现代测试技术-第一章课件.ppt

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1、现代测试技术,机械与车辆学院 任课教师：张卫民 顾亮,第一章 概述,1.1 现代测试技术的重要性 信息是事物运动的状态和方式。不是物质，不具有能量，却是物质所固有的，是客观存在或运动状态的特征。信息的传输依靠物质和能量。获取信息的活动是人类最基本的活动之一。测试是科学技术领域中定量地获取足以揭示事物内在规律的信息的一种手段，是现代科学技术研究的一个重要领域。,测试是依靠一定的科学技术手段定量地获取某种对象信息的过程。,科学的基本目的在于客观地描述自然界，科学探索本身需要测试技术；科学定律是定量的定律，需要用准确而简明的定量关系和数学语言来表述；检验科学理论和规律的正确性同样需要测试技术。精确的

2、测试是科学的根基。,测试工作的基本任务,（1）测试出被测对象的有关信号；信号具有能量，是某种具体的物理量。信号的变化则反映了所携带的信息的变化。（2）对测得的信号加以处理、分析；（3）将定量的有用信息提供给观察者或输 入其它信息处理装置或控制系统。,测试技术属于信息科学范畴。是信息技术三大支柱（测试控制技术、计算技术、通信技术）之一。,测试技术在机械工程领域中的应用,（1）对某个或某些参数进行测试；（2）对结构动态响应特征的测试；（3）自动化或控制系统中的一个环节；（4）进行现场监视或故障诊断。,1.2 动态测试的特点,现代测试技术与传统测试技术相比，其深度和广度都有质的飞跃。现代测试技术发展

3、的明显标志：（1）动态测试（2）实时数据处理（3）测试误差补偿,动态测试的定义,动态测试是指被测量为变量的连续测量过程。动态测试中，测量过程处于不断变化状态，需要考虑被测变量的变化规律及特点、测试系统的动态特性、以及外界扰动等影响。动态测试误差本身也是变量，动态测试数据处理具有其特殊性。,动态测试的基本特点,（1）时变性（2）随机性（3）相关性（4）动态性,（1）时变性：动态测试所测量的是随测试时间而变化的量，表现为随测试时间而变化的某种函数。（2）随机性：动态测试数据的另一基本特点是既含有确定性变化部分，又含有随机性变化部分，表现为测试时间的随机函数。,（3）相关性：动态测试数据相邻瞬时数据

4、之间并非孤立而无关的，相反，它们之间具有一定的统计相关性。（4）动态性：动态测试系统在测试过程中，需采用微分方程、离散化的差分方程、状态方程或系统传递函数来描述动态测试系统的输入与输出之间的关系，输入与输出之间的对应关系与测试系统的动态特性有关。,非电量电测技术,在测试和分析中，一般并不考虑信号的具体物理性质，而是将其抽象为变量之间的函数关系，特别是时间函数或空间函数，运用数学工具加以分析研究，从中得出一些具有普遍意义的结论。,电信号在变换、处理、传输和处理等方面都有明显的优点，因而成为目前应用最广泛的信号，而对非电量的分析和处理比起电量来相对要复杂和困难得多。采用各种传感器把非电量变换成电量

5、，再用测量电量的方法测试出这些反映被测非电量的电量信号。,非电量电测技术的优点,（1）不同的非电量变换成电量后，可用相同的仪 器仪表；（2）电量便于传输、利于控制和远距离操作；（3）有利于进行动态测量和记录；（4）便于和计算机联接，便于对测试结果进行分 析处理。,1.3 测试系统的一般组成,一般说来，测试工作的全过程包含着许多环节。以适当的方式激励被测对象、信号检测和转换、信号调理、分析与处理、显示与记录，以及必要时以电量形式输出测量结果（如图1.1所示）,图1-1测试系统示意图,传感器的定义,能感受规定的被测量（物理量、化学量、生物量等），并按照一定的规律转换成输出信号（一般为电量）的器件或

