1、測試技術(shù)總復(fù)習(xí)2003年10月20日1 緒 論測試技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，它由多門學(xué)科支撐，如傳感技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等；特別是傳感技術(shù)是以物理學(xué)為基礎(chǔ)，涉及力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等。1.1 測試的定義測 試是測量和試驗(yàn)的綜合，是一種分析事物狀態(tài)、變化和特征的綜合手段。測 量對被測對象的定量分析，結(jié)果用數(shù)值表示，有的需要有單位。試 驗(yàn)偏重于對被測對象的定性分析，通常沒有具體數(shù)值，如頻率特性、時(shí)域波形等。測試?yán)碚摐y試系統(tǒng)各部分的理論闡述和實(shí)際儀器結(jié)構(gòu)。測試實(shí)驗(yàn)定量實(shí)驗(yàn)（主要手段） 定性實(shí)驗(yàn)（輔助手段）1.2 測試的分類靜態(tài)測試：被測參數(shù)不隨時(shí)間變化或變化緩慢（特例）動態(tài)測試：被測

2、參數(shù)隨時(shí)間變化（大多數(shù)情況） 機(jī)械法測試：方便、簡單、精度較低光學(xué)測試法：精度高、響應(yīng)快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)力差電測試法：應(yīng)用最廣、信號處理容易、系統(tǒng)不太復(fù)雜、本課主要講授內(nèi)容目前用電測試進(jìn)行物理量的靜、動態(tài)測試1.3 信號和信息信息：不是物質(zhì)，也不是能量。對我們來說事先不知道的東西。特征是到處都有，客觀存在。其定義關(guān)于事物運(yùn)動的廣義知識，是事物運(yùn)動狀態(tài)以及關(guān)于事物狀態(tài)的陳述。信號：是信息的載體，攜帶信息的物理量。 信息包含在信號中。 按作用分： 有用信息-信號 干擾信息-噪聲1.4 測試的任務(wù)測試的任務(wù)就是獲取研究對象的有用信息，（非全部信息）即研究對象的狀態(tài)、變化和特征等。 在機(jī)械測試

3、中，常見的被測量有：力、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、角度、溫度等等。1.5 測試系統(tǒng)的組成被測對象：傳感器：信號變換的裝置，是整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。變換處理裝置：完成信號的放大、濾波、變換（A/D、D/A）、以及與計(jì)算機(jī)的接口等。顯示記錄裝置：記錄測試信號的裝置，保存測試結(jié)果，作為技術(shù)資料供以后分析利用。標(biāo)定裝置和控制裝置： 標(biāo)定：減少誤差，提高精度 控制：實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，便于測試系統(tǒng)的自動化。傳感器變換處理裝置指示儀記錄儀數(shù)據(jù)處理儀器標(biāo)定裝置和控制裝置電源被測對象1.6 傳感器基礎(chǔ)知識傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號的器件或裝置。傳感

4、器是實(shí)現(xiàn)信息和能量的轉(zhuǎn)換的元件。它的基礎(chǔ)是各種物理、化學(xué)、生物的效應(yīng)、定律和法則。所運(yùn)用的效應(yīng)：光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、壓電效應(yīng)、磁阻效應(yīng)等。所依據(jù)的定律：能量守衡、場、物質(zhì)定律（虎克、歐姆）。一般來說傳感器有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路、輔助電源組成。分類：按被測對象、工作原理、工作機(jī)理、能量源、輸出信號等分類。按被測對象分：溫度、壓力、位移、速度、加速度、力。按工作原理分：依據(jù)所依據(jù)的效應(yīng)和定律，應(yīng)變式、壓電式、磁電式、光電式等。按工作機(jī)理分：結(jié)構(gòu)型、物性型。按能量源分： 有源型、無源型。按輸出信號分：模擬型、數(shù)字型、開關(guān)型。2 信號及其描述2.1 信號的分類 按波形的形態(tài)、按時(shí)間是否連續(xù)、信

5、號的描述方法等方法分類。2.2 信號的描述方法 時(shí)域描述、頻域描述。 信號在不同的域中描述，是為解決不同的問題，使所研究的信號特征更為突出，無論選用哪種描述方法，都含有相同信息，不增加新的信息。2.3 有關(guān)頻譜的概念表示方法：單邊、雙邊、幅頻、相頻頻譜是信號中各頻率分量按頻率高低依次排列的總體。幅頻是信號中各頻率分量的幅值與頻率之間的關(guān)系。相頻是信號中各頻率分量的相位與頻率之間的關(guān)系。周期信號頻譜的特點(diǎn)：離散性等間隔譜線高度隨諧波次數(shù)升高而下降2.4 信號與頻譜 在實(shí)際的測試中任何信號都可以用函數(shù)來表示，表證信號的函數(shù)可以用各種數(shù)學(xué)方法（傅立葉變換/傅立葉級數(shù)、拉普拉斯變換）變換成含不同頻率的

