动态测试技术_测试系统组成

1、动态测试技术南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室吴义鹏测试系统的组成与设计原则机械结构力学及控制国家重点实验室2动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.0 3.0 测试系统组成与设计原则概述测试系统组成与设计原则概述对于测试系统，选择与确定系统各环节（传感器、调理电路、数据采集系统）。如果确定的环节性能过高，虽然能满足系统性能的要求，但会使成本费用过高；如果确定的环节性能过低，将导致系统性能达不到规定的要求，甚至会造成更大的浪费。设计原则：根据测试任务选择组成测试系统的基本硬件模块。机械结构力学及控制国家重点实验室3动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.0 3.0 测试系统组

2、成与设计原则概述测试系统组成与设计原则概述（2）NI数字万用表：2.5万元（3）NI热电偶温度测量接口：1万元(1)(2)(3)（1）SICK公司激光雷达：20万机械结构力学及控制国家重点实验室4动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成信息的获得：传感器获得被测量的信息，并转换成电量。信息的转换：即信号调理。放大器、滤波器、A/D转换等，使被测信号便于后级的处理与传输。信息的处理：数据分析仪、计算机。信息的显示：指示仪、记录仪、报警器。信息转换信息获取信息处理、显示机械结构力学及控制国家重点实验室5动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1

3、测试系统的组成测试系统的组成信息获取主要依靠传感器，传感器是一个把被测的非电量变换成电量的装置，是获得信息的一种手段。传感器获得信息的正确与否，关系到整个测量系统的精度，如果传感器的误差很大，后续电路精度再高，也将难以提高测量系统的精度。机械结构力学及控制国家重点实验室6动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。在电子技术领域：热敏元件、磁敏元件、光敏元件等。机械结构力学及控制国家重点实验室7动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。在

4、超声波检测中：压电式换能器（强调能量的转换）机械结构力学及控制国家重点实验室8动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成传感器定义：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的输入端：一个指定的传感器只能感受规定 的被测量传感器的输出端：输出信号为“可用信号”输入与输出关系：具有“一定规律”机械结构力学及控制国家重点实验室9动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成传感器的性能指标输入量的性能指标：量程、测量范围、过载能力静态特性指标：线性度、迟滞、重复性、精度、灵 敏度、分辨率、稳定性

5、、漂移等动态特性指标：固有频率、阻尼比、频率特性、时 间常数、上升时间、响应时间、超 调量、稳态误差等机械结构力学及控制国家重点实验室10动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成传感器的性能指标可靠性指标：工作寿命、平均无故障时间、故障率、疲劳性能、绝缘、耐压、耐温等环境要求指标：工作温度范围、温度、灵敏度漂移、 抗介质腐蚀、抗电磁场干扰能力等使用及配接指标：供电方式、功耗、安装方式机械结构力学及控制国家重点实验室11动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成信息转换一般包括：信号放大、滤波、A/D转换信号放大：

6、放大传感器出来的微弱电信号滤波：消除各种噪声、干扰，得到感兴趣的频率信号A/D转换：数字信号更方便传输、处理、存储机械结构力学及控制国家重点实验室12动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成运算放大器对微弱信号进行放大的最基本处理。反相放大器同相放大器机械结构力学及控制国家重点实验室13动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成运算放大器对开环电压放大倍数无穷大；差模输入电阻无穷大；开环输出电阻为0；共模抑制比无穷大。反相放大器同相放大器机械结构力学及控制国家重点实验室14动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3

7、.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成仪表放大器对微弱信号进行放大的更精密处理。典型仪表放大器机械结构力学及控制国家重点实验室15动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成程控测量放大器对微弱信号进行放大的增益可调节。典型程控测量放大器机械结构力学及控制国家重点实验室16动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成动态测试所获取的信号往往是具有多种频率成分的复杂信号，需要滤波器将信号中人们感兴趣的频率成分提取出来，以便对信号的某一方面特征有更深的认识以及做进一步处理。滤波器根据其通过对频率范围，可分为：低通滤波器

