测试技术复习

一．二、测试技术的基本知识1测试技术的概念：测试技术是测量技术和实验技术的总称。2非电量测试系统的基本思想：首先要将输入物理量转换成电量，然后再进行必要的调节、转换、运算，最后以适当的形式输出。3什么叫测量？直接测量的基本形式是什么？为确定被测对象的量值而进行的实验过程称为测量。比较——将待测的未知量和予定的标准作比较。4测量可以分为直接测量和间接测量：需经函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测量值的测量为直接测量；；；间接测量是在直接测量的基础上，根据已知的函数关系，计算出所要测量的物理量的大小。5直接测量可以分为直接比较和间接比较：直接把被测物理量和标准作比较的测量方法称为直接比较；；利用仪器仪表把原始形态的待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化，并以人的感官所能接受的形式，在测量系统的输出端显示出来7直接测量的特点答：待测物理量和标准量是同一物理量。8常用测量系统用哪几部分组成？各组成部分的租用或用途是什么？答：传感器由敏感元件和传感元件组成。传感器作用：将被测非电量转换成便于放大、记录。敏感元件(或称预变换器，也统称弹性敏感元件)将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。传感元件：凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变换为电量的器件称为传感元件（或称变换元件）。中间变换与测量电路（二次仪表)定义：将传感器输出的微弱信号进行放大，调理输出给记录仪器的装置。显示记录设备（三次仪表）作用：把中间变换与测量电路送来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来。9欲使测量结果具有普遍的科学意义应具备哪些条件？1、作比较的标准必须是精确已知的，得到公认的；2、进行比较的测量系统必须工作稳定，经得起检验。10线性时不变系统的基本特性有哪些？线性时不变系统有两个十分重要的性质，即叠加性和频率不变性。11正确理解线性测量系统的叠加性及频率不变性的定义。(计算题)根据叠加性质，当一个系统有n个激励同时作用时，那么它的响应就等于这n个激励单独作用的响应之和。频率不变性表明，当线性系统的输入为某一频率时，则系统的稳态响应也为同一频率的信号。三、工程信号分析及其可测性1.了解工程信号的分类方法1.根据信号随时间变化的情况可分为：动态信号：随时间变化的信号。静态信号：不随时间变化的信号。2根据信号随时间变化的规律信号可分为：确定性信号和非确定性信号。2.确定性信号与非确定性信号（随机信号）的区别？答：确定性信号是能用确定的数学关系式描述的信号。非确定性信号不能用精确的数学关系式来表达，也无法确切地预测未来任何瞬间精确值的信号，都可称之为随机信号。3.周期信号频谱分析方法。傅立叶级数公式中各物理量的含义？答：借助傅里叶级数这一工具来分析。4.周期信号频谱的特点：：1）凡是周期量都可看成静态分量和谐波分量和，但不同周期量的频率结构不同（周期信号的共性与个性）；2）周期信号的傅里叶谱有三个特点：a、离散性：频谱由一条条不连续的谱线组成，是离散的，相邻谱线的间距是△W=2π/Tb；b、谐波性：各频率分量符合谐波关系，是基波的整数倍；c、收敛性：谐波分量的幅值有随其阶数的增高而逐渐减小的总趋势。3）随着阶数n的增加，谐波系数An逐渐减小，当n很大时，An所起的作用很小。4）低频谐波幅值较大，是构成信号的主体，而高频谐波只起美化细节的作用。5.带宽：把信号值得重视的谐波的频率范围称为频带宽度和信号有效带宽，记作Bw=2π/τ6.时限信号（瞬态信号）频谱分析方法周期量的傅立叶级数复数形式：P277.时限信号频谱的特点8.周期信号与非周期信号频谱分析方法及频谱结构的异同点。1、相同点:周期信号频谱的包络线与时限信号频谱的包络线相似。2、不同点：时限信号的频谱是连续谱，周期信号的频谱是离散谱;从能量角度上看：周期信号用功率谱表示,时限信号用能量谱表示;周期信号幅值谱纵坐标表示相应的谐波分量的幅值,时限信号幅值谱纵坐标表示幅值谱密度；周期信号采用傅立叶级数（FS）分析,时限信号采用傅立叶积分分析。9.随机信号的分类方法。若一随机信号x(t)的统计规律均不随着时间t而变化，则称该信号为平稳随机信号，否则称为非平稳随机信号。平稳随机过程分为两大类：各态历经的平稳随机过程；非各态历经的平稳随机过程。10.各态历经随即信号的特点各态历经，即任一个样本都可把整体的各种可能出现的情况显示出来。