6、某一單一簡單函數(shù)的代數(shù)和表示，即頻譜表示。 各種不同類型的信號用頻譜表示時(shí)有各自不同的分量（單一函數(shù)），如：周期信號可以展開成直流分量、基波、各次諧波非周期信號的頻譜是連續(xù)的，量綱是單位頻率寬度上的幅值。 周期信號：頻譜，非周期信號：頻譜密度。為了說明及討論簡單，統(tǒng)稱頻譜。 2.5 周期信號：其數(shù)學(xué)工具：傅立葉級數(shù)頻譜表示方法：單邊、雙邊、幅頻、相頻頻譜是信號中各頻率分量按頻率高低依次排列的總體。幅頻是信號中各頻率分量的幅值與頻率之間的關(guān)系。相頻是信號中各頻率分量的相位與頻率之間的關(guān)系。周期信號頻譜的特點(diǎn)：離散性等間隔譜線高度隨諧波次數(shù)升高而下降2.6 非周期信號的頻譜 數(shù)學(xué)工具：傅立葉變換

7、的物理意義是單位角頻率范圍內(nèi)的幅值，即譜密度，一般是復(fù)數(shù) 實(shí)譜 虛譜幅值譜密度相位譜 非周期信號的頻譜是連續(xù)的。3 傳感器的靜態(tài)特性與靜態(tài)標(biāo)定3.1 傳感器的數(shù)學(xué)模型（研究輸入輸出的關(guān)系及特性）3.2 傳感器的靜態(tài)特性線性度(非線性誤差）、遲滯、重復(fù)性、測量范圍和量程、靈敏度、分辨力（率）、零點(diǎn) 附近的分辨力、穩(wěn)定性、漂移。前三項(xiàng)構(gòu)成了傳感器的總精度3.3 傳感器靜態(tài)標(biāo)定與校準(zhǔn) 標(biāo)定在明確傳感器輸入/輸出關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具產(chǎn)生已知的標(biāo)準(zhǔn)非電量輸入，確定其輸出電量與輸入量之間關(guān)系的過程。 校準(zhǔn)傳感器在使用前或使用過程中或擱置一段時(shí)間再使用，必須對其性能參數(shù)進(jìn)行復(fù)測或作必要的調(diào)整與修正

8、，以確保傳感器的測量精度，該過程稱校準(zhǔn)。標(biāo)定系統(tǒng)組成：被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，待標(biāo)定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)、記錄、顯示儀器等。 靜態(tài)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)條件：溫度、濕度、壓力 標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備精度等級確定： 方法與過程： 1 將傳感器全量程等分成若干點(diǎn)； 2 由小到大輸入標(biāo)準(zhǔn)量，得到各輸入值對應(yīng)的輸出值； 3 由大到小； 4 重復(fù)2、3若干次，列數(shù)據(jù)表或畫曲線； 5 數(shù)據(jù)處理，確定線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性等靜態(tài)指標(biāo)。傳感器的動態(tài)系統(tǒng)模型4 傳感器的動態(tài)特性與動態(tài)標(biāo)定x(t) 傳感器y(t) X(s) Y(s) h(t) H(s) 4.1 相關(guān)基本概念可將傳感器簡化成一個(gè)線性二端網(wǎng)

9、絡(luò)激勵、響應(yīng) h(t)：脈沖響應(yīng)H(s)：傳遞函數(shù) 線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 A 線性特征 齊次性：若： 則： 疊加性：若 ， 則： B 時(shí)域模型：可用常系數(shù)微分方程來描述 激勵響應(yīng)與系統(tǒng)相關(guān)的系數(shù) C 傳遞函數(shù)1) 定義： 輸出信號的LT與輸入信號的LT之比。2) 特點(diǎn)：H(s)是系統(tǒng)的固有特性，與輸入無關(guān)。H(s)是抽象的數(shù)學(xué)模型，不同的系統(tǒng)可有相同的H(s)3) 級聯(lián)：串聯(lián)： 并聯(lián)： 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)D 線性系統(tǒng)的特性1) 微積分特性若： 則： ，2) 頻率保持性若： 則： 輸出信號相對輸入信號只在幅值和相位發(fā)生變化，即頻率保持性。 對系統(tǒng)的特性分析采用單位階躍輸入或不同頻率的正弦信號輸入，通過

10、不同輸出得出系統(tǒng)的特性。 4.2 傳感器的動態(tài)特性 傳感器的動態(tài)特性是指傳感器對輸入量隨時(shí)間變化時(shí)的響應(yīng)特性。 輸入是時(shí)間的函數(shù)，輸出也是時(shí)間的函數(shù)，且與頻率有關(guān)。 表征測試系統(tǒng)動態(tài)特性的指標(biāo)有： 頻率指標(biāo)有幅頻特性A()，相頻特性 ()，固有頻率n，工作頻帶g ，阻尼比 等。 時(shí)域指標(biāo)有時(shí)間常數(shù)，上升時(shí)間tr，響應(yīng)時(shí)間ts，超調(diào)量M%等。幅頻特性：輸出信號與輸入信號的幅值之比隨信號頻率的關(guān)系；相頻特性：輸出信號與輸入信號的相位之差隨信號頻率的關(guān)系。4.3 動態(tài)標(biāo)定 利用若干不同頻率的正弦信號輸入到系統(tǒng)，有不同的輸出，得到該頻率下輸出（響應(yīng)）與輸入（激勵）的幅值比與相位差，從而得到系統(tǒng)的幅頻特

