传感与测试技术-绪论

1、第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 测试技术概况测试技术概况学习要求学习要求掌握掌握测试技术的概念测试技术的概念了解测试技术的应用情况了解测试技术的应用情况 了解测试技术的发展动态了解测试技术的发展动态 一、测试和测量系统一、测试和测量系统测试技术：是测量和试验技术的统称。测试技术：是测量和试验技术的统称。 试验试验：是机械工程基础研究、产品设计和研发：是机械工程基础研究、产品设计和研发的重要环节。的重要环节。 测量测量：不仅各类工程试验需要测量，机器和生：不仅各类工程试验需要测量，机器和生产过程的运行监测、控制和故障诊断也需要在产过程的运行监测、控制和故障诊断也需要在线测量。线测量。本课程重

2、点是测量技术和仪器本课程重点是测量技术和仪器measurement and instrumentationmeasurement and instrumentation一、测试和测量系统一、测试和测量系统o 试车试车一、测试和测量系统一、测试和测量系统o 航天发动机试车航天发动机试车一、测试和测量系统一、测试和测量系统o 汽车撞击试验汽车撞击试验一、测试和测量系统一、测试和测量系统 工程测量分为：工程测量分为： 静态测量静态测量: :是指对不随时间变化的物理量是指对不随时间变化的物理量的测量。如加工零件的尺寸测量的测量。如加工零件的尺寸测量 动态测量动态测量: :是指对随时间变化的物理量的是指

3、对随时间变化的物理量的测量测量一、测试和测量系统一、测试和测量系统测量的作用：测量的作用： 获得定量的试验结果获得定量的试验结果 可用于过程参数监视、故障诊断可用于过程参数监视、故障诊断 作为控制系统的控制、反馈变量。作为控制系统的控制、反馈变量。测量的作用测量的作用o 例：例：20072007年年1212月月“阿特兰蒂斯号阿特兰蒂斯号”航天飞航天飞机的推迟发射机的推迟发射测量的作用测量的作用o 例：例：20082008年年2 2月月b-2b-2隐形轰炸机坠毁隐形轰炸机坠毁测试技术测试技术测量系统测量系统海基海基x波段雷达波段雷达测试技术测试技术测量系统组成测量系统组成敏感敏感元件元件转换转换

4、元件元件调理调理电路电路显示显示接口接口（数字化）（数字化）计算机（或含微处理计算机（或含微处理器的仪器、控制器等）器的仪器、控制器等）传感器传感器电信电信号号放大、滤波、放大、滤波、调制解调调制解调模模/数转换数转换二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况新原理新技术在测试技新原理新技术在测试技术中的应用术中的应用 声发射是材料受外力或声发射是材料受外力或内力作用而产生变形断内力作用而产生变形断裂时，以弹性波的形式裂时，以弹性波的形式释放能量的现象。释放能量的现象。 测量刀具的磨损情况测量刀具的磨损情况二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况 雷达测速：多普勒效应雷达测速：多普勒效应

5、二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况 专专“嗅嗅”爆炸物的生物传感器爆炸物的生物传感器二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况新型传感器的出现新型传感器的出现 光电鼠标：发光二极管发光电鼠标：发光二极管发出的光线从光电鼠标底部出的光线从光电鼠标底部表面反射回来，传输到一表面反射回来，传输到一个微成像器内成像。鼠标个微成像器内成像。鼠标移动轨迹会被记录为一组移动轨迹会被记录为一组高速拍摄的连贯图像，用高速拍摄的连贯图像，用图像分析芯片对图像进行图像分析芯片对图像进行分析处理，来判断鼠标的分析处理，来判断鼠标的移动方向和移动距离。移动方向和移动距离。二、测试技术的发展概况二、测试技术的

6、发展概况计算机测试系统与虚拟仪器的应用计算机测试系统与虚拟仪器的应用 用用pcpc机仪器板卡机仪器板卡 代替传统仪器代替传统仪器 用计算机软件用计算机软件 代替硬件分析电路代替硬件分析电路三、要求掌握的基本知识三、要求掌握的基本知识掌握信号的时域和频域分析的基本方法掌握信号的时域和频域分析的基本方法和原理。和原理。时间时间幅值幅值频率频率时域分析时域分析频域分析频域分析三、要求掌握的基本知识三、要求掌握的基本知识掌握测试装置的静态和动态特性及不失掌握测试装置的静态和动态特性及不失真测试条件，并能正确地运用于测试装真测试条件，并能正确地运用于测试装置的分析和选择。置的分析和选择。三、要求掌握的基