6、装置。从狭义上讲，传感器也可定义为把被测的输入信号变换为电信号的装置。其输入量可分为机械量参数、热工参数、物理参数、成份和结构参数等。输出的电量一般为电阻、电感、电容、电荷、电压、电流、频率、脉冲等。,传感器是测试系统的首要环节，在测试系统中直接感受外界信息。由于传感器的输出信号一般比较小，测量电路中一般都带有放大电路。测量电路是保证传感器能输出人们所需要的电信号的一个重要部分。,信号调节与转换电路，能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号。信号调节与转换电路的种类要视传感元件的类型而定，常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器，等等。,信号处理环节接受来自调理

7、环节的信号，并进行各种运算、滤波、分析，将结果输至显示、记录或控制系统信号显示、记录环节，以观察者易于认识的形式来显示测量的结果，或者将测量结果存贮。,在所有这些环节中，必须遵循的基本原则是：（1）各环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，（2）必须尽可能地减小或消除各种干扰。,测试系统中的激励装置,测试所希望获取的信息，可能已载于某种可测试的信号中，也可能尚未载于可测试的信号中。对于后者，测试工作就包含着选用合适的方式激励被测对象，使其产生既能充分表征其静态特性或动态特性又便于测试的信号。,事实上，许多系统的特性参量在系统的某些状态下，可能充分地显示出来；而在另外一些状态下

8、却可能没有显示出来，或显示得很不明显，以致难于测试出来。在后一种情况下，要测量这些特性参量时，就需要激励该系统，使其处于能够充分显示这些参量特性的状态中，以便有效地测试载有这些信息的信号。,1.4 测试系统分类,测试的目的是为寻找反映被测对象运动状态的信息。由于运动状态的复杂性，使得反映其信息的信号多种多样（变化规律、物理属性等），被测对象所处的背景环境又错综复杂，因此，为便于分析研究和应用，需要对测试系统进行分类。如按被测信号随时间的变化规律分类，按被测信号的量值的属性分类，按传感器的检测变换原理分类，等等。,1.4.1 按传感器分类 传感器是一个知识密集、技术密集领域，它与许多学科有关，种

9、类也十分繁多，有的传感器可以用于测量多种参数，而有时对于一种物理量又可用多种不同类型的传感器测量。因此从不同角度对它进行分类，以满足不同领域的需要。,1.4.1.1根据输入物理量分类,这种方法是根据输入物理量的性质进行分类，如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器及压力传感器等。本质上来讲，可分为基本量和派生量两类。例如长度、宽度、厚度、位置、磨损、应变及振幅等物理量,都可以认为是从基本物理量位移中派生出来的，当我们需要测量上述物理量时，只要采用测量位移的传感器就可以了。所以了解基本量与派生量的关系，将有助于发挥传感器的效能。下面把常遇到的一些基本量与派生量列于表1.1。,这种分类方

10、法的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据用途选用。,1.4.1.2 根据工作原理分类,这类方法是以传感器的工作原理作为分类依据，如热电式、压电式、电容式、应变式等。它的优点是对于传感器的工作原理比较清楚，划分类别少。表1.2列出了部分传感器按工作原理的分类。,1.4.1.3 根据能量传递方式分类,按此种方式可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器将非电能量转换为电能量，它所配合的测量电路，通常为电压测量电路或放大器，这类传感器有电磁式、压电式、热电式等。无源传感器不起换能作用，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以它必须具有辅助能源（电源）。这类传感器有

11、电阻式、电感式及电容式等。无源传感器的测量电路常用测电参数的测量电路，如电桥电路或谐振电路等。,1.4.1.4 根据输出信号的性质分类,按这种方法可分为模拟式传感器和数字式传感器两大类。模拟式传感器输出模拟信号，它与被测非电量成一定关系，如需与计算机配合或数字显示，则必须通过模/数转换环节。数字式传感器输出数字量，可直接与计算机配合或作数字显示，且抗干扰性较强。,1.4.1.5 按是否与被测对象接触分类,接触式测试元件测量时与被测介质接触，但接触式测试元件会成为被测对象的负载，当被测对象质量很小时，会严重改变被测对象的特性。非接触式测试元件测量时不与被测介质接触，非接触式测试元件不干扰被测介质

