1、1 绪绪 论论测试技术是一门综合性技术，它由多门学科支撑，测试技术是一门综合性技术，它由多门学科支撑，如传感技术、电子技术、计算机技术等；特别是传感如传感技术、电子技术、计算机技术等；特别是传感技术是以物理学为基础，涉及力学、电学、磁学、光技术是以物理学为基础，涉及力学、电学、磁学、光学、声学、热学等。学、声学、热学等。n测测 试试是测量和试验的综合，是一种分析事物是测量和试验的综合，是一种分析事物状态、变化和特征的综合手段。状态、变化和特征的综合手段。n测测 量量对被测对象的定量分析，结果用数值表对被测对象的定量分析，结果用数值表示，有的需要有单位。示，有的需要有单位。n试试 验验偏重于对被
2、测对象的定性分析，通常没偏重于对被测对象的定性分析，通常没有具体数值，如频率特性、时域波形等。有具体数值，如频率特性、时域波形等。n测试理论测试理论测试系统各部分的理论阐述和实际测试系统各部分的理论阐述和实际仪器结构。仪器结构。n测试实验测试实验定量实验（主要手段）定量实验（主要手段）n 定性实验（辅助手段）定性实验（辅助手段）n静态测试：被测参数不随时间变化或变化静态测试：被测参数不随时间变化或变化缓慢（特例）缓慢（特例）n动态测试：被测参数随时间变化（大多数动态测试：被测参数随时间变化（大多数情况）情况）n机械法测试：方便、简单、精度较低机械法测试：方便、简单、精度较低n光学测试法：精度高
3、、响应快、系统结构光学测试法：精度高、响应快、系统结构复杂、环境适应力差复杂、环境适应力差n电测试法：应用最广、信号处理容易、系电测试法：应用最广、信号处理容易、系统不太复杂、本课主要讲授内容统不太复杂、本课主要讲授内容n目前用电测试进行物理量的静、动态测试目前用电测试进行物理量的静、动态测试n信息：不是物质，也不是能量。对我们来说事先信息：不是物质，也不是能量。对我们来说事先不知道的东西。特征是到处都有，客观存在。其定不知道的东西。特征是到处都有，客观存在。其定义义关于事物运动的广义知识，是事物运动状态以关于事物运动的广义知识，是事物运动状态以及关于事物状态的陈述。及关于事物状态的陈述。n信
4、号：是信息的载体，携带信息的物理量。信号：是信息的载体，携带信息的物理量。n 信息包含在信号中。信息包含在信号中。n 按作用分：按作用分：有用信息有用信息-信号信号n 干扰信息干扰信息-噪声噪声n测试的任务就是获取研究对象的测试的任务就是获取研究对象的有用信息有用信息，（非，（非全部信息）即研究对象的状态、变化和特征等。全部信息）即研究对象的状态、变化和特征等。n在机械测试中，常见的被测量有：力、压力、应在机械测试中，常见的被测量有：力、压力、应力、应变、位移、速度、加速度、角度、温度等等。力、应变、位移、速度、加速度、角度、温度等等。n被测对象：被测对象：n传感器：信号变换的装置，是整个系统
5、中最为关键传感器：信号变换的装置，是整个系统中最为关键的环节。的环节。n变换处理装置：完成信号的放大、滤波、变换变换处理装置：完成信号的放大、滤波、变换（A/D、D/A）、以及与计算机的接口等。）、以及与计算机的接口等。n显示记录装置：记录测试信号的装置，保存测试结显示记录装置：记录测试信号的装置，保存测试结果，作为技术资料供以后分析利用。果，作为技术资料供以后分析利用。n标定装置和控制装置：标定装置和控制装置：标定：减少误差，提高精度标定：减少误差，提高精度 控制：实现整个系统的协调工作，便于测试系统控制：实现整个系统的协调工作，便于测试系统的自动化。的自动化。传感器传感器变换处理装置变换处
6、理装置指示仪指示仪记录仪记录仪数据处理仪器数据处理仪器标定装置和控制装置标定装置和控制装置电源电源被测对象被测对象n1.6 传感器基础知识传感器基础知识：能感受规定的被测量并按能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。传感器是实现信息和能量的转换的元件。装置。传感器是实现信息和能量的转换的元件。它的基础是各种物理、化学、生物的效应、定它的基础是各种物理、化学、生物的效应、定律和法则。所运用的效应：光电效应、霍尔效律和法则。所运用的效应：光电效应、霍尔效应、压电效应、磁阻效应等。所依据的定律：应、压电效应、磁阻效应等。所依据的定律
