测试系统设计课件

测试技术测试技术 测试系统设计测试系统设计(3)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.精度分配精度分配信号处理信号处理1 1、基本原则、基本原则任务任务-设计测试系统设计测试系统 传感器、信号调理、信号处理、显传感器、信号调理、信号处理、显示与记录示与记录基本性能：基本性能：技术性能：技术性能：具有良好的静、动态性能；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；具有良好的可靠性与足够的抗干扰能力；经济性：经济性：具有较高的性能价格比；具有较高的性能价格比；实用性：实用性：测试系统的组建容易实现、便于使用和测试系统的组建容易实现、便于使用和维护。维护。1 1、基本原则、基本原则1 1）确定测试任务）确定测试任务2 2）根据任务要求选择测量方法）根据任务要求选择测量方法3 3）选择传感器）选择传感器4 4）后续测量系统的选定）后续测量系统的选定5 5）测量系统的性能评定）测量系统的性能评定6 6）相应的软件设计与编制）相应的软件设计与编制7 7）测试数据处理及结果分析）测试数据处理及结果分析2 2、一般步骤、一般步骤 1）确定测试任务）确定测试任务 分析测试任务（测试目的）分析测试任务（测试目的）:确定需测量的量：单参数、多参数、一次性测量、长确定需测量的量：单参数、多参数、一次性测量、长期监测。期监测。分析性能指标：分析性能指标：性能指标：精度、量程、分辨率、灵敏度、非线性度、性能指标：精度、量程、分辨率、灵敏度、非线性度、稳定性、温漂、零漂、频响等稳定性、温漂、零漂、频响等 效率：实时、速度等效率：实时、速度等 分析使用环境条件：分析使用环境条件：温度、湿度、大气压力温度、湿度、大气压力编制任务书：编制任务书：明确具体要求明确具体要求2 2、一般步骤、一般步骤 2）选择测量方法）选择测量方法 依据：依据：测测试试对对象象、测测试试条条件件、测测试试精精度度、测测试试成成本本、数数据据应应用用（存存储储、发布、传输）等发布、传输）等方法：方法：接触测量和非接触测量接触测量和非接触测量?接接触触测测量量优优点点：简简单单、信信噪噪比比高高，缺缺点点是是存存在在磨磨损损、负负载载、信信号获取等问题号获取等问题 在线测量和离线测量在线测量和离线测量?在在线线测测量量常常用用于于需需要要实实时时反反馈馈系系统统，对对系系统统性性能能要要求求高高可可靠靠、高稳定等高稳定等 例如：在线测量表面粗糙度例如：在线测量表面粗糙度 2 2、一般步骤、一般步骤采用什么方法？采用什么方法？触针式轮廓触针式轮廓检测法检测法激光检测法激光检测法 传统的触针式轮廓检测法不能运用，激光检测法可以应用。传统的触针式轮廓检测法不能运用，激光检测法可以应用。3）选择传感器）选择传感器首先根据上述测量方法的选定确定相应的传感器类型：首先根据上述测量方法的选定确定相应的传感器类型：被测参数：振动、位移、温度、转速、压力、扭矩被测参数：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；然后根据测量系统的精度要求选择不同型号的传感器；性能要求：量程、灵敏度、线性范围、精度、频率响应性能要求：量程、灵敏度、线性范围、精度、频率响应特性特性2 2、一般步骤、一般步骤工程考虑工程考虑同一系统中传感器种类越少越好同一系统中传感器种类越少越好 合并：位移速度合并：位移速度(如：涡流传感器如：涡流传感器位移、振动、转速位移、振动、转速)标准输出：减少信号处理难度标准输出：减少信号处理难度 电流电流 4-20 4-20、电压、电压5V;5V;数字通讯数字通讯（1）灵敏度）灵敏度一般来讲灵敏度愈高愈好一般来讲灵敏度愈高愈好，但灵敏度愈高，外界干扰也，但灵敏度愈高，外界干扰也愈容易混入。因此，要求传感器信噪比愈大愈好；愈容易混入。因此，要求传感器信噪比愈大愈好；测量矢量时，要求在测量方向灵敏度愈高愈好，而交叉测量矢量时，要求在测量方向灵敏度愈高愈好，而交叉灵敏度愈小愈好；灵敏度愈小愈好；过高的灵敏度会缩小传感器的使用范围。过高的灵敏度会缩小传感器的使用范围。什么是交叉灵敏度？什么是交叉灵敏度？