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1、測試技術 測試系統(tǒng)設計(2),第七章,內容,基本原則 一般步驟 抗干擾設計 精度分配,測試系統(tǒng)典型組成 傳感器、信號調理、信號處理、顯示與記錄,1、基本原則,測試系統(tǒng)設計原則 測量裝置選用 滿足關鍵指標 合理的帶寬 接口標準 誤差分配 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 傳感器選用 優(yōu)先考慮功能、然后再是指標 其它：成本、實現,1、基本原則,步驟 確定測試任務 選擇測量方法 選擇傳感器 后續(xù)測量系統(tǒng)的選定 相應的軟件設計與編制 測量系統(tǒng)的性能評定,2、一般步驟,確定測試任務 在如下環(huán)境中完成如下任務 任務 參數監(jiān)測/檢測/監(jiān)控 參數計算（功
2、率測量、傳遞函數） 場分布，面、陣測量組/復合傳感器 環(huán)境 高壓、高溫、高沖擊 工作介質:水、油、空氣或蒸氣 被測表面:材質、偏差,2、一般步驟,選擇測量方法 功能 在線測量/離線測量是否固定 實時測量/離線分析是否現場給出結果 實時測控 數據存儲、數據發(fā)布/數據傳輸 指標 非線性度、精度、量程、分辨率 穩(wěn)定性、溫漂、零漂 頻響 成本 簡易：傳感器電壓表；傳感器A/D板計算機 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,2、一般步驟,選擇傳感器 被測參數傳感器類型 振動、位移、溫度、轉速、壓力、扭矩 測試部位 對被測量的影響加速度傳感器 對傳感器的影響渦流傳感器 選擇傳
3、感器 指標：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 類型優(yōu)化：一種傳感器多種測量(渦流傳感器：位移、振動、轉速) 輸出標準：減少信號處理難度 電流 420mA、電壓5V; 數字通訊（TCP/IP）,2、一般步驟,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 各個測量裝置的靜動態(tài)特性匹配問題 測量系統(tǒng)的精度設計指標 頻響 相應的軟件設計與編制 實現測試系統(tǒng)的自動化、智能化 成本 人機交互界面 測量系統(tǒng)的性能評定 經濟合理性 抗干擾能力 測試精度分析,2、一般步驟,干擾源 外部干擾環(huán)境 電磁場、振動、溫度、濕度等 內部干擾電路 元器件干擾 信
4、號回路干擾 負載回路干擾 電源干擾 數字電路干擾,3、抗干擾設計,干擾傳播路徑 靜電感應：導體之間通過分布電容耦合到的有效輸入成分 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 輻射電磁干擾：周圍強烈的電磁場產生的感應電動勢造成的干擾 漏電流干擾：電器元件絕緣不良或功率器件間距不夠產生的漏電現象 公共阻抗：阻抗不等的兩個電路與另一公共阻抗串聯產生的干擾,3、抗干擾設計,屏蔽技術 靜電屏蔽：在靜電場作用下，導體內部各點等電位 利用銅、鋁等低阻導電材料，做成接地金屬容器，隔離內外部電力線，消除靜電耦合 磁屏蔽：導體層以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）
5、制成容器 電磁屏蔽：用導電良好的金屬材料（銅箔,鋁箔/板）做成的接地電磁屏蔽層，同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用 屏蔽導線、屏蔽電纜,3、抗干擾設計,屏蔽技術 簡單的屏蔽接地、浮置 在高電壓強磁場的環(huán)境下，測量儀器經常采用浮地系統(tǒng) 為了防止在外殼上感應出高電壓，外殼必須接大地 安全可靠 制造工藝復雜 飛機、艦船上的設備采用浮地,3、抗干擾設計,屏蔽技術 電纜屏蔽層 單地原則 屏蔽線的接地應與公共端連接,3、抗干擾設計,隔離技術 切斷地環(huán)路電流干擾 兩個測試電路的地電位完全隔離開，避免干擾 數字電路很適用 模擬電路中，要選用線性度好的隔離器件 濾波技術阻止某一頻帶信號通過測試系統(tǒng),3、
6、抗干擾設計,接地技術 接地作用： 安全、基準電位 抗干擾（抗噪聲、靜電屏蔽等） 接地方式 并聯接地 串聯接地 串并聯接地,3、抗干擾設計,接地技術 接地原則：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，產生干擾,3、抗干擾設計,衡量精度的指標 測量的準確度(是精密度和正確 度的綜合) 測量結果與被測量真值之間的一致程度 精密度 重復測量所得各測量值的離散程度 反映隨機誤差的大小 正確度 測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、測量系統(tǒng)精度分配,測量的不確定度 測量結果不能肯定的程度、被測量之值x的分散性范圍 被測量的真值x
7、以一定概率落在某個量值最佳估值的范圍內 -u, u 不確定區(qū)間 最佳估值 測量結果 不確定度分為兩類 A類不確定度：用統(tǒng)計方法求出多次測量 B類不確定度：用其他方法得出單次測量,4、測量系統(tǒng)精度分配,不確定度的評定 A類不確定度的評定 用有限次數測量數據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 有限次數n：不宜超過10 (等精度測量難度隨n增加) 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,B類不確定度的評定 確定工程上大多單次測量x的不確定度 根據經驗或資料及假設的概率分布估計的標準差來表征 a為誤差區(qū)間的半寬度，即被測量誤差可能值的