7、：能量守衡、场、物质定律（虎克、欧姆）。一能量守衡、场、物质定律（虎克、欧姆）。一般来说般来说敏感元件、转换元件、测量电敏感元件、转换元件、测量电路、辅助电源组成。路、辅助电源组成。分类：按被测对象、工作原理、工作机理、分类：按被测对象、工作原理、工作机理、能量源、输出信号等分类。能量源、输出信号等分类。n按被测对象分：温度、压力、位移、速度、按被测对象分：温度、压力、位移、速度、加速度、力。加速度、力。n按工作原理分：依据所依据的效应和定律，按工作原理分：依据所依据的效应和定律，应变式、压电式、磁电式、光电式等。应变式、压电式、磁电式、光电式等。n按工作机理分：结构型、物性型。按工作机理分：
8、结构型、物性型。n按能量源分：按能量源分：有源型、无源型。有源型、无源型。n按输出信号分：模拟型、数字型、开关型。按输出信号分：模拟型、数字型、开关型。n其数学工具：傅立叶级数其数学工具：傅立叶级数n频谱表示方法：单边、双边、幅频、相频频谱表示方法：单边、双边、幅频、相频n频谱频谱是信号中各频率分量按频率高低依次排是信号中各频率分量按频率高低依次排列的总体。列的总体。n幅频幅频是信号中各频率分量的幅值与频率之间是信号中各频率分量的幅值与频率之间的关系。的关系。n相频相频是信号中各频率分量的相位与频率之间是信号中各频率分量的相位与频率之间的关系。的关系。n周期信号频谱的特点：周期信号频谱的特点：
9、n离散性离散性n等间隔等间隔n谱线高度随谐波次数升高而下降谱线高度随谐波次数升高而下降)()(nTtxtx数学工具：傅立叶变换 的物理意义是单位角频率范围内的幅值，即谱密度，一般是复数 实谱 虚谱幅值谱密度相位谱)(X)(Im)(Re)(22X)Re()Im()(arctg)Im()Re()(jX非周期信号的频谱是连续的。非周期信号的频谱是连续的。研究输入研究输入输出的关系及特性输出的关系及特性n线性度线性度(非线性误差）、非线性误差）、测量范围和量程、灵敏度、分辨力（率）、测量范围和量程、灵敏度、分辨力（率）、零点零点 附近的分辨力、稳定性、漂移。前三项附近的分辨力、稳定性、漂移。前三项构成
10、了构成了静态标定与校准静态标定与校准标定系统组成：被测非电量的标准发生器，标定系统组成：被测非电量的标准发生器，被测非电量的标准测试系统，待标定传感器所被测非电量的标准测试系统，待标定传感器所配接的信号调节、记录、显示仪器等。配接的信号调节、记录、显示仪器等。x(t)y(t)X(s)Y(s)h(t)H(s)可将传感器简化成一个线性二端网络可将传感器简化成一个线性二端网络激励、响应激励、响应 h(t)：脉冲响应：脉冲响应H(s)：传递函数：传递函数 线性系统的数学描述 A A 线性特征线性特征 齐次性：若：齐次性：若：则：则：叠加性：若叠加性：若 ，则：则：)()(tytx)()(tyatxa)
11、()(11tytx)()(22tytx)()()()(2121tybtyatxbtxaB 时域模型：可用常系数微分方程来描述 激励激励)()()()(01111tyadttdyadttydadttydannnnnn)()()()(01111txbdttdxbdttxdbdttxdbmmmmmm tx ty响应响应iiba,与系统相关的系数与系统相关的系数 C C 传递函数传递函数1)1)定义定义：输出信号的输出信号的LTLT与输入信号的与输入信号的LTLT之比。之比。2)2)特点特点：H(s)是系统的固有特性，与输入无关。是系统的固有特性，与输入无关。H(s)是抽象的数学模型，不同的系统可有相
12、同的是抽象的数学模型，不同的系统可有相同的H(s)3)3)级联级联：串联：串联：并联：并联：01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnsmmm)()()()(21sHsHsHsHn)()()()(21sHsHsHsHn系统的传递函数系统的传递函数D D 线性系统的特性线性系统的特性1)1)微积分特性微积分特性若：若：则：则：，2)2)频率保持性频率保持性若：若：则：则：输出信号相对输入信号只在幅值和相位发生变化，输出信号相对输入信号只在幅值和相位发生变化，即即频率保持性频率保持性。对系统的特性分析采用单位阶跃输入或不同频率的对系统的特性分析采用单位阶跃输入或不
