机械工程测试技术（第3版）课件：测试系统设计

测试系统设计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9.1测试系统设计的基本原则需求测试系统设计满足1.测试系统基本构架自动控制中的测试系统结构闭环中的一个环节特点：高精度、快速检测幅频特性与相频特性均需考虑状态检测系统结构开环，精度、速度、幅频与相频特性视具体情况而定组成：一般测试系统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测试系统设计的基本原则状态检测系统结构（1）一般测试系统

组成：传感器、信号调理、数据处理、显示记录

特点：简单、多样，根据需求灵活搭建（2）基于计算机的测试系统

特点：以计算机为核心，完成测试、计算、显示、存储等操作

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测试系统设计的基本原则（3）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具有信号输入通道、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……（4）虚拟仪器测试系统特征：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测试系统设计的基本原则（5）网络化测试系统客户端/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测试系统设计的基本原则2.测试系统设计的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测试系统设计的基本原则3.测试系统设计的步骤（1）明确测试系统设计任务（2）测试系统总体方案设计（3）测试系统的详细设计a)测量精度设计b)测量方法的选择c)传感器的确定d)信号调理系统的确定e)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（4）测试系统的性能评定9.1测试系统设计的基本原则各个步骤详细说明：

（1）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测试系统设计的基本原则例某工厂生产的质量检验（2）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9.1测试系统设计的基本原则（3）测量系统详细设计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a）测试精度设计（后面详述）b）测试方法选择：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：实时性好，性能好，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测试系统设计的基本原则c）传感器的确定选择传感器时应注意先选择类型，后选择型号。不同型号的传感器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测试系统设计的基本原则工程考虑同一系统中传感器种类越少越好合并：位移＋速度(如：涡流传感器——位移、振动、转速)标准输出：减少信号处理难度

电流4-20mA、电压±5V;数字通讯（a）灵敏度一般来讲灵敏度愈高愈好，但灵敏度愈高，外界干扰也愈容易混入。因此，要求传感器信噪比愈大愈好；测量矢量时，要求在测量方向灵敏度愈高愈好，而交叉灵敏度愈小愈好；过高的灵敏度会缩小传感器的使用范围。什么是交叉灵敏度？选择传感器时重点考虑几个因素9.1测试系统设计的基本原则（b）精度传感器由于处于测试系统前端，其精度对整个测试系统具有直接影响，因此，在整个测试系统中传感器的精度不能比其它环节低；应从实际出发、尤其从测试目的出发选择其精度；并非精度愈高愈好，必需考虑经济性。如：问题1：通过测量了解一批机床中哪一个主轴的振动最大？

问题2:振动最大的机床主轴的振动有多大？前者是定性分析，后者是定量分析，两者对传感器精度要求不同。如果是相对比较的定性试验，应要求传感器有足够高的精密度；如果是定量分析，必须要求有足够的精准度；

9.1测试系统设计的基本原则（c）频率响应特性在所测频率范围内，传感器的响应特性必须满足不失真测量条件或满足给定的误差范围；传感器频率范围必须与被测量变化的频率范围（或感兴趣的频率范围）相匹配。压电式与动圈式磁电传感器相比，哪种频率范围大？一般来讲：光电、压电等物性型传感器响应快，可工作频率范围宽；电感、电容、磁电式等结构型传感器，由于机械系统惯性的限制，固有频率低，可工作频率范围窄。9.1测试系统设计的基本原则（d）可靠性可靠性是传感器和一切测量装置的生命；使用中应严格规定使用条件，尽量减轻不良影响。9.1测试系统设计的基本原则传感器影响因素电阻应变式传感器湿度会影响其绝缘性；温度会影响其零漂；长期使用会产生蠕变压电传感器工作中连接导线的运动会导致导线芯层与屏蔽层之间的摩擦而引起附加电荷涡流传感器特性与被测对象的材质有很大关系磁电式传感器性能容易受到周围强磁场影响变间隙式电容传感器环境湿度或浸入间隙的油剂会改变介质的介电常数光电传感器感光表面有尘埃或水汽时，会改变光通量和光谱成分等d）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9.1测试系统设计的基本原则e)

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（4）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。系统抗干扰能力：隔离问题、接地问题系统性能标定：整个测试系统的标定静态特性、动态特性系统测试精度分析：误差分配系统技术经济合理性9.1测试系统设计的基本原则触针式轮廓检测法激光检测法

传统的触针式轮廓检测法不能运用在线检测，激光检测法可以应用。9.1测试系统设计的基本原则例如：在线测量表面粗糙度采用什么方法？粗糙度测量方法1.测试系统的精度

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。

精度一般是由误差度量的，所以精度设计也就是误差分配与合成。

9.2测试系统的精度设计环节1环节1环节1环节n…作为一个测量系统，一般由传感器、变换器、放大器、滤波器等组成。步骤：首先确定各个环节的测量误差，然后确定整个系统的误差。9.2测试系统的精度设计

（1）测量系统精度（测量误差）的确定：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确定测试系统的误差。对于直接测量量来说，这一测试误差就是最终的测量误差。对于间接测量量来说，在其相关的直接测量量误差已经确定的情况下，测试系统误差是相关的直接测量量误差的合成。（2）直接测量量测试精度的确定：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；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。当用标准偏差（或不确定度）表示时，可以直接得到可能的测量误差范围；9.2测试系统的精度设计（3）间接测量结果的误差估计如果已知各个直接测量量的误差，间接测量量的误差估计值求法：间接测量量的合成误差：通过函数传递的误差通过泰勒级数展开，略去高阶小量，则间接测量量y的绝对误差为9.2测试系统的精度设计工程处理

