7测试系统设计

信号地线 测试系统） （测试系统）
电源地线
保护地线 机壳、机架、机箱） （机壳、机架、机箱）
接地系统布置图
4、测量系统精度分配 、 衡量精度的指标
测量的准确度
系统误差 随机误差
测量结果与被测量真值之间的一致程度 测量结果与被测量真值之间的一致程度 精密度 精密度
△重复测量所得各测量值的离散程度 重复测量所得各测量值的离散程度 △反映随机误差的大小 反映随机误差的大小
B类不确定度的评定 类不确定度的评定
示例： 示例： △ 仪器的基本误差 仪器在指定条件下对某量测量时， 仪器在指定条件下对某量测量时，可能达到的最大误差界 限值为a，按均匀分布假设， 限值为 ，按均匀分布假设，置信因子及标准不确定度
k = 3 a 3
uB = a / k =
若已知分布，则按实际分布计算。 若已知分布，则按实际分布计算。
磁屏蔽：导体层以涡流方式消耗高频干扰磁场的能量 磁屏蔽：导体层以涡流方式 涡流方式消耗高频干扰磁场的能量
铁磁材料（硅钢、坡莫合金） 铁磁材料（硅钢、坡莫合金）制成容器
电磁屏蔽：用导电良好的金属材料（铜箔 铝箔 板）做成的接地电磁 电磁屏蔽：用导电良好的金属材料 铜箔,铝箔 金属材料（ 铝箔/板
屏蔽层， 屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用
连续可读 最小分度1 最小分度1μm
uB = a / k =
δx
12
4、测量系统精度分配 、 不确定度的评定
B类不确定度的评定 类不确定度的评定
示例： 示例： △ 未给出仪器误差时估计最大允许误差 最大允许误差a
○连续可读仪器 连续可读仪器 ○非连续可读仪器 非连续可读仪器 最小分度/2 最小分度/2 最小分度/2 最小分度/2
最大误差± 最大误差±0.005mm
R c1
Ui
Rs Ri
A
机壳
机壳
机壳
Us
R c2
绝缘层
3、测试系统抗干扰设计 抗干扰
屏蔽技术 电缆屏蔽层
单地原则 屏蔽线的接地应与公共端连接
来自百度文库Us
1 放 大 器 2 UG 正确连接
C1 Us C2 C3 UG 正确连接
1 放 大 器 2
3、测试系统抗干扰设计 抗干扰
隔离技术 ——切断地环路电流干扰 切断地环路电流干扰 o 两个测试电路的地电位完全隔离开，避免干扰 两个测试电路的地电位完全隔离开， o 数字电路很适用 o 模拟电路中，要选用线性度好的隔离器件 模拟电路中，
屏蔽导线、 屏蔽导线、屏蔽电缆
3、测试系统抗干扰设计 抗干扰
屏蔽技术 简单的屏蔽 简单的屏蔽——接地、浮置 接地、 接地
在高电压强磁场的环境下， 在高电压强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统 为了防止在外壳上感应出高电压， 为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地 o 安全可靠 o 制造工艺复杂 o 飞机、 飞机、舰船上的设备采用浮地
测量结果的置信区间
(x uB
_
~
x + uB )
_
x ± uB
4、测量系统精度分配 、 不确定度的评定
B类不确定度的评定 类不确定度的评定
根据误差分布规律确定 根据误差分布规律确定k
概率分布 三角分布 均匀分布 反正弦分布 正态分布 适应范围 两个值的差或和等引起的不确定度 数据的舍入、数字仪表的分辨力、 数据的舍入、数字仪表的分辨力、仪表的最 大允许误差、回差、 大允许误差、回差、调零等引起的不确定度 度盘偏心、 度盘偏心、无线电失配等与相角有关的不确 定度 置信因子 k 61/2 31/2 21/2
=99%时 置信区间有确定的置信水平 P( 如 95% 或 P=99%时，k=2.58 P=99.73%时，k=3 =99.73%时 99%)
= x ± kσ →
P
P(%) 50 68.27 90 95.45 99 99.73 K 0.67 1 1.645 1.960 2.576 3
4、测量系统精度分配 、 不确定度的评定
Cm En Zi Un
In Zc Un
＋
En
R Zi Un
3、测试系统抗干扰设计 抗干扰
屏蔽技术 静电屏蔽：在静电场作用下，导体内部各点等电位 静电屏蔽：在静电场作用下，导体内部各点等电位