11、性和相頻特性。確定相關(guān)的常數(shù)：、等。4.4 不失真測量條件 要使任意波形的信號通過測試裝置后不產(chǎn)生波形失真，則測試裝置的頻率響應(yīng)函數(shù)的幅頻特性為一常數(shù)，相頻特性為線性。即：5 測量誤差與數(shù)據(jù)處理 5.1 測量誤差的基本概念真值未知量:在一定條件下，被測量客觀存在的實(shí)際值。有理論真值（絕對真值）、規(guī)定真值、相對真值誤差：誤差的絕對存在性 絕對誤差=測量值-真值誤差的來源：工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差。誤差的分類：隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差。精度：正確度(準(zhǔn)確度)、精密度、精確度5.2 隨機(jī)誤差的理論 隨機(jī)誤差的特征：誤差分布曲線服從正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)偏差及計(jì)算由于真值未知，不可求，用殘差

12、v 代替，在實(shí)際計(jì)算中多用算術(shù)平均值的均方差來代替標(biāo)準(zhǔn)偏差。算術(shù)平均值的均方差：5.3 測量結(jié)果表示法直接測量:測量值間接測量:設(shè)各直接測量參數(shù)為x1，x2，xm，間接測量參數(shù)為y，間接測量的測量誤差是各個(gè)直接測量誤差的函數(shù)。用標(biāo)準(zhǔn)差表示的傳遞公式6 應(yīng)變式傳感器 6.1 應(yīng)變式傳感器是以應(yīng)變片為傳感元件的傳感器，是結(jié)構(gòu)型傳感器中電阻式傳感器的一種。6.2 它可以將試件上的應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電阻變化，來達(dá)到非電量測試的目的。應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換原理是基于材料的應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)是指金屬絲或金屬片的電阻值隨其變形而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。6.3 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、分類、主要參數(shù)和工作特性結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)：應(yīng)變片的靈敏

13、軸線、標(biāo)距(柵長)l工作特性參數(shù)：電阻值、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K、橫向效應(yīng)及橫向效應(yīng)系數(shù)（橫向靈敏度）、零漂和蠕變、應(yīng)變片的動態(tài)特性6.4 應(yīng)變式傳感器的測量電路電橋電路直流電橋、交流電橋單臂的靈敏度為：半橋（雙臂）的靈敏度為：全橋的靈敏度為：相鄰臂工作的雙臂電橋和全橋當(dāng) 時(shí)，靈敏度高，沒有非線形誤差，同時(shí)還能起到溫度補(bǔ)償作用。 6.5 應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 7 磁電式傳感器7.1 磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測的物理量變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。不需要輔助電源，將被測對象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號。較大的輸出功率，配用電路簡單，性能穩(wěn)定，具有雙向轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)用普遍。7.2 磁電式

14、傳感器具有較高的靈敏度,經(jīng)常用于測量位移、速度、加速度、振動等物理量。7.3 結(jié)構(gòu)形式：磁阻式（變磁通式）、恒變磁通式（動圈式、動鐵式）7.4 誤差補(bǔ)償：加補(bǔ)償線圈、加反向磁片熱電式傳感器1 熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測的裝置。2 種類： 溫度電阻：熱電阻，熱敏電阻。 溫度電勢：熱電偶。3 應(yīng)用：主要是測量溫度、作溫控開關(guān)，還可以測量管道流量、進(jìn)行氣體成分和金屬材質(zhì)鑒別。光電式傳感器光源：常用光源及特性（輻射、光譜、光電轉(zhuǎn)換、環(huán)境特性等）光電效應(yīng)及器件：光電效應(yīng)指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為物體中某些電子的能量而產(chǎn)生電效應(yīng)外光電效應(yīng)及器件：光電

15、管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)及器件（光敏電阻、光敏管）、光生伏特效應(yīng)及器件（硅光電池）光電器件的特性：光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、溫度特性、伏安特性I(U)新型光電檢測器件：位置敏感器件、集成光敏器件、電荷耦合器件光電式傳感器：模擬式光電傳感器、開關(guān)式光電傳感器壓電式傳感器1 壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的器件為核心組成的傳感器。壓電效應(yīng)具有自發(fā)電和可逆性，因此壓電器件是一種典型的雙向有源傳感器件。2 壓電效應(yīng)某些晶體不僅在電場力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。（正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)）3 等效電路：從功能上講，壓電器件實(shí)際上是一個(gè)電荷發(fā)生器，又可將其視為具有電容Ca的電容器。（壓電器件有源電容器高內(nèi)阻，小功率電壓、電荷放大器）4 動態(tài)測量范圍：180kHz10-1 10-4Hz11 變磁阻式傳感器 變磁阻式傳感器是一種利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感（自感或互感）變化來檢測非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換