8、高通滤波器带通滤波器带阻滤波器机械结构力学及控制国家重点实验室17动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成机械结构力学及控制国家重点实验室18动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成实际滤波器的基本参数：（1）纹波幅度d（2）截止频率（3）带宽B和品质因数Q（4）选择性机械结构力学及控制国家重点实验室19动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成典型无源一阶低通滤波器yyxdeRCeedt拉氏变换得： 或 1( )1H sRCs1( )21H fjfRC幅频： 相频： 2

9、1( )( )1(2)A fH ffRC( )arctan(2)ffRC 机械结构力学及控制国家重点实验室20动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成典型无源一阶低通滤波器幅频： 相频： 21( )( )1(2)A fH ffRC( )arctan(2)ffRC 机械结构力学及控制国家重点实验室21动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成典型有源一阶低通滤波器（一阶无源+电压跟随器）12RR（1）隔离负载（2）可改变增益（3）提高带负载能力机械结构力学及控制国家重点实验室22动态测试技术：测试系统的组成与设计原

10、则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成（1）简述测试系统的基本结构分别由哪几部分组成？（2）运算放大器适用于什么环境的信号放大？请设计一个放大倍速为10倍的放大电路。（4）请计算右图滤波器的截止频率和通带增益。（3）设某信号分别由50Hz，150Hz，400Hz三种幅值相等的正弦信号叠加而成。现利用手中1k电阻和2uF电容搭建一滤波器，试画出该滤波器电路图并描述该信号通过滤波器后的输出信号形式。机械结构力学及控制国家重点实验室23动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成（1）简述测试系统的基本结构分别由哪几部分组成？（2）运算放大器适用于什么环

11、境的信号放大？请设计一个放大倍速为10倍的放大电路。信息转换信息获取信息处理、显示主要用于对微弱信号进行放大，且信号回路不受干扰或干扰很小。（图中注意标注两电阻之间的关系）机械结构力学及控制国家重点实验室24动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成（3）设某信号分别由50Hz，150Hz，400Hz三种幅值相等的正弦信号叠加而成。现利用手中1k电阻和2uF电容搭建一滤波器，试画出该滤波器电路图并描述该信号通过滤波器后的输出信号形式。机械结构力学及控制国家重点实验室25动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成A/

12、D转换将模拟信号转换成数字信号，使信号便于传输、处理、存储等。采样采样保持保持量化量化编码编码机械结构力学及控制国家重点实验室26动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成典型的采样保持器（原理图）采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值。把这个信号值存储起来保持一段时间，以供AD转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。机械结构力学及控制国家重点实验室27动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成A/D转换器根据转换原理，主要可以分为以下几类：（1）逐次逼近式（2）双

13、积分式（3）并行式等其它类型转换机械结构力学及控制国家重点实验室28动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成逐次逼近式A/D转换器机械结构力学及控制国家重点实验室29动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成例题：假设VR=10.24V，被转换模拟电压Vi=8.30V，要求将Vi转换成8位二进制码。列表写出逐次逼近式转换过程。步号步号寄存器数码寄存器数码对应输出对应输出去去/留码留码本步完成后实际数码本步完成后实际数码1100000005.12留100000002110000007.65留110000003111

14、000008.96去11000000机械结构力学及控制国家重点实验室30动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成逐次逼近式A/D转换器机械结构力学及控制国家重点实验室31动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成例题：双积分式A/D转换器如下图所示。其中fc=20kHz,基准电压VR=2V，采样时间为T1。现要求电路每秒显示2.5次，最大显示数为1999（Vi= 1.999V），试求：(1) 若T1=100ms，V2max=?(2) T2与Vi之间的关系？(3) 计数值N2与Vi之间的关系？(4) 若T2=20m

15、s，Vi=?(5) 若计数值N2=1000，Vi=？(6) 若要求A2的最大输出电压为 10V，最大输入电压Vmax=2V，求R、C的值。机械结构力学及控制国家重点实验室32动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成例题：双积分式A/D转换器如下图所示。机械结构力学及控制国家重点实验室33动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成采样定理kfk0 11.)(tTt0TT.)(tft0 TT.s)(tf)(tfs)(tT信号理想抽样模型冲激串-序列kf)()()(ttftfTs机械结构力学及控制国家重点实验室34动态

