《机械工程测试技术第3版配套教学课件作者陈花玲 第9章测试系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程测试技术第3版配套教学课件作者陈花玲 第9章测试系统设计（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、授课院校授课教师 机械工程测试技术 第3版 MeasurementTechnologyinMechanicalEngineering 十三五 国家重点出版物出版规划项目 2 第九章 测试技术 测试系统设计 3 测试系统设计的基本原则测试系统的精度设计信号的放大与滤波环节设计测试系统的抗干扰设计 内容 4 9 1测试系统设计的基本原则 需求 测试系统 设计 满足 5 基本构架自动控制中的测试系统结构精度 快速检测幅频特性与相频特性状态检测系统结构基于计算机的测试系统基于微处理器的智能仪器测试系统虚拟仪器测试系统网络化测试系统 9 1 1测试系统基本架构 6 状态检测系统结构基于计算机的测试系统功
2、能 数据采集 数据分析 数据显示以计算机为核心 完成测试 计算 显示 存储等操作计算机测试系统的分类计算机插卡式测试系统 PCI PCMCIA 由仪器前端与计算机组合的测试系统 VXI PXI 由各种独立的可编程仪器与计算机连接组成的测试系统 9 1 1测试系统基本架构 7 状态检测系统结构基于微处理器的智能仪器测试系统以单片机或专用芯片为核心信号输入通道 输出通道 处理器 输入键盘和输出显示自动量程旋转 自校准 自补偿 自诊断 超限报警 虚拟仪器测试系统软件即仪器硬件软件化 软件模块化 模块空间化 系统集成化程序设计图形化 硬件接口标准化 9 1 1测试系统基本架构 8 状态检测系统结构网络
3、化测试系统客户端 服务器客户机具有一定的数据处理能力和数据存储能力 减轻服务器的运算压力客户机和服务器都安装软件 早期应用浏览器 服务器数据处理和显示等任务完全在应用服务器端实现 对服务器要求高服务器安装软件 客户机使用浏览器 未来发展 9 1 1测试系统基本架构 9 基本原则具有良好的特性 能够满足各种静 动态性能指标具有良好的可靠性与足够的抗干扰能力测试系统应尽可能满足通用化 标准化等要求具有较高的性能价格比组建容易 结构简单 便于维护 9 1 2测试系统设计的基本原则及步骤 10 步骤明确测试系统设计任务测试系统总体方案设计测试系统的详细设计测量精度设计测量方法的选择传感器的确定信号调理
4、系统的确定测试系统的软件设计模块化编程思想人机接口的设计以数据库为中心的测试数据管理测试系统的性能评定 9 1 2测试系统设计的基本原则及步骤 11 步骤明确测试系统设计任务测试任务和要求具体包括了需要测试的物理量测试要达到的目的和用途测试物理量的测试范围要达到精度以及测试环境等防止信息过多和信息不足情况的发生 9 1 2测试系统设计的基本原则及步骤 12 步骤测试系统总体方案设计总体方案设计 也称概要设计 是根据测试任务和要求 对于测试系统结构 实现方案的设计 也是测试系统总的设计方案 确定测试系统的架构确定测试系统的模块结构传感和调理模块 信号处理模块 数据库模块 测试软件方案开发平台 9
5、 1 2测试系统设计的基本原则及步骤 13 步骤根据任务要求选择测量方法根据测试任务对测试精度与测试成本的要求 以及测试对象和测试条件等因素选择接触式测量 方法简单 信噪比高非接触式测量 适用于运动部件 不影响被测系统在线测量 实时性 性能要求高 高可靠性 高稳定性 系统复杂离线测量 成本低解决测量精度和测量成本的矛盾 9 1 2测试系统设计的基本原则及步骤 14 步骤传感器的确定传感器或转换器是整个测量系统的首要环节 如果选取不当 则可能导致干扰信号窜入系统并被放大 传感器的选择直接影响着后续测量系统的设计和整个测量系统的测量精度 先选择类型 然后选择型号 选择传感器时应注意不同型号的传感器
