测试第1章绪论(清华版)2015

1、测试技术基础 任课教师 满庆丰 郭兴旺 韩晓建第一章 绪论1.1测试技术的发展与研究领域1.2 测试技术在国民经济中的地位与作用1.3 测试系统的构成1.4 测试技术的发展趋势1.5 本门课程的教学任务及目的1.1 测试技术的发展与研究的领域 测试技术是一门既老又新的科学技术。 当人类有目的地进行生产与商品交换时，必然遇到量的问题，如重量、长度、体积等，因此产生了古老的计量单位如两、尺、升等。生产发展的需求促进了测量理论、测量方法以及测量标准的发展。而测量技术的发展又促进了科学技术的发展。 所以说：科学仅仅是在人们 懂得了测量才开始的。 1.1.1测量、计量、检测、测试的概念- 测量是通过实验

2、并借助某种工具或仪器，用数据量来描述观察到的自然现象，即对事物作出量化描述。- 计量是指实现对测量结果单位统一、量值传递的活动。涉及整个测量领域，并按法律规定，对测量起着指导、监督、保证的作用。- 检测也可称做测试，是具有试验性质的测量。也可理解为测量和试验的综合。一般是采用指定的方法，对某个被测对象进行信息的采集分析记录，检验测试某种指定的技术性能指标。它具有探索、分析、研究和试验的特征。1.1.2测量的基本要素量（数值）、量纲（物理量或与基本物理量的关系）与单位（量化的基础）- 国际单位的7个基本物理量：长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、 发光强度。 对应的量纲符号分别是：L、

3、M、T、I、Q、N和J 。 对应的基本单位分别为：米(m)、千克(kg)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)、摩尔(mol)和坎德拉(cd)。 - 辅助量2个 平面角（弧度 rad）、立体角（球面度 sr） - 导出量（由基本量的乘积表示） 例如： 速度. v = ds/dt 量纲：L*T -1 加速度. a = dv/dt 量纲：L*T -2 力. F = ma 量纲：M*L*T -2 在国际单位制（SI）中，规定使质量为一千克的物体，产生加速度为1米秒2的力为1牛顿，符号是N。（1千克力980665牛顿），其他如电流1安培等都有相应的约定。 计量基准与标定（检定） - 计量基准：在特定计量

4、领域内复现和保存计量单位并且具有最高计量学特性，经国际或国家鉴定、批准作为统一量值最高依据的计量器具或物理定义 。如国际计量局保留的米原器、千克原型器， 1967年秒定义为铯原子基态的两个超精细结构能级间的跃迁所对应的周期的倍；1983制定的米的定义为真空中光在/秒时间内经过的距离。 - 标定（检定、校准）：由法制计量部门或法定授权组织按照检定规程，通过实验对比等方法，提供证明来确定计量器具或测试系统的误差. 检定的过程是“量值传递”的过程，即把国家标准经过各级计量标准传递到计量器具或测试系统。标定必须在一定的规定条件下进行。.测试技术的内涵 一、测试技术是实验科学的一部分 通过各种测试仪器构

5、成的测试系统，对所要观测的物理量给出定量或定性的测量结果，还可以观测被测量的变化过程。简单的测试仪器可以直接感受被测量并加以显示。如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。但无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理、显示和输出。如图所示的声级计。 测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数监控必不可少的手段。测试系统中的传感器起着人的感官的作用，是人的感官的延伸。例如机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器等。 再如工业CT集成检测系统，

6、可以检测到人眼看不到的物体内部的结构或缺陷。CT1CT2、信息与信号及二者对应关系信息是物质运动的内容，信号是信息的表现形式。信号与信息有多种对应关系。 二、 测试技术主要研究各种物理量（信号）的测量原理、测量信号的分析处理方法以及测试系统的构成。、 测试技术研究的内容：1、发现与各种信息相对应的信号的表现形式，以及信息、信号之间的定性、定量关系，以开辟新的测试方法和新的测试仪器。2、在不同环境下寻求最佳的信号拾取、变换、处理、传输、显示、存贮、记录等方法、手段与设备。 1.测试技术在国民经济中的地位与作用 测试技术一直是是科学研究和工程应用的重要领域之一。主要原因是它给社会带来了巨大的经济效

7、益并促进了科学技术的飞跃发展。没有测试技术就不可能有自动化技术，就不能构成自动控制系统，可以说，一个国家的现代化水平是用自动化水平来衡量的，而自动化水平的高低离不开先进的测试技术。因此，测试技术在国民经济中占有极其重要的地位和作用。 航空航天农业军事医学 在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术的应用涉及到航空航天航海、军事、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。 切削力传感器，表面粗糙度测量仪器、三坐标测量机等。切削力测量表面粗糙度测量1、机械加工过程及加工质量监测 三坐标测量机2、流程工业设备运行状态监控 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，

8、生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。石油化工厂发电厂轧钢厂3、产品质量性能检测 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量4、楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。 图示

9、为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器5、家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器6、PC机中的测试技术应用鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器麦克风:电容传声器声卡:A/D卡 + D/A卡光驱:速度,位置伺服6、计算机中的测试技术应用1

10、.3.非电量电测技术一、电量及非电量 在科学实验中及生产制造过程中，研究与观测的对象是多种多样的，因此，物理量也是多种多样的，这些物理量可大致分为两大类，即电量与非电量。 电 量：包括电流I、电压V、电荷Q、电功率W、电路参数R、L、C和电信号频率 f 等等； 非电量：除电量以外的一切物理量，如位移、速度、加速度、重量、压力、温度、密度、酸碱度、光亮度等。 1.3测试系统的构成环境监测 桥梁固频测量 机翼模态分析 汽车扭距测量二、非电量电测技术非电量电测法的特点： 不同的非电量转换成相同的电量，使测量仪器统一化，标准化；便于信号长距离传输、无线传输、远程监测及控制；对参数进行动态测量（信号随时

