内科大安全环境监测技术教案第2章 测试系统.docx

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1、课程名称：安全环境监测技术授课章节第2次课：第2章测试系统2.1测试系统的组成；2.2测试系统的基本特性熟悉测试系统的组成、基本型和标准通用接口类型；了解并理解测试系统的基本特性，了解微分方程、传递函数、频率特性、测量系统的动态特性参数。重点难点重点：测试系统的组成；难点：测试系统的微分方程及频率特性。第2章测试系统测试系统定义：能完成某种意义测量的仪器、设备的总称。2.1 测试系统的组成2.1.1 传统型可用以下框图表示：传感器将被测物理量（如粉尘、噪声、温度等）检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示

2、出来，提供给观察者或其它自动控制装置。2.1.2基本型木集及接口总线它能完成对多点（多路）、多种随时间变化参量（信号）的快速、实时测量,并能排除干扰，进行数据处理、信号分析、信号控制等。（约5分钟）举例说明（约5分钟）说明各部分的作用，特殊情况下可由两部分组成。（约15分钟）智能仪表的一部分，分解膜理A（约10分钟）接口是仪器扩展和信息输出 的必要装置，有 时较大设备为 便于携带，可分 成若干部分，中 间由标准接口 链接。蓝牙技术的出现，无线电接口 设备也越来越 多。（约5分钟）（约5分钟）2.1.3标准通用接口GPIB、VXI、PXl等总线标准的出现大大简化了自动测试系统（ATS）的集成,系

3、统构建变成了各种仪器模块的功能组态。然而，由于设计连接（UUT）复杂多样，接口类型千变万化，因此，UUT和测试资源的通用测试接口（TUA）则是简化ATS集成开发，提高仪器互换性、软件移植性和系统性价比的有效手段。当今的计算机外部设备，都在追求高速度和高通用性。为了满足用户的需求以Intel为首的七家公司于1994年推出了USB（UniversalSerialBus,通用串行总线）总线协议，专用于低、中速的计算机外设。目前，USB端口已成为了微机主板的标准端口；而在不久的将来，所有的微机外设，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机扫描仪和游戏柄等等，都将通过USB与主机相连。这种连接较以往普通

4、并口和串口的连接而言，主要的优点是速度高、功耗低、支持即插即用和使用维护方便。目前，基于USB总线微控制器的硬件设计方法，可采用设备驱动程序控制USB总线的方法实现信号调理电路的软件设计。USB总线的信号调理电路及接口的普遍应用，USB数据接口电路具有支持热插拔、体积小、便于携带、降低对Pe硬件伤害小、编程速度快等明显优点。2.2测试装置的基本特性知识要点及要求1.1.1 性系统及其主要特性。1.1.2 试装置的动态特性及静态特性。1.1.3 、二阶测试装置的频率响应特性。2.2.1 测试装置的基本要求为实现某种量的测量而选择或设计测量装置时.，必须考虑这些测量装置能否准确获取被测量的量值及其

5、变化，即实现准确测量，而是否能够实现准确测量，则决定于测量装置的特性。测试装置的基本特性主要讨论测试装置及其输入、输出的关系。理想的测试装置应该具有单值的、确定的输入一一输出关系。知道其中的一个量就可以确定另一个量。2.2.2 线性系统及其主要性质线性系统的输入XQ）与输出y之间的关系可用下面的常系数线性微分方程:dny(t)dnly(t)dy(t)/、an2+a”.r4-z+1+dtn,dtn-,dt八Ldmxtjdm-yx(t)1dx(t)k,、=bn-+b,n,r2+”+bnx(t)mdtmmxdtmx,dt0描述时，则称该系统为时不变（不随时间而变化）线性系统或线性时不变系统，也称定常