12、，但易受外界干扰的影响。,1.4.2 按测试系统功能分类,测试系统按以下方式分类：信号传递方式系统实现方式使用方式分类,1.4.2.1按信号传递方式分类,按信号传递方式分类，可分为开环系统和反馈系统。（1）开环系统 构成系统的各个组成环节呈串联形式。对于开环系统来说，各环节本身的误差以及由它们引入的干扰，都将直接影响测试精度，故对每个环节的准确度和抗干扰能力都要求较高。这种系统结构简单、可靠、实现方便，是应用最广泛的测试系统。,（2）反馈系统,构成反馈系统的各个组成环节有封闭环，也称闭环系统。这种系统的准确度主要取决于反馈环节。因此要求反馈环节有良好的稳定性和快速响应能力。,1.4.2.2按信

13、号传递方式分类,按信号实现方式分类，可分为自动测试系统和手动测试系统。（1）手动测试系统 测试是由人工直接参与完成的。（2）自动测试系统 自动测试系统在测试过程中，无须人工参与或只要求简单的人工操作，能自动采集、分析和处理数据，并能自动显示或记录结果。,自动测试系统从所用程控设备来分，还可分为程控器控制型和计算机控制型两类。程控器控制型构思简单，成本较低，适用于大量而重复的测试，这类系统的缺点是程序固定，只能做专门的测试，无数据处理能力。计算机控制型是可编程型，具有数据处理、存贮、判断、自动校准等功能，有一定的通用性，适合于完成复杂的综合测试和精密测试。,1.4.2.3按系统接口形式分类,从系

14、统的接口形式分，可分为专门接口型和通用接口型。（1）专门接口型测试系统 专门接口型是将一些具有一定功能的模块相互连接而成，优点是结构紧凑，模块利用率高，但组成系统时相互之间接口十分麻烦，而且各模块不能单独应用，缺乏灵活性。,（2）通用接口型测试系统,通用接口型也是由模块（如台式仪器或插件板）组合而成，不过所有模块的对外接口都是按规定标准设计，组成系统时，如果模块是台式仪器，用标准的无源电缆将各模块连接起来就组成系统；如果模块为标准插板，只要将各插板插入标准机箱即可。GPIB系统、CAMAC系统和VXl 总线系统就属此类系统，这类系统组建方便，但首次投资较大。通用接口型测试系统一般具有良好的灵活

15、性和可扩展性。,1.4.2.4按系统用途的适应程度分类,按系统用途的适应程度分，可分为专用系统和通用系统。（1）专用测试系统 专用测试系统是针对某种测试而专门设计的，效率高，精度也可以做的很高。（2）通用测试系统 通用测试系统适应性强，在不改变硬件情况下，仅修改软件就可完成另一种测试任务。,1.5 对测试系统的主要要求1.5.l 抗干扰能力,在测试过程中，传感器输出的信号往往是很微弱的，有时达微伏级。为了保证高的测量精度，首先要求测试系统本身是低噪声的；其次是采取恰当的屏蔽、隔离，合理的布线与接地，系统本身的合理设计等。这些问题对系统的前级电路尤为重要，因为它们带来的影响最大。,1.5.2 系

16、统的稳定性,稳定性是测试系统的首要指标 电路的稳定性不仅包括零点和放大倍数（灵敏度）稳定性，还应包括线性度、频率特性、输入输出阻抗的稳定性等等。温度漂移导致系统的输出灵敏度在一次测量中发生渐变。零点漂移导致系统的零位输出在一次测量中发生渐变。,长期稳定性不好是由于元器件老化、接插件弹性疲劳、氧化等原因，使测试系统的性能在长期运行中发生变化。短期稳定性差表现为输出的重复性不好。为了提高测试系统的短期稳定性，除了选用低噪声、工作性能稳定可靠的元器件、适当布线接地及采取适宜的抗干扰措施外，还常采用负反馈、差动或平衡电路等。,在静态测量条件下，采用多次采样取平均值、加大滤波器时间常数等也能减小输出的分

