工程测试第一章绪论课件

1工程测试与系统设计主讲：郑宾2工程测试及系统设计第一章绪论3概念1、什么是测量？测试？计量？2、什么是测试（测量）技术？3、什么是测试系统？4、什么是系统设计？5测量——是以确定被测物属性量值为目的的一组操作，即为确定被测对象的量值而进行的实验过程。

把待测量直接或间接地与另一个同类的已知量相比较，拿这个已知量作为计量单位，定出被测量是该单位的若干倍或几分之几，这种实验过程就是测量。换而言之，测量就是通过实验来求出被测量与计值单位的比值。即：对被测物理量进行“取样”，并定量“读出”。测量的内涵及其科学性:

“凡存在之物，必以一定的量存在。”对该量的确定便构成了测量的全部内容。6测试——是具有试验性质的测量，或者可理解为测量与试验的综合。测量+信号检出（极为重要）计量——是属于测量的范畴,也可以说计量是一种特定形式的为使被测量的单位量值在允差范围内溯源到基本单位的测量。

对计量的定义是“实现单位统一、量值准确可靠的活动”，是为了保证计量单位统一和量值准确可靠这一特定目的的测量，它是以公认的计量基准、计量标准为基础,依据计量法律、法规和法定的计量检定系统进行量值传递来保证测量准确的测量。7什么是测试技术？测试技术是信息技术的重要组成部分，它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。测试技术泛指测量和试验两个方面的技术。测试技术是测量技术及试验技术的总称。检测方法、检测结构、检测信号处理————综合性技术9系统设计：

为完成测试目标而实施的技术方案。主动和被动、直接与间接、接触式与非接触式、动态和静态例如：压力测试系统的设计——多种传感器原理。10

测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。本课程涉及同学们4年所学的大部分课程，如数学、物理学、工程力学、电工学、电子学、仪器零件、自动控制理论、数字技术、误差理论、传感器原理、信号与系统等，尤其是传感器，它决定了测试方法。本课程体现的更多是各课程在工程设计中的应用。

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工程测试及系统设计是一门与材料科学、电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。为弥补书本教材内容滞后于学科发展的问题，也为拓宽同学们知识面，在教学内容上本课程采编了许多测试系统设计案例进行讲解。13第一章绪论2§1—1测试技术的作用§1—2现代测试系统的基本结构与类型§l—3测试工作的含义和范围§l—4测试技术的发展趋势§1—5课程的研究对象和性质（基本要求：了解课程讲授内容）14第二章

测试技术的基础知识10§2-1工程测试常用术语及概念§2-2信号的分类§2-3测试系统的输入与输出§2-4测量误差及其分析§2-5测试系统的基本特性§2-6实现不失真测试的条件§2-7测试系统动态特性的测试§2-8测试系统设计的原则和方法（基本要求：熟练掌握和理解课程讲授内容）15第三章基本测量仪器和电路4§3-1测量仪器的分类§3-2检测信号的放大与变换§3-3滤波器§3-4数字频率计§3-5电阻应变仪§3-6数据采集技术17第五章机械参量的测试6§5-1应力（应变）的测试§5-2速度测量§5-3尺寸参数测试（基本要求：掌握和理解课程讲授内容）18第六章压力(力)的测试4§6-1概述§6-2应变式测压法§6-3压电式测压法§6-4机械式测压法§6-5测压系统的静态标定与动态标定§6-6压力传感器的安装问题§6-7压力测试系统设计（基本要求：掌握和理解课程讲授内容）19第七章温度测量4§7-1概述§7-2测温仪表的种类和选用§7-3热电偶§7-4辐射高温计（基本要求：掌握和理解课程讲授内容）21实验内容实验一等强度梁应变片粘贴、标定

4学时实验二

液体温度及表面温度测量

2学时实验三

加速度测量系统标定

2学时22第一章绪论§1—1测试技术的作用§1—2现代测试系统的基本结构与类型§l—3测试工作的含义和范围§l—4测试技术的发展趋势§1—5课程的研究对象和性质23§1—1测试技术的作用1、历史上人们对测试技术的认识

