第六章 测试系统设计.docx

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第六章测试系统设计

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6测试系统设计

静态精度、动态特性和可靠性是对测试系统的三个基本要求，由此提出了测试系统的基本性能指标。

人们是从测试系统的输出信号中获得关于被测对象信息的，如果测试系统不能满足这三个基本要求，即使对于同样的输入量，所得的输出量也是各不相同的，甚至给出错误的结果。

各种测试系统由于原理、结构不同，使用条件不同，技术指标亦不相同。

即使测量同一个未知量，也可以用各种各样的测试系统。

由于测量目的不同，要求的测量精度、响应特性等不相同，测量环境也是各种各样的。

所以，一种测试系统只能在相应的个别条件下使用，完全通用的测试系统是不存在的。

随着测试技术的发展，新的测试仪器和设备正在不断地研制出来，但基本的测试原理、技术和方法在广泛的使用范围内仍然是有效的。

测试技术是一个知识密集、技术密集的领域，它与许多学科有关。

测试系统的种类也十分繁多，要进行实际测试不仅要求使用者熟悉各种测试系统，而且要求使用者掌握一些实验规则、实验操作和实验结果分析方面的知识。

测试是用专门的仪器或设备，靠实验及实验数据分析求得被测试的数值。

不管使用仪器的实质是什么，测试系统的合理选用将取决于使用者对现有仪器的广泛了解，也取决于如何根据所要完成的任务来最恰当地提出仪器设备应具有的性能。

实际上测试技术的关键就是根据不同的测试任务要求，确定测试方法，选择合适的测试仪器或设备，设计测试系统，进行实际测试。

在一定的时间内、花费一定的成本尽可能正确地收集被测对象的未知信息，以便掌握被测对象的参数或控制生产过程。

6.1测试系统的构成及功能

如果测试方法不合理，即使有高级精密的测试仪器或设备，也不能得到理想的测试结果。

测试的具体方法是由被测试的种类、数值的大小、所要求的测试准确度、测试速度的快慢、进行测试所需的条件以及其它一系列因素决定的。

每个物理量都可以用技术特性和操作方法特性具有不同特点的多种方法进行测试。

随着科学技术的发展，新的测试方法还在不断出现，为了探讨测试方法的特征，正确地选择测试方法，需要对测试方法分类。

测试方法分类形式有多种多样，例如，根据被测对象的被测量是否随时间变化，分为静态测试和动态测试。

按测试敏感元件是否与被测对象按触，分为接触式测试与非接触式测试。

按测试系统是否向被测对象施加能量，可分为主动式测试和被动式测试等。

对于研究测试技术来说，更有意义的是按被测试值的获得方法所作的分类，即直接测试法、间接测试法及在此两类方法的基础上形成的组合测试法。

6.1.1测试方法分类6.1.1.1直接测试、间接测试和组合测试

（1）直接测试

用测试仪器对被测对象的某一未知量直接进行测试，得出未知量的数值，称直接测试。

直接测试的优点是测试过程简单而迅速，是工程技术中采用得比较广泛的一种测试方法。

直接测试法可以用预先按已知标准量标定的直读式测试仪器或比较式仪器对被测量进行测试，从而得到被测量值。

例如，用电压表测电压，用电桥测电阻等。

（2）间接测试法

对被测对象与被测试有确切函数关系的物理量进行直接测试，然后通过代表该函数关系的公式，曲线或表格，求出该未知量，这类测试称为间接测试。

间接测试法是通过对被测量有函数关系的其它量的测试而得到被测量值的测试方法。

例如，直接测出电阻的阻值及其两端的电压来确定流过该电阻的电流值，一般地说，间接测试方法花费时间较多，一般在直接测试不方便，误差较大及缺乏直接测试的仪器等情况下才采用，间接测试需要测试的量较多，测试和计算工作量较大，引起的误差因素也较多。

但如果对测试误差进行分析，并选择和确定具体的优化测试方法和在比较理想的条件下进行测试，测试结果的准确程度不一定低，有的甚至有较高的准确度。

（3）组合测试法

在测试中，使各个未知量以不同的组合形式出现（或改变测试条件来获得这种不同的组合），根据直接测试和间接测试所得到的数据，通过解一组联立方程而求出未知量的数值，这类测试称组合测试。