7、本知识三、要求掌握的基本知识掌握常用传感器和中间变换电路、记录掌握常用传感器和中间变换电路、记录仪器的工作原理。仪器的工作原理。第一章第一章 绪论绪论第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识学习要求学习要求掌握掌握测量结果的表达方式测量结果的表达方式掌握掌握准确度等级和引用误差的关系准确度等级和引用误差的关系了解量与量纲的概念了解量与量纲的概念 了解测量误差的定义和分类了解测量误差的定义和分类 第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识 测量结果具普遍意义需具备得条件：测量结果具普遍意义需具备得条件：测量的过程是被测量的量与标准或相对标准的比较测量的过程是被测量的量与标准或相对标准的比较过程

8、。过程。进行比较的测量系统必须进行定期检查、标定。进行比较的测量系统必须进行定期检查、标定。第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识一、量与量纲一、量与量纲 量值量值 由量的大小和单位两部分组成的。由量的大小和单位两部分组成的。它被用来定量地表达被测对象相应属性它被用来定量地表达被测对象相应属性的大小，如的大小，如3.4m3.4m、15kg15kg、4040等等基本量和导出量基本量和导出量 在量制中，约定地认为基本量是相互独立在量制中，约定地认为基本量是相互独立的量，而导出量则是由基本量按一定函的量，而导出量则是由基本量按一定函数关系来定义的。数关系来定义的。一、量与量纲一、量与量纲基本量：

9、长度、质量、时间、温度、电流、发基本量：长度、质量、时间、温度、电流、发光强度和物质的量光强度和物质的量量纲和量的单位量纲和量的单位 量纲：将一个物理导出量用若干个基本量的乘量纲：将一个物理导出量用若干个基本量的乘方之积表示出来的表达式，称为该物理量的量方之积表示出来的表达式，称为该物理量的量纲式，简称量纲。纲式，简称量纲。 速度：速度：v = ds/dt量纲：长度量纲：长度*时间时间(-1)二、法定计量单位二、法定计量单位基本单位：七个基本量的单位分别是长度基本单位：七个基本量的单位分别是长度米米(m)(m)、质量、质量千克千克(kg)(kg)、时间、时间秒秒(s)(s)、温度温度开尔文开尔

10、文(k)(k)、电流、电流安培安培(a)(a)、发光、发光强度强度坎德拉坎德拉(cd)(cd)、物质的量、物质的量摩尔摩尔(mol)(mol)。 导出单位：按物理量之间的关系，由基本单位导出单位：按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或相除的形式所构成的单位和辅助单位以相乘或相除的形式所构成的单位 辅助单位：指未归入基本单位或导出单位如弧辅助单位：指未归入基本单位或导出单位如弧度度(rad)(rad)和和 球面度球面度(sr) (sr) 有关有关 米米 的定义的历史变迁的定义的历史变迁o 17911791年法国决定采用通过巴黎年法国决定采用通过巴黎的地球子午线的四分之一的千的地球子午线

11、的四分之一的千万分之一为长度单位。万分之一为长度单位。三、测量、计量、测试三、测量、计量、测试测量：以确定被测对象的量值为目的而测量：以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程进行的实验过程 。测量四要素：被测对。测量四要素：被测对象、计量单位、测量方法和测量误差象、计量单位、测量方法和测量误差 测试：具有试验性质的测量，或测量和测试：具有试验性质的测量，或测量和试验的综合试验的综合计量：是指以技术和法制手段保证量值计量：是指以技术和法制手段保证量值准确可靠、单位统一的测量。准确可靠、单位统一的测量。四、术语四、术语准确度等级：在正常的使用条件下准确度等级：在正常的使用条件下, ,仪仪表测量结

12、果的准确程度。引用误差越小表测量结果的准确程度。引用误差越小, ,仪表的准确度等级越高。一般工业用表仪表的准确度等级越高。一般工业用表为为0.5-40.5-4级级. .精度数字越小说明仪表精确精度数字越小说明仪表精确度越高。度越高。四、术语四、术语标称范围：测量器具标尺标称范围：测量器具标尺范围所对应的被测量的示范围所对应的被测量的示值范围。如值范围。如-2020-2020量程：标称范围的上下限量程：标称范围的上下限之差的模。之差的模。漂移：测量器具的计量特漂移：测量器具的计量特性随时间变化的特性性随时间变化的特性五、测量误差五、测量误差定义定义: :测量结果与被测量真值之差，即：测量结果与被

