安全检测技术第二章.ppt

,第二章 测试系统,第一节 测试系统的组成,以计算机为中心的现代测试系统，采用数据采集与传感器相结合的方式，能最大限度地完成测试工作的全过程。它既能实现对信号的检测，又能对所获信号进行分析处理求得有用信息。 传统的测试则是由传感器或某些仪表获得信号，再由专门的测试仪器，对信号进行分析处理而获得有限的信息。 现代测试系统大致可分为三类：基本型、标准接口型与闭环控制型。,基 本 型,计算机控制现代测试系统的基本形式框图,基本型能完成对多点、多种随时间变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰，进行数据处理、信号分析，由测得的信号求出与研究对象有关信息的量值或给出其状态的判别。,基 本 型,传感器,信号调理,数据采集卡(板),计算机,完成信号的获得，将被测参量转换成相应的可用输出信号，被测参量可以是各种非电气参量或电气参量。,其一是放大，将信号放大到与数据采集卡(板)中的A/D转换器相适配；其二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量。,是系统的神经中枢，它使整个测量系统成为一个智能化的有机整体。进行信号的采集和存储，数据的分析处理显示输出。,一是进行量程自动改换，二是对多点多通道信号的分时采样。其三是进行信号转换以适应计算机工作。,系统各组成部分的功能：,标准通用接口型,专门接口型是将一些具有一定功能的模块相互连接而成。由于各 模块千差万别，组成系统时相互间接口十分麻烦，而且模块是系统不 可分割的一部分，不能单独使用，缺乏灵活性。 标准通用接口型，也是由模块(如台式仪器或插件板)组合而成， 所有模块的对外接口都按规定标准设计。组成系统时，若模块是台式 仪器，用标准的无源电缆将各模块接插联接起来就构成系统。若模块 为插件板，只要将各插件板插入标准机箱即可。组建这类系统非常方 便，例如，GPIB系统、VXI系统就是这类系统，虽然首次投资大，但有 利于组建大、中型测量系统。,系统的结构形式,专门接口型,标准通用接口型,标准通用接口型,（1）GPIB(General Perpose Interface Bus) GPIB测试系统是一种通用接口测试系统，结构形式如下图。由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器子系统构成。其中每个仪器子系统是一台带GPIB接口的单台仪器。该接口在功能上、电气上和机械接插上都按国际标准设计，内含16条信号线，每条线都有特定的意义。即使不同厂家的产品也相互兼容具有互换性，组建系统时非常方便，拆散后各仪器子系统又可作单台仪表独立使用。一块GPIB接口卡可带多达14台仪器。,GPIB通用接口测试系统,标准通用接口型,（2）VXI总线系统 VXI是结合GPIB仪器和数据采集板(DAQ)的最先进技术而发展起来的高 速、多厂商、开放式工业标准。 VXI总线是一种高速计算机总线VME总线 在仪器领域的扩展，它是VMEbus Extension for Instrumentation 的缩写。 VME总线标准自1981年确立以来，在国际上得到广泛应用。但是，基于仪器 的VWE总线，存在一个最大的问题是缺乏配套标准。1987年7月，美国五家大 仪器公司主动联合起来，在VME总线标准的基础上，制定了开放系统结构仪 器所必需的附加标准，命名为VXI总线。,生产工艺过程闭环控制系统中的测试系统,闭环控制型,闭环控制型是指应用于闭环控制系统中的测试系统。生产工艺过 程的自动控制是人们长期探索的生产方式。通过对关键参数实时在线检 测并控制这些参数按预定的规律变化，来达到维持生产的正常进行和达 到高产优质的目的。过程的自动控制大体上可归纳为三个环节： a、实时数据采集：对过程中的有关物理量的瞬时值进行扫查。 b、实时判断决策：对采集的表征过程状态的物理量进行运算分析、 判断决策，并按已定的原则决定下一步过程控制的措施。 c、实时控制：根据决策，按照自动控制理论实时地向各个执行机构 发出控制信号。 计算机控制的现代测试系统基本型就是闭环控制系统的前两个环节， 这是以计算机为中心的现代测试系统应用于大规模、现代化生产中的主 要形式，是正在发展中的现场总线(Fieldbus，CAN bus)中的智能仪表、 设备。,闭环控制型,GPIB通用接口测试系统,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,测量系统的动态特性用数学模型来描述。主要有三种形式：,时域中的 微分方程,复频域中 的传递函数,频率域中 的频率特性,测量系统的动态特性由其系统本身固有属性决定，所以，只要已知描述系统动态特性三种形式模型中的任一种，就可以推导出另两种形式的模型。,（1） 微分方程 工程中，常见系统由常系数线性微分方程来描述,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,（2）传递函数 初始条件为零时，输出y(t)的拉氏变换Y(s)和输入x(t)的拉氏变换X(s)之比为测量系统的传递函数，记为H(s)。 当t0时，x(t)0，y(t)0，则它们的拉氏变换X(s)，Y(s)的定义式为,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,其中s=+j 是复数。 