6、尽管在测量原理上相同 但在安装方式 量程 测量精度 频带范围等方面有明显的差异 要考虑选用传感器对环境 温度 湿度等因素的要求 有些类型的传感器有多种不同的输出方式 9 1 2测试系统设计的基本原则及步骤 15 步骤信号调理系统的确定传感器与信号调理的匹配互感式传感器 调制交流放大 相敏检波压电传感器 电荷放大器各个测量装置的静动态特性匹配测量装置的静态特性指标如灵敏度 量程 非线性 与待测参数的属性和整个测试系统的要求相适应测量装置的频响特性与被测信号的频率结构相适应 被测信号有意义的频率成分包含在测试装置的可用频率范围之内 精度设计 误差分配根据整个测量系统的测量误差确定各环节的误差要求其
7、它体积小 重量轻 结构简单 易于安装与维修 价格低 9 1 2测试系统设计的基本原则及步骤 16 步骤相应的软件设计与编制模块化编程思想提高软件可靠性的重要手段人机接口的设计方便完成对被测量的获取 计算 显示 存储等任务以数据库为中心的测试数据管理测试数据存储是测试系统的重要组成部分 9 1 2测试系统设计的基本原则及步骤 17 步骤测量系统的性能评定测试系统的功能测试评估就是通过测试系统的试运行 测试和评估对被测量的感知 采集 传输 放大 滤波 转换 整形 通讯 存储 报警 显示 记录等功能的实现情况 静态特性量程 准确度 重复性 迟滞性 过载能力 存储能力 网络响应 温度漂移 时间漂移 零
8、点漂移等动态特性 9 1 2测试系统设计的基本原则及步骤 18 精度为了使设计的测试系统能达到要求的测试精度 系统设计过程中必须通过对测试系统中各个环节的精度控制来保证 测量误差静态误差动态误差 9 2测试系统的精度设计 19 误差传递测量系统一般由传感器 变换器 放大器 滤波器等组成 确定了各个环节的精度或误差之后 根据测试系统各环节之间的传递关系逐级计算确定测试误差 9 2 1测试系统的误差传递 环节1 环节1 环节1 环节n 各个环节的测试精度有几种不同的表示方法 1 当用测量误差表征时 根据其精度等级和满量程可确定出最大可能的误差 2 当用不确定度表示时 可以直接得到可能的测量误差范围
9、 3 在未规定精度等级指数的情况下 精度通常可近似表示为非线性度 迟滞误差和重复性等误差之和 20 误差传递确定了各个环节的精度或误差之后 根据测试系统各环节之间的传递关系逐级计算确定测试误差 对于直接测量量来说 这一测试误差就是最终的测量误差 对于间接测量量 在其相关的直接测量量误差已经确定的情况下其测试误差是相关的直接测量量误差的合成 9 2 1测试系统的误差传递 环节1 环节1 环节1 环节n 21 间接测量结果的误差估计间接测量量的估计值合成误差 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的绝对误差为近似 泰勒级数展开 略去高阶小量误差传播
10、系数直接量的误差 间接量误差 9 2 1测试系统的误差传递 22 间接测量结果的误差估计间接测量量的估计值工程处理偏导数处理 防止负数导致测量误差的不合理抵消N 3时计算误差偏大 修正为 9 2 1测试系统的误差传递 23 间接测量结果的误差估计间接测量量的估计值当我们已知各个环节直接测量量的标准偏差 或者不确定度 则间接测量量用标准偏差 或者不确定度 表示的误差传递公式的一般表达式为 9 2 1测试系统的误差传递 24 间接测量结果的误差估计间接测量量的估计值当间接测量量的函数关系为直接测量量的相加关系时 9 2 1测试系统的误差传递 25 间接测量结果的误差估计间接测量量的估计值当间接测量
11、量的函数关系为直接测量量的相乘关系时 9 2 1测试系统的误差传递 26 间接测量结果的误差估计间接测量量的估计值当间接测量量的函数关系为直接测量量的相除关系时 9 2 1测试系统的误差传递 27 间接测量结果的误差估计间接测量量的估计值当间接测量量的函数关系为直接测量量的指数关系时 9 2 1测试系统的误差传递 两端除以y后有 如果已知各个直接测量量的相对误差则上式也可直接表示为 28 测试系统的误差分配与校核误差分配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 9 2 2测试系