13、测量真值之差，即： 测量误差测量误差= =测量结果测量结果真值。真值。真值真值x x0 0 ：是一个理想的概念，是不可能：是一个理想的概念，是不可能被最终确定的。被最终确定的。约定真值：充分接近于真值。约定真值：充分接近于真值。五、测量误差五、测量误差误差的分类误差的分类 系统误差：特点是测量结果向一个方向偏离系统误差：特点是测量结果向一个方向偏离, ,其数值按一定规律变化其数值按一定规律变化, ,具有重复性、单向具有重复性、单向性。性。 随机误差随机误差: :在相同条件下，对同一物理量进在相同条件下，对同一物理量进行多次测量，由于各种偶然因素，会出现测行多次测量，由于各种偶然因素，会出现测量

14、值时而偏大，时而偏小的误差量值时而偏大，时而偏小的误差. . 粗大误差粗大误差: :明显超出规定条件下预期误差范明显超出规定条件下预期误差范围的误差围的误差. .五、测量误差五、测量误差误差的表示方法误差的表示方法 绝对误差：按定义式表示的误差，有单位绝对误差：按定义式表示的误差，有单位 相对误差相对误差= =误差误差真值，无量纲，用真值，无量纲，用% %或或表表示。当误差值较小时：相对误差示。当误差值较小时：相对误差误差误差测测量结果量结果 分贝误差：单位为分贝误差：单位为db db 分贝误差分贝误差=20=20lg(lg(测量结果测量结果真值真值) )五、测量误差五、测量误差 引用误差：计

15、量器具的绝对误差与引用值之引用误差：计量器具的绝对误差与引用值之比。引用值是指计量器具的标称范围的最高比。引用值是指计量器具的标称范围的最高值或量程。例：温度计标称范围为值或量程。例：温度计标称范围为-20 -20 5050，量程为，量程为 70 70 ，引用值为，引用值为7070 例：示值范围为例：示值范围为0-150v0-150v的电压表，当其示值为的电压表，当其示值为100.0v100.0v时，测得电压实际值为时，测得电压实际值为99.4v 99.4v ，则该电压表的引用，则该电压表的引用误差为：误差为：%100%150.49100.04 . 09 o 准确度等级：准确度等级：1.01.

16、0级级o 电压表的引用误差电压表的引用误差:1%:1%o 引用值引用值/ /量程：量程：9999kwh9999kwho 绝对误差：绝对误差：99.99kwh99.99kwh 五、测量误差五、测量误差六、测量结果的表达方式六、测量结果的表达方式基础知识基础知识n从误差定义出发，每次测量就有一个误差值从误差定义出发，每次测量就有一个误差值n误差中包含偶然误差，误差的统计特性要通误差中包含偶然误差，误差的统计特性要通过多次乃至无限次重复测量才能获得过多次乃至无限次重复测量才能获得n测量数据是总体中的一个样本。测量数据是总体中的一个样本。六、测量结果的表达方式六、测量结果的表达方式o 概率统计学的概念

17、概率统计学的概念n 均值均值n 测量序列（样本）测量序列（样本）的标准偏差的标准偏差n 总体标准偏差总体标准偏差nxxnii1) 1()(12nnxxnsniix1)(12nxxsnii六、测量结果的表达方式六、测量结果的表达方式o测量结果的表达方式测量结果的表达方式n 极限误差表达方法极限误差表达方法n 置信区间表达方法置信区间表达方法n 不确定度表达方法不确定度表达方法max xxxxxxtxx六、测量结果的表达方式六、测量结果的表达方式六、测量结果的表达方式六、测量结果的表达方式测量结果的扩展不确定度表达式：测量结果的扩展不确定度表达式： u为置信因子为置信因子在自然界与生产中，一些现象

18、受到许多相互独在自然界与生产中，一些现象受到许多相互独立的随机因素的影响，如果每个因素所产生的立的随机因素的影响，如果每个因素所产生的影响都很微小时，总的影响可以看作是服从正影响都很微小时，总的影响可以看作是服从正态分布的。测量结果的态分布的。测量结果的常用表达式常用表达式： xuxxxxx3六、测量结果的表达方式六、测量结果的表达方式例：测量例：测量5 5个样品的拉断力个样品的拉断力f f分别为分别为7890n7890n、8130n8130n、8180n8180n、8200n8200n和和8020n8020n，要求置信，要求置信概率为概率为0.900.90，试报导该批材料抗拉极限的试，试报导该批材料抗拉极限的试验结果。验结果。解：拉断力的平均值解：拉断力的平均值 标准偏差的估计值为标准偏差的估计值为 最后结果为最后结果为nffii8