利用铜、铝等低阻导电材料 做成接地金属容器 低阻导电材料， 接地金属容器， 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， 力线，消除静电耦合
4、测量系统精度分配 、 不确定度的评定
B类不确定度的评定 类不确定度的评定 确定工程上大多单次测量 工程上大多单次测量x 确定工程上大多单次测量x的不确定度
根据经验或资料及假设的概率分布估计的标准差来表征 a uB = k
a为误差区间的半宽度，即被测量误差可能值的区间(-a，a) 为误差区间的半宽度，即被测量误差可能值的区间( 为测量值落在± k为测量值落在±a区间内概率分布的置信因子
第七章
测试技术—— 测试技术 测试系统设计
内容
1. 2. 3. 4. 基本原则 一般步骤 抗干扰设计 精度分配
1、基本原则 基本原则
1）测试系统具有良好的特性，能够满足各种静、动 测试系统具有良好的特性，能够满足各种静、 态性能指标； 态性能指标； 2）测试系统具有较高的性能价格比； 测试系统具有较高的性能价格比； 3）测试系统具有良好的可靠性与足够的抗干扰能力； 测试系统具有良好的可靠性与足够的抗干扰能力； 4）测试系统的组建容易实现、便于维护。 测试系统的组建容易实现、便于维护。
正确度 正确度
△测量值偏离真值的程度 测量值偏离真值的程度 △反映系统误差的大小 反映系统误差的大小
涉及真值， 涉及真值，多作定性描述
理想情况
4、测量系统精度分配 、 衡量精度的指标
测量的不确定度
测量结果不能肯定的程度、被测量之值 的分散性 的分散性——范围 测量结果不能肯定的程度、被测量之值x的分散性 不能肯定的程度 范围 被测量的真值 以一定概率落在某个量值范围内 被测量的真值x以一定概率落在某个量值范围内 —— 置信区间，如：(x u ~ x + u) or x ± u 置信区间， [-u, u] 不确定区间，X为最佳估值 不确定区间， 为最佳估值 表征被测量的真值X所处范围的评定 表征被测量的真值 所处范围 真值 所处范围的评定
有限次数 ：不宜超过10 (等精度测量难度随 增加 有限次数n：不宜超过 等精度测量难度随n增加 等精度测量难度随 增加)
4、测量系统精度分配 、 不确定度的评定
A类不确定度的评定 类不确定度的评定
测量结果
对于有限次测量， 对于有限次测量，其测量结果可直接表达为
x = x ±
σ
n
△近年来国内推行的方式 近年来国内推行的方式 △测量结果取决于样本平均值、标准差估值，测量次数 测量结果取决于样本平均值、 测量结果取决于样本平均值 标准差估值，
4、测量系统精度分配 、 不确定度的评定
B类不确定度的评定 类不确定度的评定
示例： 示例： △ 仪器的分辨力 数字式仪器的指示装置或A/D的分辨力为 x，其区间半宽 的分辨力为δ 数字式仪器的指示装置或 的分辨力为
a = δx /2
由均匀分布假设， 由均匀分布假设，置信因子及标准不确定度为
k = 3
选择传感器或转换器
根据上述测量方法的选定首先确定相应的传感器类型 ； 根据上述测量方法的选定首先确定相应的传感器类型； 然后根据测量系统的精度要求选择不同型号的传感器。 然后根据测量系统的精度要求选择不同型号的传感器。
2、一般步骤 步骤 后续测量系统的选定
传感器与信号调理装置的匹配问题 各个测量装置的静动态特性匹配问题 先测量系统的精度设计指标 其他频响
2、一般步骤
步骤
确定测试任务
确定测试任务 ， 根据测试任务确定需测量的信息与相应 确定测试任务， 的物理参数， 的物理参数 ， 应防止信息过多和信息不足两种情况的发 生。
根据任务要求选择测量方法
根据测试任务对测试精度与测试成本的要求，以及测试 根据测试任务对测试精度与测试成本的要求， 对象以及测试条件等因素选择 。
测试电路 1 光耦合器件 测试电路 2
滤波技术——只允许或只阻止某一频带信号通过测试系统 只允许或只阻止某一频带信号通过测试系统
0.5-2mH 直 流 电 源 C1 0.01~0.1μF μ
+
C2 100μF μ
直 流 电 源 C1 0.01μF μ
+
C2 2000μ μ