组合测试法有两个明显的优点：

在准确度要求相同的情况下，组合测试需要进行的测试次数较少，系统误差出现的规律变为随机性质，因而可使测试结果的准确度有所提高。

但组合测试的测试过程比较复杂，花时较多。

6.1.1.2偏差式测试法、零位式测试法与微差式测试法

（1）偏差式测试法

在测试过程中，用仪表指针相对于刻度线的位移（偏差）来直接表示被测试，这种方法称为偏差式测试法，它的测试过程比较简单、迅速，但是测试的精确度较低，被广泛用于工程测试。

由于被测介质压力的作用使弹簧变形，产生一个弹性反作用力，当被测介质压力产生的作用力与弹簧变形反作用力相平衡时，活塞达到平衡，这时指针偏移在标尺上对应的刻度值，就表示被测介质压力值。

显然，压力表的指示精度取决于弹簧质量及刻度校准情况，由于弹簧变形力不是力的标准量，必须用标准重量校准弹簧，因此这类仪表精确度一般不高于0.5%。

（2）零位式测试法

通过调整一个或几个与被测试有已知平衡关系的量，用平衡的方法确定出被测试的值。

零位测试法的一般形式是将被测试与其值为已知的量相比较，而使所选择的已知量和被测试之间的差值为零。

差值的指示用零位指示器（指零表）指示。

零位测试法的最大优点是可以用一个固定已知量，通过调整另一已知可调量而确定不同大小的被测量。

如用电桥测电阻就是零位测试法的典型例子。

但此法在测试过程中要进行平衡操作，费时较多，所以不适宜于测试变化迅速的信号，只适用于测试变化较缓慢的信号。

它在工程实践和实验室中应用很普遍。

（3）微差式测试法

将被测量与同它的量值只有微小差别的同类已知量相比较并测出这两个量值间的差值的测试方法。

由于这种方法的特征是测试被测量与已知量之间的差值，所以甚至采用准确度比较低的仪器来测差值时，也能得到高准确度的结果。

但只有在已知量准确度高且其值接近被测量值的条件下，才可能实现这种方法。

微差式测试法是综合了偏差式测试法与零位式测试法的优点而提出的一种测试方法，设为标准量，为被测量，为两者之差，显然，，经移项后得，即被测量是标准量与偏差值之和。

是标准量，误差小，由于，因此可选用高灵敏度的偏差式仪表进行测试，即使测试Δ的准确度较低，但因，所以总的测试准确度仍然很高。

微差式测试法的优点是反应快，测试精度高。

在工程测试中已获得越来越多的应用。

6.1.2测试系统的有用输入、干扰输入和修改输入

图6.1测试系统的输入输出方式

一般所有测试系统的输入量可以分成三类：

有用输入、干扰输入和修改输入。

有用输入代表测试系统所要测的量，干扰输入代表仪表并非有意要感受的量。

如图6.1所示。

图6.1所示的方框图说明了上述关系。

图中“×”号外画一圆圈是常用的求和符号，“+”号表示求和的输出是两个输入的瞬时代数和。

（1）有用输入产生的输出分量

有用输入产生的输出分量是根据系统特性所表示的输入—输出关系所确定的，这里表示通过输入量来求得输出量所必须进行的数学运算。

根据具体的输入-输出特性，符号可以表示不同的概念。

因此，可以是比例系数k，它把线性仪表的静态输入和相应的静态输出联系起来。

对于非线性仪表，一个简单的常数便不足以表示输入和输出之间的关系。

而需用确定的数学函数。

为了表示动态输入和输出之间的关系，则要用到微分方程。

如果要描述重复的相同静态输入下输出的“分散度”或标准差，就需要用统计分布函数来描述。

符号实际上包含了上述所有的有用输入与对应输出之间的关系。

（2）干扰输入产生的输出分量

干扰输入产生的输出分量是根据符号所表示的输入—输出关系所确定的，符号的含义与相类似。

（3）修改输入产生的输出分量

修改输入广义上可以包括在干扰输入之中，但是给它单独分类将更有意义。

修改输入代表的是这样的一些量，它们能使有用输入和干扰输入的输入—输出关系发生变化。

即它们可以引起和（或）的变化。

符号和便可用适当的形式来分别代表对和影响的具体方式。