自古以来，测试技术就渗透在在人类的生产活动、科学实验与日常生活的各个方面。●古代利用“步弓”丈量土地(弓:丈量土地的计量单位,一弓为五尺)●利用“日晷(guǐ,太阳投射的影子来测定时刻的装置

)”计量时间●成语：“五十步笑百步”、“百步穿杨”●秦始皇统一了割居的六国形成统一的中央政权，首先做的工作就是统一度量衡。由此可见测试计量技术的重要性。25●1927年威尔逊发明了云雾室，利用云雾室可观测到粒子运动轨迹，而使人们对物质的结构向前迈进了一大步；

●爱因斯坦：通过实验于1905年提出了狭义相对论；1915年提出了广义相对论；大家知道，当时的相对论并未被世人承认，直到50年后的天文望远镜的出现才证实了相对论的正确性；

●丁肇中：1974年发现J粒子，J粒子的发现基础是研制了高灵敏度的双臂谱义。

●雷莱：通过大量实验，发现了自然界中存在惰性气体，这就是化学元素周期表中最后一列。26●以弹道学为例：⊙古老的弹道学是研究装药量与弹丸运行距离之间的关系。⊙1860年诺贝尔发明了铜柱测压法，同时布郎发明了弹道摆，将古老的弹道学一分为二：内弹道学、外弹道学。⊙铜柱测压法：可用铜柱测出弹膛内火药燃气的压力值；⊙弹道摆：可以测出弹丸出枪、炮的初速；⊙内弹道学：研究装药与压力及初速的关系；⊙外弹道学：研究弹丸初速与射程之间的关系；⊙随着动态测试技术的发展，弹道学目前已发展成了内弹道学、中间弹道学、外弹道学、创伤弹道学。29检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等

汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容

普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。

底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等3031测试技术在日常生活中的应用与日俱增

家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器例32亮度传感器红外人体探测器烟雾传感器33测试技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器---OICW夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。在发射20毫米高爆弹时，激光测距仪可将目标的距离信息自动传输至高爆弹的爆炸引信，以便精确的设定引爆时间。34美国国家导弹防御计划---NMD测试技术在国防领域的应用1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统

监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；

拦截器：能识别真假弹头，敌友方35测试技术在航天领域举足轻重飞行器测控---检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵

火箭测控---检测火箭状况、姿态、轨迹

“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器，检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学神州飞船：185台（套）仪器装置36测量的外在表现接触式测量非接触式测量测量的物理表现仪表构成传感：将一种物理变量转成另一种更合适的物理量调理：按某种确定的规律改变信号的数值，但却保留变量的物理本质显示：将信息转变成人的五官之一所能辨认的形式§1—2现代测试系统的基本结构与类型一、基本结构37

非电量电测系统的组成一般可以分为：信息的获得——传感器(变送器，换能器)；信息的转换——放大器，变换器；信息的显示——指示仪，记录仪，报警器；信息的处理——调节器，数据分折仪，电子计算机。信息显示、处理信息获取信息转换一次仪表二次仪表三次仪表381信息获取传感器（Sensor）----检出功能的器件信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）特点：1）输出量为电压、电流、频率2）输出的电信号一般较微弱：电压----毫伏级、微伏级；电流----毫安级、纳安级3）输出信号与噪声混杂在一起----传感器内部噪声传感器的信噪比小、输出信号弱----信号淹没在噪声中4）传感器的输出特性呈线性或非线性选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件以及对传感器体积和整个检测系统的成本等的限制电阻、电容、电感

