《測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課件

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1、測(cè)試技術(shù) 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2),第七章,內(nèi)容,基本原則 一般步驟 抗干擾設(shè)計(jì) 精度分配,測(cè)試系統(tǒng)典型組成 傳感器、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理、顯示與記錄,1、基本原則,測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 測(cè)量裝置選用 滿足關(guān)鍵指標(biāo) 合理的帶寬 接口標(biāo)準(zhǔn) 誤差分配 綜合誤差最小或合成不確定度最小 選擇直接測(cè)量量的測(cè)量精度適中的方案，降低難度 傳感器選用 優(yōu)先考慮功能、然后再是指標(biāo) 其它：成本、實(shí)現(xiàn),1、基本原則,步驟 確定測(cè)試任務(wù) 選擇測(cè)量方法 選擇傳感器 后續(xù)測(cè)量系統(tǒng)的選定 相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)與編制 測(cè)量系統(tǒng)的性能評(píng)定,2、一般步驟,確定測(cè)試任務(wù) 在如下環(huán)境中完成如下任務(wù) 任務(wù) 參數(shù)監(jiān)測(cè)/檢測(cè)/監(jiān)控 參數(shù)計(jì)算（功

2、率測(cè)量、傳遞函數(shù)） 場(chǎng)分布，面、陣測(cè)量組/復(fù)合傳感器 環(huán)境 高壓、高溫、高沖擊 工作介質(zhì):水、油、空氣或蒸氣 被測(cè)表面:材質(zhì)、偏差,2、一般步驟,選擇測(cè)量方法 功能 在線測(cè)量/離線測(cè)量是否固定 實(shí)時(shí)測(cè)量/離線分析是否現(xiàn)場(chǎng)給出結(jié)果 實(shí)時(shí)測(cè)控 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)發(fā)布/數(shù)據(jù)傳輸 指標(biāo) 非線性度、精度、量程、分辨率 穩(wěn)定性、溫漂、零漂 頻響 成本 簡(jiǎn)易：傳感器電壓表；傳感器A/D板計(jì)算機(jī) 適中：傳感器信號(hào)處理信號(hào)測(cè)量 先進(jìn)：傳感器信號(hào)處理測(cè)量、分析、傳輸,2、一般步驟,選擇傳感器 被測(cè)參數(shù)傳感器類型 振動(dòng)、位移、溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、扭矩 測(cè)試部位 對(duì)被測(cè)量的影響加速度傳感器 對(duì)傳感器的影響渦流傳感器 選擇傳

3、感器 指標(biāo)：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 合并：位移振動(dòng) 類型優(yōu)化：一種傳感器多種測(cè)量(渦流傳感器：位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速) 輸出標(biāo)準(zhǔn)：減少信號(hào)處理難度 電流 420mA、電壓5V; 數(shù)字通訊（TCP/IP）,2、一般步驟,后續(xù)測(cè)量系統(tǒng)的選定 傳感器與信號(hào)調(diào)理裝置的匹配問(wèn)題 各個(gè)測(cè)量裝置的靜動(dòng)態(tài)特性匹配問(wèn)題 測(cè)量系統(tǒng)的精度設(shè)計(jì)指標(biāo) 頻響 相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)與編制 實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化 成本 人機(jī)交互界面 測(cè)量系統(tǒng)的性能評(píng)定 經(jīng)濟(jì)合理性 抗干擾能力 測(cè)試精度分析,2、一般步驟,干擾源 外部干擾環(huán)境 電磁場(chǎng)、振動(dòng)、溫度、濕度等 內(nèi)部干擾電路 元器件干擾 信

4、號(hào)回路干擾 負(fù)載回路干擾 電源干擾 數(shù)字電路干擾,3、抗干擾設(shè)計(jì),干擾傳播路徑 靜電感應(yīng)：導(dǎo)體之間通過(guò)分布電容耦合到的有效輸入成分 電磁感應(yīng)：變化的電流通過(guò)互感作用在另一回路中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 輻射電磁干擾：周圍強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)造成的干擾 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 公共阻抗：阻抗不等的兩個(gè)電路與另一公共阻抗串聯(lián)產(chǎn)生的干擾,3、抗干擾設(shè)計(jì),屏蔽技術(shù) 靜電屏蔽：在靜電場(chǎng)作用下，導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)等電位 利用銅、鋁等低阻導(dǎo)電材料，做成接地金屬容器，隔離內(nèi)外部電力線，消除靜電耦合 磁屏蔽：導(dǎo)體層以渦流方式消耗高頻干擾磁場(chǎng)的能量 鐵磁材料（硅鋼、坡莫合金）