选择传感器时重点考虑几个因素选择传感器时重点考虑几个因素（2）精度）精度传感器由于处于测试系统前端，其精度对整个测试系统具有传感器由于处于测试系统前端，其精度对整个测试系统具有直接影响，因此，在整个测试系统中传感器的精度不能比直接影响，因此，在整个测试系统中传感器的精度不能比其他环节低；其他环节低；应从实际出发、尤其从测试目的出发选择其精度；并非精度应从实际出发、尤其从测试目的出发选择其精度；并非精度愈高愈好，必需考虑经济性。愈高愈好，必需考虑经济性。如：根据测试目的判断是定性分析还是定量分析：如：根据测试目的判断是定性分析还是定量分析：一批机床中哪一个主轴的振动最大？一批机床中哪一个主轴的振动最大？该机床主轴的振动有多大？该机床主轴的振动有多大？如果是相对比较的定性试验，应要求传感器有足够高的精密如果是相对比较的定性试验，应要求传感器有足够高的精密度；度；如果是定量分析，必须要求足够的精度；如果是定量分析，必须要求足够的精度；（3）频率响应特性）频率响应特性 在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测量条件量条件 或满足给定的误差范围；或满足给定的误差范围；传感器频率范围必须与被测量变化的频率范围（或感兴趣传感器频率范围必须与被测量变化的频率范围（或感兴趣的频率范围）相匹配。的频率范围）相匹配。一般来讲，光电、压电等物性型传感器响应快，可工作频一般来讲，光电、压电等物性型传感器响应快，可工作频率范围宽，而电感、电容、磁电式等结构型传感器由于率范围宽，而电感、电容、磁电式等结构型传感器由于机械系统惯性的限制，固有频率低，可工作频率范围窄。机械系统惯性的限制，固有频率低，可工作频率范围窄。压电式与磁电式传感器压电式与磁电式传感器哪种频率范围大？哪种频率范围大？（4）可靠性）可靠性可靠性是传感器和一切测量装置的生命；可靠性是传感器和一切测量装置的生命；使用中应严格规定使用条件，尽量减轻不良影响。注意：使用中应严格规定使用条件，尽量减轻不良影响。注意：电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性；温度会影响其零电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性；温度会影响其零漂；长期使用会产生蠕变；漂；长期使用会产生蠕变；压电传感器，工作中连接导线的运动会导致导线芯层与屏蔽压电传感器，工作中连接导线的运动会导致导线芯层与屏蔽层之间的摩擦而引起附加电荷；层之间的摩擦而引起附加电荷；变间隙式电容传感器，环境湿度或浸入间隙的油剂会改变介变间隙式电容传感器，环境湿度或浸入间隙的油剂会改变介质的介电常数；质的介电常数；光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变光通量和光光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变光通量和光谱成分等。谱成分等。4）后续测量系统的选定）后续测量系统的选定各个测量装置的静态特性与测试任务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频率匹配频响特性与测量信号频率匹配整整个个测测量量系系统统的的精精度度匹匹配配问问题题：各各个个环环节节的的误误差差满满足足系系统统误误差要求差要求各个测量装置之间的功能匹配问题各个测量装置之间的功能匹配问题2 2、一般步骤、一般步骤压电传感器与什么调理电路匹配？压电传感器与什么调理电路匹配？电阻应变片与什么调理电路匹配？电阻应变片与什么调理电路匹配？动态电阻应变测量的测试系统（动态电阻应变仪）动态电阻应变测量的测试系统（动态电阻应变仪）电阻应变电阻应变传感器传感器交流交流电桥电桥放大器放大器相敏相敏检波检波低通低通滤波滤波振荡器振荡器显示显示记录记录动圈式磁电传感器的后续电路动圈式磁电传感器的后续电路R0传感器传感器利用二极管检波利用二极管检波压电式传感器的测试系统压电式传感器的测试系统压电式压电式传感器传感器电荷电荷放大器放大器显示显示记录记录 UoR L晶晶 体体 振荡器振荡器滤波滤波放大放大检波检波 C Ue Ux利用分压电路测量电感或电容变化的测试系统利用分压电路测量电感或电容变化的测试系统利用二极管检波利用二极管检波热电偶传感器的测试系统热电偶传感器的测试系统 动圈式仪表是一种测量电流的仪表，它不仅能与热电偶配用，也可与动圈式仪表是一种测量电流的仪表，它不仅能与热电偶配用，也可与热电阻、霍尔传感器或压力传感器相配合进行测量。