两种：数字量、模拟量5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性392信号变换部分检出信号适合于分析和处理的信号信号调理电路阻抗变换----输出阻抗很高时；电压/电流（V/A）转换----需要电流输出时；目的：4）简化后续系统的组成2）消除或抑制传感器输出量中的无用信号3）提高测量、分析的准确度信号放大----输出信号微弱时；噪声抑制----信号淹没在噪声中；模拟/数字（A/D）转换----需要输出数字信号时1）对传感器的输出量变换成易于处理或放大的量403、分析处理部分功能：管理不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换不断注入新内容----检测系统的研究中心通用标准接口---不同的系统尤其是不同厂家的产品能够互联4、通信接口与总线部分计算机系统----强大问题分析能力、复杂系统的实时控制自动化、智能化USB、IEEE-488、RS-232（串行）、并行总线：传送数字信号的公共通道----信号线的集合RS-232C、VXI、PXI、LXI、Centronics（并行）（硬件系统）（规范、结构形式）接口---分系统和上位机之间/分系统之间交换信息41简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。

为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。

工程测试系统实例42工程测试系统实例43现代测试系统大致可分为三类：基本型自动测试系统闭环控制型二、现代测试系统类型441基本型____前面所讲

记录显示仪信息获取信息转换一次仪表二次仪表三次仪表452闭环控制系统中的测试系统

——闭环控制型463、自动测试系统一个自动测试系统，一般由四部分组成：第一是微机或微处理器，它是整个系统的核心；第二是被控制的测量仪器或设备，称为可程控仪器；第三是接口；第四是软件。自动测试系统基本构成47测试系统构成信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）（分析处理部分、通信接口及总线）48

(一)微机(或微处理器)

这是整个系统的核心。在软件控制下，微机控制够个自动测试系统正常运转，并对测量数据进行某种方式的处理，如计算、变换、数据处理、误差分析等；最后将测量结果通过打印机、显示器、磁盘磁卡或电表、数码显示等方式输出。(二)可程控仪器或设备在自动测试过程中，测量仪器或设备的工作，如测量功能、工作频段、输出电平、量程等的选择和调节都是由微机所发控制指令的控制下完成的。这种能接受程序控制并据之改变内部电路工作状态，以及完成特定任务的测量仪器称为仪器的可程序控制，简称可程控，或称程控仪器。显然程控仪器是组成自动测试系统的基本部分。49(三)接口

一个自动测试系统中，各仪器和设备之间的接口的总体称为该自动测试系统的接口系统。显然，接口系统是自动测试系统达到自动测试目的，使自动测试系统各仪器和设备之间进行有效通信的重要环节。

接口的主要任务是在下列方面提供仪器与计算机连接需要的兼容。

机械兼容对接口的最简单的要求是提供机械兼容，就是要有适当的连接器和它们之间的连线。

电磁兼容接口的第二种作用是使计算机和传感器之间有适配的电器特性即在逻辑电平方面要相符合。

数据兼容一旦接口已使计算机和仪器实现了机械和电器兼备，它们就能通过数据线交换电信号信息，但需要某种格式翻译，有种种编程能力的计算机通常能执行这种功能，考虑到速度，往往把这个任务交给接口完成。50

自动测试技术源于70年代，发展至今。大致可分为三代，其系统组成结构也有较大的不同。第一代自动测试系统第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。其结构特点是采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的。因此，第一代测试系统通用性比较差。自动测试系统发展历程51第二代自动测试系统

第二代自动测试系统典型方块图如图所示。与第一代自动测试系统的主要不同在于：采用了标准化的通用可程控测量仪器接口总线(IEEE488)及可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。5253第三代自动测试系统

第二代自动测试系统虽然比人工测试显示出前所未有的优越性，但是在这些系统中，电子计算机并没有充分发挥作用，系统中仍是使用传统的测试设备(只不过是配备了新的标准接口)，整个系统的工作过程基本上还是对传统人工测试的模拟。

于是出现了虚拟仪器。54虚拟仪器（VirtualInstrument简称VI）是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次革命。虚拟仪器是继第一代仪器——模拟式仪表、第二代仪器——分立元件式仪表、第三代仪器——数字式仪表、第四代仪器——智能化仪器之后的新一代仪器。虚拟仪器551．虚拟仪器的内部功能测试仪器的内部功能可划分为：输入信号的测量、转换、数据分析处理及测量结果的显示四个部分。