对前述微分方程取拉氏变换，并认为输入x(t)、输出y(t)以及它们各阶时间导数在t0时的初始值均为零，则得,测量系统的传递函数为,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,（3）频率(响应)特性 在初始条件为零的条件下，输出y(t)的傅里叶变换Y(j)与输入x(t)的傅里叶变换X(j)之比为测量系统的频率响应特性，简称频率特性。记为H(j)或H()。对于稳定的常系数线性测量系统，可取sj ，即实部0，在这种情况下,频率特性H(j)为,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,（3）频率(响应)特性,频率特性的实验求取方法有两种：（1）是傅里叶变换法，即在初始条件全为零的情况下，同时测得输入x(t)和输出y(t)，并分别对x(t)，y(t)进行FFT求得其傅里叶变换X()，Y()，其比值就是H()。（2）是依次用不同频率i但幅值Xm(i)不变的正弦信号x(t)= Xmsinit作为测量系统的输入(激励)信号，同时测出系统达到稳态时的相应输出信号y(t)=Ymsin(i+)的幅值(i)。这样，,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,（4）常见测量系统的数学模型 常见测量系统都是一阶的或二阶的系统。 任何高阶系统都可以看作若干个一阶和二阶环节的串联或并联。 因此，分析并了解一、二阶环节的特性是分析、了解高阶复杂系统特性的基础。,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,一阶系统惯性环节(非周期环节),(c)为力学系统,(a)液柱式温度计； (b)RC电路； (c)弹簧阻尼机械系统,(a)为热学系统,(b)为电学系统,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,(c)一阶系统的频率特性,(a)一阶系统的微分方程,(b)一阶系统的传递函数,一阶系统惯性环节(非周期环节),第二节 测试系统的数学模型及频率特性,二阶系统振动环节,(a)质量弹簧阻尼机械系统,(a)力学系统(表示的压力传感器弹性膜片的等效结构质量弹簧阻尼系统) 质量块m在受到作用力F后产生位移y和运动速度dy/dt，在运动过程中受作用力F、弹性作用力F(弹)ky与阻尼力F(阻)b dy/dt的作用，直到位移y足够大到使弹性反作用力与作用力相等时达到平衡阻尼力为零。在未达到平衡时的运动过程中服从牛顿运动定律，其运动加速度m d2y/d2t由所受的合力决定。,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,二阶系统振动环节,(b) R，L，C串联电路,(b)为电学系统 开关S由断至合时，R，L，C电路被施加一阶跃电压，在过渡过程中其输入与输出的关系由下述二阶微分方程决定。,第二节 测试系统的数学模型及频率特性, 二阶系统振动环节,(a)二阶系统的微分方程 不论热力学、电学、力学二阶系统，它们均可用下述标准形式二阶微分方程来表示,K直流放大倍数或称静态灵敏度,力学系统,电学系统,第二节 测试系统的数学模型及频率特性, 二阶系统振动环节,(c)一阶系统的频率特性,(b)二阶系统的传递函数,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,（5）测量系统的动态特性参数 一阶系统的特性参数是时间常数，二阶系统的特性参数是固有角频率0与阻尼比0。如果得知这些特性参数的值，我们就能建立系统的数学模型。若知测量系统的数学模型，通过适当数学运算，就可以推算出系统对任一输入的输出响应。 尽管这些特性参数取决于系统本身固有属性，可以由理论设定，但最终必须由实验测定，称动态标定。为了便于统一比较与容易获得，标定时通常选定两种形式的输入信号：正弦信号与阶跃信号。 测定系统动态特性的表述也相应有两种形式： 第一种是频率特性 第二种是阶跃响应特性,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,频率特性与特征参数 (a)一阶系统的频率特性与图示 当K=1时,幅频特性,相频特性,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,（a）幅频特性 ；（b）相频特性,由左图可见一阶系统频率特性的特点： 当1/时，工作频率增大10倍， H() 减小20dB。,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,一阶系统的对数幅频特性,当 1/， H() 0.707（3dB），45。 1/点称为转折频率。可见时间常数是反映一阶系统特性的重要参数。,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,频率特性与特征参数 (b) 二阶系统的频率特性与图示 当K=1时,幅频特性,相频特性,对数幅频特性,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,二阶系统频率特性的重要参数，0 特性的特点是： 低频段：/01，L0dB 高频段： /0 l，L 40lg(/0 ) 信号频率每增大10倍，模H() 或输出正弦信号的模Y() 下降40dB。 0时，L20lg2，系统幅频特性的幅值完全取决于。 