测试系统设计方法20150908

DBD--3火箭弹实验测试系统设计课程设计报告目录第一章系统设计技术指标1.1系统设计技术指标1.2系统设计要求第二章数据采集系统设计分析2.1数据采集系统概述2.2数据采集系统方案分析2.3数据采集系统方案选择第三章计算机数据采集系统设计3.1传感器的选择3.2放大器的选择3.3A/D转换器的选择3.4记录仪器的选择3.5测试系统框图3.6测试系统误差计算第四章计算机数据采集系统程序设计4.1程序所用语言的选择4.2程序流程图4.3程序分析（程序说明）4.4程序清单第五章课程设计总结参考文献第一章系统设计技术指标及要求1.1设计技术指标A、测试压力：P1：0—60MPa（中点位置）P2：0—40MPa（左侧1号）P3：0—30MPa（左侧2号）P4：0—20MPa（左侧3号）B、测试出口速度：0—200m/sC、表面温度T1：0—400度D、测试压力信号频率：fx10kHzE、测试系统精度：小于0.5%F、采用计算机记录方式.1.2设计要求A、测试系统设计分析，确定设计方案。B、计算机数据采集系统设计。C、多路信号采集程序设计及详细分析。第二章数据采集系统设计分析2.1数据采集系统概述数据采集系统（DAS，DataAcquisitionSystem）是计算机技术与传统的测试技术相互结合而产生的自动测试技术。它可以满足现代科学实验和生产过程中，测量精度高、路数多、速度快、结果显示和打印形式多样化的要求。数据采集系统包括模拟系统和数字系统两部分，能完成对信号的采集、转换、处理等功能。一个完善的数据采集系统包括潜质放大器、采样开关、采样保持器、A/D转换器、计算机和各种记录仪器。2.2数据采集系统方案分析数据采集系统的设计方案主要有以下三种：1、单片机数据采集系统优点：结构简单，价格低廉，使用灵活缺点：扩展性差，存储、显示、数据处理功能差应用场合：该系统应用于航空、航天、兵器、机电产品中2、“计算机+A/D转换器”数据采集系统优点：扩展性好，价格适中，测试通道多缺点：采集程序需自行开发应用场合：常用试验中3、整体机型数据采集系统其中动态测试分析仪是A/D（或A/DD/A）采集卡，计算机和软件的集合体优点：操作方便缺点：价格高，扩展性好应用场合：兵器行业，爆炸测试中，火箭弹试验中2.3数据采集系统选择分析设计实验内容及各项指标可知，信号通道共有7路，采集频率大概为50kHz，由于测试火箭弹的信号瞬时性较强，则采集系统需满足对数据的实时显示，数据实时处理分析，数据存储等方面的要求，综上所述，选择方案2——“计算机+A/D转换器”型数据采集系统。传感器放大器A/D转换器单片机传感器A/D转换器计算机放大器传感器放大器动态测试分析仪第三章计算机数据采集系统方案设计3.1传感器的选择3.1.1传感器的选择原则（1）根据测量目的确定传感器类型完成一个具体的测试任务或控制任务，首先要考虑用什么类型的传感器，这需要分析许多因素才能决定。因为，要检测某种物理量，有多种传感器可供选择。在机电一体化检测控制系统设计中，我们考虑了以下几个具体问题：A.传感器量程的大小B.传感器的体积，允许安装位置C.安装方式，接触式还是非接触式D.信号的引出方式，有线或非接触测量E.传感器的来源，国内、国外或自制考虑以上问题后，就能确定采用什么类型（电阻型、电压型、电感性、电容型、热电偶、光电式传感器）的传感器，然后我们进行了具体的选择。还应注意在多参数数据采集系统中，应尽量选用同一类型的传感器，这样就能大大简化放大电路的设计。另外，在传感器型号选择时，根据所测试信号的类型，选择不同类型的传感器。（2）传感器的量程传感器量程的选择应从应用出发来选用，例如：现场检测控制用被测参数是已知的，不会突然增大很大，选传感器量程大于测试信号1.2倍即可。当进行兵器试验测试，选传感器量程大于测试信号2倍即可。如果是新研制式试验测试，考虑到安全问题，选用传感器量程大于测试信号3倍即可。还要考虑到传感器的线性使用范围。