安全檢測技術(shù)第二章.ppt

,第二章 測試系統(tǒng),第一節(jié) 測試系統(tǒng)的組成,以計算機為中心的現(xiàn)代測試系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)采集與傳感器相結(jié)合的方式，能最大限度地完成測試工作的全過程。它既能實現(xiàn)對信號的檢測，又能對所獲信號進(jìn)行分析處理求得有用信息。 傳統(tǒng)的測試則是由傳感器或某些儀表獲得信號，再由專門的測試儀器，對信號進(jìn)行分析處理而獲得有限的信息。 現(xiàn)代測試系統(tǒng)大致可分為三類：基本型、標(biāo)準(zhǔn)接口型與閉環(huán)控制型。,基 本 型,計算機控制現(xiàn)代測試系統(tǒng)的基本形式框圖,基本型能完成對多點、多種隨時間變化參量的快速、實時測量，并能排除噪聲干擾，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、信號分析，由測得的信號求出與研究對象有關(guān)信息的量值或給出其狀態(tài)的判別。,基 本 型,傳感器,信號調(diào)理,數(shù)據(jù)采集卡(板),計算機,完成信號的獲得，將被測參量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號，被測參量可以是各種非電氣參量或電氣參量。,其一是放大，將信號放大到與數(shù)據(jù)采集卡(板)中的A/D轉(zhuǎn)換器相適配；其二是預(yù)濾波，抑制干擾噪聲信號的高頻分量。,是系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，它使整個測量系統(tǒng)成為一個智能化的有機整體。進(jìn)行信號的采集和存儲，數(shù)據(jù)的分析處理顯示輸出。,一是進(jìn)行量程自動改換，二是對多點多通道信號的分時采樣。其三是進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換以適應(yīng)計算機工作。,系統(tǒng)各組成部分的功能：,標(biāo)準(zhǔn)通用接口型,專門接口型是將一些具有一定功能的模塊相互連接而成。由于各 模塊千差萬別，組成系統(tǒng)時相互間接口十分麻煩，而且模塊是系統(tǒng)不 可分割的一部分，不能單獨使用，缺乏靈活性。 標(biāo)準(zhǔn)通用接口型，也是由模塊(如臺式儀器或插件板)組合而成， 所有模塊的對外接口都按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。組成系統(tǒng)時，若模塊是臺式 儀器，用標(biāo)準(zhǔn)的無源電纜將各模塊接插聯(lián)接起來就構(gòu)成系統(tǒng)。若模塊 為插件板，只要將各插件板插入標(biāo)準(zhǔn)機箱即可。組建這類系統(tǒng)非常方 便，例如，GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)就是這類系統(tǒng)，雖然首次投資大，但有 利于組建大、中型測量系統(tǒng)。,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,專門接口型,標(biāo)準(zhǔn)通用接口型,標(biāo)準(zhǔn)通用接口型,（1）GPIB(General Perpose Interface Bus) GPIB測試系統(tǒng)是一種通用接口測試系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)形式如下圖。由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB儀器子系統(tǒng)構(gòu)成。其中每個儀器子系統(tǒng)是一臺帶GPIB接口的單臺儀器。該接口在功能上、電氣上和機械接插上都按國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，內(nèi)含16條信號線，每條線都有特定的意義。即使不同廠家的產(chǎn)品也相互兼容具有互換性，組建系統(tǒng)時非常方便，拆散后各儀器子系統(tǒng)又可作單臺儀表獨立使用。一塊GPIB接口卡可帶多達(dá)14臺儀器。,GPIB通用接口測試系統(tǒng),標(biāo)準(zhǔn)通用接口型,（2）VXI總線系統(tǒng) VXI是結(jié)合GPIB儀器和數(shù)據(jù)采集板(DAQ)的最先進(jìn)技術(shù)而發(fā)展起來的高 速、多廠商、開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 VXI總線是一種高速計算機總線VME總線 在儀器領(lǐng)域的擴展，它是VMEbus Extension for Instrumentation 的縮寫。 VME總線標(biāo)準(zhǔn)自1981年確立以來，在國際上得到廣泛應(yīng)用。但是，基于儀器 的VWE總線，存在一個最大的問題是缺乏配套標(biāo)準(zhǔn)。1987年7月，美國五家大 儀器公司主動聯(lián)合起來，在VME總線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，制定了開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)儀 器所必需的附加標(biāo)準(zhǔn)，命名為VXI總線。,生產(chǎn)工藝過程閉環(huán)控制系統(tǒng)中的測試系統(tǒng),閉環(huán)控制型,閉環(huán)控制型是指應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中的測試系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝過 程的自動控制是人們長期探索的生產(chǎn)方式。