17、散性。但它不适用于动态和快速测量。为了减小电路温度漂移带来的误差，除采用漂移小、经过老化处理的元器件外，还要合理安排热源，采取负反馈和补偿措施。不少仪器中还设有自动稳零、自动定标或放大比校正电路，有的仪器在使用中规定了对环境和预热的要求。这些措施对提高长期稳定性也有用。,1.5.3 系统的频率特性与响应速度,由于被测对象不同以及测试系统的工作原理不同，对测试系统的频率特性要求各不相同。从被测参数的频率范围看，低端从直流开始，高端可至几百MHz。在冲击和瞬态测试中，被测信号的频率可达10MHz以上。在采用信号调制的情况下，载波频率比待测信号的频率至少还要高一个数量级。,随着科技的发展，对于快速变

18、化的瞬态过程进行动态测量的要求越来越高。一些本来可以采用静态测量的参数，为提高效率和测试精度，也常采用动态测量。要求测试系统有较高的响应速度。特别是闭环跟踪系统，往往是影响仪器动态特性的关键部件。,1.5.3 系统的线性度,线性度是仪器精度的又一重要指标。从原理上讲，仪器的输入输出可以按非线性函数关系定标。这时传递函数的非线性并不影响仪器的精度。通常仍然要求仪器的输入与输出之间具有比较好的线性关系。,线性系统的主要优点为：（1）线性标尺便于读出；（2）在换档时只是改变分度值，不必另行定标；（3）记录曲线波形不失真；（4）进行模/数转换、伺服系统控制跟踪时均不必 考虑非线性因素，比较方便。,1.

19、5.4 系统的分辨率,分辨率也称为量化误差。为了减小量化误差必须提高分辨率。适当提高测试系统的分辨率有利于减小读数误差和量化误差。在模拟测试系统中为了提高分辨率应适当提高放大器的放大倍数（使最大输出信号接近仪器输出的满量程）。在数字式测试系统中，当被测量的变化不到分辨率时，示值不会改变。,1.5.5 系统的输入与输出阻抗,对测试系统输入与输出阻抗合理的要求是：（1）测试系统输入级的输入阻抗应与传感器输出阻抗匹配，使放大器的输出信噪比达到最大值。（2）要求测试系统的输出阻抗应以它所驱动的显示执行机构阻抗匹配。,1.5.6 系统的计算与逻辑控制功能,通常测试仪器需要完成一定的计算分析，以获得所需的

20、被测参数值。测试系统还要完成一系列的逻辑判断处理，以保证系统正常工作。近年来，这些任务已越来越多地由电子计算机完成。,1.5.7 测试过程的自动化,计算机是测试系统的神经中枢，由于计算机具有信号存贮、判断和处理能力，能控制开关通断、量程自动切换、系统自动校准、自动诊断故障和结果的自动输出，它使整个系统成为一个有机的整体，使测试实现了自动化，从而也大大提高了测试速度。,1.5.8 测试系统的高精度,由于系统外界的干扰、内部的噪声、电源的波动、温度的变化、器件的非线性等，必然影响测试精度的提高。引入计算机后，测试系统可以采用数字滤波、非线性校正、自动校准等方法消除系统误差，通过重复测量降低随机误差

21、，可大大提高测试精度。,1.5.9 通过数据变换实现多功能,根据数据分析的方法，测量一组数据后，得出多个参数。例如：测频率后，通过倒数变换（T=1/f）可得周期；测正弦波的峰值可求得有效值；时域数据通过快速傅里叶变换（FFT）可得到相应的频域数据；可求得信号的最大值、最小值、平均值等等。,1.6 现代测试技术的发展,测试技术不仅为工业自动化提供正确信息，而且是科学研究中寻找规律的重要手段。测试的对象千变万化，遇到的问题也错综复杂。要解决这些问题得依赖于各学科（物理、化学、数学、生物学、材料科学等等）的发展，综合运用这些学科的成果由此形成新的测试理论、方法和技术手段。无疑会有力地推动各学科的试验