11、间变化），可测量其瞬时值及变化过程；可检测微小信号及瞬变信号（作用时间很短）。易于与计算机联接，分析处理方便。 一般说来，测试系统由传感器、信号调节器（中间变换装置）和显示记录装置三部分组成。 传感器有时被称作一次仪表； 信号调节器（中间变换装置）称作二次仪表； 显示记录装置则称作三次仪表。 .测试系统的组成 传感器是测试系统中的第一个环节，用于感受被测量（非电量）的变化并将其转变为电量。 传感器是拾取信号的装置，在非电量电测系统中占有重要位置。它获得信号的正确与否直接影响到测量系统最终输出结果的精度以及测量结果的正确与否。 对于不同的物理量要采用不同的传感器，传感器随物理量的不同其变换原理也

12、千差万别。传感器的工作原理一般依据一定的物理效应或化学效应。压力传感器 称重传感器 扭矩传感器 液位传感器 1、传感器的作用： 由于从传感器出来的信号除有用信号外还经常伴有各种干扰和噪声，所以信号调节器的作用是把传感器或系统中前一环节的输出进行处理，包括对信号的转换、放大、滤波、调制解调以及些专门的信号处理，变成后一环节所需的电压或电流信号。信号调节器的构成及功能取决于传感器或前一环节以及后继电路或记录显示仪表。 温度信号调节器 光纤信号调节器 压力桥接传感器的数字 化可编程模拟信号调节器2、信号调节器的作用： 显示和记录部分是将处理过的信号通过某种介质和仪表进行记录或显示，以便人们对信号进行

13、观察和分析。 早期的记录仪器是笔式记录仪、磁带记录器等，显示仪器是各种示波器。 随着计算机和微电子以及数字信号处理技术的发展，目前更广泛使用的是各种数字式记录仪器如磁盘，闪存（Flash rom），而显示仪表更多的是各种液晶显示器以及计算机的显示器。 3、记录显示仪器的作用：宝来汽车仪表盘SONY数据图象记录器Beech 1900型飞机的仪表盘数字示波器笔式记录仪计算机监控系统显示屏1.4 测试技术的发展趋势1.4.1、传感器技术的发展 集成度及功能更加强大 随着集成微光、机、电系统技术的迅速发展以及新材料、智能材料等新技术的应用，进一步实现信息的采集与传输、处理集成化、智能化，更多的新型传感

14、器将具有自检自校、量程转换、定标和数据处理等功能，传感器功能得到进一步增强和完善，性能进一步提高，更加灵敏、可靠。 近年来随着微电子技术和微机械技术相结合，器件结构进一步实现微型化、微功耗。基于新的敏感原理的传感器研究速度加快 新型生物传感器和化学传感器的研究和开发受到关注。 在新型传感器的研究开发同时，注意新型材料、设计方法、生产工艺、测试技术和配套仪表等基础技术的同步发展，更加注重实用化，从而保证了成果转化和产业化的速度更快。 北航 “小型高精度CMOS天体敏感器技术” 荣获2008年度国家技术发明一等奖。 本课题组研制的“科里奥利粉体流量计”已经应用到工业现场。 1、计算机技术的应用使测

15、试系统发生了天翻地覆的变化，随之而来的是测试系统的自动化、网络化和智能化。 自动化是指测试过程在计算机的控制下自动进行； 网络化是指在计算机网络和计算机通信技术支持下构成的复杂测试系统； 智能化是指系统应该全部或部分包含以下一些功能： （1） 通过键盘、遥控器或网络对测试仪表设置各种参数和控制信息，实现测量数据的自动采集、存储与记录。 （2）利用计算机的数据处理功能进行复杂的测量数据的处理，如被测量的单位换算、传感器的非线性补偿；复杂的数字滤波和信号处理。1.4.2、测试系统的发展（4）具有知识处理功能。能够自动进行特征提取、自动识别和决策能力。（5）有多维检测和数据融合功能，可实现检测系统的

16、高度集成并通过环境因素补偿提高检测精度。（6）具有网络通信和远程控制功能，可实现分布式测量与控制。（3）具有自动校正和补偿、自动调整增益及量程、自诊断、自学习功能。（1）智能传感器智能传感器的智能主要由信号调理、存储、自检与自诊断或输出处理实现。信号调理包括漂移补偿、灵敏度校准、非线性补偿、温度补偿等。典型的智能传感器是将微加工制造的硅基传感器与信号处理电路、微处理器集成在同一芯片上或封装在一起的器件。 2、智能测试系统主要有：振动网络传感器智能倾角RS232传感器I2C总线数字温度传感器 （2）智能仪表 智能仪表是最早出现的智能检测装置。20世纪80年代以后，随着计算机科学技术的发展，仪器智能化有了迅速的发展，从小型智能电表、智能通用测试仪器发展到智能大型检测仪器与系统，出现了智能化轮廓仪、圆度仪以及三坐标测量机等。智能压力网络传感器嵌入式计算机 （3）通用智能检测系统及虚拟仪器 采用通用的微型计算机构建检测系统，实现数据采集与处理，借助通用计算机的丰富的应用软件支持，可进行各种复杂的分析计算，并可以与其他控制和执行系统组合，组成智能测控系统。虚拟仪器是以通用微型计算机的软硬件资源为基础，采用插入通用功能板的方式构建的专用仪器。它更像是“定制式”仪器或组装式仪器，由用户或代理商根据检测需要选择功能板和专用机箱组合成仪器，并利用专用图形式编程软件生成仪器面板及逻辑控制