安全检测技术第二章

测试系统的组成1测试系统的数学模型及频率特性2测试装置的主要性能指标3第二章测试系统第一节测试系统的组成以计算机为中心的现代测试系统，采用数据采集与传感器相结合的方式，能最大限度地完成测试工作的全过程。它既能实现对信号的检测，又能对所获信号进行分析处理求得有用信息。传统的测试则是由传感器或某些仪表获得信号，再由专门的测试仪器，对信号进行分析处理而获得有限的信息。现代测试系统大致可分为三类：基本型、标准接口型与闭环控制型。基本型计算机控制现代测试系统的基本形式框图基本型能完成对多点、多种随时间变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰，进行数据处理、信号分析，由测得的信号求出与研究对象有关信息的量值或给出其状态的判别。基本型传感器信号调理数据采集卡(板)计算机完成信号的获得，将被测参量转换成相应的可用输出信号，被测参量可以是各种非电气参量或电气参量。其一是放大，将信号放大到与数据采集卡(板)中的A/D转换器相适配；其二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量。是系统的神经中枢，它使整个测量系统成为一个智能化的有机整体。进行信号的采集和存储，数据的分析处理显示输出。一是进行量程自动改换，二是对多点多通道信号的分时采样。其三是进行信号转换以适应计算机工作。系统各组成部分的功能：标准通用接口型专门接口型是将一些具有一定功能的模块相互连接而成。由于各模块千差万别，组成系统时相互间接口十分麻烦，而且模块是系统不可分割的一部分，不能单独使用，缺乏灵活性。标准通用接口型，也是由模块(如台式仪器或插件板)组合而成，所有模块的对外接口都按规定标准设计。组成系统时，若模块是台式仪器，用标准的无源电缆将各模块接插联接起来就构成系统。若模块为插件板，只要将各插件板插入标准机箱即可。组建这类系统非常方便，例如，GPIB系统、VXI系统就是这类系统，虽然首次投资大，但有利于组建大、中型测量系统。系统的结构形式专门接口型标准通用接口型标准通用接口型（1）GPIB(GeneralPerposeInterfaceBus)GPIB测试系统是一种通用接口测试系统，结构形式如下图。由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器子系统构成。其中每个仪器子系统是一台带GPIB接口的单台仪器。该接口在功能上、电气上和机械接插上都按国际标准设计，内含16条信号线，每条线都有特定的意义。即使不同厂家的产品也相互兼容具有互换性，组建系统时非常方便，拆散后各仪器子系统又可作单台仪表独立使用。一块GPIB接口卡可带多达14台仪器。GPIB通用接口测试系统标准通用接口型（2）VXI总线系统VXI是结合GPIB仪器和数据采集板(DAQ)的最先进技术而发展起来的高速、多厂商、开放式工业标准。VXI总线是一种高速计算机总线—VME总线在仪器领域的扩展，它是VMEbusExtensionforInstrumentation的缩写。VME总线标准自1981年确立以来，在国际上得到广泛应用。但是，基于仪器的VWE总线，存在一个最大的问题是缺乏配套标准。1987年7月，美国五家大仪器公司主动联合起来，在VME总线标准的基础上，制定了开放系统结构仪器所必需的附加标准，命名为VXI总线。生产工艺过程闭环控制系统中的测试系统闭环控制型闭环控制型是指应用于闭环控制系统中的测试系统。生产工艺过程的自动控制是人们长期探索的生产方式。通过对关键参数实时在线检测并控制这些参数按预定的规律变化，来达到维持生产的正常进行和达到高产优质的目的。过程的自动控制大体上可归纳为三个环节：a、实时数据采集：对过程中的有关物理量的瞬时值进行扫查。