定条件下对某量测量时，可能达到的最大误差界限值为仪器在指定条件下对某量测量时，可能达到的最大误差界限值为a，按均匀分布假设，置信因子及标准不确定度，按均匀分布假设，置信因子及标准不确定度 若已知分布，则按实际分布计算若已知分布，则按实际分布计算4、测量系统精度分配、测量系统精度分配pB类不确定度的评定类不确定度的评定示例示例仪器的分辨力仪器的分辨力 数字式仪器的指示装置或数字式仪器的指示装置或A/D的分辨力为的分辨力为x，其区间半宽，其区间半宽 由均匀分布假设，置信因子及标准不确定度为由均匀分布假设，置信因子及标准不确定度为未给出仪器误差时估计未给出仪器误差时估计最大允许误差最大允许误差a连续可读仪器连续可读仪器 最小分度最小分度/2/2非连续可读仪器非连续可读仪器 最小分度最小分度/2/2 可按均匀分布假设，置信因子及标准不确定度为可按均匀分布假设，置信因子及标准不确定度为4、测量系统精度分配、测量系统精度分配连续可读连续可读最小分度最小分度1 1m mmmmm最大误差最大误差0.005mm0.005mm不确定度的评定不确定度的评定pB类不确定度的评定类不确定度的评定示例示例正态分布变量正态分布变量 测量量以测量量以2/3即即67%的概率落在的概率落在a-a+的区间，则最佳估的区间，则最佳估值为（值为（a-+a+）/2，而区间半宽，而区间半宽 置信因子及标准不确定度为置信因子及标准不确定度为4、测量系统精度分配、测量系统精度分配不确定度的评定不确定度的评定p合成标准不确定度的评定合成标准不确定度的评定测量误差是测量过程中所有因素及环节引起误差的综合结果测量误差是测量过程中所有因素及环节引起误差的综合结果 传感器的非线性、迟滞、分散性、环境等传感器的非线性、迟滞、分散性、环境等定义：定义：n个个影响量影响量独立引起测量结果的不确定度独立引起测量结果的不确定度ui 的几何合成的几何合成ui既可为既可为A类标准不确定度，也可为类标准不确定度，也可为B类标准不确定度类标准不确定度当误差分量项数较小（一般当误差分量项数较小（一般n3）时）时 4、测量系统精度分配、测量系统精度分配直接测量结果的误差估计直接测量结果的误差估计p量程量程xm和准确度等级和准确度等级a%决定的测量结果误差决定的测量结果误差 p多次测量多次测量随机误差随机误差 标准差估计值为标准差估计值为sx，测量误差修正为，测量误差修正为K为置信因子，通常取值为为置信因子，通常取值为3 4、测量系统精度分配、测量系统精度分配间接测量结果的误差估计间接测量结果的误差估计p间接测量量的估计值间接测量量的估计值间接测量量间接测量量y是是n个直接测量量个直接测量量xi的单值函数，即的单值函数，即间接测量量的最佳估值间接测量量的最佳估值 各直接测量量各直接测量量x xi i的算术平均值的的算术平均值的函数值函数值4、测量系统精度分配、测量系统精度分配间接测量结果的误差估计间接测量结果的误差估计合成误差合成误差：通过函数传递的误差：通过函数传递的误差 直接测量量直接测量量x xi i的测量绝对误差为的测量绝对误差为x xi i，是一个微小变化量，则间，是一个微小变化量，则间接测量量接测量量y y的绝对误差和相对误差为的绝对误差和相对误差为近似：泰勒级数展开，略去高阶小量近似：泰勒级数展开，略去高阶小量误差传播系数误差传播系数：直接量的误差直接量的误差间接量误差间接量误差4、测量系统精度分配、测量系统精度分配间接测量结果的误差估计间接测量结果的误差估计工程处理工程处理偏导数处理：防止偏导数处理：防止负数负数导致测量误差的不合理导致测量误差的不合理N3时计算误差偏大，修正为时计算误差偏大，修正为结果表示结果表示示例示例4、测量系统精度分配、测量系统精度分配间接测量结果的误差估计间接测量结果的误差估计误差传播系数误差传播系数意义意义确定最大误差项，作为提高测量精度方向确定最大误差项，作为提高测量精度方向确定最小误差项，降低测量精度要求确定最小误差项，降低测量精度要求合成标准不确定度合成标准不确定度函数函数y