通過對關(guān)鍵參數(shù)實時在線檢 測并控制這些參數(shù)按預(yù)定的規(guī)律變化，來達(dá)到維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行和達(dá) 到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目的。過程的自動控制大體上可歸納為三個環(huán)節(jié)： a、實時數(shù)據(jù)采集：對過程中的有關(guān)物理量的瞬時值進(jìn)行掃查。 b、實時判斷決策：對采集的表征過程狀態(tài)的物理量進(jìn)行運算分析、 判斷決策，并按已定的原則決定下一步過程控制的措施。 c、實時控制：根據(jù)決策，按照自動控制理論實時地向各個執(zhí)行機構(gòu) 發(fā)出控制信號。 計算機控制的現(xiàn)代測試系統(tǒng)基本型就是閉環(huán)控制系統(tǒng)的前兩個環(huán)節(jié)， 這是以計算機為中心的現(xiàn)代測試系統(tǒng)應(yīng)用于大規(guī)模、現(xiàn)代化生產(chǎn)中的主 要形式，是正在發(fā)展中的現(xiàn)場總線(Fieldbus，CAN bus)中的智能儀表、 設(shè)備。,閉環(huán)控制型,GPIB通用接口測試系統(tǒng),第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,測量系統(tǒng)的動態(tài)特性用數(shù)學(xué)模型來描述。主要有三種形式：,時域中的 微分方程,復(fù)頻域中 的傳遞函數(shù),頻率域中 的頻率特性,測量系統(tǒng)的動態(tài)特性由其系統(tǒng)本身固有屬性決定，所以，只要已知描述系統(tǒng)動態(tài)特性三種形式模型中的任一種，就可以推導(dǎo)出另兩種形式的模型。,（1） 微分方程 工程中，常見系統(tǒng)由常系數(shù)線性微分方程來描述,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,（2）傳遞函數(shù) 初始條件為零時，輸出y(t)的拉氏變換Y(s)和輸入x(t)的拉氏變換X(s)之比為測量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，記為H(s)。 當(dāng)t0時，x(t)0，y(t)0，則它們的拉氏變換X(s)，Y(s)的定義式為,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,其中s=+j 是復(fù)數(shù)。 對前述微分方程取拉氏變換，并認(rèn)為輸入x(t)、輸出y(t)以及它們各階時間導(dǎo)數(shù)在t0時的初始值均為零，則得,測量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,（3）頻率(響應(yīng))特性 在初始條件為零的條件下，輸出y(t)的傅里葉變換Y(j)與輸入x(t)的傅里葉變換X(j)之比為測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，簡稱頻率特性。記為H(j)或H()。對于穩(wěn)定的常系數(shù)線性測量系統(tǒng)，可取sj ，即實部0，在這種情況下,頻率特性H(j)為,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,（3）頻率(響應(yīng))特性,頻率特性的實驗求取方法有兩種：（1）是傅里葉變換法，即在初始條件全為零的情況下，同時測得輸入x(t)和輸出y(t)，并分別對x(t)，y(t)進(jìn)行FFT求得其傅里葉變換X()，Y()，其比值就是H()。（2）是依次用不同頻率i但幅值Xm(i)不變的正弦信號x(t)= Xmsinit作為測量系統(tǒng)的輸入(激勵)信號，同時測出系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的相應(yīng)輸出信號y(t)=Ymsin(i+)的幅值(i)。這樣，,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,（4）常見測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 常見測量系統(tǒng)都是一階的或二階的系統(tǒng)。 任何高階系統(tǒng)都可以看作若干個一階和二階環(huán)節(jié)的串聯(lián)或并聯(lián)。 因此，分析并了解一、二階環(huán)節(jié)的特性是分析、了解高階復(fù)雜系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)。,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)(非周期環(huán)節(jié)),(c)為力學(xué)系統(tǒng),(a)液柱式溫度計； (b)RC電路； (c)彈簧阻尼機械系統(tǒng),(a)為熱學(xué)系統(tǒng),(b)為電學(xué)系統(tǒng),第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,(c)一階系統(tǒng)的頻率特性,(a)一階系統(tǒng)的微分方程,(b)一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù),一階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)(非周期環(huán)節(jié)),第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,二階系統(tǒng)振動環(huán)節(jié),(a)質(zhì)量彈簧阻尼機械系統(tǒng),(a)力學(xué)系統(tǒng)(表示的壓力傳感器彈性膜片的等效結(jié)構(gòu)質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)) 質(zhì)量塊m在受到作用力F后產(chǎn)生位移y和運動速度dy/dt，在運動過程中受作用力F、彈性作用力F(彈)ky與阻尼力F(阻)b dy/dt的作用，直到位移y足夠大到使彈性反作用力與作用力相等時達(dá)到平衡阻尼力為零。