第四章 测试系统组成与设计原则

表示过 渡带变 化快慢
4）倍频程选择性W
1）纹波幅度d 2）截止频率fc
A( fc1 ) A( fc2 ) A0 2
5）滤波器因数
A f c1 A2 f c 2 W 20 lg W 20 lg f c1 A A f c 2 2

B60 db B3db
M1
滤波器 的工作
M1

滤波器 频率通带
对于一个滤波器来说，能通过它的频率范围称该滤波器的频率通带。


频率阻带
被滤波器抑制或衰减的频率范围称频率阻带。

截止频率
频率通带和阻带的交界点称截止频率。

滤波器的分类
A2 f 1 A1 f
A3 f A1 f A2 f ( f1 f2 )
A
U sc R 2 U sr R1
A
U sc R 1 2 U sr R1
同相放大器
反相放大器

仪器放大器
UIN1 反向输入
A1 R5 RG
Ua
R1 R1
R2
A3
同 向 输 入
UIN2
输入 USC
A2
R6 Ub R3 R4

可编程增益放大器
R2 Usr S1 A1 S2 S3 开关 驱动 电路 S'1 S'2 S'3 数 字 量 输 入 R3
第四章 测试系统组成与设计原则
主要学习内容



测试系统的组成结构 信息获取 信号转换 信息的显示、处理 测试系统的设计原则与设计方法
测试系统的基本结构

一般非电量电测系统的基本结构
信息的获得——传感器(变送器，换能器)；获得被测量的信息， 把它变换成电量。 信息的转换——也称为信号调理；主要器件为放大器，变换器； 把获得的信息变换、放大，便于后级的处理、 传输。 信息的显示——指示仪，记录仪，报警器。 信息的处理——调节器，数据分折仪，电子计算机。

按测量原理分类
电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、 磁敏式、激光、超声波等.

传感器分类
按能量关系分类
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电阻应变片.

传感器分类
脉冲响应的波形沿横坐标 左、右无限延伸，从图中可以 看出，在t=0时刻单位脉冲输 入滤波器之前，即在t<0时， 滤波器就已经有响应了。显然， 这是一种非因果关系，在物理 上是不能实现的。

实际滤波器
3）带宽B和品质因数Q值
表征了滤 波器的分 辨能力
B3dB f c 2 f c1 Q fn B3dB


信号的转换
信号转换包含的内容
阻抗变换 ---- 输出阻抗很高时；
信号放大 ---- 输出信号微弱时； 噪声抑制 ---- 信号淹没在噪声中； 电压/电流（V/A）转换 ---- 需要电流输出时； 模拟/数字（A/D）转换 ---- 需要输出数字信号时



信号转换作用
对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量； 消除或抑制传感器输出量中的无用信号；
时域采样
F() f (t)
0 p(t) … (1) 0 T 2T …
t
－m
0
m

P()
s
… t …
－s
1 T
0 Fs ()
s

fs (t)
… 2T t
…
0
T
－s
－m
0
m
s

原信号的恢复
由无混叠的Fs(ω)中提取原信号f(t)的频谱F(ω), 可以用一矩形频谱函 数（理想低通）与Fs(ω)相乘。


提高测量、分析的准确度；
简化后续系统的组成。

信号的显示、处理
信号的显示


信号的处理
利用matlab用户可以实现 波形的产生、信号的变换、 滤波、功率谱估计、滤波 器设计、系统分析与小波
分析等众多功能。
频谱图
滤波前信号
滤波后数据


信息的获取
传感器及其组成
不直接感受被测量，而是
将敏感元件的输出量转换
按信号变换特征分类

物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. 例如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.
传感器的常用技术性能指标
1）输入量性能指标：量程或测量范围及过载能力等
2）静态特性指标：线性度，迟滞，重复性，精度，灵敏度，分辨率，

常用传感器选用原则
1）灵敏度
2）响应特性 3）线性范围
4）稳定性
5）精确度 6）测量方式
传感器的发展趋势
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
传感器向物性型方向发展 传感器向集成化、智能化、微小化方向发展
传感器向大量程和宽频带方向发展
传感器向高过载能力方向发展

信号转换
信号的转换一般包括信号放大、滤波和A/D转换
为电量输出的元件，压电 晶体，应变片等
直接接触被测量，并输出与被 被测量成确定关系的其他量的器 件（各种弹性元件） 定义：工程上通常把直接作用于被测量， 能按一定规律将其转换成同种或 别种量值输出的器件，称为传感 器。

传感器分类
按被测物理量分类
常见的被测物理量：
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩
越接近 1，过 渡带变 化越快

一阶RC低通滤波器
RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性
电路的微分方程
其截止频率为
1 fc 2RC

一阶RC高通滤波器
RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性
电路的微分方程

RC带通滤波器
带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，
其电路及其幅频、相频特性
H(s)=H1(s)H2(s) 当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为 前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射 极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。

有源滤波器
一阶有源低通滤波器

有源滤波器

滤波前后比较
滤波前的波形
A4 f A1 f A2 f ( f2 f1 )

滤波器
低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的
滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器 。
低通滤波器与高通滤波器的串联
低通滤波器与高通滤波器的并联