对于各态历经的随机过程，我们可以在任一时刻取任意一个样本进行分析，这就使得信号的分析处理简化了。11.自相关函数、互相关函数的描述方法及应用。P3212.自谱密度函数、互谱密度函数的计算方法。P32四、测量系统的基本特性1.激励，响应的概念。激励=输入，响应=输出2.静态特性，动态特性的定义。静态特性通过静态标定，可得到测量系统的响应值yi和激励值xi之间的一一对应关系，称为测量系统的静态特性。；；动态特性：系统对激励（输入）的响应（输出）特性。一个动态特性好的测量系统，其输出随时间变化的规律（变化曲线），将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数3.静态标定，动态标定的定义及意义。标定：用已知的标准校正仪器或测量系统的过程称为标定。根据标定时输入到测量系统中的是静态量还是动态量，标定分为静态标定和动态标定。4.▲静态标定的作用：①确定仪器或测量系统的输入－输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；②确定仪器或测量系统的静态特性指标；③消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度。5.静态标定的过程及要求： 静态标定：就是将原始基准器，或比被标定系统准确度高的各级标准器或已知输入源作用于测量系统，得出测量系统的激励－响应关系的实验操作。要求：标定时，一般应在全量程范围内均匀地取定5个或5个以上的标定点（包括零点）。正行程：从零点开始，由低至高，逐次输入预定的标定值此称标定的正行程。反行程：再倒序依次输入预定的标定值，直至返回零点，此称反行程。6.参考工作曲线：端点连线，端点平行线，最小二乘线，过原点的最小二乘线。7.各种参考工作曲线的求取方法，求取的基本思想。（用自己语言描述）P478.测量系统静态特性指标：灵敏度，线性度，迟滞，重复性，分辨率，阙值，测量范围……定义，求取方式（灵敏度k=dy/dx、线性度）9.当测量系统出现明显的非线性时，可采取哪些措施使用该系统。可以采取限制测量范围、采用非线性拟合或非线性放大器等技术措施来提高系统的线性度。10.测量系统传递函数的基本定义(联系输入和输出的关系是一个描述测量系统转换以及传递信号特性的函数)，求取方法（H(S)=Y/X），传递函数的物理意义（常考）物理意义：1）传递函数反映了测量系统的固有特性，不随输入信号、输出信号的变化而变化；2）不同类型的测量系统可用同一种形式的拉氏传递函数表达。11.测量系统频率响应函数的定义，求取方法及其物理意义物理意义:直观的反映了测试系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况。12.幅频函数，相频函数，幅频特性曲线，相频特性曲线（看明白）13.测量系统常用的数学模型有哪些？（微分方程、传递方程、频率响应函数）14.▲典型一阶测量系统的运动微分方程，传递函数，频率响应函数，幅频函数，相频函数，幅频特性曲线，相频特性曲线及其特点P59PPT74页15.▲典型二阶测量系统的运动微分方程，传递函数，频率响应函数，幅频函数，相频函数，幅频特性曲线，相频特性曲线及其特点P6016.针对典型一阶，二阶系统的动态特性的讨论方法及结论（常考）①一阶系统：时间常数τ愈小，则响应愈快②二阶系统：在ω<0.3 ωn范围内，较理想。ω>（2.5-3）ωn时，ζ减小，系统对斜坡输入响应的稳态误差愈小，瞬态振荡的次数增多，过调量增大，过渡过程增长。ζ=0.6-0.7时候综合特性好17.测量系统不失真测量的基本条件（含推导过程）在时与域满足Y=A0X(t-τ0)，A（ω）幅频特性应该是常数，ϕ（ω）相频特性应当是线性关系。条件：精度高、灵敏度高、输出波形无失真地复现输入波形。18.针对典型一阶，二阶系统不失真测量的条件，如何选取系统的动态参数P6719.动态误差产生的原因，动态误差的定义原因：对于动态测量过程来讲，若测量系统的动态响应特性不够理想，则输出信号的波形与输入信号波形相比就会产生畸变。20.典型二阶测量系统中各个物理量的含义及相互关系：刚度，阻尼系数，无阻尼固有圆频率，无阻尼阻尼比，有阻尼固有圆频率，有阻尼共振圆频率（定义）21.几种计算题的计算方法五、计算机测试技术1采样定理：设信号采样周期为T，采样频率为，采样频率必须大于或等于信号最高频率的2倍，此即采样定理，也成为奈奎斯特定理。用；11.温度补偿方法：桥路补偿法，应变片自补偿法12.电桥的分类、电桥平衡条件、电桥输出公式、直流电桥与交流电桥的异同点，电桥输出公式应用（含计算）P202直流电桥交流电桥输出的是正或负的直流电压，与应变同频率变化。输出的是正弦调幅波；从输出电压的正或负，可以判断是拉应变还是压应变。