動態(tài)測試技術-測試系統(tǒng)組成

動態(tài)測試技術南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室吳義鵬yipeng.wu@測試系統(tǒng)的組成與設計原則機械結構力學及控制國家重點實驗室2動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.0測試系統(tǒng)組成與設計原則概述對于測試系統(tǒng)，選擇與確定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（傳感器、調理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）。如果確定的環(huán)節(jié)性能過高，雖然能滿足系統(tǒng)性能的要求，但會使成本費用過高；如果確定的環(huán)節(jié)性能過低，將導致系統(tǒng)性能達不到規(guī)定的要求，甚至會造成更大的浪費。設計原則：根據(jù)測試任務選擇組成測試系統(tǒng)的基本硬件模塊。機械結構力學及控制國家重點實驗室3動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.0測試系統(tǒng)組成與設計原則概述（2）NI數(shù)字萬用表：2.5萬元（3）NI熱電偶溫度測量接口：1萬元(1)(2)(3)（1）SICK公司激光雷達：20萬機械結構力學及控制國家重點實驗室4動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成信息的獲得：傳感器獲得被測量的信息，并轉換成電量。信息的轉換：即信號調理。放大器、濾波器、A/D轉換等，

使被測信號便于后級的處理與傳輸。信息的處理：數(shù)據(jù)分析儀、計算機。信息的顯示：指示儀、記錄儀、報警器。測試系統(tǒng)的基本結構信息轉換信息獲取信息處理、顯示機械結構力學及控制國家重點實驗室5動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成信息獲取主要依靠傳感器，傳感器是一個把被測的非電量變換成電量的裝置，是獲得信息的一種手段。傳感器獲得信息的正確與否，關系到整個測量系統(tǒng)的精度，如果傳感器的誤差很大，后續(xù)電路精度再高，也將難以提高測量系統(tǒng)的精度。測試系統(tǒng)的基本結構：信息獲?。▊鞲衅鳎C械結構力學及控制國家重點實驗室6動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉換器等。測試系統(tǒng)的基本結構：信息獲取（傳感器）在電子技術領域：熱敏元件、磁敏元件、光敏元件等。機械結構力學及控制國家重點實驗室7動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成傳感器又稱為敏感元件、檢測器、轉換器等。測試系統(tǒng)的基本結構：信息獲取（傳感器）在超聲波檢測中：壓電式換能器（強調能量的轉換）機械結構力學及控制國家重點實驗室8動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成傳感器定義：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。測試系統(tǒng)的基本結構：信息獲取（傳感器）傳感器的輸入端：一個指定的傳感器只能感受規(guī)定

的被測量傳感器的輸出端：輸出信號為“可用信號”輸入與輸出關系：具有“一定規(guī)律”機械結構力學及控制國家重點實驗室9動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成傳感器的性能指標測試系統(tǒng)的基本結構：信息獲?。▊鞲衅鳎┹斎肓康男阅苤笜耍毫砍?、測量范圍、過載能力靜態(tài)特性指標：線性度、遲滯、重復性、精度、靈

敏度、分辨率、穩(wěn)定性、漂移等動態(tài)特性指標：固有頻率、阻尼比、頻率特性、時

間常數(shù)、上升時間、響應時間、超

調量、穩(wěn)態(tài)誤差等機械結構力學及控制國家重點實驗室10動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成傳感器的性能指標測試系統(tǒng)的基本結構：信息獲?。▊鞲衅鳎┛煽啃灾笜耍汗ぷ鲏勖?、平均無故障時間、故障率、

