1、 第一章第一章 概概 论论1-1测试技术的作用和意义测试借助专门的技术手段，通过试验和测量，以得知被测量的量值和性质。测试技术的主要作用：、监视与控制生产过程的正常运行；、为设计工作提供有效的数据资料；、评价产品的质量；、作为科学研究的必要手段和基础 温度传感器压力传感器流量传感器烟度计排气分析仪发发动动机机测测试试系系统统组组成成原原理理图图 发动机测试系统组成原理图发动机测试系统组成原理图 1-测试系统的组成测试系统的三个基本组成部分：一、感知部分（传感器）二、传递部分（中间变换器）三、指示记录部分（显示记录仪）电荷放大器智能无纸记录仪防爆热电偶智能计数器传感器中间变换器显示记录仪 传感器
2、是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。射频物位开关传感器轮辐拉压称重传感器智能型电容式压力变送器 传感器的种类繁多。在工程测试中，一种物理量可以用不同类型的传感器来检测；而同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。传感器的分类方法
3、很多，概括起来，主要有下面几种分类方法：(1)按被测物理量来分类，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。(2)按传感器工作的物理原理来分类，可分为机械式、电气式、辐射式、流体式等。(3)按信号变换特征来分类，可分为物性型和结构型。电容式加速度传感器气体压力传感器 可变磁阻位移传感器 早期发展的传感器是利用物理学场的电场、磁场、力场等定律所构成的“结构型”传感器，其基本特征是以其结构部分的变化或变化后引起场的变化来反映待测量（力、位移等）的变化。利用物质特性构成的传感器称为“物性型”传感器或“物性型”敏感元件。新的物理、化学、生物效应用于物性型传感器是传感技术的重要
4、发展方向之一。每一种新的物理效应的应用，都会出现一种新型的敏感元件能测量某种新的参数。例如，除常见的力敏、压敏、光敏、磁敏材料之外，还有声敏、湿敏、色敏、气敏、味敏、化学敏、射线敏材料等。压敏电阻声敏传感器光敏电阻热敏电阻离子烟雾传感器 新材料与新元件的应用，有力地推动了传感器的发展，因为物性型敏感元件全赖于敏感功能材料，例如嗅（味）敏传感器、集成霍尔元件、集成固态CCD图像传感器等。被开发的敏感功能材料有半导体、电介质（晶体或陶瓷）、高分子合成材料、磁性材料、超导材料、光导纤维、液晶、生物功能材料、凝胶、稀土金属等。新型光纤温度传感器超声波传感器600万像素的CCD生物传感器芯片 。测试技术
5、正在向多功能、集成化、智能化发展，进行快变参数动态测量是自动化过程控制系统中的重要一环，其主要支柱是微电子与计算机技术。传感器与微计算机结合，产生了智能传感器。它能自动选择量程和增益，自动校准与实时校准，进行非线性校正、漂移等误差补偿和复杂的计算处理，完成自动故障监控和过载保护等。加速度信号测量传感器芯片智能传感器激光型位移传感器 1-测试仪器的基本特性一、静态特性静态特性是指被测信号不随时间变化或变化极为缓慢时，输出与输入之间的关系。、静态特性曲线静态特性曲线 在静态测量中，根据测量装置输入量值 x 与实际的输出量值 y 对应关系所绘制的曲线称为静态特性曲线（或称静态校准曲线）。测试仪器输入
6、量x输出量y00yyxxxxyy 、静态灵敏度、静态灵敏度静态灵敏度是输出变化量与输入变化量的比率，即特性曲线的斜率。dxdyxyStlim0一般的测试装置，输入输出关系是非线性的，灵敏度是一个变量，此时常用参考直线的斜率作为该装置的灵敏度。灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定，当它的量纲相同时，灵敏度又称“放大倍数”或“增益”。、线性度、线性度线性度是指特性曲线接近直线的程度。%1001A常用确定参考直线的方法是最小二乘法。xy0A使用范围 、仪表精度等级、仪表精度等级精度指示值接近于被测量的实际值的准确程度。以引用误差(允许误差)的大小表示。一般仪表以精度等级来表示引用误差(允许误差)的界限
7、。%100KAAbaj下限刻度上限指示值的最大绝对误差引用误差通常，工程用仪表为0.54级；实验室用仪表为0.20.5级；范型仪表在0.2级以上。被测量的示值越接近满刻度值，则误差越小。因此，在选择仪表时，以满足下式为宜：aaAxA32 实验室用的仪表，为了求得更为可靠的测量结果，应将其与准确度更高的标准仪表读数相比较进行校验。校正值读数标准值读数标准值校正值 二、动态特性动态特性是指被测信号随时间变化时，输出与输入之间的关系。、概述、概述 动误差动态信号输出与输入的变化之差。激励输入的被测信号。响应对应于激励，测试装置的输出。通常，用一些典型的信号作输入，研究其响应，得出一系列动态参数来表征
8、测量装置的动态特性。因此，测量装置的动态响应特性一般通过描述测量装置的阶跃响应、频率响应和传递函数（脉冲响应）等数学模型来进行研究。x除少数情况外，一般测试系统可以等效为如图所示的二阶系统，其输出与输入的关系可用微分方程来描述：)(22tfkxdtdxcdtxdm定义：kmc2阻尼比为mkn系统固有频率为静态灵敏度为kS1（1-5）（1-6）则式1-5可写成：)(22222tfSxdtdxdtxdnnncf(t)km 2、阶跃响应、阶跃响应当二阶系统的静态灵敏度S=1，且输入f(t)为单位阶跃信号时，则微分方程1-6的解有四种，响应曲线如图所示。当（过阻尼）时，x值逐渐增大，趋近于，曲线逐渐上