22、研究和发展。这种相互的促进也就描述出了测试技术的发展路径。,1.6.1 传感器技术的发展1.6.1.1 开发新型材料传感器,传感器材料是传感器技术的重要基础，传感器材料的性能决定了传感器的特性。对被测信息高度敏感，而对其它环境变化响应迟钝是对传感器材料的主要要求。随着材料科学的进步，使用新材料可以设计制造出各种性能更为优越的传感器。,1.6.1.2 研究新型原理传感器,利用物理现象、化学反应和生物效应是各种传感器工作的基本原理。发现新现象与新效应是发展测试技术的最重要的工作，是研制新型传感器的重要途径。新的测量机理及新原理的采用会给测试技术的发展带来质的飞跃。,1.6.1.3 研究多功能集成传

23、感器,在测试工作中，有时往往需要测量在一条线上或一个面上的参数，则相应地需用一维、二维甚至三维的传感器。有些场合，希望能在某一点同时测得两个参数，甚至更多的参数。因此就要求能测量多个参数的传感器，探索和寻求一些传感材料和元件，它能同时感受两个以上参数并转换成不同的电量，而且互不影响。,1.6.1.4 研究智能传感器,智能传感器是一种带微处理器的传感器，它兼有测试、判断和信息处理功能。微电子技术、微处理器与传感器结合形成的智能传感器将是测试技术发展的新趋势。只要传感器本身的性能稳定，即使一个性能指标不高的传感器，做成智能化传感器后，可大大地提高传感器的精度，同时还可以作温度补偿、线性化处理自动校

24、正、提高抗干扰能力、自选量程等一系列使传感器功能优化的工作。,1.6.1.5 采用新工艺加工技术,半导体技术中的加工方法如氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀以及蒸镜、溅射薄膜工艺都可引进用于传感器制造，因而产生了各式各样新型传感器。,1.6.2 测试方法的发展1.6.2.1 非接触法测试,由于传感器和数据处理技术的进步和计算机的应用，非接触法测试近年来发展很快，光（可见光、红外、紫外、激光等）电结合，超声、微波、射线等测试技术进一步推广运用，实现了无干扰测试或对无法接触的对象的测试。,1.6.2.2 主动测试法,主动测试法有目的向被测对象施加某种激励，而测试其产生的响应。这种方

25、法不但克服了被动法的许多局限，而且大大提高了测试精度。,1.6.2.3 采用非电量测试技术,测试中，一般总是将被测非电量通过传感器转换成电量，然后进行传输和处理。这种非电量电测法虽有许多优点，但电量的对外干扰、受外界干扰、保密性等方面均不如某些非电量（如光）。随着光纤、光放大器、光滤波器以及某些功能材料的高选择性、特殊膜的渗透性等的发现，在有些测试上直接利用非电量测试有着独特的优点。,1.6.2.4 测试方法的综合运用技术,一次同时测量被测对象的复合响应有利于综合反映被测对象的总体特性。如对温度、湿度、压力、气体成份等的组合测量，几种测试方法发挥各自的特长联合运用，解决某些复杂测试问题。如色谱

26、红外、色谱质谱等的同时测量问题。,1.6.3 以计算机为中心的各种测试系统的发展,1.6.3.1 测试系统性能的优质化 随着科学技术的发展的需要，低噪音、高稳定度、高输入阻抗、高频响、宽频带、高保真度的电子器件将不断出现、指标不断将刷新、价格不断将下降。使测试系统的各项性能尤其是工作可靠性大大提高。,1.6.3.2 集成化,集成电路不仅体积小、功耗小，而且引线短、整个组件处于同样工作环境下，抗干扰性能好，易于达到较高精度、较高频响。仪器电路的集成化发展主要有两个方面，一是集成块的密集度将越来越高，二是采用集成块的范围越来越宽广。,1.6.3.3 数字化,数字式电路不仅读数方便、客观、量程大，能