所以传感器量程的选择原则是：一般性检测，Pmax=(1.2-1.5)Px实验研究性测量，Pmax=(2-3)Px控制信号检测，Pmax=(1.2-2)Px（3）频率响应特性测试系统的第一个环节传感器是影响动态测量的主要因素，在选择传感器频响特性时，应注意待测非电量的变化特点（如稳定、瞬变、随机等），还要考虑测量系统的性能。要求传感器的工作频率特性在测量的信号频率范围内，才能实现不失真测量。实际传感器的频率响应特性只是近似理想特性，应尽量使传感器的固有频率大于测试信号频率的5倍以上才能保证测量信号不失真，控制精度才能保证。再有传感实际上的响应总有一定时间的延迟，希望延迟时间越短越好。在工程检测与控制中，常用的传感器，如光电效应、压电效应特性类型传感器，响应速度快，能检测的信号频率范围较宽，而结构型传感器，如电感式、电容式、电磁感应式、电阻应变式等，由于受到结构特性的影响，固有频率较低，可测信号的频率小于5000Hz.在动态测量中及控制系统中，传感器的响应特性对测量不失真有决定性的影响，对控制精度有直接影响。在选择传感器时，应根据被测信号特点（稳态、瞬态、随机等）进行选择。选择原则：fs(5-10)fxfg(1.2-1.5)fxfs:传感器的固有频率fg:传感器的工作频率fx:检测信号频率（4）可靠性及稳定性测试数据的可靠性意义不言而喻。对于工作在工业现场的传感器，可靠性包含如下两个方面的含义：一方面是在标明的工作条件下传感器要能正常工作，能适合环境温度、湿度、介质条件、振动与冲击、电磁场干扰、电源波动等因素。另一方面是传感器大的性能能够长期稳定，其特性指标不随时间与环境的变化而改变。每一种传感器都有自己特定的适用范围，设计是要仔细观察现场的实际工况。例如：对于电阻应变式传感器，湿度会影响其绝缘性，温度会影响其零漂，长期使用通常会出现蠕变现象，工业尘埃会使电容传感器的电介质发生变化，严重情况下会使间隙型传感器无法正常工作。又如在电场、磁场干扰较大的场合，霍尔效应元件工作时易带来较大的测量误差。所以，在比较恶劣的工作环境中（尘埃、油剂、温度、振动等干扰严重时）传感器的可靠性应优先考虑。对于超过使用期限的传感器一定要及时进行标定。当达到测量要求时，可以继续使用，如果所用传感器主要性能下降，不能满足测量要求的，必须进行更换同类型传感器。最好是把所选用的传感器进行静态性能标定和计算，动态性能的标定和计算，当达到设计技术要求后再使用，确保所选传感器的使用可靠性及稳定性。特别是用检测控制型的传感器，在用之前，作标定和相关测试是十分必要的。（5）精度传感器的精度是保证测量系统精确度的第一个重要环节，处于系统瓣输入端。但是精确度越高，价格也就越贵，所以应从实际需要和经济性角度选择合适精确度的传感器。如果测试是用于定性分析，可选用重复性好、精确度一般的传感器；如果是进行定量分析，需要获得准确的测量值，就需要选用准确度等级可满足要求的传感器。例如：压力测量可以选择0.1%的传感器。总之，根据具体使用条件，测量精度要求，选择相应精度的传感器。（6）线性范围传感器在工作量程内部要求输出与输入成线性关系。线性范围越宽则表明传感器的工作精度越高。根据不同的传感器原理，机械参量的测试变换，即从机械物理量向电学参量变换（可以是R、L、C等阻抗性参量变化，也可以是电流、电压、电荷等有源性参量变化），可能存在一定的非线性。如变极距式（电容）位移传感器，输出电容的变化与极距的变化呈非线性关系，而灵敏度随着极距而变化，从而引起非线性误差。为了减少这一误差，一般使极距在较小的范围变化，以保持小范围内的线性度。对于这类传感器环节就存在非线性的交换，常采用差动式结构，以提高灵敏度，改善非线性。也由些非线性的传感元件，如热电阻温度传感器，需要设计非线性校正环节。校正可以用电路来实现，也可以用计算机软件的方法进行补偿，修正传感器的非线性误差。（7）结构尺寸的选择根据现场测量与控制的具体要求，确定传感器的结构尺寸，尽量选择体积小、安装方便的、抗干扰性好的传感器。