5、制成容器 電磁屏蔽：用導(dǎo)電良好的金屬材料（銅箔,鋁箔/板）做成的接地電磁屏蔽層，同時(shí)起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用 屏蔽導(dǎo)線、屏蔽電纜,3、抗干擾設(shè)計(jì),屏蔽技術(shù) 簡(jiǎn)單的屏蔽接地、浮置 在高電壓強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下，測(cè)量?jī)x器經(jīng)常采用浮地系統(tǒng) 為了防止在外殼上感應(yīng)出高電壓，外殼必須接大地 安全可靠 制造工藝復(fù)雜 飛機(jī)、艦船上的設(shè)備采用浮地,3、抗干擾設(shè)計(jì),屏蔽技術(shù) 電纜屏蔽層 單地原則 屏蔽線的接地應(yīng)與公共端連接,3、抗干擾設(shè)計(jì),隔離技術(shù) 切斷地環(huán)路電流干擾 兩個(gè)測(cè)試電路的地電位完全隔離開(kāi)，避免干擾 數(shù)字電路很適用 模擬電路中，要選用線性度好的隔離器件 濾波技術(shù)阻止某一頻帶信號(hào)通過(guò)測(cè)試系統(tǒng),3、

6、抗干擾設(shè)計(jì),接地技術(shù) 接地作用： 安全、基準(zhǔn)電位 抗干擾（抗噪聲、靜電屏蔽等） 接地方式 并聯(lián)接地 串聯(lián)接地 串并聯(lián)接地,3、抗干擾設(shè)計(jì),接地技術(shù) 接地原則：一點(diǎn)接地 地線應(yīng)連在一起并通過(guò)一點(diǎn)接地 避免公共地線各點(diǎn)電位不均勻而形成接地回路，產(chǎn)生干擾,3、抗干擾設(shè)計(jì),衡量精度的指標(biāo) 測(cè)量的準(zhǔn)確度 測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量真值之間的一致程度 精密度 重復(fù)測(cè)量所得各測(cè)量值的離散程度 反映隨機(jī)誤差的大小 正確度 測(cè)量值偏離真值的程度 反映系統(tǒng)誤差的大小 涉及真值，多作定性描述,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,測(cè)量的不確定度 測(cè)量結(jié)果不能肯定的程度、被測(cè)量之值x的分散性范圍 被測(cè)量的真值x以一定概率落在某個(gè)量值最佳估值

7、的范圍內(nèi) -u, u 不確定區(qū)間 最佳估值 測(cè)量結(jié)果 不確定度分為兩類 A類不確定度：用統(tǒng)計(jì)方法求出多次測(cè)量 B類不確定度：用其他方法得出單次測(cè)量,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,不確定度的評(píng)定 A類不確定度的評(píng)定 用有限次數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差估值來(lái)度量測(cè)量結(jié)果的不確定性 最佳估值取其算術(shù)平均值，則置信區(qū)間為 有限次數(shù)n：不宜超過(guò)10 (等精度測(cè)量難度隨n增加) 測(cè)量結(jié)果：對(duì)于有限次測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,B類不確定度的評(píng)定 確定工程上大多單次測(cè)量x的不確定度 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或資料及假設(shè)的概率分布估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征 a為誤差區(qū)間的半寬度，即被測(cè)量誤差可能值的區(qū)間(-a，a) k為測(cè)量值落

8、在a區(qū)間內(nèi)概率分布的置信因子 測(cè)量結(jié)果的置信區(qū)間,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,B類不確定度的評(píng)定 根據(jù)誤差分布規(guī)律確定k,,P(%) 50 68.27 90 95.45 99 99.73 K 0.67 1 1.645 1.960 2.576 3,,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,B類不確定度的評(píng)定示例 引用誤差 已知儀表滿度A和精度等級(jí)r，則最大允許誤差為 根據(jù)均勻分布，置信因子及標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 儀器的基本誤差 儀器在指定條件下對(duì)某量測(cè)量時(shí)，可能達(dá)到的最大誤差界限值為a，按均勻分布假設(shè)，置信因子及標(biāo)準(zhǔn)不確定度 若已知分布，則按實(shí)際分布計(jì)算,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,B類不確定度的評(píng)定示例 儀器的

9、分辨力 數(shù)字式儀器的指示裝置或A/D的分辨力為x，其區(qū)間半寬 由均勻分布假設(shè)，置信因子及標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 未給出儀器誤差時(shí)估計(jì)最大允許誤差a 連續(xù)可讀儀器 最小分度/2 非連續(xù)可讀儀器 最小分度/2 可按均勻分布假設(shè)，置信因子及標(biāo)準(zhǔn)不確定度為,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,連續(xù)可讀 最小分度1m,不確定度的評(píng)定 B類不確定度的評(píng)定示例 正態(tài)分布變量 測(cè)量量以2/3即67%的概率落在a-a+的區(qū)間，則最佳估值為（a-+a+）/2，而區(qū)間半寬 置信因子及標(biāo)準(zhǔn)不確定度為,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,不確定度的評(píng)定 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定 測(cè)量誤差是測(cè)量過(guò)程中所有因素及環(huán)節(jié)引起誤差的綜合結(jié)果 傳感器的非