疲勞性能、絕緣、耐壓、耐溫等環(huán)境要求指標：工作溫度范圍、溫度、靈敏度漂移、

抗介質腐蝕、抗電磁場干擾能力等使用及配接指標：供電方式、功耗、安裝方式機械結構力學及控制國家重點實驗室11動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成信息轉換一般包括：信號放大、濾波、A/D轉換測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換信號放大：放大傳感器出來的微弱電信號濾波：消除各種噪聲、干擾，得到感興趣的頻率信號A/D轉換：數(shù)字信號更方便傳輸、處理、存儲機械結構力學及控制國家重點實驗室12動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成運算放大器測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（信號放大）對微弱信號進行放大的最基本處理。反相放大器同相放大器機械結構力學及控制國家重點實驗室13動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成運算放大器測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（信號放大）對開環(huán)電壓放大倍數(shù)無窮大；差模輸入電阻無窮大；開環(huán)輸出電阻為0；共模抑制比無窮大。反相放大器同相放大器機械結構力學及控制國家重點實驗室14動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成儀表放大器測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（信號放大）對微弱信號進行放大的更精密處理。典型儀表放大器機械結構力學及控制國家重點實驗室15動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成程控測量放大器測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（信號放大）對微弱信號進行放大的增益可調節(jié)。典型程控測量放大器機械結構力學及控制國家重點實驗室16動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成動態(tài)測試所獲取的信號往往是具有多種頻率成分的復雜信號，需要濾波器將信號中人們感興趣的頻率成分提取出來，以便對信號的某一方面特征有更深的認識以及做進一步處理。測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（濾波器）濾波器根據(jù)其通過對頻率范圍，可分為：

低通濾波器

高通濾波器

帶通濾波器

帶阻濾波器機械結構力學及控制國家重點實驗室17動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（濾波器）機械結構力學及控制國家重點實驗室18動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（濾波器）實際濾波器的基本參數(shù)：（1）紋波幅度d（2）截止頻率（3）帶寬B和品質因數(shù)Q（4）選擇性機械結構力學及控制國家重點實驗室19動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（濾波器）典型無源一階低通濾波器拉氏變換得：或幅頻：相頻：機械結構力學及控制國家重點實驗室20動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（濾波器）典型無源一階低通濾波器幅頻：相頻：機械結構力學及控制國家重點實驗室21動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（濾波器）典型有源一階低通濾波器（一階無源+電壓跟隨器）（1）隔離負載（2）可改變增益（3）提高帶負載能力機械結構力學及控制國家重點實驗室22動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成習題（1）簡述測試系統(tǒng)的基本結構分別由哪幾部分組成？（2）運算放大器適用于什么環(huán)境的信號放大？請設計一個放大倍速為10倍的放大電路。（4）請計算右圖濾波器的截止頻率和通帶增益。（3）設某信號分別由50Hz，150Hz，400Hz三種幅值相等的正弦信號疊加而成?，F(xiàn)利用手中1k電阻和2uF電容搭建一濾波器，試畫出該濾波器電路圖并描述該信號通過濾波器后的輸出信號形式。機械結構力學及控制國家重點實驗室23動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成習題（1）簡述測試系統(tǒng)的基本結構分別由哪幾部分組成？（2）運算放大器適用于什么環(huán)境的信號放大？請設計一個放大倍速為10倍的放大電路。信息轉換信息獲取信息處理、顯示主要用于對微弱信號進行放大，且信號回路不受干擾或干擾很小。（圖中注意標注兩電阻之間的關系）機械結構力學及控制國家重點實驗室24動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成習題（3）設某信號分別由50Hz，150Hz，400Hz三種幅值相等的正弦信號疊加而成?，F(xiàn)利用手中1k電阻和2uF電容搭建一濾波器，試畫出該濾波器電路圖并描述該信號通過濾波器后的輸出信號形式。機械結構力學及控制國家重點實驗室25動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）A/D轉換將模擬信號轉換成數(shù)字信號，使信號便于傳輸、處理、存儲等。采樣保持量化編碼機械結構力學及控制國家重點實驗室26動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）典型的采樣保持器（原理圖）采樣器是一種開關電路或裝置，它在固定時間點上取出被處理信號的值。把這個信號值存儲起來保持一段時間，以供AD轉換器轉換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來代替原來的值。機械結構力學及控制國家重點實驗室27動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）A/D轉換器根據(jù)轉換原理，主要可以分為以下幾類：

（1）逐次逼近式

（2）雙積分式

（3）并行式等其它類型轉換機械結構力學及控制國家重點實驗室28動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）逐次逼近式A/D轉換器機械結構力學及控制國家重點實驗室29動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）例題：假設VR=10.24V，被轉換模擬電壓Vi=8.30V，要求將Vi轉換成8位二進制碼。列表寫出逐次逼近式轉換過程。步號寄存器數(shù)碼對應輸出去/留碼本步完成后實際數(shù)碼1100000005.12留100000002110000007.65留110000003111000008.96去11000000機械結構力學及控制國家重點實驗室30動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）逐次逼近式A/D轉換器機械結構力學及控制國家重點實驗室31動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）例題：雙積分式A/D轉換器如下圖所示。其中fc=20kHz,基準電壓VR=2V，采樣時間為T1?，F(xiàn)要求電路每秒顯示2.5次，最大顯示數(shù)為1999（Vi=1.999V），試求：(1)若T1=100ms，V2max=?(2)T2與Vi之間的關系？(3)計數(shù)值N2與Vi之間的關系？(4)若T2=20ms，Vi=?(5)若計數(shù)值N2=1000，Vi=？(6)若要求A2的最大輸出電壓為10V，最大輸入電壓