6、线性系统或常系数线性微分方程。式中f为时间自变量，明、%.1、4、。0和2、.1、b、%均为常数。时不变线性系统的主要性质：1）叠加原理特性；2）比例特性；3）系统对输入导数的响应等于对原输入响应的导数；4）如系统的初始状态均为零，则系统对输入积分的响应等同于对原输入响应的积分；5）频率保持性。2.2.3测试装置的静态特性测试装置的静态特性就是在静态测量情况下描述实际测试装置与理想定常线性系统的接近程度。描述测试装置静特性的主要指标有：1）线性度是指测量装置输出、输入之间保持常值比例关系的程度，是测试装置转换过程中产生的误差。作为技术指标则采用线性误差来表示，即用在装置标称输出范围Y内，校准曲

7、线与拟合直线的最大偏差B来表示。也可用相对误差来表示，如线性误差=且XlOo%Y2）灵敏度S当装置的输入量X时有一个变化量x,引起输出量y发生相应的变化为y,则定义灵敏度为：（约10分钟）（约10分钟）S=包=立xdx3）回程误差当输入量由小增大和由大减小（加卸载）时，对于同一输入量所得到的两个输出量却往往存在着差值，把在全测量范围内，最大的差值弁称为回程误差。4）稳定度和漂移稳定度是指测量装置在规定条件下保持其测量特性恒定不变的能力。测量装置的测量特性随时间的缓慢变化，称为漂移。2.2.4 测试装置的动态特性动态特性是指测量系统的输出对随时间快速变化的输入量的响应特性。D传递函数”（S）传递

8、函数是测试装置动特性的复频域描述，它表达了系统的传递特性。2）频率响应函数（M=3）eWM,它是测试装置动态特性的频域描述，它描述了系统的简谐输入和其稳态输出的关系。3）脉冲相应函数例。它是测试装置动态特性的时域描述。这种输入输出之间的差异就是动态误差。测试装置动态特性的测试方法主要有：频率响应法和阶跃响应法。2.2.5 测试装置的典型环节传递函数1）零阶系统H（S）=S2）一阶系统H（s）=1+s3）二阶装置h3=”rs2+2vs+n2【思考题】1、怎么理解电测系统一般由传感器、放大或衰减器、显示器或记录仪三部分组成。特殊情况下也可由传感器和显示器或记录仪两部分组成。【作业题】1、把灵敏度为

9、404X10pCPa的压电式压力传感器与一台灵敏度调到0226mVpC的电荷放大器相接，求其总灵敏度。若要将总灵敏度调到IoxIO6rnvPa,电荷放大器的灵敏度应作如何调整？（约15分钟）（约5分钟）（约2分钟）【课堂教学小结】（3分钟）1、基本型测试系统是现代测试技术应用最广的，也是智能仪表的一部分。2、理想的测试系统的输出量与输入量应有良好的线性关系。3、测试系统的误差反映了系统的转换特性。课程名称：安全环境监测技术授课章节第3次课：2.3测试装置的主要性能指标D灵敏度；2）非线性度；3）回程误差；4）重复精度；5）准确度；6）精确度；7）分辨力目的要求掌握测试装置的主要性能指标，熟悉性

10、能参数计算和单位换算。重点难点重点：灵敏度及非线性度；难点：回程误差、重复精度。2. 3测试装置的主要性能指标D灵敏度反应输出量随输入量变化程度包=Shn，当为一次函数且起点均为O时，xsm=x,在测试系统中，系统总灵敏度等于各个环节灵敏度的乘积。即XSbn=ShtaSlm2Slm3灵敏度的单位一般以分数形式表示，分子上是输出量的单位，分母上是输入量的单位。如压力传感器的输出量电压V或电流mA,输入量是MPa,那么传感器灵敏度的单位写作WMPa,单位意义是，每输入IMPa的压力，可在传感器输出端得到多少伏特的输出电压。2）非线性度也称线性度或非线性误差，是指实际曲线偏离理论曲线的程度。Cf=X