9、升；当（欠阻尼）时，曲线为自由衰减振荡曲线；当（临界阻尼）时，介于上两种情况之间，曲线不产生振荡；当（无阻尼）时，曲线作等幅振荡，永不衰减。二阶系统U(t)x(t)1 tX(t)ts1+1-响应时间从输入开始到响应最终进入给定允许误差范围所需时间ts。若允许误差=5%，响应时间ts为最小的阻尼比=0.7，此阻尼比称为最佳阻尼比。当阻尼比为定值时，固有频率n越大，则系统响应越快。二阶测量系统要使动误差尽可能小，一般取：(0.60.8)n=0.650.7 3、频率响应、频率响应当输入f(t)F0sint 时，则式1-5可写成t sinF022kxdtdxcdtxdm（1-10）该方程的通解为)si
10、n()1sin1cos(022tHSFtBtAexnntn二阶系统f(t)x(t)tf(t)x(t)t 因此，该系统的稳态频率响应为)sin(0tHSFx式中：2222)(4)(11nnH2)(12nnarctg为幅频响应函数A()为相频响应函数()二阶系统f(t)x(t)tf(t)x(t)t当S1（灵敏度归一化）时，有)(sin)()sin(00tFAtHFx 测试装置实现不失真测试的条件:0)()(tA常量A()()右图为二阶系统的幅频和相频特性函数的伯德图。从上图中可见：=0.7时，幅频曲线接近等于1的直线的连续段为最宽，若=5%时，工作频带为(00.6)n，若=1%时，工作频带为(00
11、.4)n；=0.7时，若 n，即n 远小于被测信号的频率时，幅频函数值趋向于，相频函数值趋向于-180，这表明测试系统对该频率的正弦信号已无响应输出，但对被测信号的平均值分量却可以如输入静态信号一样输出。因此，低频系统（n ）所反映的是被测信号的平均值。所以，用型管压力计可测动态气体压力的平均值。该结论也可用来设计不受外界高频振动干扰影响的隔振装置。p1p2 机械惯性轮式平均压力表 、测试系统动态特性参数的试验确定、测试系统动态特性参数的试验确定(1)若已知测试系统的m、c、k ，则mkc2mkn()用阶跃响应法测定tX(t)a1a2TdA1ln121Aa221/21ddnT二阶系统U(t)x
12、(t)1cf(t)km (3)二阶系统的判别方法：若用阶跃响应的不同过冲量求得的阻尼比 都相等，则系统是二阶系统。否则不是二阶系统。阻尼比 相差越大，说明系统与二阶系统差别越远。或用阶跃响应的不同过冲量求得的阻尼比：2224nnn式中：niinaa lntX(t)a1a2TdA 1-4 1-4 测量与误差的概念测量与误差的概念1.1.测量的概念测量的概念测量是以确定被测物属性量值为目的的全部操作。2.2.测量方法与分类测量方法与分类1)1)直接测量、间接测量与组合测量直接测量、间接测量与组合测量a.直接测量是用预先标定好的测量仪表，对某一未知量直接进行测量，从而得到测量结果。b.间接测量是对几
13、个与被测物理量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后把所测得的数据代入关系式中进行计算，从而求出被测物理量。c.组合测量是根据直接测量和间接测量所得的数据，通过解联立方程组求出未知量的数值。2 2）静态测量与动态测量静态测量与动态测量 a.静态测量是测量不随时间变化或变化很缓慢的物理量。b.动态测量是测量随时间迅速变化的物理量。3)接触式测量与非接触式测量接触式测量与非接触式测量根据传感器与被测物体是否接触来分类。3.误差的概念和分类误差的概念和分类 某量值的给定值与其客观真值之间的差异称为误差。给定值包括测量值、标称值、示值、预置值、计算近似值等。误差的三种表达形式：1)绝对误差测量值真值
14、2)相对误差（绝对误差真值）100%3)引用误差（绝对误差满量程值）100%根据误差的特征，可将误差分为三类：1)粗大误差粗大误差由测量人员粗心大意、操作错误、记录和运算错误或外界条件的突然变化等原因产生的误差。2)随机误差随机误差由某些不可知的原因引起的（如仪器内部摩擦力的细微变化，实验条件的无规则变化，外界干扰等），在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预测的方式变化的误差。3)系统误差系统误差由某些固定的原因引起的（如仪器的标度尺刻划得不准确，测量时的温度与校正时的温度不同，计算公式的近似，仪器的零点漂移，灵敏度的变化等），在同一条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持
15、不变或在条件改变时按一定规律变化的误差。,200910012022年12月17日星期六37第一章第一章 小结小结u测试借助专门的技术手段，通过试验和测量，以得知被测量的量值和性质。u测试系统的三个基本组成部分：传感器、中间变换器和显示记录仪器。u传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。u按被测物理量来分类，传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。u测试装置的静态特性是指被测信号不随时间变化或变化极为缓慢时，输出与输入之间的关系。常用静态特性曲线来表示。该曲线的斜率称为静态灵敏度。该曲线接近直线的程度用线性度来描述。被测量的示值越接近满刻度值，则误差越小。因此，在选择仪表时，测量值应大于满刻度值的三分之二。精度等级为1.5级的测量仪表，其引用误差为 1.5%。若该仪表的满刻度值为500mV，则其指示值的最大绝对误差是7.5mV 二阶仪器的最佳阻尼比是 0.707 ，若二阶仪器的阻尼比取该值，则可得到较小的响应时间和较大的频率范围。利用低频测试系统测量高频信号时，所反映的是高频信号的平均值。这是由于低频系统对高频信号的各次谐波均不产生输出，但对其平均值分量却可以如输入静态信号一样产生输出。