可通过输出与参考桥压的相位相同或是相反来判断拉、压应变的关系；只要电阻调平衡。既有电阻调平衡，又有电容调平衡。分类：按桥压分：直流电桥（恒流源电桥；恒压源电桥）、交流电桥。按输出方式分：功率电桥（按低阻抗负载）、电压电桥（按高阻抗负载）直流平衡条件：相对桥臂电阻之积相等。交流平衡条件：相对桥臂阻抗之积相等→可分解为：相对桥臂电阻之积相等；相对应的电容、电阻之积相等。直流、交流电桥相同点：输出电压的幅值都与被测的应变成正比；不同点：右表：13.应变仪的分类、载波放大式应变仪的组成及工作原理、检敏检波器的作用。P21114.应变测量中信号转换的历程（能举例说明）▲常用应变式传感器⊙应变式力传感器（柱形、悬臂梁式）⊙应变式压力传感器（应变桶式、活塞式）⊙应变式加速度传感器（含半导体式加速度传感器）以上传感器的工作原理（含弹性敏感元件）、应变片的粘贴位置、方向（含工作应变片、温度补偿应变片）、如何运用电桥输出特性（相邻相减，相对相加的原则）连桥九．压电测试技术1.压电陶瓷：是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。2.正压电效应：有些材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。逆压电效应：在这些材料的极化方向施加电场，它们就会产生变形。机械效应转变为电效应，即由机械能转变为电能的现象，称为压电陶瓷的正压电效应。压电常数d：Q=dF3.极化处理的目的、方法极化处理：在一定温度下，对压电陶瓷施加强电场，使电畴的自发极化方向按外加电场的方向取向。4.压电元件的等效电路：5.压电传感器灵敏度定义灵敏度有两种:电压灵敏度Ku:单位力的电压;Ku=U/F,电荷灵敏度Kq:单位力的电荷;Kq=Q/F两种灵敏度的关系:6.压电传感器的等效电路（两种电压源、电荷源）7.压电传感器与电压放大器相连的等效电路、电器特性、使用注意事项P2398.压电传感器与电荷放大器相连的等效电路9.电荷放大器输出公式推导、电荷放大器的特点优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。10.压电式测量系统的工作频率上下限的确定及其相关的影响因素上限频率取决于传感器的机械特性；下限频率取决于测量电路的时间常数。11.引起压电式传感器测量误差的主要因素（温度、湿度）温度环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响最大，它将造成传感器灵敏度发生变化（英晶体对温度并不敏感，人工极化的压电陶瓷受温度的影响比石英要大得多）环境湿度对压电式传感器性能影响很大。如传感器长期在高湿环境下工作，传感器的绝缘电阻（泄漏电阻）将会减小，以致使传感器的低频响应变坏。要选用绝缘性能良好的绝缘材料，零件表面的光洁度要高，对一些长期在潮湿环境或水下工作的传感器，应采取防潮密封措施12.常用压电式传感器的工作原理⊙压电式力传感器典型的结构、工作原理、使用注意事项⊙压电式加速度传感器典型的结构、工作原理、上下限工作频率的影响因素、横向灵敏度⊙压电式压力传感器①膜片式压电压力传感器：结构、工作原理、提高灵敏度的方法、各组成结构单元的作用，温度补偿的原理、加速度补偿原理②活塞式压电压力传感器：结构、工作原提高压电式传感器灵敏度的方法（两种：机械口串联、机械口并联）十．光电测量技术1.光电传感器的定义将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置2.光电效应及其分类（内光电效应、外光电效应）物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电效应。3.常用光纤式传感器①传光型光纤位移传感器②光纤式温度传感器③光纤式加速度传感器十一．温度测量技术1.温度测量方法的分类：接触式（基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态）和非接触式（利用物质的热辐射原理，测温元件不需与被测介质接触）2.热电偶：将温度转换为电势之变化热电阻：将温度转换为电阻阻值之变化3.金属测温电阻的工作原理一般金属导体具有正的电阻温度系数（电阻率随温度的上升而增加），在一定的温度变化范围内，电阻和温度之间的函数关系,R、R0分别表示温度为t和t0时的电阻值;α为材料的电阻温度系数，α=(4~6)×10-3/0C。在不同温度范围内，电阻温度系数α是不同的，希望在测量温度的范围内α是一个常数。4.测温电阻金属材料的要求1)电阻温度系数α要大；2）在测量范围内，材料的物理、化学性质稳定；3）电阻率ρ要大，可提高温度计的动态响应；4）电阻温度关系线性好；5）材料要容易制作，价格便宜。