如果被测量点安装尺寸受限制，可选择非接触式传感器，或者是外加安装头方法，实现测量目的。国内外生产厂家较多，品种较安全，选用时必须从传感器的性能，价格比方面择优选用，结构尺寸选用安装要合理。3.1.2传感器的选择（1）压力传感器4个测试端口均使用AK-4型压力传感器，P1：量程：0—100MPa精度：0.2%P2：量程：0—60MPa精度：0.2%P3：量程：0—50MPa精度：0.2%P4：量程：0—40MPa精度：0.2%（2）测试速度：光电反射式速度干涉仪，具体型号无法查到（3）温度传感器：TR100量程：0—800度精度：0.2%3.2放大器的选择3.2.1放大器的选择原则选择放大器时，应根据传感器的类型来选择放大器的类型，应该与传感器的类型相匹配。具体选择原则是：（1）应变式或电阻型传感器应选择动态电阻应变仪，信号调节器，应变放大器，自动校准放大器等。根据具体测量信号频率和精度选择不同型号的放大器。主要有BZ2202系列（手动、自动：1路、2路）、YE38（KD600）系列、YB系列，一般放大倍数为0—1000，频率为10K—150KHz，精度为0.1%-0.2%。（2）压电传感器应选用电荷放大器，主要有YE5850、5007、9013，这些都是超低频的（0-100K）。具体型号可参考《电荷放大器使用手册》。（3）电感、电容式传感器应选用载波交流放大器配套。根据具体的检测与控制精度要求，选择相应型号的交流放大器。可参考《放大器使用手册》。（4）热电偶式器应选用直流电压放大器（5）光电式式传感器应选择相应的光电转换器，根据具体的检测与控制精度要求，选择相应的配套光电放大器；也可用三极管（9013等）组成开关电路。3.2.2放大器的选择在本次火箭弹相关参数的测试，综合考虑了外境环境与以上放大器的选择原则，并且结合现有器件，查阅放大器手册后，此系统可先择BZ2202型动态电阻应变仪，参数为：型号：BZ2202放大倍数：K=0——1000，可调精度：0.1%固有频率：fg=50KHz3.3A/D转换器的选择3.3.1A/D转换器的选择原则（1）A/D转换器的主要性能指标A：A/D转换采集频率：10KHZ-100MHz10KHZ-100KHz低速采集板100KHz-330KHz中速采集板500KHz-100MHz高速采集板B：A/D转换器的位数：8位板，10位板，12位板，14位板，16位板C：A/D转换器的精度：1%-0.5%0.5%-0.1%0.1%-0.05%0.005%D：A/D转换器的通道数：2路，4路，6路，8路，12路，16路，32路E：A/D转换器的型号：SC-系列，PCL-系列，CS-系列，DAS-系列（2）A/D转换器的选择方法：A：设计数据采集系统的选择原则：采集频率的确定：fs并行采集工作方式：fs20fc串行采集工作方式：fsn*20fcfc—型号频率n—A/D工作通道数fs—A/D采集频率采集精度：根据测试系统精度要求选择A/D转换板，常用的12位A/D转换板的精度小于0.05%，计量部门测量常用的14位A/D转换板的精度为0.01%-0.005%。输入方式：常用差分输入方式，程控方式。启动工作方式：程序控制方式，外输入电压控制方式，自动启动方式。（3）常用A/D转换器的型号：A.SC系列采集频率：30KHz——10MHzB.PCL系列采集频率：100KHz——1MHzC.CS000系列采集频率：1.25MHz——100MHzD.DAS系列采集频率：100KHz——1.25MHzE.PC-6300系列采集频率：10KHz——200KHz3.3.2A/D转换器的选择在此系统中，考虑要测试参数的个数，爆炸场的高温条件，及压力信号频率再综合了以上A/D转换器的选择原则，并且结合现有器件，查阅A/D转换器的选择手册后，选择了以下型号的A/D转换器：型号：A/D-SC105分辨率：12位精度：0.1%通道数：8通道最高采样