在未達(dá)到平衡時的運動過程中服從牛頓運動定律，其運動加速度m d2y/d2t由所受的合力決定。,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,二階系統(tǒng)振動環(huán)節(jié),(b) R，L，C串聯(lián)電路,(b)為電學(xué)系統(tǒng) 開關(guān)S由斷至合時，R，L，C電路被施加一階躍電壓，在過渡過程中其輸入與輸出的關(guān)系由下述二階微分方程決定。,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性, 二階系統(tǒng)振動環(huán)節(jié),(a)二階系統(tǒng)的微分方程 不論熱力學(xué)、電學(xué)、力學(xué)二階系統(tǒng)，它們均可用下述標(biāo)準(zhǔn)形式二階微分方程來表示,K直流放大倍數(shù)或稱靜態(tài)靈敏度,力學(xué)系統(tǒng),電學(xué)系統(tǒng),第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性, 二階系統(tǒng)振動環(huán)節(jié),(c)一階系統(tǒng)的頻率特性,(b)二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù),第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,（5）測量系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù) 一階系統(tǒng)的特性參數(shù)是時間常數(shù)，二階系統(tǒng)的特性參數(shù)是固有角頻率0與阻尼比0。如果得知這些特性參數(shù)的值，我們就能建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。若知測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過適當(dāng)數(shù)學(xué)運算，就可以推算出系統(tǒng)對任一輸入的輸出響應(yīng)。 盡管這些特性參數(shù)取決于系統(tǒng)本身固有屬性，可以由理論設(shè)定，但最終必須由實驗測定，稱動態(tài)標(biāo)定。為了便于統(tǒng)一比較與容易獲得，標(biāo)定時通常選定兩種形式的輸入信號：正弦信號與階躍信號。 測定系統(tǒng)動態(tài)特性的表述也相應(yīng)有兩種形式： 第一種是頻率特性 第二種是階躍響應(yīng)特性,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,頻率特性與特征參數(shù) (a)一階系統(tǒng)的頻率特性與圖示 當(dāng)K=1時,幅頻特性,相頻特性,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,（a）幅頻特性 ；（b）相頻特性,由左圖可見一階系統(tǒng)頻率特性的特點： 當(dāng)1/時，工作頻率增大10倍， H() 減小20dB。,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,一階系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性,當(dāng) 1/， H() 0.707（3dB），45。 1/點稱為轉(zhuǎn)折頻率?？梢姇r間常數(shù)是反映一階系統(tǒng)特性的重要參數(shù)。,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,頻率特性與特征參數(shù) (b) 二階系統(tǒng)的頻率特性與圖示 當(dāng)K=1時,幅頻特性,相頻特性,對數(shù)幅頻特性,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,二階系統(tǒng)頻率特性的重要參數(shù)，0 特性的特點是： 低頻段：/01，L0dB 高頻段： /0 l，L 40lg(/0 ) 信號頻率每增大10倍，模H() 或輸出正弦信號的模Y() 下降40dB。 0時，L20lg2，系統(tǒng)幅頻特性的幅值完全取決于。 存在諧振頻率 當(dāng)0.707時，信號頻率等于諧振頻率時(n) 系統(tǒng)發(fā)生共振；當(dāng) 0.707時，系統(tǒng)無諧振，頻率特性的模H() 隨的增加而減小。,（a）對數(shù)幅頻特性； （b）相頻特性,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,(a)一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性與特性參數(shù) 當(dāng)系統(tǒng)輸入階躍信號x(t)時,微分方程的解y(t),如右圖,一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng),第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,階躍響應(yīng)特性與特性參數(shù),的測量與一階系統(tǒng)的判定,兩邊取對數(shù),Zt 圖,由動態(tài)標(biāo)定實驗數(shù)據(jù)y(ti)，i0，1，2，3，作出Zt曲線。根據(jù)Zt曲線的線性度，判斷測量系統(tǒng)與一階系統(tǒng)的符合程度，再由上式獲得時間常數(shù)。,表明Z與時間t成線性關(guān)系，如右圖所示，并具有,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,輸出最終值y()的實時快速測定,將一階微分方程,改寫為差分方程,在工程試驗或運行監(jiān)測試驗中，當(dāng)由一個工況變至另一工況時，相當(dāng)于對系統(tǒng)輸入一階躍信號，嚴(yán)格地說系統(tǒng)響應(yīng)輸出達(dá)到工況的最終值y()需要t時間，這是既很不方便又很不經(jīng)濟的，下面介紹一種在過渡過程中，t，實時快速推算輸出最終值的方法三點計算法。