b、实时判断决策：对采集的表征过程状态的物理量进行运算分析、判断决策，并按已定的原则决定下一步过程控制的措施。c、实时控制：根据决策，按照自动控制理论实时地向各个执行机构发出控制信号。计算机控制的现代测试系统基本型就是闭环控制系统的前两个环节，这是以计算机为中心的现代测试系统应用于大规模、现代化生产中的主要形式，是正在发展中的现场总线(Fieldbus，CANbus)中的智能仪表、设备。闭环控制型GPIB通用接口测试系统第二节测试系统的数学模型及频率特性测量系统的动态特性用数学模型来描述。主要有三种形式：时域中的微分方程复频域中的传递函数频率域中的频率特性测量系统的动态特性由其系统本身固有属性决定，所以，只要已知描述系统动态特性三种形式模型中的任一种，就可以推导出另两种形式的模型。（1）微分方程工程中，常见系统由常系数线性微分方程来描述11101()()()()nnnnnndytdytdytaaaaytdtdtdt11101()()()()mmnmmmdxtdxtdxtbbbbxtdtdtdt第二节测试系统的数学模型及频率特性（2）传递函数初始条件为零时，输出y(t)的拉氏变换Y(s)和输入x(t)的拉氏变换X(s)之比为测量系统的传递函数，记为H(s)。当t≤0时，x(t)＝0，y(t)＝0，则它们的拉氏变换X(s)，Y(s)的定义式为00()()()()ststYsytedtXsxtedt第二节测试系统的数学模型及频率特性其中s=σ+jω是复数。对前述微分方程取拉氏变换，并认为输入x(t)、输出y(t)以及它们各阶时间导数在t＝0时的初始值均为零，则得-1-1-110-110()()()()nnmmnmnmYsasasLasaXsbsbsLbsb测量系统的传递函数为11101110()()()mmmmnnnnbsbsbsbYsHsXsasasasa第二节测试系统的数学模型及频率特性（3）频率(响应)特性在初始条件为零的条件下，输出y(t)的傅里叶变换Y(jω)与输入x(t)的傅里叶变换X(jω)之比为测量系统的频率响应特性，简称频率特性。记为H(jω)或H(ω)。对于稳定的常系数线性测量系统，可取s＝jω，即实部σ＝0，在这种情况下00()()()()ststYsytedtXsxtedt变为频率特性H(jω)为00()()()()jtjtYjytedtXjxtedt11101110()()()()()()()()()mmmmnnnnbjbjbjbYjHjXjajajaja第二节测试系统的数学模型及频率特性()())()miiiimiYAX与（（3）频率(响应)特性频率特性的实验求取方法有两种：（1）是傅里叶变换法，即在初始条件全为零的情况下，同时测得输入x(t)和输出y(t)，并分别对x(t)，y(t)进行FFT求得其傅里叶变换X(ω)，Y(ω)，其比值就是H(ω)。（2）是依次用不同频率ωi但幅值Xm(ωi)不变的正弦信号x(t)=Xmsinωit作为测量系统的输入(激励)信号，同时测出系统达到稳态时的相应输出信号y(t)=Ymsin(ωi+φ)的幅值(ωi)。这样，第二节测试系统的数学模型及频率特性（4）常见测量系统的数学模型常见测量系统都是一阶的或二阶的系统。任何高阶系统都可以看作若干个一阶和二阶环节的串联或并联。因此，分析并了解一、二阶环节的特性是分析、了解高阶复杂系统特性的基础。