10、線性、遲滯、分散性、環(huán)境等 定義：n個(gè)影響量獨(dú)立引起測(cè)量結(jié)果的不確定度ui 的幾何合成 ui既可為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，也可為B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度 當(dāng)誤差分量項(xiàng)數(shù)較?。ㄒ话鉵3）時(shí),,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,直接測(cè)量結(jié)果的誤差估計(jì) 量程xm和準(zhǔn)確度等級(jí)a%決定的測(cè)量結(jié)果誤差 多次測(cè)量隨機(jī)誤差 標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值為sx，測(cè)量誤差修正為 K為置信因子，通常取值為3,,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,間接測(cè)量結(jié)果的誤差估計(jì) 間接測(cè)量量的估計(jì)值 間接測(cè)量量y是n個(gè)直接測(cè)量量xi的單值函數(shù)，即 間接測(cè)量量的最佳估值 各直接測(cè)量量xi的算術(shù)平均值的函數(shù)值,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,間接測(cè)量結(jié)果的誤差估計(jì) 合成誤差：通過(guò)函數(shù)傳遞的誤

11、差 直接測(cè)量量xi的測(cè)量絕對(duì)誤差為xi，是一個(gè)微小變化量，則間接測(cè)量量y的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差為 近似：泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，略去高階小量 誤差傳播系數(shù)： 直接量的誤差間接量誤差,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,間接測(cè)量結(jié)果的誤差估計(jì) 工程處理 偏導(dǎo)數(shù)處理：防止負(fù)數(shù)導(dǎo)致測(cè)量誤差的不合理 N3時(shí)計(jì)算誤差偏大，修正為 結(jié)果表示 示例,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,間接測(cè)量結(jié)果的誤差估計(jì) 誤差傳播系數(shù)意義 確定最大誤差項(xiàng)，作為提高測(cè)量精度方向 確定最小誤差項(xiàng)，降低測(cè)量精度要求 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 函數(shù)y的合成不確定度由直接測(cè)量量xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uxi確定 n<3時(shí)，推薦用絕對(duì)值合成,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,誤差分配與測(cè)量方案

12、的選擇 誤差分配 誤差分配是誤差合成的逆問(wèn)題，即在總誤差給定的前提下，確定出各分項(xiàng)誤差誤差分配方案 誤差的分配和誤差傳播系數(shù)ci有關(guān)，涉及到不同測(cè)量方案 方案選擇原則 綜合誤差最小 直接測(cè)量量的測(cè)量精度適中，難度降低 直接測(cè)量量xi的誤差小于合成誤差的三分之一，可忽略 誤差分配步驟 根據(jù)不同的假設(shè)對(duì)誤差進(jìn)行預(yù)分配 按照實(shí)際可能（現(xiàn)有技術(shù)水平、工藝設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、操作難易程度、經(jīng)濟(jì)效益等）對(duì)預(yù)分配方案進(jìn)行調(diào)整 按照誤差合成理論對(duì)分配方案進(jìn)行校核,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,誤差分配與測(cè)量方案的選擇 誤差預(yù)分配方法 直接測(cè)量量誤差相等法 xi取相同誤差量 誤差分項(xiàng)相等法 CiXi取相同誤差量求其直接

13、測(cè)量量的誤差 可能導(dǎo)致一些量的測(cè)量精度無(wú)法實(shí)現(xiàn) 優(yōu)勢(shì)誤差加權(quán)分配法 重點(diǎn)考慮Ci項(xiàng)大的，加大取值權(quán)重求其直接測(cè)量量的誤差,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,誤差分配與測(cè)量方案的選擇 方案選擇示例 現(xiàn)有量程為Vm = 300V ，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5級(jí)的交流電壓表一只；量程Im =10A，準(zhǔn)確度等級(jí)0.5級(jí)的交流電流表一只；準(zhǔn)確度等級(jí)0.2級(jí)的單臂電橋一臺(tái),欲測(cè)額定電壓220V,額定功率1kw的某電阻R的消耗功率,請(qǐng)確定最佳測(cè)量方案 解：根據(jù)給定的測(cè)量條件，可選擇以下三種測(cè)量方法,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,直接測(cè)量量的誤差估計(jì)： V = 300/2200.5 % =0.68 % I = 10/(100

14、0/220)0.5%=1.1% R = 0.2 % 由公式,P的相對(duì)不確定度估計(jì)為： 方案: 方案: 方案: 通過(guò)比較可知，方案測(cè)量合成不確定度最小，為最佳測(cè)量方案,,,,4、測(cè)量系統(tǒng)精度分配,測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 測(cè)量單元選用（關(guān)鍵指標(biāo)、帶寬、接口標(biāo)準(zhǔn)） 誤差分配、傳感器選用 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟（任務(wù)、方法、傳感器、后續(xù)單元、軟件、評(píng)定） 抗干擾設(shè)計(jì) 干擾傳播路徑：靜電、電磁感應(yīng)，輻射電磁，漏電流，公共阻抗 抗干擾措施 屏蔽技術(shù)：電磁屏蔽、電纜屏蔽層 隔離技術(shù)：切斷地環(huán)路電流干擾 濾波技術(shù)：阻止電源干擾、抑制串模干擾 接地技術(shù)：作用、方式和原則 測(cè)量系統(tǒng)精度分配 測(cè)量不確定度的類型、計(jì)算 直接、間接測(cè)量結(jié)果的誤差估計(jì)，誤差合成與傳播 誤差分配：原則和方法,回顧,作業(yè),教材 7-3、7-5,Thank you!,