常用材料有：铂、铜、铁、镍等5.半导体热敏电阻的工作原理（热敏电阻的阻值随温度上升而下降），温度系数的求取方法热电阻材料应具备以下性质：1）电阻温度系数α要大；2）在测量范围内，材料的物理、化学性质稳定；3）电阻率ρ要大，可提高温度计的动态响应；4）电阻温度关系线性好；5）材料要容易制作，价格便宜6.金属测温电阻与半导体热敏电阻的主要区别半导体热敏电阻与金属热电阻相比,有以下优点：1）温度系数的绝对值较热电阻大，灵敏度高，可测0.001~0.00050C的微小温度变化；2）电阻率大，时间常数小(毫秒级)。可制成体积小、热惯性小、响应速度快的感温元件。半导体热敏电阻缺点：1）电阻温度特性分散性大；2）稳定性差；3）非线性较严重。7.常用二线接桥法测温存在的问题：采用二线接桥法时，引出导线rr被接于电桥的一臂上，当由于环境温度发生变化或通过电流引起温度变化是，将产生附加电阻，引起测量误差。8.采用三线接桥法测量电阻的工作原理、接桥方法用具有相同温度特性的导线r1、r2分别接到两个邻臂上，因而可互相抵消，而第三根线与负载电阻相串联，由于负载的输入阻抗都很大，r3则可忽略不计。9.热电偶的材料应具备以下特性：1）物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使用，热电性质不随时间变化；2）化学性能稳定，不易被氧化或腐蚀；3）灵敏度要高，且有近似的线性关系；4）电导率高，电阻温度系数小；5）材料的复制性和工艺性能良好。10.热电偶的基本实验定律（必考）1均质导体定律（含应用）由一种均质导体组成的闭合回路，不论回路中是否存在温度梯度，都不会产生热电势。它说明：热电偶必须由两种不同性质的热电极组成；②提供了一种检查热电极材料均匀性的办法。2热电势定律热电偶的热电势只和接点温度有关,而和其它部位的温度无关。它说明：用热电偶测温时，只需要关注接点温度，其他部位以及引线所处的温度环境，都不会影响测量结果。3中间导体定律在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它的两个接点温度相同，则对回路的热电势没有影响。它说明：第三种均质材料可以是接在两个热电极之间，也可接在某个热电极之中，因此在用热电偶测温时，只要保证热电偶和连接后续测量电路或仪表的引线的两个接点温度相同，接入电路或仪表都不会影响热电势的数值。4中间温度定律某热电偶接点温度为T1和T2时的热电势为E1，接点温度为T2和T3时的热电势为E2，则当接点温度为T1和T3时的热电势为E1+E2。5参考电极定律（标准电极定律）有三种金属A、B、C两两相接，当接点温度分别为T1和T2时，金属A和C的热电势为EAC，金属C和B的热电势为ECB，则金属A和B的热电势：EAB=EAC+ECB十一．噪声测量技术1.描述噪声特性的几个参数（声压、声强、声级和分贝P303、声级计的计权网络、A声级P307）声压声压是指有声波时，媒质的压力对静压（没有声波时媒质的压力）的变化量，通常以其均方根值来表示。声压记为P，单位为牛/米2（N/m2）,即帕（Pa）。听阀声压：正常人双耳能听到的1000Hz的纯音的声压为2×10-5Pa；基准声压:2×10-5Pa声强声场中某一点处的声强定义为一个与指定方向（声波由声源该点的传播方向）相垂直的单位面积上、每单位时间内传过的声能。以I表示，其单位为瓦/米2（W/m2）听阈声压的声强为10-12W/m2，以此值作为基准声强。声功率声功率是声源在单位时间内发射出的总能量，通常用W表示，单位为瓦（W）。取10-12W作为基准声功率。2.常用传声器的工作原理、结构、种类（含电容式传声器、压电式传声器、电动式传声器）P3103.传声器的参数（灵敏度、频率响应特性、动态范围、指响性）灵敏度S=电量输出/机械量输入，习惯上常把传声器的灵敏度级LS简称为“灵敏度”频率响应特性指传声器灵敏度对被测噪声的频率响应。传声器的理想频响特性是在20Hz-20kHz声频范围内保持恒定。动态范围传声器的过载声压级与等效噪声声压级之间的范围称为动态范围。指向性传声器的响应随声波入射方向变化的特性称为传声器的指向性。4.声级计的工作原理声级计主要由传声器、输入级、放大器、衰减器、计权网络，检波电路和电源等部分组成。声信号通过传声器转换成交变的电压信号，经输入衰减器、输入放大器的适当处理进入计权网络，以模拟人耳对声音的响应，而后进入输出衰减器和输出放大器，最后通过均方根值检波器检波输出一直流信号驱动指示表头，由此显示出声级的分贝值。5.声级计的校准、传声器的取向P314十三．压电测量技术1.动态压力测量方法1塑性变形测压法：利用铜柱或铜球的塑性变