,Zt 圖,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,為了消除偶然誤差，可以連續(xù)采樣32點得32個數(shù)據(jù)， y(ti)，i1，2，32。取時間間隔t相同的三個點為一 組，可求出一個A值，求出9個A值后取平均。,求解方程得一階系統(tǒng)的輸出最終值y()為,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,(b)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性與特性參數(shù) 當(dāng)系統(tǒng)輸入信號x(t)為階躍信號時，通過求解二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以得到輸出響應(yīng)y(t)如下圖所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為,在01欠阻尼情況,二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng),第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,在 1時，為臨界阻尼情況，y(t)也為兩項之和：KA 加一項單調(diào)的衰減項，系統(tǒng)無振蕩。 在 l時，為過阻尼情況，y(t)也由穩(wěn)態(tài)項KA與暫態(tài) 響應(yīng)項構(gòu)成，暫態(tài)響應(yīng)包括兩個衰減的指數(shù)項，但其中一個 衰減很快可以忽略不計，故也無振蕩。一般工程中常將 l的二階系統(tǒng)近似按一階系統(tǒng)對待。,上式表明，y(t)為兩項之和：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)KA加上暫態(tài)響 應(yīng)衰減振蕩，其振蕩角頻率d稱為有阻尼自然振蕩角頻率， 幅值按指數(shù)規(guī)律衰減。越大衰減越快，0為一等幅振 蕩。,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,(c)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性的特征量時域指標(biāo) 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性的時域指標(biāo)有如下四個：,有阻尼自然振蕩角頻率,有阻尼自然振蕩周期,峰值時間tp,相對超調(diào)量(t)及絕對超調(diào)量M(t)y(t)y（）,第二節(jié) 測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及頻率特性,第三節(jié) 測試裝置的主要性能指標(biāo),若測試裝置為線性系統(tǒng)，當(dāng)輸入x有一個變化量x時，引起輸出y產(chǎn)生一相應(yīng)變化量 y。在穩(wěn)態(tài)情況下，定義輸出信號的變化量與輸入信號的變化量之比為靈敏度S，可寫為,靈敏度的高低應(yīng)根據(jù)實際情況和對被測量的要求合理地選擇，不是越高越好。因為靈敏度越高，對外界的干擾噪聲越敏感，如由于環(huán)境條件等因素的變化將會導(dǎo)致靈敏度的變化。靈敏度越高，產(chǎn)生的漂移也越大，穩(wěn)定性就越差，還會使測量范圍變窄。,靈敏度,非線性度,非線性度是指在靜態(tài)測量中輸出與輸入之間是否保持常值比例關(guān)系(線性關(guān)系)的一種量度。通?？捎脤嶒灥霓k法求出裝置的輸入與輸出之間的關(guān)系曲線，稱為“定度曲線”。定度曲線偏離其擬合直線的程度就是非線性度，如圖所示。作為技術(shù)指標(biāo)，非線性度規(guī)定為：定度曲線與其擬合直線間的最大偏差B(與輸出同量綱)與裝置的輸出范圍(全量程)A的比值，即 非線性度,非線性度,第三節(jié) 測試裝置的主要性能指標(biāo),回程誤差,在測試工作中，常會遇到如右圖所示的現(xiàn)象，即當(dāng)輸入x逐漸增大時，相應(yīng)的輸出y也相應(yīng)增加，曲線按一定規(guī)律上升；當(dāng)輸入x加到某值后又逐漸減小時，相應(yīng)輸出y也相應(yīng)減小，但曲線不能按原規(guī)律返回，這種輸出滯后于輸入的現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象，所產(chǎn)生的誤差稱為回程誤差或滯后誤差。,回差（滯后量）,第三節(jié) 測試裝置的主要性能指標(biāo),表征測試裝置靜態(tài)誤差的其它指標(biāo),(1) 重復(fù)精度,重復(fù)精度是在等精度測量條件下(即在操作者、儀器、環(huán)境條件等因素不變的情況下多次重復(fù)測量)，裝置給出相同示值的能力，又稱為示值的分散性，是表征裝置隨機誤差大小的指標(biāo)。通常用誤差限表示，如用千分表重復(fù)測量1mm厚的量塊，最大示值為1.001，最小示值為0.999，則該千分表的重復(fù)精度為lm或0.1。,第三節(jié) 測試裝置的主要性能指標(biāo),表征測試裝置靜態(tài)誤差的其它指標(biāo),(2) 準(zhǔn)確度,在不考慮隨機誤差時，準(zhǔn)確度定義為被測量的示值與真值(或約定值)之差。通常用以表征裝置系統(tǒng)誤差的大小。 真值也稱為理論值、理論真值或定義值，即根據(jù)一定的理論，在嚴(yán)格的條件下，按定義確定的數(shù)值。在實際測量中這種值是測不到的，但這種值又確實存在。例如作為溫度計量單位的K，是開爾文根據(jù)卡諾循環(huán)原理提出的熱力學(xué)溫度，它定義出了自然界可能達(dá)到的最低溫度，即熱力學(xué)零度為(0K)。盡管當(dāng)前科學(xué)技術(shù)相當(dāng)發(fā)達(dá)，但如何實現(xiàn)0K的溫度，以及如何測量它卻是不能解決的。,第三節(jié) 測