53、测试系统抗干扰设计 、测试系统设计 抗干扰
测量值X和不确定度 单位
x = x ± u
x = 9.515 ± 0.005 mm
真值落在【 9.520mm】 真值落在【9.510mm, 9.520mm】区间内
4、测量系统精度分配 、 衡量精度的指标
测量的不确定度
测量结果所应有的指标
不确定度越小， 不确定度越小，测量结果的可信度越高
不确定度分为两类 不确定度分为两类
△A类不确定度：用统计方法求出 类不确定度： 统计方法求出——多次测量 类不确定度 方法求出 多次测量 △B类不确定度：用其他方法得出 类不确定度： 类不确定度 用其他方法得出——单次测量 单次测量
4、测量系统精度分配 、 不确定度的评定
A类不确定度的评定 类不确定度的评定
用有限次数测量数据的标准差估值来度量测量结果的 有限次数测量数据 标准差估值来度量测量结果的 测量数据的 不确定性
相应的软件设计与编制
测试系统性能指标 成本 人机交互界面
2、一般步骤
步骤
测量系统的性能评定 经济合理性 抗干扰能力 测试精度分析
3、测试系统抗干扰设计
抗干扰
干扰源
外部干扰 外部干扰——环境 环境 电磁场、振动、温度、 电磁场、振动、温度、湿度等 内部干扰——电路 内部干扰——电路 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
3、测试系统抗干扰设计 抗干扰
干扰传播路径
静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有效输入成分。 静电感应：导体之间通过分布电容耦合到的有效输入成分。 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 电磁感应： 动势。 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。 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。 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 漏电流干扰： 现象。 现象。
1、基本原则 基本原则
测量装置选用
满足关键指标、合理的带宽、 满足关键指标、合理的带宽、接口标准
误差分配
综合误差最小或合成不确定度最小 直接测量量的测量精度适中， 直接测量量的测量精度适中，降低难度
传感器选用
优先考虑功能、 优先考虑功能、然后再是指标
其它
2、一般步骤
步骤
1．确定测试任务 2．根据任务要求选择测量方法 3．选择传感器或转换器 4．后续测量系统的选定 5．相应的软件设计与编制 6．测量系统的性能评定
n ——算术平均值的标准差估值 算术平均值的标准差估值 算术平均值， 最佳估值取其算术平均值，则置信区间为 最佳估值取其算术平均值
(x u A
_
uA =
σ
_ 1 n 1 n 2 σ = Sx = ∑ (x i - x ) = n -1 ∑ vi n - 1 i =1 i =1
2
~
x+ uA)
_
x ± uA
B类不确定度的评定 类不确定度的评定
示例： 示例： △ 引用误差 已知仪表满度A和精度等级 和精度等级r， 已知仪表满度 和精度等级 ，则最大允许误差为
a = δ max = A . r
根据均匀分布， 根据均匀分布，置信因子及标准不确定度为
k = 3 A.r 3
u B = δ max / k =
4、测量系统精度分配 、 不确定度的评定
接地技术
接地作用：安全、基准电位 接地作用：安全、 抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等） 抗干扰（抗噪声、静电屏蔽等） 接地方式 Δ并联接地 并联接地 Δ串联接地 串联接地 Δ串并联接地 串并联接地
Rc1
3、测试系统抗干扰设计
Rs Us A UG Rc2
Ri
放 大 器
抗干扰
接地技术
B
接地原则：一点接地 接地原则： 地线应连在一起并通过一点接地 地线应连在一起并通过一点接地 避免公共地线各点电位不均匀而形成接地回路，产生干扰 避免公共地线各点电位不均匀而形成接地回路 电位不均匀而形成接地回路，