11、100%YmaxyJ（约15分钟）当输入输出为同类量时，灵敏度可称作放大倍数或增益。应强调灵敏度单位（约15分钟）取丛口刀外住ZJ、，ZnHJ刖IHl女U工。J（1）实际曲线（标定曲线）的获得即测量值，不同的输入量与测试系统对应标定曲线拟合直线解释标定曲线为多个标定点的连线输出量在平面坐标上绘出的曲线。（2）拟合直线（理论曲线）的确定(a)X端基法：在平面坐标上，通过测量范围（X坐标）和输出量（Y坐标）上、下限两点的连接线，作为拟合直I线，与标定曲线中间的形态无关，如a图。I/标定曲线秉Y=KX形式函最小平方和最小谏法：所拟合直线与标定曲线间偏差小的Ob测量范围一即学最小，在输入量由小到大的变

12、化过程中，Bi不断在变化一X数，端基过平面坐标原点拟合曲线与标定曲线一直相关。在工程上，有时用一条反映标定数据的一般趋势，而误差绝对值为最小的拟合直线作为参考理想直线，并给出表达式，也是一种曲线拟合的方法。3）回程误差（滞后误差、回程误差）44 二是指输入量由小到大与由大到小（加卸载循环）变化时（如曲线箭头方向），测试装置对同一 输入量所得输出量不一致的程度，用全量程范围内 同一输入量下所得输出的最大差值力max （Y20一Y10）与最大输出YmaX之比的百分数表示。Cc = -hmax 100%Kmaxy4）重复精度也称重复性误差，是指在等精度测量的条件下，多 次重复测量结果的一致程度。传感

13、器在输入按同一 方向作全量程连续多次变动时所得的特性曲线不 一致。如图所示为实际输出的校正曲线的重复特性，正行程的最大重复性偏差为软近，反行程的最大重复性偏差为州佩O重复性误差取这两个最大偏差之中较大者为级与满量程输出YFS之比的百分数表 示，即=100%YFS重复性误差一般可通过增加测量次数来逐渐减少。5）准确度反映测量仪器系统误差的大小。定义为被测量与真值的接近程度。（约5分钟）由小到大也叫 正行程，由大到 小叫反行程。（约10分钟）（约5分钟）6）精确度（约5分钟）精确度高也就是既精也说明重复精度高。精确度简称精度。由上图可知，精确和精确度不同,确又准确。精确就是测量值的一致性好，有时也

14、叫精密,7）分辨力能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量称为检测系统的分辨力。表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。分辨率：能检测的最小被测量的输出量相对于满量程的百分数。设能引起输出量变化的最小被测量为Xrnm，则左=缺皿1max其次，仪器的负载作用（通常指一次仪表，也叫对被测量的影响）、抗干扰能力、稳定性、漂移、信噪比、输入（量程）输出范围、测量频率范围（动态量）等，也是测试系统的性能指标。例题1.某压力传感器的加载（正行程）和卸载（反YI行程）标定数据如表2.1所示，最大荷载为Ie）KPa,试根据表中数据画出压力传感器的标定曲线，并用端基法求出拟合直线，最后计算非线性误差。一7（约10

15、分钟）注意分辨力与灵敏度的区别（约18分钟）解释输出读数，有可能压力计后级接有一个合适比例（量程）的数字电压表重点指出解题方法和步骤（约4分钟）标定值KpaO12345678910正程读数-1.120.211.182.093.334.55.256.597.738.689.8反程度数0.690.421.652.483.624.715.876.897.929.110.2解：先画出标定曲线，如图；用端基法拟合直线；计算非线性误差【思考题】1、怎么能发现系统既有非线性误差又用滞后误差？2、传感器的分辨力受什么因素影响？3、为什么说高品质的传感器不一定测出精确的数据？【作业题】1、利用例1题数据，用最小二乘法拟合直线，列出表达式，最后计算滞后误差。【课堂教学小结】（3分钟）1、系统的各项性能指标是使用、设计和购买测试系统的主要依据，2、一个高精度的测试设备，必然会付出高的价格成本，且要求各个环节的性能都要好，同时要进行各环节间的匹配。