虚拟仪器也不例外，但是实现上述功能的方式不同，下面按三个部分来叙述。56VI构成要素虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件三大要素构成的。计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。57

被测信号GPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块PC-DAQ计算机I/O接口设备

虚拟仪器的构成方式58

VI系统有多种构成方式：

PC—DAQ测量系统：是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。

GPIB系统：是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

VXI/PXI系统：是以VXI/PXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。串口系统：是以Seial标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。现场总线系统：是以Fieldbus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

59软件技术是虚拟仪器的核心技术。常用的仪器用开发软件有：

LabVIEW、LabWindows/CVI等等。这些软件已相当完善，而且还在升级、提高。以LabVIEW为例，这是基于图形化编程语言的开发环境，用于如GPIB、VXI、PXI、PCI仪器及数据采集卡等硬件的系统构成，而且，具有很强的分析处理能力。6061无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与各类计算机相结合，其中PC-DAQ测试系统是构成VI的基本方式。——因为，实际上数据采集系统DAS是构成各种标准总线仪器的基础。62虚拟仪器————是基于“信息的数据采集(ADC)——信号的分析与处理(DSP)——输出(DAC)及显示”的结构模式建立通用仪器硬件平台。在这个通用仪器硬件平台上，调用不同的测量软件就构成了不同功能的仪器。

被测信号GPIB仪器串口仪器VXI模块PXI模块PC-DAQ计算机63虚拟仪器传统仪器开发和维护费用低开发和维护费用高技术是更新周期短（0.5～1年）技术更新周期长（5～10年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动、智能化、远距离传输功能单一，操作不便虚似仪器和传统仪器的比较64虚拟仪器的分类:从技术发展的角度来看，虚拟仪器走的是两条技术路线：一条是向高速、高精度、大型自动测试设备（ATE）方向发展，即GPIB（1975）→VXI（1987）→PXI（1997）→LXI（2007）的发展路线；另一条是向高性能、低成本、普及型系统方向发展，即PC插卡（1987）→并口式（1995）→串口USB（1999）的技术路线。65智能仪器和虚拟仪器区别智能仪器和虚拟仪器的区别在于它们所用的微机是否与仪器测量部分融合在一起，也即采用专门设计的微处理器、存储器、接口芯片组成的系统，还是用现成的PC机配以一定的硬件及仪器测量部分组合而成的系统。66§l—3测试工作的任务、含义和范围

1．测试工作的任务

测试工作就是通过测试手段为了获取有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信息。

测试工作总是要用最简捷的方法获得和研究任务相联系的、最有用的、表征特性的有关信息，而不是企图获取该事物的全部信息；即从复杂的信号中提取有用的信息。------从一个研究对象上如何估计它的模型结构，如何设计试验方法以最大限度地突出所需的信息，并以比较明显的信号形式表现出来。672.测试工作的含义和范围从广义的角度来讲，测试工作涉及试验设计、模型理论、传感器、信号加工与处理(传

输、加工和分析、处理)、误差理论、控制工程、系统辨识和参数估计等内容。从而测试工作者应当具备这些方面的知识。从狭义来讲，测试工作则是指在选定激励方式下，信号的检测、变换、处理乃至显示、记录或以电量输出数据的工作。本课程限于从狭义的范围来论述测试技术中的一些基础知识。683.主要研究内容测量原理是实现测量所依据的物理、化学、生物等现象与有关定律的总体。一种物理量的测量可以通过若干种不同的测量原理实现(电磁法、光学法、超声法、半导体效应、核辐射法、电化学分析等）。发现和应用新的测量原理，开发相应的传感器。选择合适测量原理（根据被测量的物理化学特性、变化范围、性能要求和外界环境条件等）选择合适的测量方法：接触式、非接触式；直接法、间接法；电测法、非电测法等。设计测试系统69§l—4测试技术的发展趋势

一、总体发展趋势现代电测技术的发展趋势是：集成仪器、测试系统的体系结构、测试软件、人工智能测试技术等方面，在此诸方面中我们着重说明下述两个方面。