热电阻、霍尔传感器或压力传感器相配合进行测量。动圈式仪表的内线路电阻是一定的，外线路电阻规定为动圈式仪表的内线路电阻是一定的，外线路电阻规定为1515。外线。外线路电阻包括热电偶电阻、补偿电桥等效电阻、引线电阻和外线调整电阻。路电阻包括热电偶电阻、补偿电桥等效电阻、引线电阻和外线调整电阻。即：即：由于热电偶输出信号较大，可以直接采用测量热电势的仪表进行测量。由于热电偶输出信号较大，可以直接采用测量热电势的仪表进行测量。包括动圈式仪表、电位差计和数字式电压表等。包括动圈式仪表、电位差计和数字式电压表等。R1dcRsRCubaTER3R2RCRTRBR调RD热电偶热电偶补偿电桥补偿电桥动圈式仪表动圈式仪表1.1.频率测量原理频率测量原理 被测轴转速的一般表达式为：被测轴转速的一般表达式为：式中：式中：m m轴每转一圈传感器发出信号个数轴每转一圈传感器发出信号个数T T频率计测量信号的时间间隔；频率计测量信号的时间间隔；N NT T秒内频率计所显示的信号个数。秒内频率计所显示的信号个数。时基选择开关的选择原则是使频率计所显示的读数与实际转速相等。一种测量频率和时间的电子仪器一种测量频率和时间的电子仪器测量电脉冲测量电脉冲转速测量中常用的数字式频率计转速测量中常用的数字式频率计误差：误差：1个字个字缺点：转速较低时误差较大。缺点：转速较低时误差较大。产生时标信号时基选择开关60控制时间控制时间光电式传感器光电式传感器霍尔式传感器霍尔式传感器磁电式传感器磁电式传感器数字式频率计数字式频率计脉冲信号工作原理工作原理2、周期测量原理、周期测量原理 让被测信号来控制计数让被测信号来控制计数闸门的开启（如每转一个），闸门的开启（如每转一个），使仪器内石英晶体振荡器所使仪器内石英晶体振荡器所产生的高频信号进入计数器产生的高频信号进入计数器（标准信号）。（标准信号）。此方法可以提高低速测量精度。此方法可以提高低速测量精度。转速测量中常用的数字式频率计转速测量中常用的数字式频率计产生时标信号时基选择开关控制时间控制时间若显示器的读数为若显示器的读数为N，标准时，标准时间信号的周期为间信号的周期为T0，则被测信号，则被测信号的周期为：的周期为：被测信号的频率被测信号的频率f为：为：5）测量系统的性能评定）测量系统的性能评定 系统抗干扰能力：隔离问题、接地问题系统抗干扰能力：隔离问题、接地问题 系统性能标定：整个测试系统的标定系统性能标定：整个测试系统的标定 系统测试精度分析：误差分配系统测试精度分析：误差分配 系统技术经济合理性系统技术经济合理性2 2、一般步骤、一般步骤 6）软件设计与编制）软件设计与编制 测测试试系系统统自自动动化化、智智能能化化、海海量量数数据据等等要要求求使使用用计算机或虚拟仪器计算机或虚拟仪器软件环境：汇编、软件环境：汇编、应给出数据流程图应给出数据流程图应具有实时性、稳定性、可靠性（容错设计）应具有实时性、稳定性、可靠性（容错设计）应具有良好的人机交互界面应具有良好的人机交互界面2 2、一般步骤、一般步骤 7）测试数据处理及结果分析）测试数据处理及结果分析 相关分析：信号之间的关系、信号不同时刻间的关相关分析：信号之间的关系、信号不同时刻间的关系系 频谱分析：确定信号的频率结构频谱分析：确定信号的频率结构 测量结果误差分析：测量结果的可信度测量结果误差分析：测量结果的可信度 撰写报告撰写报告2 2、一般步骤、一般步骤2 2、一般步骤、一般步骤任务：任务：利用实验方法分析变压器噪声大的原因利用实验方法分析变压器噪声大的原因实例实例1p测试步骤测试步骤p（1）分析测试任务：）分析测试任务：p 目的：目的：p 掌握噪声源，为理论建模奠定基础掌握噪声源，为理论建模奠定基础p 获得实际数据，验证理论分析结果合理性获得实际数据，验证理论分析结果合理性p 测量参数：测量参数：p 由于机械结构噪声与振动紧密相关，因此，测噪声的由于机械结构噪声与振动紧密相关，因此，测噪声的同时还需测量振动。应测量不同工况下：同时还需测量振动。