第二节测试系统的数学模型及频率特性①一阶系统——惯性环节(非周期环节)(c)为力学系统(a)液柱式温度计；(b)RC电路；(c)弹簧—阻尼机械系统0000=RCiiTTdTdTqCTTRdtdt，令(a)为热学系统0000iiuududuiCRCuuRdtdt，令(b)为电学系统dyyKxdtckx(t)y(t)Auo(t)RCui(t)qTi(t)T0(t)第二节测试系统的数学模型及频率特性(c)一阶系统的频率特性(a)一阶系统的微分方程(b)一阶系统的传递函数()()()1YKHXjdyyKxdt()()()1YsKHsXss①一阶系统——惯性环节(非周期环节)第二节测试系统的数学模型及频率特性②二阶系统——振动环节(a)质量—弹簧－阻尼机械系统(a)力学系统(表示的压力传感器弹性膜片的等效结构质量—弹簧—阻尼系统)质量块m在受到作用力F后产生位移y和运动速度dy/dt，在运动过程中受作用力F、弹性作用力F(弹)＝－ky与阻尼力F(阻)＝－bdy/dt的作用，直到位移y足够大到使弹性反作用力与作用力相等时达到平衡阻尼力为零。在未达到平衡时的运动过程中服从牛顿运动定律，其运动加速度md2y/d2t由所受的合力决定。22)()(dtydmdtdybkyFFFF阻弹22dydykybmFdtdtckf（t）my（t）第二节测试系统的数学模型及频率特性②二阶系统——振动环节(b)R，L，C串联电路(b)为电学系统开关S由断至合时，R，L，C电路被施加一阶跃电压，在过渡过程中其输入与输出的关系由下述二阶微分方程决定。220,0,,0cccssitduduLCRCuuuutdtdt第二节测试系统的数学模型及频率特性01,,2kbKmkmk②二阶系统——振动环节(a)二阶系统的微分方程不论热力学、电学、力学二阶系统，它们均可用下述标准形式二阶微分方程来表示00222012dydyyKxdtdt式中—系统固有频率—阻尼比K—直流放大倍数或称静态灵敏度力学系统电学系统01,,12RCkLLC第二节测试系统的数学模型及频率特性②二阶系统——振动环节(c)一阶系统的频率特性(b)二阶系统的传递函数200()()()12YKHXj2200()()12()1YsKHsXsss第二节测试系统的数学模型及频率特性（5）测量系统的动态特性参数一阶系统的特性参数是时间常数τ，二阶系统的特性参数是固有角频率ω0与阻尼比ζ0。如果得知这些特性参数的值，我们就能建立系统的数学模型。若知测量系统的数学模型，通过适当数学运算，就可以推算出系统对任一输入的输出响应。尽管这些特性参数取决于系统本身固有属性，可以由理论设定，但最终必须由实验测定，称动态标定。为了便于统一比较与容易获得，标定时通常选定两种形式的输入信号：正弦信号与阶跃信号。测定系统动态特性的表述也相应有两种形式：第一种是频率特性第二种是阶跃响应特性第二节测试系统的数学模型及频率特性()1()()1YHXj①频率特性与特征参数(a)一阶系统的频率特性与图示当K=1时幅频特性21()()()1()YHX相频特性arctg第二节测试系统的数学模型及频率特性（a）幅频特性；（b）相频特性由左图可见一阶系统频率特性的特点：当ω1/τ时，︳H(ω)︳接近于1，输入输出幅值几乎相等，L=20lg︳H(ω)︳≈0。当ω增大时，︳H(ω)︳减小，ω=10/τ处得模︳H(10/τ)︳是︳H(1/τ)︳的1/10；ω1/τ时，工作频率ω增大10倍，︳H(ω)︳减小20dB。第二节测试系统的数学模型及频率特性一阶系统的对数幅频特性当ω＝1/τ，︳H(ω)︳＝0.707（－3dB），φ＝－45°。1/τ点称为转折频率。可见时间常数是反映一阶系统特性的重要参数。第二节测试系统的数学模型及频率特性①频率特性与特征参数(b)二阶系统的频率特性与图示当K=1时幅频特性相频特性2001()[1()]2Hj222001()[1()](2)H0202()1对数幅频特性22200120lg[1()](2)L第二节测试系统的数学模型及频率特性二阶系统频率特性的重要参数ζ，ω0特性的特点是：低频段：ω/ω0＜1，L≈0dB高频段：ω/ω0＞l，L≈－40lg(ω/ω0)信号频率ω每增大10倍，模︳H(ω)︳或输出正弦信号的模︳Y(ω)︳下降40d