12、统的误差分配与校核 29 9 3信号的放大与滤波环节设计 机械量测量中很多传感器或测量电路的输出信号都很微弱 不能直接用于显示 记录 或A D转换 需要进行放大 后续信号调理和处理系统设计应注意以下的问题 传感器与信号调理装置的匹配问题各级相互连接的测量装置或环节静态特性和动态特性的匹配问题 30 9 3 1 信号放大环节设计 机械测试系统中放大器的性能要求包括以下几点 频带应尽量宽 满足测试要求 精度高 线性度好 合适的放大增益和量程范围 输入阻抗高 输出阻抗低 低温度 时间漂移 低噪声 抗共模干扰的能力强 31 9 3 1 信号放大环节设计 运算放大器 运算放大器 简称 运放 是具有很高放
13、大倍数的电路单元 在实际电路中 通常结合反馈网络共同组成某种功能模块 它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器 其输出信号可以是输入信号加 减或微分 积分等数学运算的结果 32 9 3 1 信号放大环节设计 运算放大器 正向比例放大器反向比例放大器积分放大器微分放大器 33 9 3 1 信号放大环节设计 测量放大器 采用测量放大器进行信号放大和共模干扰的抑制是一种两级串联放大器 前级有两个对称结构的同相放大器组成 它允许输入信号直接加到输入端 从而具有高拟制共模干扰的能力和高输入阻抗 后级是差动放大器 它不仅能切断共模干扰的传输 还能将双端输入方式变化成单端方式输出 适应对地负载的需要 34 9
14、 3 1 信号放大环节设计 可编程增益放大器可编程增益放大器 PGA ProgrammableGainAmplifier 的通用性强 硬件芯片集成度高 放大倍数可根据需要通过软件进行控制 使信号达到均一化 适应对各通道信号放大的要求简化信号处理电路的设计提高测试系统的灵活性 35 9 3 1 信号放大环节设计 隔离放大器 测试系统中往往需要将传感器的输出电信号与A D转换的输入进行隔离 以消除来自大地回路的各种干扰和噪声 光隔离器发光二极管和光敏晶体管组成的光电耦合器 36 9 3 2 信号滤波环节设计 滤波器的分类 滤波器按照频率范围可分为四种类型 即低通 高通 带通 带阻滤波器 37 9
15、3 2 信号滤波环节设计 RC低通滤波电路设计 令 称为时间常数 电路的幅频特性和相频特性分别为当时 此时信号几乎不受衰减地通过 相频特性曲线近似于一条通过原点的直线 因此 可以认为在此范围内 RC低通滤波电路是一个不失真的传输系统 38 9 3 2 信号滤波环节设计 RC高通滤波电路设计 电路的幅频特性和相频特性分别为当时 此时信号几乎不受衰减地通过 即当f相当大时 幅频特性接近于1 相移趋于零 在此范围内 可将高通滤波电路视为不失真传输系统 39 9 3 2 信号滤波环节设计 RC带通滤波器电路设计 RC带通滤波器电路可看成是有RC低通滤波器电路和高通滤波器电路串联形成的 带通滤波器电路以
16、原来的高通滤波器电路的截止频率为下截止频率 即 相应地 其上截止频率为原来的低通滤波器电路的截止频率 即 40 9 3 2 信号滤波环节设计 有源滤波电路设计 有源滤波电路是由运算放大器等有源器件组成的调谐网络运算放大器既可作为级间隔离 又可起信号幅值的放大作用RC网络则通常作为运算放大器的负反馈网络 41 抗干扰设计干扰产生的原因外部干扰 环境电磁场 振动 温度 湿度等内部干扰 仪器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 9 4 1干扰因素及传播途径 42 抗干扰设计干扰产生的原因需注意问题传感器的安装和测点布置位置应能反映被测对象的特征传感器与被测物需要有良好的固定 保证紧密接触 连接牢固 振动过程中不能有松动考虑固定件的结构形式和寄生振动问题对小型 轻巧结构的测试 要注意传感器及固定件的 额外 质量对被测结构原始性能的影响导线的连接必须可靠 9 4 1干扰因素及传播途径 43 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产生的有效输入成分 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 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