应测量不同工况下：p 振动空间分布状态及频谱特性振动空间分布状态及频谱特性p 噪声空间分布大小及频谱特性噪声空间分布大小及频谱特性p测量精度：精度适中测量精度：精度适中p 测量环境：生产厂条件下不同工况测试测量环境：生产厂条件下不同工况测试 2 2、一般步骤、一般步骤（2 2）选择测试方法）选择测试方法 噪噪声声测测量量：声声空空间间非非接接触触测测量量,实实验验室室条条件件下下测测量量 振振动动测测量量：变变压压器器箱箱壁壁接接触触测测量量,实实验验室室条条件件下下测量测量（3 3）选择传感器）选择传感器 噪声测量：噪声测量：可可供供选选择择的的传传感感器器有有声声强强探探头头、声声学学照照相相机机、声级计声级计,声声级级计计是是传传声声器器与与调调理理电电路路的的组组合合，方方便便、实实用、经济用、经济 振动测量：振动测量：由由于于不不存存在在旋旋转转部部件件，且且被被测测设设备备庞庞大大，传传感感器器负负载载效效应应忽忽略略不不计计，可可采采用用接接触触式式测测量量方方法法，其中，压电加速度计方便、实用其中，压电加速度计方便、实用2 2、一般步骤、一般步骤（4）后续测量系统的选定）后续测量系统的选定 声级计是传声器与后续调理电路的集成。声级计是传声器与后续调理电路的集成。加加速速度度测测量量需需要要配配置置电电荷荷放放大大器器，同同时时采采用用多多通通道道数数据据处处理系统。理系统。（5）测量系统的性能评定）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；仪器全部选用高精度设备，性能指标可保证；采用通用仪器测量，经济成本适中。采用通用仪器测量，经济成本适中。（6）软件设计与编制）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本任务选用现有仪器，不需要编制测试软件 2 2、一般步骤、一般步骤（7）测量数据处理与结果分析）测量数据处理与结果分析2 2、一般步骤、一般步骤变压器振动测量点布置变压器振动测量点布置变压器噪声测量点布置变压器噪声测量点布置2 2、一般步骤、一般步骤某点噪声频谱某点噪声频谱某点振动频谱某点振动频谱测量结果分析测量结果分析2 2、一般步骤、一般步骤 1.振动信号中有明显的振动信号中有明显的100的基频和倍频信号成分，除的基频和倍频信号成分，除了了100以外，以外，300和和500的幅值比较大，这是由于铁芯的的幅值比较大，这是由于铁芯的磁致伸缩引起的非线性特性；磁致伸缩引起的非线性特性；2.噪声声压级大致在噪声声压级大致在88.695.3的范围内，说明变压的范围内，说明变压器的工作噪声比较大；器的工作噪声比较大；3.噪声信号与振动信号在噪声信号与振动信号在100及其倍频处相干系数比较及其倍频处相干系数比较大，说明噪声主要是结构振动引起，因此，降噪应从结构大，说明噪声主要是结构振动引起，因此，降噪应从结构减振入手。减振入手。思路：思路：干扰原因干扰原因 窜入途经窜入途经 抗干扰措施抗干扰措施1）干扰因素）干扰因素 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（元件噪声、非线性）元器件干扰（元件噪声、非线性）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（电源波动、电网干扰等）电源干扰（电源波动、电网干扰等）3 3、测试系统抗干扰设计、测试系统抗干扰设计 2）干扰传播路径）干扰传播路径3 3、测试系统抗干扰设计、测试系统抗干扰设计静电感应：静电感应：导体之间、导体与地之间存在分布电容导体之间、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干扰电压通过分布电容静电感应耦合到有效信号中。号中。电磁感应：电磁感应：变化的电流通过互感作用在另一回路中引起的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。感应电动势。公共阻抗：公共阻抗：阻抗不等的两个电路与另一公共阻抗串联产生阻抗不等的两个电路与另一公共阻抗串联产生的干扰。的干扰。Z1、Z2由于不相等而彼此产生干扰由于不相等而彼此产生干扰.