《测试系统设计》PPT课件

测试技术 测试系统设计(2),第七章,内容,基本原则 一般步骤 抗干扰设计 精度分配,测试系统典型组成 传感器、信号调理、信号处理、显示与记录,1、基本原则,测试系统设计原则 测量装置选用 满足关键指标 合理的带宽 接口标准 误差分配 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 传感器选用 优先考虑功能、然后再是指标 其它：成本、实现,1、基本原则,步骤 确定测试任务 选择测量方法 选择传感器 后续测量系统的选定 相应的软件设计与编制 测量系统的性能评定,2、一般步骤,确定测试任务 在如下环境中完成如下任务 任务 参数监测/检测/监控 参数计算（功率测量、传递函数） 场分布，面、阵测量组/复合传感器 环境 高压、高温、高冲击 工作介质:水、油、空气或蒸气 被测表面:材质、偏差,2、一般步骤,选择测量方法 功能 在线测量/离线测量是否固定 实时测量/离线分析是否现场给出结果 实时测控 数据存储、数据发布/数据传输 指标 非线性度、精度、量程、分辨率 稳定性、温漂、零漂 频响 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,选择传感器 被测参数传感器类型 振动、位移、温度、转速、压力、扭矩 测试部位 对被测量的影响加速度传感器 对传感器的影响涡流传感器 选择传感器 指标：灵敏度、线性范围、精确度、频响、稳定性等 工程考虑：传感器种类越少越好 合并：位移振动 类型优化：一种传感器多种测量(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 420mA、电压5V; 数字通讯（TCP/IP）,2、一般步骤,后续测量系统的选定 传感器与信号调理装置的匹配问题 各个测量装置的静动态特性匹配问题 测量系统的精度设计指标 频响 相应的软件设计与编制 实现测试系统的自动化、智能化 成本 人机交互界面 测量系统的性能评定 经济合理性 抗干扰能力 测试精度分析,2、一般步骤,干扰源 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 数字电路干扰,3、抗干扰设计,干扰传播路径 静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有效输入成分 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 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 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 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,3、抗干扰设计,屏蔽技术 静电屏蔽：在静电场作用下，导体内部各点等电位 利用铜、铝等低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外部电力线，消除静电耦合 磁屏蔽：导体层以涡流方式消耗高频干扰磁场的能量 铁磁材料（硅钢、坡莫合金）制成容器 电磁屏蔽：用导电良好的金属材料（铜箔,铝箔/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 屏蔽导线、屏蔽电缆,3、抗干扰设计,屏蔽技术 简单的屏蔽接地、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 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、抗干扰设计,屏蔽技术 电缆屏蔽层 单地原则 屏蔽线的接地应与公共端连接,3、抗干扰设计,隔离技术 切断地环路电流干扰 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 滤波技术阻止某一频带信号通过测试系统,3、抗干扰设计,接地技术 接地作用： 安全、基准电位 抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等） 接地方式 并联接地 串联接地 串并联接地,3、抗干扰设计,接地技术 接地原则：一点接地 地线应连在一起并通过一点接地 避免公共地线各点电位不均匀而形成接地回路，产生干扰,3、抗干扰设计,衡量精度的指标 测量的准确度(是精密度和正确 度的综合) 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 涉及真值，多作定性描述,4、测量系统精度分配,测量的不确定度 测量结果不能肯定的程度、被测量之值x的分散性范围 被测量的真值x以一定概率落在某个量值最佳估值的范围内 -u, u 不确定区间 最佳估值 测量结果 不确定度分为两类 A类不确定度：用统计方法求出多次测量 B类不确定度：用其他方法得出单次测量,4、测量系统精度分配,不确定度的评定 A类不确定度的评定 用有限次数测量数据的标准差估值来度量测量结果的不确定性 最佳估值取其算术平均值，则置信区间为 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,4、测量系统精度分配,B类不确定度的评定 确定工程上大多单次测量x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 a为误差区间的半宽度，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 测量结果的置信区间,4、测量系统精度分配,B类不确定度的评定 根据误差分布规律确定k,P(%) 50 68.27 90 95.45 99 99.73 K 0.67 1 1.645 1.960 2.576 3,4、测量系统精度分配,B类不确定度的评定示例 引用误差 已知仪表满度A和精度等级r，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 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a，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,4、测量系统精度分配,B类不确定度的评定示例 仪器的分辨力 数字式仪器的指示装置或A/D的分辨力为x，其区间半宽 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最大允许误差a 连续可读仪器 最小分度/2 非连续可读仪器 最小分度/2 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,连续可读 最小分度1m,不确定度的评定 B类不确定度的评定示例 正态分布变量 测量量以2/3即67%的概率落在a-a+的区间，则最佳估值为（a-+a+）/2，而区间半宽 置信因子及标准不确定度为,4、测量系统精度分配,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 传感器的非线性、迟滞、分散性、环境等 定义：n个影响量独立引起测量结果的不确定度ui 的几何合成 ui既可为A类标准不确定度，也可为B类标准不确定度 当误差分量项数较小（一般n3）时,4、测量系统精度分配,直接测量结果的误差估计 量程xm和准确度等级a%决定的测量结果误差 多次测量随机误差 标准差估计值为sx，测量误差修正为 K为置信因子，通常取值为3,4、测量系统精度分配,间接测量结果的误差估计 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 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,间接测量结果的误差估计 合成误差：通过函数传递的误差 直接测量量xi的测量绝对误差为xi，是一个微小变化量，则间接测量量y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 误差传播系数： 直接量的误差间接量误差,4、测量系统精度分配,间接测量结果的误差估计 工程处理 偏导数处理：防止负数导致测量误差的不合理 N3时计算误差偏大，修正为 结果表示 示例,4、测量系统精度分配,间接测量结果的误差估计 误差传播系数意义 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 合成标准不确定度 函数y的合成不确定度由直接测量量xi的标准不确定度uxi确定 n3时，推荐用绝对值合成,4、测量系统精度分配,误差分配与测量方案的选择 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，确定出各分项误差误差分配方案 误差的分配和误差传播系数ci有关，涉及到不同测量方案 方案选择原则 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xi的误差小于合成误差的三分之一，可忽略 误差分配步骤 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,4、测量系统精度分配,误差分配与测量方案的选择 误差预分配方法 直接测量量误差相等法 xi取相同误差量 误差分项相等法 CiXi取相同误差量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 优势误差加权分配法 重点考虑Ci项大的，加大取值权重求其直接测量量的误差,4、测量系统精度分配,误差分配与测量方案的选择 方案选择示例 现有量程为Vm = 300V ，准确度等级为0.5级的交流电压表一只；量程Im =10A，准确度等级0.5级的交流电流表一只；准确度等级0.2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,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 % 由公式,P的相对不确定度估计为： 方案: 方案: 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,4、测量系统精度分配,测试系统设计原则 测量单元选用（关键指标、带宽、接口标准） 误差分配、传感器选用 测试系统设计步骤（任务、方法、传感器、后续单元、软件、评定） 抗干扰设计 干扰传播路径：静电、电磁感应，辐射电磁，漏电流，公共阻抗 抗干扰措施 屏蔽技术：电磁屏蔽、电缆屏蔽层 隔离技术：切断地环路电流干扰 滤波技术：阻止电源干扰、抑制串模干扰 接地技术：作用、方式和原则 测量系统精度分配 测量不确定度的类型、计算 直接、间接测量结果的误差估计，误差合成与传播 误差分配：原则和方法,回顾,作业,教材 7-3、7-5,Thank you!,