27、较好地解决量程与分辨率的矛盾，而且易于集成化，抗干扰能力强，便于动态采样，便于记忆保存，便于与计算机联用。因为客观存在的被测量多数是模拟的，数字电路不可能完全代替摸拟电路。,1.6.3.4 通用化,通用化主要有三个方面的含义：首先是单元电路的通用化，这给电路调试、电路集成化都带来方便；其次是整个仪器的构成采用电路模块化、积木化。这种模块组合方式即有利于专业化生产、提高质量、降低成本。从使用角度来说，基本功能仪器可视需要组合、互相借用，提高使用效率；再次是利于推广通用仪器。,1.6.3.5 自动化与智能化,计算机的使用是现代测试系统的主要特征，测试系统可以灵活地按照人们编定的程序自动完成测量操作

28、，采集测量数据，自动进行调节和校正。智能化的测试系统有逻辑判断和运算功能，可以自动选择量程、进行数据处理、自动诊断故障甚至自动修复。,1.6.3.6 测试系统硬件的软件化,由于计算机的性能价格比越来越好，测试系统中的硬件常常为软件所代替，硬件软件化具有灵活、经济的特点，但有时使速度受到限制。现代化的自动测试系统，没有软件是不能发挥作用的，可以说有时软件的性能决定了自动测试系统的性能。而且软件在整个测试系统中所占的成本比例也越来越高。,1.7 课程的研究对象和性质,本课程是为机械类非测试技术专业研究生开设的专业基础课。是在本科阶段学完现代测试技术基础课程的基础上，进一步培养研究生合理地设计和选用

29、测试装置并掌握进行动态测试所需的基本知识和技能，为研究生进一步转入论文阶段打下基础。,本课程的基本内容,（1）对一个具体的测试对象和待测信息，选择、设计适宜的测试系统。（2）使用正确的动态测试方法，确定准确的动态测试数据处理及误差补偿理论。（3）保证测试结果真实地再现被测信息。,本课程是一门理论和实践结合非常紧密的课程，具有很强的实践性。只有在学习中密切联系实际，加强实验锻炼，才能真正掌握有关理论。,学完本课程后应具有的知识,（1）掌握信号的时域和频域的描述方法，建立明确的信号频谱结构的概念，掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法，掌握数字信号分析中的一些基本概念。,（2）掌握测试系统基本特性

30、的评价方法和不失真测试条件，并能正确地运用于测试系统的分析和选择。掌握一阶、二阶线性系统动态特性、复杂测试系统动态特性的分析和标定方法。（3）掌握动态测试的基本方法，并能运用于机械系统的动态测试。,对于测试系统的分析，人们关心的是系统的输出（测得的信号）与系统的输入（被测信号）以及系统特性三者之间的关系，所以广泛地采用输入输出分析方法研究测试系统。,在线性系统分析、求解方法上，有时域和变换域求解之分。变换域求解是先将时域函数变换到某种对应域中，成为该域变量的函数，从而可使分析、求解大为简化。如果需要还可将求解的结果变换到时域。,一般选择的变换域有：复频率域、频率域，在数字系统研究中则选择z变换域。它们分别以拉普拉斯变换（简称拉氏变换）、傅里叶变换（简称傅氏变换）和z变换为分析信号与系统的数学工具。,在上述三种变换域分析中，频域分析在本书中占有特殊重要的地位，这不仅是因为在频率域中各种变量和函数可以赋予明确的物理概念，而且因为有离散傅里叶变换（DFT）理论和快速傅里叶变换（FFT）算法可沟通现代计算机技术，从而使各种形式的信号和系统分析可在计算机上有效地完成。,