干扰干扰电路电路3 3、测试系统抗干扰设计、测试系统抗干扰设计辐射电磁干扰：辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场的电磁辐射产生的感应电周围强烈的电磁场的电磁辐射产生的感应电动势造成的干扰。动势造成的干扰。如：电能频繁交换、高频换能装置等处如：电能频繁交换、高频换能装置等处漏电流干扰：漏电流干扰：电器元件绝缘不良产生的漏电现象。电器元件绝缘不良产生的漏电现象。静磁屏蔽：一定厚度的铁磁材料作成外壳，外磁场的静磁屏蔽：一定厚度的铁磁材料作成外壳，外磁场的磁感应线的绝大部份将沿着铁磁材料通过，而进入空磁感应线的绝大部份将沿着铁磁材料通过，而进入空腔的磁通量极少，可以保护内部仪器不受外部磁场的腔的磁通量极少，可以保护内部仪器不受外部磁场的影响影响 ；电磁屏蔽：一定厚度的导电、导磁材料作成外壳，交电磁屏蔽：一定厚度的导电、导磁材料作成外壳，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。不受外界电磁场影响。3）抗干扰技术）抗干扰技术 屏蔽、屏蔽、隔离、隔离、接地、接地、滤滤波波3 3、测试系统抗干扰设计、测试系统抗干扰设计（1）屏蔽技术）屏蔽技术利用金属材料对电磁波具有良好的吸收能力来利用金属材料对电磁波具有良好的吸收能力来抗干扰抗干扰 静电屏蔽：利用空腔导体作成屏蔽外壳，隔离内、外静电屏蔽：利用空腔导体作成屏蔽外壳，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；如果接地，则壳内电场不能穿强为零保护其中电路；如果接地，则壳内电场不能穿透到外部。透到外部。导线选取：导线是信号有线传播的唯一通道，干扰将导线选取：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缆，同时其屏蔽层要接地.屏蔽技术举例屏蔽技术举例简单的屏蔽简单的屏蔽外壳接地、仪器浮置外壳接地、仪器浮置 在高电压、强磁场的环境下，测量仪器经常采用在高电压、强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统浮地系统 为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地地安全可靠安全可靠飞机、舰船上的设备采用浮地飞机、舰船上的设备采用浮地3 3、测试系统抗干扰设计、测试系统抗干扰设计（2）隔离技术）隔离技术切断地环路电切断地环路电流干扰流干扰3 3、测试系统抗干扰设计、测试系统抗干扰设计空间隔离空间隔离包裹干扰源包裹干扰源 如：将电源变换器用屏蔽层包裹起来如：将电源变换器用屏蔽层包裹起来 合理布置功能电路合理布置功能电路数字与模拟电路隔离数字与模拟电路隔离弱信号通路与高频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与负载电路隔离信号之间隔离信号之间隔离器件隔离器件隔离光电隔离光电隔离隔离放大器隔离放大器隔离变压器隔离变压器 两个测试电路的地电位两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰。完全隔离开，避免干扰。（3）接地技术）接地技术 接地作用接地作用仪器的安全仪器的安全抗干扰抗干扰接地原则：接地原则：不同目的接地应分开不同目的接地应分开 同一目的接地应单点接地，同一目的接地应单点接地，尽量避免形成回路。尽量避免形成回路。5 5、测试系统设计、测试系统设计3 3、测试系统抗干扰设计、测试系统抗干扰设计上述哪种接法更合理？上述哪种接法更合理？