6.1.3干扰输入和修改输入的校正方法

在测试系统的设计和使用中，有许多方法可用来消除或减小虚假输入的影响。

下面简要地叙述一些最常用的方法。

（1）仅对有用输入固有敏感法

该方法提出了一个很正确的设计思想，这就是测试系统的各元件只对有用输入固有敏感。

虽然通常这并非完全可能，但这种设计思想简明扼要，使我们只要可行就考虑加以应用。

这种方法要求设法使和（或）尽可能接近零。

这样，即使有和（或）存在，它们也不会影响输出。

（2）计算输出校正量法

要求我们定量地测量和估计干扰输入和（或）修改输入的大小，根据已知的和（或），计算出校正量，再把它从所指示的输出量中减去，只剩下（在理想情况下）与有用输入量有关的有用输出分量。

（3）信号滤波法

即在测试系统中引入滤波器，它们能以某种方式阻挡干扰信号，使干扰信号对输出的影响被消除或减小。

滤波器可以用于测试系统中任何一个合适的信号上，不管它是输入、输出或中间信号。

使用信号滤波法所需的滤波器可以采取几种形式，如果把滤波器直接放在干扰输入的通路上，那么滤波器便可设计成（在理想情况下）能完全阻止干扰信号的通过。

如果通过滤波器的信号既包含有用分量，又包含干扰分量，那么，滤波器就必须设计得具有选择性。

即它必须让信号的有用分量基本上原样地通过。

而有效地抑制所有的其他分量。

实际上，在设计中它们是按信号所包含的不同的频率成分，而把各种信号分开的。

（4）输入抵消法

是有意引入测试系统的干扰输入和（或）修改输入，以抵消不可避免的虚假输入的不良影响。

把这种方法推广应用到抵消修改输入是显而易见的。

6.2测试系统非线性特性的线性化

在设计和使用测试系统时，无论被测参数是电量还是非电量，总希望测试系统的输出量与被测输入量呈线性关系，这样就保证测试系统在整个测量范围内灵敏度为常数，因为在实际应用中，线性关系无论是在测量、控制或显示等方面，都会带来很大好处。

但在实际检测中，由于用测试系统的各组成环节都存在着非线性特性。

尤其时传感器，它们的变换特性绝大多数都是非线性的，因此，在检测过程中，非线性特性是大量存在的，非线性特性的线性化就成为检测技术中的重要问题，成为信号处理中的一个重要环节。

解决非线性特性一般可采用三种方法：

（1）减小测量范围，即取非线性特性中的一段，近似线性化；

（2）指示刻度与非线性特性相对应，即采用非线性刻度；

（3）加非线性校正环节。

6.2.1非线性特性的类型

在测试系统中，非线性特性是各种各样的，但按其非线性类型可分为三类，即指数曲线型和有理代数函数型。

（1）指数型非线性特性

这种函数型的基本形式为

（6.1）

式中x——输入量；y——输出量；a、b、c——常数。

例如，二极管的输出电流与输入电压之间的关系为

式中：

q——电子的电荷常数，等于1.60210-19C；T——绝对温度（K）；k——玻尔兹曼常数，等于1.3810-23J/K；Is——反向饱和电流，仅与温度有关的系数。

热敏电阻阻值与温度之间的非线性关系为

式中：

T——绝对温度（K）；T0——预定的基准温度（K）；RT——在温度T时热敏电阻阻值；RT0——在温度T0时热敏电阻阻值；b——常数，由材料和制造工艺决定。

超声波测厚仪射线入设强度材料厚度之间的非线性关系为

式中：

I——穿过厚度为x的板材后的射线剩余强度；I0——射到板材表面的入设射线强度；——吸收系数，与射源情况和被测材料有关的常数；x——被测板材的厚度；

（2）多项式型非线性特性

基本型式为

（6.2）

式中x——输入量；y——输出量；a1，a2，，an——常数。

例如：

测温铂电阻的阻值与温度（0～500°C）之间的关系为

式中：

RT——在温度T时铂电阻阻值；a——常数，在T=0～500°C时；等于3.975210-3/°C；RT0——在温度为0°C时铂电阻阻值；b——常数，在T=0～500°C时；等于-5.888010-7/°C。