8、區(qū)間(-a，a) k為測量值落在a區(qū)間內概率分布的置信因子 測量結果的置信區(qū)間,4、測量系統(tǒng)精度分配,B類不確定度的評定 根據誤差分布規(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、測量系統(tǒng)精度分配,B類不確定度的評定示例 引用誤差 已知儀表滿度A和精度等級r，則最大允許誤差為 根據均勻分布，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a，按均勻分布假設，置信因子及標準不確定度 若已知分布，則按實際分布計算,4、測量系統(tǒng)精度分配,
9、B類不確定度的評定示例 儀器的分辨力 數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，置信因子及標準不確定度為 未給出儀器誤差時估計最大允許誤差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，置信因子及標準不確定度為,4、測量系統(tǒng)精度分配,連續(xù)可讀 最小分度1m,不確定度的評定 B類不確定度的評定示例 正態(tài)分布變量 測量量以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 置信因子及標準不確定度為,4、測量系統(tǒng)精度分配,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
10、起誤差的綜合結果 傳感器的非線性、遲滯、分散性、環(huán)境等 定義：n個影響量獨立引起測量結果的不確定度ui 的幾何合成 ui既可為A類標準不確定度，也可為B類標準不確定度 當誤差分量項數較?。ㄒ话鉵3）時,,4、測量系統(tǒng)精度分配,直接測量結果的誤差估計 量程xm和準確度等級a%決定的測量結果誤差 多次測量隨機誤差 標準差估計值為sx，測量誤差修正為 K為置信因子，通常取值為3,,4、測量系統(tǒng)精度分配,間接測量結果的誤差估計 間接測量量的估計值 間接測量量y是n個直接測量量xi的單值函數，即 間接測量量的最佳估值 各直接測量量xi的算術平均值的函數值,4、測量系統(tǒng)精度分配,間接測量結果的誤差估
11、計 合成誤差：通過函數傳遞的誤差 直接測量量xi的測量絕對誤差為xi，是一個微小變化量，則間接測量量y的絕對誤差和相對誤差為 近似：泰勒級數展開，略去高階小量 誤差傳播系數： 直接量的誤差間接量誤差,4、測量系統(tǒng)精度分配,間接測量結果的誤差估計 工程處理 偏導數處理：防止負數導致測量誤差的不合理 N3時計算誤差偏大，修正為 結果表示 示例,4、測量系統(tǒng)精度分配,間接測量結果的誤差估計 誤差傳播系數意義 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 合成標準不確定度 函數y的合成不確定度由直接測量量xi的標準不確定度uxi確定 n<3時，推薦用絕對值合成,4、測量系
12、統(tǒng)精度分配,誤差分配與測量方案的選擇 誤差分配 誤差分配是誤差合成的逆問題，即在總誤差給定的前提下，確定出各分項誤差誤差分配方案 誤差的分配和誤差傳播系數ci有關，涉及到不同測量方案 方案選擇原則 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 根據不同的假設對誤差進行預分配 按照實際可能（現有技術水平、工藝設備、實驗環(huán)境、操作難易程度、經濟效益等）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,4、測量系統(tǒng)精度分配,誤差分配與測量方案的選擇 誤差預分配方法 直接測量量誤差相等法 xi取相同誤差量 誤差分項相等法
13、 CiXi取相同誤差量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 優(yōu)勢誤差加權分配法 重點考慮Ci項大的，加大取值權重求其直接測量量的誤差,4、測量系統(tǒng)精度分配,誤差分配與測量方案的選擇 方案選擇示例 現有量程為Vm = 300V ，準確度等級為0.5級的交流電壓表一只；量程Im =10A，準確度等級0.5級的交流電流表一只；準確度等級0.2級的單臂電橋一臺,欲測額定電壓220V,額定功率1kw的某電阻R的消耗功率,請確定最佳測量方案 解：根據給定的測量條件，可選擇以下三種測量方法,4、測量系統(tǒng)精度分配,直接測量量的誤差估計： V = 300/2200.5 % =0.68
14、% I = 10/(1000/220)0.5%=1.1% R = 0.2 % 由公式,P的相對不確定度估計為： 方案: 方案: 方案: 通過比較可知，方案測量合成不確定度最小，為最佳測量方案,,,,4、測量系統(tǒng)精度分配,測試系統(tǒng)設計原則 測量單元選用（關鍵指標、帶寬、接口標準） 誤差分配、傳感器選用 測試系統(tǒng)設計步驟（任務、方法、傳感器、后續(xù)單元、軟件、評定） 抗干擾設計 干擾傳播路徑：靜電、電磁感應，輻射電磁，漏電流，公共阻抗 抗干擾措施 屏蔽技術：電磁屏蔽、電纜屏蔽層 隔離技術：切斷地環(huán)路電流干擾 濾波技術：阻止電源干擾、抑制串模干擾 接地技術：作用、方式和原則 測量系統(tǒng)精度分配 測量不確定度的類型、計算 直接、間接測量結果的誤差估計，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!,
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