16、测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成采样定理)(tf)(tfs)(tT信号理想抽样模型冲激串-序列kf)()()(ttftfTs)(tT为周期为T的周期开关函数则采样信号： 角频率：1sfT22ssfT( )sjntTnnte周期开关函数的傅立叶级数：机械结构力学及控制国家重点实验室35动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成采样定理( )sjntTnnte周期开关函数的傅立叶级数：傅立叶变换：()( )2()ssjntTnnjntnnsnnjFtFeF ejn 机械结构力学及控制国家重点实验室36动态测试技术

17、：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成采样定理根据卷积定理求采样信号fs(t)的频谱：1( )()()()2ssf tFjF jj1()() 2()()2snsnsnnFjF jjnF jn 时域采样信号频谱是原信号频谱以采样角频率 为间隔的周期重复。s机械结构力学及控制国家重点实验室37动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成采样定理对于理想采样， 为冲击函数：/2/211( )sTjntnTTt edtTT( )Tt1( )sjntTnteT机械结构力学及控制国家重点实验室38动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3

18、.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成采样定理1( )sjntTnteT2()()snjnT 1()()()1snssnnssFjF jnF jnTF jjF jF jjT机械结构力学及控制国家重点实验室39动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成采样定理T1)j (F)( j sF)( j sF)j (sFmssms /20.)j (sFT1)( j sF)( j sF)j (Fmssm0.机械结构力学及控制国家重点实验室40动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成采样定理)j (sFT1)j (Fmss

19、mss0.)( j sF)( j sF抽样信号抽样信号fs(t)频谱包含有频谱包含有F(jw)的完整信息的条件的完整信息的条件:ms2机械结构力学及控制国家重点实验室41动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成信息显示（1）仪器自带屏幕进行显示（2）通过接口将数据传输到计算机，在专用界面 进行显示（利用matlab的画图功能）机械结构力学及控制国家重点实验室42动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成信息处理一般针对数字信号，具有以下特点：（1）精度高（2）灵活性高（3）可靠性高（4）容易集成，规范性高，电路参

20、数要求不高（5）可获得高性能指标机械结构力学及控制国家重点实验室43动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.1 3.1 测试系统的组成测试系统的组成实例：（1）利用matlab对采集信号进行数字滤波；（2）利用matlab分析采集信号的幅频特性。机械结构力学及控制国家重点实验室44动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.2 3.2 测试系统的设计原则与方法测试系统的设计原则与方法设计原则：结合使用要求使用要求和测试任务测试任务设计。（1）根据专门用户的需要，针对特定的测控对象、被测参数及工作特性设计专用测控统；（2）根据市场需要，设计通用产品和系列产品；（3）根据技术发展和社会需求的预测，

21、推出性能好、功能全、技术先进的产品。机械结构力学及控制国家重点实验室45动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.2 3.2 测试系统的设计原则与方法测试系统的设计原则与方法设计原则：结合使用要求使用要求和测试任务测试任务设计。（1）了解被测参数的特点，持续时间，幅值范围等；（2）测试要求的精度；（3）安装条件，安装方法及要求；（4）测试环境；（5）了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平等；（6）了解系统有关方面的加工工艺及关键元器件的销售情况。机械结构力学及控制国家重点实验室46动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.2 3.2 测试系统的设计原则与方法测试系统的设计原则与方法（1）灵敏度分配和误差分配原则测试系统各个环节一般均属于串联的形式，各环节的灵敏度对系统总的灵敏度影响都是一样的。在满足总灵敏度的要求下，提高易于提高灵敏度的环节，降低较难提高灵敏度的环节。机械结构力学及控制国家重点实验室47动态测试技术：测试系统的组成与设计原则3.2 3.2 测试系统的设计原则与方法测试系统的设计原则与方法（1