问题：多点接地造成回路干问题：多点接地造成回路干扰扰解决：解决：单地原则单地原则屏蔽线的接地应与公共端连屏蔽线的接地应与公共端连接接3 3、测试系统抗干扰设计、测试系统抗干扰设计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UGRc1Rc2RiUG放放大大器器ABRsUs（4）滤波技术）滤波技术 只只允允许许或或只只阻阻止止某某一一频频带带信信号号通通过过测测试试系系统统，滤除干扰滤除干扰信号滤波信号滤波电源滤波电源滤波模拟滤波模拟滤波数字滤波数字滤波串串模模干干扰扰滤滤波波（一一般般串串模模干干扰扰的的频频率率比比实实际际信信号号高）高）3 3、测试系统抗干扰设计、测试系统抗干扰设计抗干扰技术：抗干扰技术：屏蔽、屏蔽、隔离、隔离、接地、接地、滤波滤波1）衡量精度的指标）衡量精度的指标（1）利用准确度衡量精度）利用准确度衡量精度 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度精密度重复测量所得各测量值的离散程重复测量所得各测量值的离散程度度反映随机误差的大小反映随机误差的大小正确度正确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 准确度是精密度与正确度的准确度是精密度与正确度的综合。综合。涉及真值，难以量化表示，涉及真值，难以量化表示，多作定性描述多作定性描述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组成测试系统时，必须进行精度分配，确定每个装置的精度。组成测试系统时，必须进行精度分配，确定每个装置的精度。(2)利用测量误差衡量精度利用测量误差衡量精度（A）直接测量结果的误差估计）直接测量结果的误差估计 对于以量程的百分数表示精度的仪器仪表对于以量程的百分数表示精度的仪器仪表的测量结果，测量误差的估计为：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，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，则测量误差的估计为若标准差估计值为，则测量误差的估计为 4、测量系统精度分配、测量系统精度分配测量结果表示测量结果表示（B）间接测量结果的误差估计）间接测量结果的误差估计a）间接测量量的估计值）间接测量量的估计值间接测量量间接测量量y是是n个直接测量量的单值函数，即个直接测量量的单值函数，即间接测量量的最佳估值间接测量量的最佳估值 即：各直接测量量的算术平均值的函数值即：各直接测量量的算术平均值的函数值4、测量系统精度分配、测量系统精度分配b）间接测量量的误差估计值）间接测量量的误差估计值已知：已知：则有：则有：直接测量量的测量绝对误差为直接测量量的测量绝对误差为，是一个微小变化量，是一个微小变化量，泰勒级数展开，略去高阶小量，则间接测量量泰勒级数展开，略去高阶小量，则间接测量量y的绝对的绝对误差为误差为4、测量系统精度分配、测量系统精度分配测量结果表示测量结果表示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问题问题？4、测量系统精度分配、测量系统精度分配N3N3时，由于各个误差不可能均为最大，则计算误差偏大，修正为时，由于各个误差不可能均为最大，则计算误差偏大，修正为工程处理工程处理防止负数导致测量误差的不合理防止负数导致测量误差的不合理几何合成法几何合成法绝对值合成法绝对值合成法为经验公式！为经验公式！合成误差依赖于各个独立测量量引起的误差的平方！合成误差依赖于各个独立测量量引起的误差的平方！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4、测量系统精度分配、测量系统精度分配（3）利用不确定度衡量精度）利用不确定度衡量精度 测量不确定度是在经典误差理论上不断发展和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。完善而得出的，应用测量不确定度更科学、更实用。目前世界各国的计量领域测量不确定度得到目前世界各国的计量领域测量不确定度得到广泛应用。广泛应用。A）基本概念）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定，或者说它是测量值不能肯定的程度。