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，修正为误差传播系数:当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9.2测试系统的精度设计当间接测量量的函数关系为直接测量量的相加关系时，当间接测量量的函数关系为直接测量量的相乘关系时，如果已知各个直接测量量的标准差，间接测量量的标准差求法：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测试系统的精度设计当间接测量量的函数关系为直接测量量的指数关系时，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两端除以y后有2.测试系统的误差分配与校核9.2测试系统的精度设计a）根据不同的假设对误差进行预分配；直接测量量误差相等法

xi取相同误差量，即：

Δx1=Δx2=Δ

x3=……误差分项相等法c1Δx1=c2Δx2=c3

Δ

x3=……问题：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CiΔxi大的项，加大取值权重b）按照实际可能对预分配方案进行调整；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c）按照误差合成理论对分配方案进行校核。9.3信号的放大与滤波环节设计1.信号放大器的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。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。机械测试系统中几种常见的放大器：（1）运算放大器（2）测量放大器（3）可编程增益放大器（4）隔离放大器（1）运算放大器运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。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。9.3信号的放大与滤波环节设计运放分类正向比例放大器反向比例放大器积分放大器微分放大器（a）反相放大器反相增益特点：大增益，取决于反馈电阻RF9.3信号的放大与滤波环节设计（b）同相放大器同相增益特点：输入阻抗非常高：隔离输出阻抗很低常用几种运算放大器的特点U0U0（c）差动放大器特点：双端输入——单端输出共模抑制比较高当R1=R2，RF=R3时，差动放大器的差模电压增益为：

9.3信号的放大与滤波环节设计（2）测量放大器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，同相放大器使其具有高输入阻抗特点。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。9.3信号的放大与滤波环节设计第一级第二级总增益特点抗共模干扰能力强适合微弱信号放大线性度高，噪声低，用于精密测量（3）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9.3信号的放大与滤波环节设计（4）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。隔离采取耦合方式。如：光隔离器发光二极管和光敏晶体管组成的光电耦合器9.3信号的放大与滤波环节设计耦合方式：

变压器（磁）耦合、电容耦合、光耦合2.滤波器的设计（1）滤波器分类

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。9.3信号的放大与滤波环节设计（2）一阶RC低通滤波电路设计

9.3信号的放大与滤波环节设计滤波器最大增益为1（3）一阶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。

在范围内，可将高通滤波电路视为不失真传输系统。截止频率取决于时间常数.9.3信号的放大与滤波环节设计滤波器最大增益为1二阶RC滤波电路二阶低通二阶高通与一阶RC滤波电路相比，二阶RC滤波电路对通频带外信号的抑制能力更强，滤波效果更好。二阶

RC滤波电路不仅能实现低通和高通滤波特性，还可实现带通滤波特性。9.3信号的放大与滤波环节设计（4）二阶RC带通滤波器电路设计RC带通滤波器电路可看成是由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

。9.3信号的放大与滤波环节设计调节高、低通时间常数，就可得到不同的上、下截止频率和带宽实际存在级间耦合影响:

后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻.

改善方法：R2>>R1

射极输出器隔离运算放大器隔离无源滤波缺点（1）电路的增益小，最大为1；

（2）带负载能力差，当外载荷变化时，滤波特性也随之变化；（3）过渡带较宽，幅频特性不理想；（4）无源滤波器存在能量损耗。目前采用由运算放大器和阻容滤波网络构成的有源滤波电路就可克服上述无源滤波器的不足。9.3信号的放大与滤波环节设计有源滤波器

定义：由运算放大器等有源器件组成的调谐网络

功能：运算放大器既可作为级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。

构成：RC网络通常作为运算放大器的同向端输入或负反馈网络。运算放大器特点：高增益、高输入阻抗、低输出阻抗、很大的带宽一阶有源低通滤波网络

RC低通滤波网络作为输入端

RC高通滤波网络作为负反馈

可见：截止频率与无源低通相同，但放大倍数大幅提高。运算放大器起隔离负载影响、提高增益和提高带负载能力的作用

9.3信号的放大与滤波环节设计（5）有源滤波电路设计二阶有源低通滤波器a)是两个一阶低通的简单组合，目的是使通带外高频衰减率更快：-40dB/10倍频程b)具有多路负反馈，是a）的改进，削弱RF负反馈作用，低通特性更好二阶有源低通滤波网络

9.3信号的放大与滤波环节设计1.干扰因素及传播途径（1）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测试系统的抗干扰设计测量中必须尽可能排除这些干扰源。（2）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干扰。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。机械传递：机械冲击和振动引起的测量误差。9.4测试系统的抗干扰设计测量中必须尽可能排除这些传播途径中的干扰。（1）基本要求——安装与接线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测试系统的抗干扰设计2.常用抗干扰技术

基本要求：安装与接线、

四项技术：屏蔽技术、

隔离技术、接地技术、滤波技术（2）屏蔽技术

——利用金属材料对电磁波具有良好的吸收和反射能力来抗干扰的。静电屏蔽：使电力线终止于屏蔽体的金属表面利用铜、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：保护内部仪器不受外部磁场影响利用一定厚度铁磁材料制成容器，隔离磁力线。电磁屏蔽：用一定厚度、导电良好的金属材料做成的接地电磁屏蔽层，同时起到磁屏蔽和静电屏蔽两种作用导线选取：屏蔽导线或电缆9.4测试系统的抗干扰设计屏蔽技术举例简单的屏蔽——外壳接地、仪器浮置在