存在谐振频率 当0.707时，信号频率等于谐振频率时(n) 系统发生共振；当 0.707时，系统无谐振，频率特性的模H() 随的增加而减小。,（a）对数幅频特性； （b）相频特性,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,(a)一阶系统的阶跃响应特性与特性参数 当系统输入阶跃信号x(t)时,微分方程的解y(t),如右图,一阶系统的阶跃响应,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,阶跃响应特性与特性参数,的测量与一阶系统的判定,两边取对数,Zt 图,由动态标定实验数据y(ti)，i0，1，2，3，作出Zt曲线。根据Zt曲线的线性度，判断测量系统与一阶系统的符合程度，再由上式获得时间常数。,表明Z与时间t成线性关系，如右图所示，并具有,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,输出最终值y()的实时快速测定,将一阶微分方程,改写为差分方程,在工程试验或运行监测试验中，当由一个工况变至另一工况时，相当于对系统输入一阶跃信号，严格地说系统响应输出达到工况的最终值y()需要t时间，这是既很不方便又很不经济的，下面介绍一种在过渡过程中，t，实时快速推算输出最终值的方法三点计算法。,Zt 图,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,为了消除偶然误差，可以连续采样32点得32个数据， y(ti)，i1，2，32。取时间间隔t相同的三个点为一 组，可求出一个A值，求出9个A值后取平均。,求解方程得一阶系统的输出最终值y()为,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,(b)二阶系统的阶跃响应特性与特性参数 当系统输入信号x(t)为阶跃信号时，通过求解二阶系统的数学模型，可以得到输出响应y(t)如下图所示，其数学表达式为,在01欠阻尼情况,二阶系统的阶跃响应,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,在 1时，为临界阻尼情况，y(t)也为两项之和：KA 加一项单调的衰减项，系统无振荡。 在 l时，为过阻尼情况，y(t)也由稳态项KA与暂态 响应项构成，暂态响应包括两个衰减的指数项，但其中一个 衰减很快可以忽略不计，故也无振荡。一般工程中常将 l的二阶系统近似按一阶系统对待。,上式表明，y(t)为两项之和：稳态响应KA加上暂态响 应衰减振荡，其振荡角频率d称为有阻尼自然振荡角频率， 幅值按指数规律衰减。越大衰减越快，0为一等幅振 荡。,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,(c)二阶系统阶跃响应特性的特征量时域指标 二阶系统阶跃响应特性的时域指标有如下四个：,有阻尼自然振荡角频率,有阻尼自然振荡周期,峰值时间tp,相对超调量(t)及绝对超调量M(t)y(t)y（）,第二节 测试系统的数学模型及频率特性,第三节 测试装置的主要性能指标,若测试装置为线性系统，当输入x有一个变化量x时，引起输出y产生一相应变化量 y。在稳态情况下，定义输出信号的变化量与输入信号的变化量之比为灵敏度S，可写为,灵敏度的高低应根据实际情况和对被测量的要求合理地选择，不是越高越好。因为灵敏度越高，对外界的干扰噪声越敏感，如由于环境条件等因素的变化将会导致灵敏度的变化。灵敏度越高，产生的漂移也越大，稳定性就越差，还会使测量范围变窄。,灵敏度,非线性度,非线性度是指在静态测量中输出与输入之间是否保持常值比例关系(线性关系)的一种量度。通常可用实验的办法求出装置的输入与输出之间的关系曲线，称为“定度曲线”。定度曲线偏离其拟合直线的程度就是非线性度，如图所示。作为技术指标，非线性度规定为：定度曲线与其拟合直线间的最大偏差B(与输出同量纲)与装置的输出范围(全量程)A的比值，即 非线性度,非线性度,第三节 测试装置的主要性能指标,回程误差,在测试工作中，常会遇到如右图所示的现象，即当输入x逐渐增大时，相应的输出y也相应增加，曲线按一定规律上升；当输入x加到某值后又逐渐减小时，相应输出y也相应减小，但曲线不能按原规律返回，这种输出滞后于输入的现象称为滞后现象，所产生的误差称为回程误差或滞后误差。,回差（滞后量）,第三节 测试装置的主要性能指标,表征测试装置静态误差的其它指标,(1) 重复精度,重复精度是在等精度测量条件下(即在操作者、仪器、环境条件等因素不变的情况下多次重复测量)，装置给出相同示值的能力，又称为示值的分散性，是表征装置随机误差大小的指标。通常用误差限表示，如用千分表重复测量1mm厚的量块，最大示值为1.001，最小示值为0.999，则该千分表的重复精度为lm或0.1。,第三节 测试装置的主要性能指标,表征测试装置静态误差的其它指标,(2) 准确度,在不考虑随机误差时，准确度定义为被测量的示值与真值(或约定值)之差。通常用以表征装置系统误差的大小。 真值也称为理论值、理论真值或定义值，即根据一定的理论，在严格的条件下，按定义确定的数值。在实际测量中这种值是测不到的，但这种值又确实存在。例如作为温度计量单位的K，是开尔文根据卡诺循环原理提出的热力学温度，它定义出了自然界可能达到的最低温度，即热力学零度为(0K)。尽管当前科学技术相当发达，但如何实现0K的温度，以及如何测量它却是不能解决的。,第三节 测