表示方法：表示方法：不确定度是测量结果所应有的指标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、测量系统精度分配有关不确定度的几个术语：有关不确定度的几个术语：1）标准不确定度：）标准不确定度：用估计量的标准差给出的测量不确定度；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：类标准不确定度：用测量列按统计学方法计算得到的估计量的标准不确定度用测量列按统计学方法计算得到的估计量的标准不确定度适合多次适合多次测量；测量；3）B类标准不确定度：类标准不确定度：由非统计学方法评定出来的估计量的标准不确定由非统计学方法评定出来的估计量的标准不确定适合单次测量；适合单次测量；4）合成标准不确定度：）合成标准不确定度：测量结果的若干个测量结果的若干个A类和类和B类标准不确定度分量联合影响测量结果的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。一个最终完整的标准不确定度。B B）不确定度的评定）不确定度的评定（a a）A A类标准不确定度的评定类标准不确定度的评定 用用 来估计真值，它是随测量次数变化的来估计真值，它是随测量次数变化的随机变量，也存在标准差。用有限次数测量数据随机变量，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、测量系统精度分配可见：可见：1)1)虽然虽然 和和 都可以用作真值的估计，但用都可以用作真值的估计，但用 估计更为可靠，因估计更为可靠，因为为 的标准偏差较的标准偏差较 的标准偏差小的标准偏差小 2)2)有限次数有限次数n n不宜超过不宜超过10(10(等精度测量难度随等精度测量难度随n n增加增加)测量结果：对于有限次测量，其测量结果测量结果：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最佳估计值取其算术平均值，则置信区间为一倍标准差其中：（b）B类标准不确定度的评定类标准不确定度的评定工程上大多为单次测量，其不确定度为工程上大多为单次测量，其不确定度为B类标准不类标准不确定度确定度根据经验或资料及假设的概率分布估计其标准差，根据经验或资料及假设的概率分布估计其标准差，即：即：a为可能误差区间的半宽度，即被测量误差可能值的为可能误差区间的半宽度，即被测量误差可能值的区间区间(，a)k为测量值落在为测量值落在a区间内概率分布的置信因子区间内概率分布的置信因子.测量结果的表达：测量结果的表达：4、测量系统精度分配、测量系统精度分配根据误差分布规律确定置信因子根据误差分布规律确定置信因子k 4、测量系统精度分配、测量系统精度分配B类不确定度的评定示例类不确定度的评定示例1：已知仪器引用误差，确定其已知仪器引用误差，确定其B类标准不确定度类标准不确定度 已知仪表满刻度已知仪表满刻度A和精度等级和精度等级r，则最大允许误差为区间半，则最大允许误差为区间半宽：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4、测量系统精度分配、测量系统精度分配B类不确定度的评定示例类不确定度的评定示例2：已知数字式仪器的分辨力，确定其已知数字式仪器的分辨力，确定其B类标准不确定类标准不确定度度 数字式仪器的指示装置或的分辨力为数字式仪器的指示装置或的分辨力为x，其区间，其区间半宽半宽 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4、测量系统精度分配、测量系统精度分配C）合成标准不确定度的评定）合成标准不确定度的评定由于测量误差是测量中所有因素及环节引起误差由于测量误差是测量中所有因素及环节引起误差的综合结果，因此，的综合结果，因此，n个测量量独立引起测量个测量量独立引起测量结果的不确定度的合成结果的不确定度的合成 其中，其中，u()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类类标准不确定度标准不确定度4、测量系统精度分配、测量系统精度分配当间接测量量是指数函数时当间接测量量是指数函数时:合成不确定度用相对不确定度计算较为方便，即合成不确定度用相对不确定度计算较为方便，即当误差分量项数较小（一般当误差分量项数较小（一般n3n3）时）时 2）精度分配与测量方案的选择）精度分配与测量方案的选择（1）精度分配方案）精度分配方案 若以误差估计度量精度，则精度分配就是若以误差估计度量精度，则精度分配就是误差分配。误差分配。