理想滤波器
理想低通滤波器的频率响应函数：
其幅频及相频特性曲线
采样定理

1 1 T fs 2 fm
一个频谱受限信号f(t)的最高频率为fm，则f(t)可以用不大于T=1/(2fm)的 Fs1 () 时间间隔的采样值唯一地确定。 1
s1 ＞2m
s1 ) P1 ()
T1
… …
－s1
0
s1

－s1
－m
1 T2
0
m
s1

Fs2 ()

信息的获取
主要由传感器完成。
其输出信号有以下特点：


输出量为电压、电流、频率等电量；
输出的电信号一般较微弱； 输出信号与噪声混杂在一起 ---- 传感器内部噪声；
传感器的信噪比小、输出信号弱 ---- 信号淹没在噪声中；
传感器的输出特性呈线性或非线性（一般在某个范围内是线性的）； 外界环境的变化会影响传感器的输出特性（如温度、冲击等）。
测试系统的设计原则和设计方法

测试系统的设计方法
方案设计 系统构成方框图的确定 环节的设计和制造 总装调试和试验分析 基本特性、指标的测试和性能考核
滤波后前的波形

A/D变换
A/D变换是实现模拟信号与数字信号的转后，以便适合传输、处 理和存储。A/D变换是将模拟信号进行离散即抽取，再进行编码输出。
f (t)
f (t)
取样器
fs (t)
fs (t)
0
t
0
t
采样定理 在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频 率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时 (fs.max>=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保 留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样 频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈 奎斯特定理。

信号的放大
通常传感器的输出信号很微弱，必须用放大电路放大后便于
后续处理，放大器的选取取决于应用的场合和测试系统的要求，
需具有如下性能：

足够的放大倍数；
高输入阻抗， 低输出阻抗；
高共模抑制比； 低温漂，低噪声，低失调电压和电流。
运算放大器
R2 R1 Usr A Usc Usr (a) (b) A Usc R1 R2
Usc
A2 Usr
R'2
R'3

滤波器
有用信号、干扰噪声和滤波的必要性 有用信号：与测试目的有关，测试希望得到的信号，如平衡转子的同频振动 干扰噪声：与测试目的无关的信号，如平衡 转子时，轴承滚子振动，轴不圆 引起振动。 要准确地测得 xE ( f ) 要极大地放大 xE ( f ) 极大地衰减 xN ( f )
1 Fs t F P 2
pt P 2
采样信号的频谱为
n
P n
n s

Fs
n
P F n
n s

当采样函数为周期冲激序列 时，采样信号的频谱为
1 Fs F ns T n
测试系统的设计原则和设计方法

遵循的原则
灵敏度分配和误差分配原则 测试系统的设计要考虑测试仪器的精度，对测试系统中已选结 构型式的一起要正确的进行各环节的灵敏度分配和误差分配。 组建测量系统的基本原则 将传感器、调理电路、数据采集系统组建为一个测量系统的基本 原则是使测量系统的基本参数、静态性能及动态性能均达到预先规定的 要求。


时域采样定理 频带为F的连续信号 f(t)可用一系列离散的采样值 f(t1),f(t1±Δ t)，f(t1±2Δ t)，...来表示,只要这些采样点的时 间间隔Δ t≤1/2F，便可根据各采样值完全恢复原来的信号f(t)。 这 是时域采样定理的一种表述方式。 时域采样定理的另一种表述方式是：当时间信号函数f(t)的最高频 率分量为fM时,f(t)的值可由一系列采样间隔小于或等于1/2fM的采样 值来确定,即采样点的重复频率f≥2fM。图为模拟信号和采样样本的 示意图。
Fs H F
fs (t) fs (t) 0 T 2T t h(t) f (t) 0 t f (t)
1 T
…
Fs () T …
H()
F()
－s
0
m
s

－c
0 c

－m 0 m

测试系统的设计原则和设计方法

测试系统的设计原则
前期工作
① 了解被测参数的特点，持续时间、幅值范围等； ② 测试要求的精度； ③ 安装条件，安装方法及要求； ④ 测试环境，温度、湿度、气压等； ⑤ 了解国内外同类产品的类型、原理、技术水平和特点； ⑥ 了解国内有关方面的加工工艺水平及关键元器件的销售情况。
时域采样定理
时域采样定理是采样误差理论、随机变量采样理
论和多变量采样理论的基础。 频域采样定理 对于时间上受限制的连续信号f(t)（即当│t│>T 时,f(t)=0,这里T=T2-T1是信号的持续时间），若 其频谱为F（ω ）,则可在频域上用一系列离散的采 样值 来表示,只要这些采样点的频率间隔ω ≦π / tm 。
s2 ＝2m
P2 () s2 ) 0 …
…
s2

－s2 －m
1 T3
…
0
m s2

Fs3 ()
s3 ＜2m
P3 () s3 ) 0 s3
…

－s3
0 s3 m

时域采样
采样信号
f s t f t pt
f t F
稳定性和漂移等 3）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
4）可靠性指标：工作寿命，平均无故障工作时间，故障率，疲劳性能， 绝缘，耐压，耐温等。
5）环境要求指标：工作温度，温度漂移，灵敏度漂移，抗潮湿，抗介
质腐蚀，抗冲振等。 6）配接要求：供电方式，电压幅度与稳度，功耗，安装方式等。