动态测试技术_测试系统组成

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[e-mail]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。测试系统的基本结构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。测试系统的基本结构：信息获取（传感器）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测试系统的组成传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。测试系统的基本结构：信息获取（传感器）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测试系统的组成传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。测试系统的基本结构：信息获取（传感器）在超声波检测中：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。测试系统的基本结构：信息获取（传感器）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测试系统的组成传感器的性能指标测试系统的基本结构：信息获取（传感器）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、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测试系统的组成传感器的性能指标测试系统的基本结构：信息获取（传感器）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转换测试系统的基本结构：信息转换信号放大：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测试系统的组成运算放大器测试系统的基本结构：信息转换（信号放大）-R1+AR2UsrUsc-R1+AR2UsrUsc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测试系统的组成运算放大器测试系统的基本结构：信息转换（信号放大）-R1+AR2UsrUsc-R1+AR2UsrUsc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3.1测试系统的组成仪表放大器测试系统的基本结构：信息转换（信号放大）对微弱信号进行放大的更精密处理。-R1+A1R2Uint1Ua-+A1-+A1Uint2UbR3R4R5RGR6反向输入同向输入输出Usc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测试系统的组成程控测量放大器测试系统的基本结构：信息转换（信号放大）对微弱信号进行放大的增益可调节。典型程控测量放大器-R1+A1R2Usr-+A1-+A1UsrR3R4Usc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。测试系统的基本结构：信息转换（滤波器）滤波器根据其通过对频率范围，可分为：低通滤波器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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（滤波器）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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（滤波器）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fH(f)0fc1fc2A00.7A0d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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（滤波器）典型无源一阶低通滤波器exeyRCyyxdeRCeedt拉氏变换得：或1()1HsRCs1()21HfjfRC幅频：相频：21()()1(2)AfHffRC()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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（滤波器）典型无源一阶低通滤波器exeyRC幅频：相频：21()()1(2)AfHffRC()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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（滤波器）典型有源一阶低通滤波器（一阶无源+电压跟随器）-R1+AR2eyRCex12RR（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则3.1测试系统的组成习题（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。-R1=33k+AR2=47keyR=10kC=500nFex（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测试系统的组成习题（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。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）-R1+AR2UsrUsc-R1+AR2UsrUsc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测试系统的组成习题（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。exeyRCexeyRC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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（A/D转换）A/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。采样保持量化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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（A/D转换）典型的采样保持器（原理图）-+AUiU0'CHst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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（A/D转换）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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（A/D转换）逐次逼近式A/D转换器-A+ViVf去码/留码逻辑环形计数器数据寄存器逐次逼近逻辑寄存器SAR时钟fcp至输出数据锁存器D/A转换器VRVf=VR(d12-1+d22-2+···dn2-n)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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（A/D转换）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。步号寄存器数码对应输出去/留码本步完成后实际数码1100000005.12留100000002110000007.65留110000003111000008.96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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（A/D转换）逐次逼近式A/D转换器Vi-VR+VRS1S2S3S4-+A1R-+A2缓冲放大器积分器-+A3逻辑控制电路S5CR2R1R3比较器(鉴零器)S1S2S3S4S5时钟发生器G计数器锁存-译码显示器控制门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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（A/D转换）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=20ms，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测试系统的组成测试系统的基本结构：信息转换（A/D转换）例题：双积分式A/D转换器如下图所示。Vi-VR+VRS1S2S3S4-+A1R3-+A2-+A3逻辑控制电路S5C1R5R4=R3R6S1S2S3S4S5时钟发生器G计数器锁存-译码显示器控制门10k10kR1R21k1k机械结构力学及控制国家重点实验室33动态测试技术