13、同频率的正弦信号输入，通过不同输出得出系统的特性。正弦信号输入，通过不同输出得出系统的特性。)()(tytx)()(tytxttdttydttx00)()(tjextx0)()(0)(tjeyty 传感器的动态特性是指传感器对输入量随时间变化传感器的动态特性是指传感器对输入量随时间变化时的响应特性。时的响应特性。输入是时间的函数，输出也是时间的函数，且与频输入是时间的函数，输出也是时间的函数，且与频率有关。率有关。表征测试系统动态特性的指标有：表征测试系统动态特性的指标有：频率指标频率指标有幅频特性有幅频特性A()，相频特性，相频特性 ()，固有，固有频率频率 n，工作频带，工作频带 g，阻尼
14、比，阻尼比 等。等。时域指标时域指标有时间常数有时间常数，上升时间，上升时间tr，响应时间，响应时间ts，超调量超调量M%等。等。n幅频特性：输出信号与输入信号的幅值之幅频特性：输出信号与输入信号的幅值之比随信号频率的关系；比随信号频率的关系；n相频特性：输出信号与输入信号的相位之相频特性：输出信号与输入信号的相位之差随信号频率的关系。差随信号频率的关系。利用若干不同频率的正弦信号输入到系利用若干不同频率的正弦信号输入到系统，有不同的输出，得到该频率下输出（响统，有不同的输出，得到该频率下输出（响应）与输入（激励）的幅值比与相位差，从应）与输入（激励）的幅值比与相位差，从而得到系统的幅频特性和
15、相频特性。而得到系统的幅频特性和相频特性。、等。等。不失真测量条件不失真测量条件 要使任意波形的信号通过测试装置后不产生波要使任意波形的信号通过测试装置后不产生波形失真，则测试装置的频率响应函数的幅频特性为形失真，则测试装置的频率响应函数的幅频特性为一常数，相频特性为线性。一常数，相频特性为线性。即：即：00)(jteAjH0)(AA0)(tn5.1 测量误差的基本概念测量误差的基本概念n真值真值未知量未知量:在一定条件下，被测在一定条件下，被测量客观存在的实际值。有理论真值（绝对真量客观存在的实际值。有理论真值（绝对真值）、规定真值、相对真值值）、规定真值、相对真值n误差：误差的绝对存在性误
16、差：误差的绝对存在性n绝对误差绝对误差=测量值测量值-真值真值100真值绝对误差相对误差n误差的来源：工具误差、环境误差、方法误差的来源：工具误差、环境误差、方法误差、人员误差。误差、人员误差。n误差的分类：随机误差、系统误差、粗大误差的分类：随机误差、系统误差、粗大误差。误差。n精度：正确度精度：正确度(准确度准确度)、精密度、精确度、精密度、精确度n随机误差的特征：误差分布曲线服从正态分随机误差的特征：误差分布曲线服从正态分布。布。n标准偏差及计算标准偏差及计算nnii12n由于真值未知，由于真值未知，不可求，用残差不可求，用残差v 代替，代替，在实际计算中多用算术平均值的均方差来代替在实
17、际计算中多用算术平均值的均方差来代替标准偏差。标准偏差。n算术平均值的均方差：算术平均值的均方差：n5.3 测量结果表示法测量结果表示法n直接测量直接测量:测量值测量值n间接测量间接测量:设各直接测量参数为设各直接测量参数为x1，x2，xm，间接测量参数为，间接测量参数为y，n间接测量的测量误差是各个直接测量误差间接测量的测量误差是各个直接测量误差的函数。用标准差表示的传递公式的函数。用标准差表示的传递公式)1(2nnvixxx3),(21mxxxfy2222222121mxmxxyxfxfxfssssKRdRsssKRdR4USu2USuUSufRn电容式传感器是将被测非电量的变化转换电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。有变极距型电成电容量变化的一种传感器。有变极距型电容传感器、变面积型电容传感器、变介质型容传感器、变面积型电容传感器、变介质型电容传感器等到几种。电容传感器等到几种。n结构简单，高分辨力，非接触测量，可在结构简单，高分辨力，非接触测量，可在高温、辐射、强烈振动等恶劣环境下工作。高温、辐射、强烈振动等恶劣环境下工作。n其工作原理其工作原理耦合式电感电桥耦合式电感电桥ACr0