y的合成不确定度由直接测量量的合成不确定度由直接测量量x xi i的标准不确定度的标准不确定度u uxixi确定确定n3n3时，推荐用绝对值合成时，推荐用绝对值合成4、测量系统精度分配、测量系统精度分配误差分配与测量方案的选择误差分配与测量方案的选择p误差分配误差分配误差分配是误差合成的逆问题，即在总误差给定的前提下，确定误差分配是误差合成的逆问题，即在总误差给定的前提下，确定出各分项误差出各分项误差误差分配方案误差分配方案误差的分配和误差误差的分配和误差传播系数传播系数ci有关，涉及到不同测量方案有关，涉及到不同测量方案p方案选择原则方案选择原则综合误差最小综合误差最小直接测量量的测量精度适中，难度降低直接测量量的测量精度适中，难度降低直接测量量直接测量量xi的误差小于合成误差的三分之一，可忽略的误差小于合成误差的三分之一，可忽略p误差分配步骤误差分配步骤根据不同的假设对误差进行预分配根据不同的假设对误差进行预分配按照实际可能（现有技术水平、工艺设备、实验环境、操作难易按照实际可能（现有技术水平、工艺设备、实验环境、操作难易程度、经济效益等）对预分配方案进行调整程度、经济效益等）对预分配方案进行调整按照误差合成理论对分配方案进行校核按照误差合成理论对分配方案进行校核4、测量系统精度分配、测量系统精度分配误差分配与测量方案的选择误差分配与测量方案的选择p误差预分配方法误差预分配方法直接测量量直接测量量误差相等法误差相等法 xi取相同误差量取相同误差量误差分项相等法误差分项相等法 CiXi取相同误差量取相同误差量求其直接测量量的误差求其直接测量量的误差 可能导致一些量的测量精度无法实现可能导致一些量的测量精度无法实现优势误差加权分配法优势误差加权分配法 重点考虑重点考虑Ci项大的，加大取值权重项大的，加大取值权重求其直接测量量的误差求其直接测量量的误差4、测量系统精度分配、测量系统精度分配误差分配与测量方案的选择误差分配与测量方案的选择p方案选择示例方案选择示例现有量程为Vm=300V，准确度等级为级的交流电压表一只；量程Im=10A，准确度等级级的交流电流表一只；准确度等级级的单臂电桥一台,欲测额定电压220V,额定功率1kw的某电阻R的消耗功率,请确定最佳测量方案解：根据给定的测量条件，可选择以下三种测量方法4、测量系统精度分配、测量系统精度分配直接测量量的误差估计：直接测量量的误差估计：V=300/2200.5%=0.68%I=10/(1000/220)0.5%=1.1%R=0.2%由由公公式式,P的相对不确定度估计为：的相对不确定度估计为：方案方案:方案方案:方案方案:通过比较可知，方案通过比较可知，方案测量合成不确定度最小，为最佳测量方案测量合成不确定度最小，为最佳测量方案4、测量系统精度分配、测量系统精度分配测试系统测试系统设计原则设计原则p测量单元选用（测量单元选用（关键指标、带宽、接口标准）关键指标、带宽、接口标准）p误差分配、传感器选用误差分配、传感器选用测试系统测试系统设计步骤设计步骤（任务、方法、传感器、后续单元、软件、评定）任务、方法、传感器、后续单元、软件、评定）抗干扰设计抗干扰设计p干扰传播路径：静电、电磁感应，辐射电磁，漏电流，公共阻抗干扰传播路径：静电、电磁感应，辐射电磁，漏电流，公共阻抗p抗干扰措施抗干扰措施F屏蔽技术：屏蔽技术：电磁屏蔽、电缆屏蔽层电磁屏蔽、电缆屏蔽层F隔离技术：隔离技术：切断地环路电流干扰切断地环路电流干扰F滤波技术：滤波技术：阻止电源干扰、抑制串模干扰阻止电源干扰、抑制串模干扰 F接地技术：接地技术：作用、方式和原则作用、方式和原则测量系统精度分配测量系统精度分配p测量不确定度的类型、计算测量不确定度的类型、计算p直接、间接测量结果的误差估计，误差合成与传播直接、间接测量结果的误差估计，误差合成与传播p误差分配：原则和方法误差分配：原则和方法回顾回顾作业教材教材 7-3、7-5