Vmax=2V，求R、C的值。機械結構力學及控制國家重點實驗室32動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）例題：雙積分式A/D轉換器如下圖所示。機械結構力學及控制國家重點實驗室33動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）采樣定理機械結構力學及控制國家重點實驗室34動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）采樣定理為周期為T的周期開關函數(shù)則采樣信號：

角頻率：周期開關函數(shù)的傅立葉級數(shù)：機械結構力學及控制國家重點實驗室35動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）采樣定理周期開關函數(shù)的傅立葉級數(shù)：傅立葉變換：機械結構力學及控制國家重點實驗室36動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）采樣定理根據(jù)卷積定理求采樣信號fs(t)的頻譜：時域采樣信號頻譜是原信號頻譜以采樣角頻率為間隔的周期重復。機械結構力學及控制國家重點實驗室37動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）采樣定理對于理想采樣，為沖擊函數(shù)：機械結構力學及控制國家重點實驗室38動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）采樣定理機械結構力學及控制國家重點實驗室39動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）采樣定理機械結構力學及控制國家重點實驗室40動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息轉換（A/D轉換）采樣定理抽樣信號fs(t)頻譜包含有F(jw)的完整信息的條件:機械結構力學及控制國家重點實驗室41動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息的顯示及處理信息顯示

（1）儀器自帶屏幕進行顯示

（2）通過接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，在專用界面

進行顯示（利用matlab的畫圖功能）機械結構力學及控制國家重點實驗室42動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息的顯示及處理信息處理一般針對數(shù)字信號，具有以下特點：

（1）精度高

（2）靈活性高

（3）可靠性高

（4）容易集成，規(guī)范性高，電路參數(shù)要求不高

（5）可獲得高性能指標機械結構力學及控制國家重點實驗室43動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.1測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的基本結構：信息的顯示及處理實例：（1）利用matlab對采集信號進行數(shù)字濾波；（2）利用matlab分析采集信號的幅頻特性。機械結構力學及控制國家重點實驗室44動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.2測試系統(tǒng)的設計原則與方法測試系統(tǒng)的設計原則設計原則：結合使用要求和測試任務設計。（1）根據(jù)專門用戶的需要，針對特定的測控對

象、被測參數(shù)及工作特性設計專用測控統(tǒng)；（2）根據(jù)市場需要，設計通用產品和系列產品；（3）根據(jù)技術發(fā)展和社會需求的預測，推出性

能好、功能全、技術先進的產品。機械結構力學及控制國家重點實驗室45動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.2測試系統(tǒng)的設計原則與方法測試系統(tǒng)的設計原則設計原則：結合使用要求和測試任務設計。（1）了解被測參數(shù)的特點，持續(xù)時間，幅值范

圍等；（2）測試要求的精度；（3）安裝條件，安裝方法及要求；（4）測試環(huán)境；（5）了解國內外同類產品的類型、原理、技術

水平等；（6）了解系統(tǒng)有關方面的加工工藝及關鍵元器

件的銷售情況。機械結構力學及控制國家重點實驗室46動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.2測試系統(tǒng)的設計原則與方法測試系統(tǒng)遵循的原則（1）靈敏度分配和誤差分配原則測試系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)一般均屬于串聯(lián)的形式，各環(huán)節(jié)的靈敏度對系統(tǒng)總的靈敏度影響都是一樣的。在滿足總靈敏度的要求下，提高易于提高靈敏度的環(huán)節(jié)，降低較難提高靈敏度的環(huán)節(jié)。機械結構力學及控制國家重點實驗室47動態(tài)測試技術：測試系統(tǒng)的組成與設計原則3.2測試系統(tǒng)的設計原則與方法（1）靈敏度分配和誤差分配原則對于開環(huán)系統(tǒng)誤差分配，每個環(huán)節(jié)的誤差都將