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1、测试技术 测试系统设计(2),第七章,内容,基本原则一般步骤抗干扰设计精度分配,测试系统典型组成 传感器、信号调理、信号处理、显示与记录,1、基本原则,测试系统设计原则测量装置选用满足关键指标合理的带宽接口标准误差分配综合误差最小或合成不确定度最小选择直接测量量的测量精度适中的方案，降低难度传感器选用优先考虑功能、然后再是指标其它：成本、实现,1、基本原则,步骤确定测试任务选择测量方法选择传感器后续测量系统的选定相应的软件设计与编制测量系统的性能评定,2、一般步骤,确定测试任务 在如下环境中完成如下任务任务参数监测/检测/监控参数计算（功率测量、传递函数）场分布，面、阵测量组/复合传感器环境高
2、压、高温、高冲击 工作介质:水、油、空气或蒸气被测表面:材质、偏差,2、一般步骤,选择测量方法 功能在线测量/离线测量是否固定实时测量/离线分析是否现场给出结果实时测控数据存储、数据发布/数据传输指标非线性度、精度、量程、分辨率稳定性、温漂、零漂频响成本简易：传感器电压表；传感器A/D板计算机适中：传感器信号处理信号测量先进：传感器信号处理测量、分析、传输,2、一般步骤,选择传感器被测参数传感器类型振动、位移、温度、转速、压力、扭矩测试部位对被测量的影响加速度传感器对传感器的影响涡流传感器选择传感器指标：灵敏度、线性范围、精确度、频响、稳定性等 工程考虑：传感器种类越少越好合并：位移振动类型优
3、化：一种传感器多种测量(涡流传感器：位移、振动、转速)输出标准：减少信号处理难度电流 420mA、电压5V;数字通讯（TCP/IP）,2、一般步骤,后续测量系统的选定传感器与信号调理装置的匹配问题 各个测量装置的静动态特性匹配问题测量系统的精度设计指标频响相应的软件设计与编制实现测试系统的自动化、智能化 成本人机交互界面测量系统的性能评定经济合理性抗干扰能力测试精度分析,2、一般步骤,干扰源外部干扰环境 电磁场、振动、温度、湿度等内部干扰电路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,3、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到的有效输入成分电磁感应：变化的电流
4、通过互感作用在另一回路中引起的感应电动势辐射电磁干扰：周围强烈的电磁场产生的感应电动势造成的干扰漏电流干扰：电器元件绝缘不良或功率器件间距不够产生的漏电现象公共阻抗：阻抗不等的两个电路与另一公共阻抗串联产生的干扰,3、抗干扰设计,屏蔽技术 静电屏蔽：在静电场作用下，导体内部各点等电位 利用铜、铝等低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外部电力线，消除静电耦合磁屏蔽：导体层以涡流方式消耗高频干扰磁场的能量 铁磁材料（硅钢、坡莫合金）制成容器电磁屏蔽：用导电良好的金属材料（铜箔,铝箔/板）做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用 屏蔽导线、屏蔽电缆,3、抗干扰设计,屏蔽技术 简单的
5、屏蔽接地、浮置 在高电压强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统 为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地安全可靠制造工艺复杂飞机、舰船上的设备采用浮地,3、抗干扰设计,屏蔽技术电缆屏蔽层单地原则屏蔽线的接地应与公共端连接,3、抗干扰设计,隔离技术 切断地环路电流干扰两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰数字电路很适用模拟电路中，要选用线性度好的隔离器件滤波技术阻止某一频带信号通过测试系统,3、抗干扰设计,接地技术接地作用：安全、基准电位抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等）接地方式并联接地串联接地串并联接地,3、抗干扰设计,接地技术接地原则：一点接地地线应连在一起并通过一点接地避免公共地线各点电
6、位不均匀而形成接地回路，产生干扰,3、抗干扰设计,衡量精度的指标测量的准确度(是精密度和正确 度的综合)测量结果与被测量真值之间的一致程度精密度重复测量所得各测量值的离散程度反映随机误差的大小正确度测量值偏离真值的程度反映系统误差的大小 涉及真值，多作定性描述,4、测量系统精度分配,测量的不确定度测量结果不能肯定的程度、被测量之值x的分散性范围被测量的真值x以一定概率落在某个量值最佳估值的范围内-u,u 不确定区间最佳估值测量结果不确定度分为两类A类不确定度：用统计方法求出多次测量B类不确定度：用其他方法得出单次测量,4、测量系统精度分配,不确定度的评定A类不确定度的评定用有限次数测量数据的标
