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1、測試技術(shù) 測試系統(tǒng)設(shè)計(2),第七章,內(nèi)容,基本原則 一般步驟 抗干擾設(shè)計 精度分配,測試系統(tǒng)典型組成 傳感器、信號調(diào)理、信號處理、顯示與記錄,1、基本原則,測試系統(tǒng)設(shè)計原則 測量裝置選用 滿足關(guān)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(xiàn),1、基本原則,步驟 確定測試任務(wù) 選擇測量方法 選擇傳感器 后續(xù)測量系統(tǒng)的選定 相應(yīng)的軟件設(shè)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(wù) 在如下環(huán)境中完成如下任務(wù) 任務(wù) 參數(shù)監(jiān)測/檢測/監(jiān)控 參數(shù)計算（功

2、率測量、傳遞函數(shù)） 場分布，面、陣測量組/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 被測表面:材質(zhì)、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(xiàn)場給出結(jié)果 實時測控 數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)布/數(shù)據(jù)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(shù)傳感器類型 振動、位移、溫度、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速) 輸出標準：減少信號處理難度 電流 420mA、電壓5V; 數(shù)字通訊（TCP/IP）,2、一般步驟,后續(xù)測量系統(tǒng)的選定 傳感器與信號調(diào)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(shè)計指標 頻響 相應(yīng)的軟件設(shè)計與編制 實現(xiàn)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(jīng)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(nèi)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(shù)字電路干擾,3、抗干擾設(shè)計,干擾傳播路徑 靜電感應(yīng)：導(dǎo)體之間通過分布電容耦合到的有效輸入成分 電磁感應(yīng)：變化的電流通過互感作用在另一回路中引起的感應(yīng)電動勢 輻射電磁干擾：周圍強烈的電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)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(chǎn)生的漏電現(xiàn)象 公共阻抗：阻抗不等的兩個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,屏蔽技術(shù) 靜電屏蔽：在靜電場作用下，導(dǎo)體內(nèi)部各點等電位 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,屏蔽技術(shù) 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(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、艦船上的設(shè)備采用浮地,3、抗干擾設(shè)計,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,隔離技術(shù) 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(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)阻止某一頻帶信號通過測試系統(tǒng),3、

6、抗干擾設(shè)計,接地技術(shù) 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(lián)接地 串聯(lián)接地 串并聯(lián)接地,3、抗干擾設(shè)計,接地技術(shù) 接地原則：一點接地 地線應(yīng)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(chǎn)生干擾,3、抗干擾設(shè)計,衡量精度的指標 測量的準確度 測量結(jié)果與被測量真值之間的一致程度 精密度 重復(fù)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(jié)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以一定概率落在某個量值最佳估值

7、的范圍內(nèi) -u, u 不確定區(qū)間 最佳估值 測量結(jié)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(shù)測量數(shù)據(jù)的標準差估值來度量測量結(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10 (等精度測量難度隨n增加) 測量結(jié)果：對于有限次測量，其測量結(jié)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(jù)經(jīng)驗或資料及假設(shè)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區(qū)間(-a，a) k為測量值落

8、在a區(qū)間內(nèi)概率分布的置信因子 測量結(jié)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(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(jù)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(shè)，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,B類不確定度的評定示例 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(shè)，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個影響量獨立引起測量結(jié)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(shù)較?。ㄒ话鉵3）時,,4、測量系統(tǒng)精度分配,直接測量結(jié)果的誤差估計 量程xm和準確度等級a%決定的測量結(jié)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(jié)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(shù)，即 間接測量量的最佳估值 各直接測量量xi的算術(shù)平均值的函數(shù)值,4、測量系統(tǒng)精度分配,間接測量結(jié)果的誤差估計 合成誤差：通過函數(shù)傳遞的誤

11、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(shù)展開，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、測量系統(tǒng)精度分配,間接測量結(jié)果的誤差估計 工程處理 偏導(dǎo)數(shù)處理：防止負數(shù)導(dǎo)致測量誤差的不合理 N3時計算誤差偏大，修正為 結(jié)果表示 示例,4、測量系統(tǒng)精度分配,間接測量結(jié)果的誤差估計 誤差傳播系數(shù)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(shù)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、測量系統(tǒng)精度分配,誤差分配與測量方案

12、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(shù)ci有關(guān)，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(jù)不同的假設(shè)對誤差進行預(yù)分配 按照實際可能（現(xiàn)有技術(shù)水平、工藝設(shè)備、實驗環(huán)境、操作難易程度、經(jīng)濟效益等）對預(yù)分配方案進行調(diào)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(yù)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 CiXi取相同誤差量求其直接

13、測量量的誤差 可能導(dǎo)致一些量的測量精度無法實現(xiàn) 優(yōu)勢誤差加權(quán)分配法 重點考慮Ci項大的，加大取值權(quán)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(xiàn)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(jù)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 % I = 10/(100

14、0/220)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(shè)計原則 測量單元選用（關(guān)鍵指標、帶寬、接口標準） 誤差分配、傳感器選用 測試系統(tǒng)設(shè)計步驟（任務(wù)、方法、傳感器、后續(xù)單元、軟件、評定） 抗干擾設(shè)計 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(jié)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!,