误差分配是在总误差给定的前提下，确定出误差分配是在总误差给定的前提下，确定出各分项误差各分项误差误差分配方案误差分配方案误差分配方案有无穷个误差分配方案有无穷个在实际测量工作中，只能在某些假设前提下，在实际测量工作中，只能在某些假设前提下，按照实际可能，确定出近似的可操作的误按照实际可能，确定出近似的可操作的误差分配方案差分配方案4、测量系统精度分配、测量系统精度分配 （2）误差分配具体步骤）误差分配具体步骤a）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；直接测量量误差相等法直接测量量误差相等法 取相同误差量，即：取相同误差量，即：x1=x2=x3=误差分项相等法误差分项相等法 c1x1=c2 x2=c3 x3=问题：问题：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 大的项，加大取值权重大的项，加大取值权重b）按照实际可能对预分配方案进行调整；）按照实际可能对预分配方案进行调整；如：现有技术水平、工艺设备、实验环境、如：现有技术水平、工艺设备、实验环境、操作难易程度、经济效益等操作难易程度、经济效益等c）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（3）测量方案选择）测量方案选择 以不确定度传播规律为指导，依据合成不确以不确定度传播规律为指导，依据合成不确定度选择测量方案。定度选择测量方案。对各直接测量量的测量方案和仪器选用综合对各直接测量量的测量方案和仪器选用综合平衡，从中选择最佳方案；平衡，从中选择最佳方案；测量方案的选则就是在一定条件下，选择测测量方案的选则就是在一定条件下，选择测量误差最小或不确定度最小的方案。量误差最小或不确定度最小的方案。4、测量系统精度分配、测量系统精度分配测量方案的选择示例：测量方案的选择示例：例：现有量程例：现有量程=300V、准确度等级为、准确度等级为0.5级级的交流电压表一只；的交流电压表一只；量程量程=10A、准确度等级、准确度等级0.5级的交流电流级的交流电流表一只；表一只；准确度等级准确度等级0.2级的单臂电桥一台；级的单臂电桥一台；欲测额定电压欲测额定电压220V,额定功率额定功率1的某电阻的某电阻R的消耗功率的消耗功率,试确定最佳测量方案。试确定最佳测量方案。解：根据给定的测量条件，可选择以下三解：根据给定的测量条件，可选择以下三种测量方案：种测量方案：由由，测，测R上的电流和电压，计算上的电流和电压，计算P；由由2R，测，测R上的电流和上的电流和R阻值，计算阻值，计算P；由由2，测，测R上电压和上电压和R阻值，计算阻值，计算P。4、测量系统精度分配、测量系统精度分配 首先确定每个直接测量量的相对误差：V=300/2200.5%=0.68%I=10/(1000/220)0.51.1%R=0.2%4、测量系统精度分配、测量系统精度分配根据根据由功率计算公式的相对误差估计为：由功率计算公式的相对误差估计为：方案方案 :方案方案 2R:方案方案 2:可见，方案可见，方案的合成误差最小，为最佳测量方案。的合成误差最小，为最佳测量方案。测试系统设计原则测试系统设计原则 性能、性价比、实用性性能、性价比、实用性测试系统设计步骤测试系统设计步骤 任务、方法、传感器、后续单元、性能评定、软件、数据处理任务、方法、传感器、后续单元、性能评定、软件、数据处理与分析与分析抗干扰设计抗干扰设计 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 抗干扰措施抗干扰措施屏蔽技术：静电屏蔽、静磁屏蔽、电磁屏蔽、导线屏蔽层屏蔽技术：静电屏蔽、静磁屏蔽、电磁屏蔽、导线屏蔽层隔离技术：空间隔离、器件隔离隔离技术：空间隔离、器件隔离滤波技术：阻止电源干扰、抑制串模干扰滤波技术：阻止电源干扰、抑制串模干扰 接地技术：单点接地原则接地技术：单点接地原则测量系统精度分配测量系统精度分配 衡量精度指标：准确度、测量误差、不确定度衡量精度指标：准确度、测量误差、不确定度 测量不确定度的类型及计算：测量不确定度的类型及计算：A A类标准不确定度、类标准不确定度、B B类标准不确定类标准不确定度度 误差分配：原则和步骤误差分配：原则和步骤 回顾回顾