7、准差估值来度量测量结果的不确定性最佳估值取其算术平均值，则置信区间为有限次数n：不宜超过10(等精度测量难度随n增加)测量结果：对于有限次测量，其测量结果,4、测量系统精度分配,B类不确定度的评定 确定工程上大多单次测量x的不确定度根据经验或资料及假设的概率分布估计的标准差来表征 a为误差区间的半宽度，即被测量误差可能值的区间(-a，a)k为测量值落在a区间内概率分布的置信因子 测量结果的置信区间,4、测量系统精度分配,B类不确定度的评定根据误差分布规律确定k,P(%)50 68.27 90 95.45 99 99.73K 0.67 1 1.645 1.960 2.576 3,4、测量系统精度
8、分配,B类不确定度的评定示例引用误差 已知仪表满度A和精度等级r，则最大允许误差为 根据均匀分布，置信因子及标准不确定度为仪器的基本误差 仪器在指定条件下对某量测量时，可能达到的最大误差界限值为a，按均匀分布假设，置信因子及标准不确定度 若已知分布，则按实际分布计算,4、测量系统精度分配,B类不确定度的评定示例仪器的分辨力 数字式仪器的指示装置或A/D的分辨力为x，其区间半宽 由均匀分布假设，置信因子及标准不确定度为未给出仪器误差时估计最大允许误差a连续可读仪器 最小分度/2非连续可读仪器 最小分度/2 可按均匀分布假设，置信因子及标准不确定度为,4、测量系统精度分配,连续可读最小分度1m,不
9、确定度的评定B类不确定度的评定示例正态分布变量 测量量以2/3即67%的概率落在a-a+的区间，则最佳估值为（a-+a+）/2，而区间半宽 置信因子及标准不确定度为,4、测量系统精度分配,不确定度的评定合成标准不确定度的评定测量误差是测量过程中所有因素及环节引起误差的综合结果 传感器的非线性、迟滞、分散性、环境等定义：n个影响量独立引起测量结果的不确定度ui 的几何合成ui既可为A类标准不确定度，也可为B类标准不确定度当误差分量项数较小（一般n3）时,4、测量系统精度分配,直接测量结果的误差估计量程xm和准确度等级a%决定的测量结果误差 多次测量随机误差 标准差估计值为sx，测量误差修正为K为
10、置信因子，通常取值为3,4、测量系统精度分配,间接测量结果的误差估计间接测量量的估计值间接测量量y是n个直接测量量xi的单值函数，即间接测量量的最佳估值 各直接测量量xi的算术平均值的函数值,4、测量系统精度分配,间接测量结果的误差估计合成误差：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的绝对误差和相对误差为近似：泰勒级数展开，略去高阶小量误差传播系数：直接量的误差间接量误差,4、测量系统精度分配,间接测量结果的误差估计工程处理偏导数处理：防止负数导致测量误差的不合理N3时计算误差偏大，修正为结果表示示例,4、测量系统精度分配,间接测量结果的误差估
11、计误差传播系数意义确定最大误差项，作为提高测量精度方向确定最小误差项，降低测量精度要求合成标准不确定度函数y的合成不确定度由直接测量量xi的标准不确定度uxi确定n3时，推荐用绝对值合成,4、测量系统精度分配,误差分配与测量方案的选择误差分配误差分配是误差合成的逆问题，即在总误差给定的前提下，确定出各分项误差误差分配方案误差的分配和误差传播系数ci有关，涉及到不同测量方案方案选择原则综合误差最小直接测量量的测量精度适中，难度降低直接测量量xi的误差小于合成误差的三分之一，可忽略误差分配步骤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
12、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,4、测量系统精度分配,误差分配与测量方案的选择误差预分配方法直接测量量误差相等法 xi取相同误差量误差分项相等法 CiXi取相同误差量求其直接测量量的误差 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 重点考虑Ci项大的，加大取值权重求其直接测量量的误差,4、测量系统精度分配,误差分配与测量方案的选择方案选择示例现有量程为Vm=300V，准确度等级为0.5级的交流电压表一只；量程Im=10A，准确度等级0.5级的交流电流表一只；准确度等级0.2级的单臂电桥一台,欲测额定电压220V,额定功率1kw的某电阻R的消耗功率,请确定最佳测量方
13、案解：根据给定的测量条件，可选择以下三种测量方法,4、测量系统精度分配,直接测量量的误差估计：V=300/2200.5%=0.68%I=10/(1000/220)0.5%=1.1%R=0.2%由公式,P的相对不确定度估计为：方案:方案:方案:通过比较可知，方案测量合成不确定度最小，为最佳测量方案,4、测量系统精度分配,测试系统设计原则测量单元选用（关键指标、带宽、接口标准）误差分配、传感器选用测试系统设计步骤（任务、方法、传感器、后续单元、软件、评定）抗干扰设计干扰传播路径：静电、电磁感应，辐射电磁，漏电流，公共阻抗抗干扰措施屏蔽技术：电磁屏蔽、电缆屏蔽层隔离技术：切断地环路电流干扰滤波技术：阻止电源干扰、抑制串模干扰 接地技术：作用、方式和原则测量系统精度分配测量不确定度的类型、计算直接、间接测量结果的误差估计，误差合成与传播误差分配：原则和方法,回顾,作业,教材 7-3、7-5,Thank you!,