此外，热电偶、四臂电桥等也可用多项式进行描述。

（3）反比函数型

基本型式为：

（6.3）

例如，变间距d型电容传感器其电容C与极板间距d之间的关系为

式中：

d——极板间距离（m）；S——极板面积（m2）；ε—介电常数；

此外，闭磁路式变气隙型电感传感器气隙g自感L间也是反比关系。

6.2.2非线性特性的补偿

改善检测器的非线性特性，即实现非线性特性的线性化，可从模拟量和数字量两个方面采取措施。

线性化技术包括采用小范围线性化、差动结构补偿、最佳参数选择和加入非线性校正环节等。

6.2.2.1小范围线性化

小范围线性化方法的基本原理是：

当被测量发生变化时，传感器或测试系统的输出y和输入之间的函数关系呈非线性，但若缩小的变化范围，在较小范围内可把一小段曲线近似成直线，因此，允许被测量的变化范围大小将由这种近似所造成的误差允许值来限定。

小范围线性化的数学实质就是在的变化中心0处利用级数将展开成高次多项式，用泰勒级数在0处展开，有

（6.4）

当只在0附近小范围±△内变化时：

，

因此可忽略高次项，即输出量的变化和输入量变化间呈线性关系，其灵敏度为：

（6.5）

近似成线性的误差即为忽略的高次项，而相对误差（非线性误差）为

（6.6）

这种方法对于单一方向变化的曲线近似效果较好，对于有正、负双向变化的特性曲线进行这种近似则会产生较大的误差。

6.2.2.2采用差动结构补偿

通常总把传感器设计成差动结构工作方式，二个特性完全相同的传感器，一个接受的正变化（+）一个接受负变化（-），以二个传感器输出之差来反映，比起单个工作不仅会使灵敏度提高，而且线性也有明显改善。

（6.7）

6.2.2.3替代直线的最佳参数选择

最佳参数选择是指用线性特性替代实际的非线性特性时，选择合适的参数使二者之间的误差达到最小。

实际上是在确定输入量的变化范围后，用直线直接拟合非线性线段。

6.2.2.4系统最佳参变量设计

在设计线性化模拟电路时，结合小范围线性化，寻找电路中一些参变量的最佳配合使线性化后造成误差最小。

设测试系统设计的待定参数为，而测试系统的输入——输出关系可表述为

寻找出的最佳配合，使小范围的量程内的非线性特性线性化后造成的误差为最小。

即在x=x0处，令对各参数的导数均为零

通过求解上述个方程，解出的值，就是在处将线性化的.的最佳配合。

6.2.2.5加入校正环节

设测试系统有非线性环节（如传感器、测量电路等）和线性环节组成，在系统中加入一个非线性校正环节，使整个系统的输入x和输出y之间呈现线性。

校正环节可以串联（开环校正）、作为反馈环节并于主回路上（闭环校正）或把反馈直接作用于产生非线性的环节上（增益控制式）等不同方式接入。

非线性校正环节本身的特性是非线性的，用它校正环节本身的非线性去补偿测试系统的非线性。

非线性校正环节特性，由测试系统的非线性特性用解析法或图解法求得。

（1）开环校正

所谓开环式非线性补偿法，就是把一个适当的补偿环节串联到测量电路中，从而使整个测试系统的输入——输出特性获得线性关系。

其结构原理一般可用图6.2所示框图表示。

图中为被测物理量，它经传感器变换成电量。

假设传感器为非线性环节，则-为非线性关系。

经放大器放大后可获得一个电平较高的电量，但一般放大器为线性环节。

所以-仍为非线性关系，引入线性化器的作用是利用线性化器本身的非线性特性来补偿传感器特性的非线性，从而使整个测试系统的输入与输出之间具有线性关系。

显然，要达到这目的关键是如何设计一个合适的线性化器，也就是说，如何从已知的环节求出所需要的线性化器的输入——输出关系，并在物理上能够实现。

图6.2开环式非线性补偿原理

由传递特性可知：

；

若要求整个测试系统的输入——输出特性为：

则应有:

+b（6.7）

即线性化器（串联补偿）的输入——输出关系满足上式，也就是为原非线性函数的反函数时能达到非线性校正环节的作用。

（2）闭环校正

具有闭环式非线性补偿环节的测试系统的结构原理，一般可用图6.3所示框图表示。

图6.3闭环校正系统框图

图6.3中传感器为非线性环节，其非线性规律由它所根据的物理学规律决定。

主放大器的放大倍数应足够大，以保证闭环后V1和y之间的关系主要由反馈网络决定。

这里反馈网络为非线性环节，其目的是利用它的非线性特性来补偿传感器的非线性。

从而使整个测试系统的输入——输出特性具有线性关系。

因此采用闭环式线性化的核心问题为：

根据已知的传感器的非线性特性和所要求的测试系统的线性来求出非线性反馈环节的非线性特性，设计实现根据求出的非线性反馈环节的非线性特性。

对于节点A其输入输出关系为：

；而

当希望系统输入——输出之间有线性关系时，就有

（6.8）

当时，有：

（6.9）

即非线性校正环节的特性（y）和原非线性环节是一致的。

（3）增益控制式校正

这种反馈是直接作用于产生非线性的环节上，例如常见的被动式传感器，虽然其变换的工作原理决定了它对输入是呈非线性关系，但其输出大小还和所加电源有关，即，测量电路的放大和整流等是线性环节，从而使传感器输出与呈线性。

由非线性增益控制器构成的环节，特性为，它控制着幅度可控的电源环节，使产生的和呈线性放大关系，只要令供给传感器的电源作适当的非线性改变，就可使测试系统的输入——输出之间呈现线性。

图6.4（a）为作用框图，图（b）为其作用的功能框图。

图6.4增益控制式校正框图

希望得到的线性关系若为：

则有：

（6.10）

6.3测试系统的温度补偿

温度对测试系统的技术性能有很显著的影响，在恒温条件下调试好的测试系统，在野外或生产现场实际使用时，由于环境温度的变化，测试系统的零点和灵敏度都将发生变化，而造成系统输出值随环境温度变化，导致测量出现附加误差。

此时，就需要考虑采用温度补偿。

6.3.1温度变化对测试系统的影响

温度变化对测试系统的影响可以归纳为以下几个方面：

（1）组成传感器的材料具有一定的线膨胀系数，温度变化会引起传感器机械尺寸变化，造成传感器的相应参数变化；

（2）温度升高会引起导磁材料的导磁率下降及金属材料的弹性模量E下降等，引起传感器特性的变化。

（3）测试系统的电路中大量采用半导体器件，当环境温度变化时，将引起工作点漂移，性能产生变化，增益不稳定。

6.3.2温度补偿原理

所谓温度补偿就是利用测试系统自身的几个环节（或传感器的几个部件）受温度影响产生的变化相反而互相抵消的作用，或在测试系统中附加一个环节、一个电路或一段程序，用它去控制测试系统的输出值，使之不随环境温度的变化而变化（严格地说应该是被控制在测量误差允许的范围之内）。

为了实现有效的温度补偿，必须首先找出测试系统输出值随温度变化的关系，即测试系统输出对温度的灵敏度ST，根据ST变化的规律确定温度补偿类型，从而确定补偿电路的结构和特性或补偿程序的结构。

设测试系统的输出为，输出对温度的灵敏度为

越小，说明测试系统的环境适应性越强，由温度变化引起的附加误差越小。

温度T对测试系统的输入—输出特性的影响一般可用多项式表示

则测试系统对温度的灵敏度为

（6.11）

若测试系统的输入—输出关系呈线性，即

（6.12）

式中—测试系统的零点输出，其值随温度而变化；

—测试系统的灵敏度，其值随温度而变化；

（6.13）

式中：

——测试系统零点的温度变化率；——测试系统灵敏度的温度变化率；

线性测试系统温度补偿的目的就是通过理论分析和实验研究，找出相应的措施，来实现降低测试系统的零点温度变化率及灵敏度的温度变化率。

温度补偿方式有自身补偿式、并联式和反馈式三类。

（1）自身补偿式温度补偿方式

自身补偿方式是使测试系统自身的几个环节或传感器的几个部件受温度影响产生的变化互相抵消。

实际上是通过测试系统各个环节温度特性的综合设计，使成立。

（2）并联式温度补偿方式

图6.5并联式温度补偿原理

并联式温度补偿是在测试系统上人为地并联一个补偿环节，如图6.5所示，其特性为：

并联后形成的新系统的总输出为

温度变化引起的输出y1的变化△y1为

（6.14）

为了实现温度补偿，必须有=0，即

（6.15）

根据这一条件选择补偿环节的特性，即可实现系统对环境温度变化的补偿。

实质上是用补偿环节随温度变化引起的增量去抵消测试系统输出随温度变化所引起的增量，差动传感器能有效地消除温度的影响就是利用此原理，两个完全相同的传感器受温度影响产生的输出增量是相同的，但在它们的输出之差中两增量就互相抵消了。

（3）反馈式温度补偿方式

反馈式温度补偿是应用负反馈原理，通过自动调整过程，保持测试系统的零漂灵敏度不随环境温度而变化，其原理如图6.6所示。

图6.6反馈式温度补偿原理图

图6.6中A0、A1是测试系统零点a0（T）、灵敏度a1（T）的检测环节；B0、B1是信号变换环节，Ura0、Ura1是恒定的参比电压；K0、K1是电子放大器；D0、D1是执行环节；是带有补偿的测试系统的特性。

工作过程是A0检测出零点随温度的变化，经B0变换成电压Ufa0并与参比电压Ura0比较，取得差值△U0，经放大执行环节，使零点变化减小，直至完全消除温度对零点的影响。

A1是检测灵敏度a1（T）随温度变化的，灵敏度的调整过程与零点的调整过程类同。

采用反馈式温度补偿的关键问题是零点和灵敏度的检测和采用什么手段去控制它。

反馈式温度补偿是一种有效的温度补偿方法，在工业上得到了广泛的应用。

6.3.3温度补偿方法

环境温度变化会引起测试系统的零点漂移和灵敏度的变化，可以用并联或反馈方式分别进行补偿修正，也可以进行综合补偿修正。

其补偿实施可以采用硬件措施，也可以采用软件措施，或两者配合，需要根据具体情况来选择。

6.3.3.1测试系统中温度漂移的硬件补偿法

（1）零点补偿

环境温度的变化引起测试系统零点漂移，在测试系统中加入一个附加电路，使其产生一个与零点漂移值大小相等、极性相反的信号，它与零点漂移相串联，两者相互抵消而实现补偿。

例如，在电桥中采用补偿片对金属应变片进行温度补偿。

（2）灵敏度补偿

在环境温度变化时，会引起测试系统灵敏度的变化而造成测量误差。

为了消除它的影响，需要对灵敏度的有害灵敏度进行检测，根据这一检测值通过一定电路去控制测试系统的灵敏度使其维持不变，来实现灵敏度的温度补偿，例如，差动变压器中，对输出电势用反馈补偿法实现温补。

（3）综合补偿

在不少情况下不便或不必去区分开补偿零点和灵敏度，而是综合补偿，保证测试系统的输出不随温度干扰而变化。

6.3.3.2测试系统中温度漂移的软件补偿法

在大多数情况下，用硬件补偿的方法难以取得满意的结果。

在应用微机的测试系统中，只要能建立温度误差的数学模型，就能较好地解决温度变化对测试系统中的各部分特性的影响。

（1）零点补偿。

测试系统在零输入信号时（对某些检测可能是空载），包括信号输入放大器及微机接口电路在内的整个检测部分的输出应为零。

但由于零漂的存在，它们的输出不为零。

此时的输出值实际上就是测试系统的零点漂移值。

微机系统可以把检测到的零漂值存入内存中，尔后，在每次的测量中都减去这个零漂值，这就能实现零点补偿。

（2）零漂的自动跟踪补偿。

产生零漂的原因，温度变化是一个重要因素，此外还有多种因素。

零漂值不是一个定值，它会随环境温度、时间而变化，且不是线性的。

因此，在要求比较高的情况下，按定值或一定时间内按定值进行补偿，不能满足检测的要求，在有微机参与的测试系统中，可以借助于软件实施零漂的自动跟踪补偿，用跟踪到的零漂值对被测量的采样值进行修正，就可以得到满意的结果。

零漂的自动跟踪补偿办法可有多种。

例如每次测量采样之前（或之后），要使控制开关将传感器输入端接到虚拟的“零输入”状态，此时测试系统的输出即为当前的零漂值，将其存入内存、作为对下一次采样