《测试技术与应用》-绪 论

tester

来自于CPUBBS毕业的母校，五邑大学。网上找的。贴出来一起学。

tester

绪  论

一、测试技术在工程技术中的广泛应用

    随着近代科学技术，特别是信息科学、材料科学、微电子技术和计算机技术的迅速发展，测试技术所涵盖的内容更加深刻、更加广泛。现代人类的社会生产、生活、经济交往和科学研究都与测试技术息息相关。各个科学领域，特别是生物、海洋、航天、气象、地质、通信、控制、机械和电子等，都离不开测试技术，测试技术在这些领域中也起着越来越重要的作用。因此，测试技术已成为人类社会进步的一个重要基础技术，是各学科高级工程技术人员必须掌握的重要的基础技术。以下介绍测试技术在机械工程的几个主要方面的应用。
1、 产品开发和性能试验
    新产品开发是企业活力的主要体现。一个新产品，从构想到占领市场，必须经过设计、试制、质量稳定的批量生产等过程。目前，随各专业领域设计理论的日趋完善和计算机数字仿真技术的逐渐普及，产品设计也日趋完美。但真实的产品零件、部件、整机的性能试验，才是检验设计正确与否的唯一依据。许多产品都要经过设计、试验、再修改设计、再试验的多次反复。即使已定型的产品，在生产过程中也需要对每一产品或其部份抽样作性能试验，以便控制产品质量。用户验收产品的主要依据也是产品的性能试验结果。
     例如，滚动轴承生产厂应按行业规定，对其生产的轴承作寿命及可靠性试验。下图0-1所示是基于PC机的试验系统框图。在一台滚动轴承疲劳试验机上装有四套试验轴承，液压机构给轴承加载至规定负荷。四个温度传感器分别测出各轴承的试验温度，与环境温度比较获得试验温升。由安装在试验机上的振动传感器测出试验机的振动。PC机每隔一小时自动巡回检测一次，在屏幕上显示温升和振动的时间历程。一台PC机可监控多台轴承疲劳试验机。当某一轴承温升或某台试验机振动超过预设定值时，PC机发出信号，送至电动机的继电器，使该试验机暂停工作，同时报警。试验人员对现场判断后，作出继续试验或取下失效轴承对剩下轴承继续试验等选择，直到数百小时的试验全部完成。试验记录由计算机保存，并按规定作进一步的处理和分析。

    效能测试，例如：对一台机器，往往要对其主轴、传动轴作扭转疲劳试验；对齿轮传动系统，要作承载能力、传动精确度、运行噪声、振动、机械效率及寿命等试验；对洗衣机等机电产品，要作运行噪声、振动、电控件寿命试验；对柴油机、汽油机等，要作噪声、振动、油耗、废气排放等试验。对某些在冲击、振动环境下工作的整机或部件，还需模拟其工作环境进行试验，以证实或改进它们在此环境下的工作可靠性。例如，汽车空调压缩机，巷道掘进机的电控箱，需放在专门的电液伺服振动台上，由计算机控制振动台，在一定的误差范围内模拟实际工况振动。试验车辆，或在专门模拟各种路面的试车场作长时间行驶，或前后轮均支承在专门的试验台上试验，以检验主要构件和各零部件的可靠性。机器及其零部件的性能试验，是产品性能试验中的重要部份。

2、质量控制与生产监督

    产品质量是生产者关注的首要问题，机电产品的零件、组件、部件及整体的各生产环节，都必须对产品质量加以严格控制。从技术角度而言，测试（工业生产中常称为检测）则是质量控制与生产监督的基础手段。
     例如，冰箱的旋转式压缩机，对其气缸、叶片、活塞三个主要零件的配合间隙有较高的要求。生产中，先按稍低的公差要求加工三个零件，再对它们相互配合尺寸作测量、分组，最后按规定配合间隙选配，既保证质量又降低生产成本。压缩机三个主要零件尺寸自动选配线的组成框图如图2所示。其中，叶片分选机和活塞分选机分别测量叶片和活塞的有关尺寸，并按1μm的间隔分组，然后送入各自料库的分组箱和选配站，供选配时用。气缸检验机对缸体厚度和槽宽作测量，主计算机按缸体所测值和规定的间隙要求，算出配合件（活塞和叶片）所需尺寸，指出所在分组箱位置，由皮带输送机送出供装配。选配线以12秒为一工作循环。该选配线采用非接触式气动测量，如图3所示。压缩空气通过主喷嘴由测量喷嘴喷向工件表面，不同的工件尺寸在工件表面与测量喷嘴间产生不同大小的环形气隙，造成测量喷嘴与主喷嘴之间气室的压差变化，经压力传感器转换为电信号，由计算机采集和处理，得到被测尺寸值。

     机械加工和生产流程中的在线检测与控制技术，把产品废品消灭在萌芽状态，以力保产品全部合格。如外圆直径测量仪，可按磨削工艺要求，检测磨削工件尺寸并控制磨削（粗磨—精磨—无进给磨削—退出工件—进入下一循环）工艺过程。带钢热轧机组，在线检测并自动控制带钢厚度、宽度，监测带钢表面质量等。在线检测提高劳动生产率，减轻劳动强度，节约和降低成本，因此在工业生产中获得了广泛的应用。

3、机械故障诊断

    机械故障诊断是工程诊断的重要组成部分，它源于现代工业生产对机器设备及其零件的高可靠性和高利用率要求。如石油、化工、冶金等工业生产中，大型传动机械、压缩机、风机、反应塔罐、炉体等关键设备，一旦因故障停止工作，将导致整个生产停顿，造成巨大的经济损失。因此，在这些设备的运行状态下，人们就要了解、掌握其内部状况。一方面尽可能利用并延长其安全使用寿命，另一方面则根据其预测的剩余寿命，安排好维修的方式、时间和所需准备的零部件等。
     医生对人体内部器官作疾病检查，一般是根据多种化验、检测结果，结合症状来作出诊断的。同样，在设备的运行状态或不拆卸状态对其内部状况作出诊断,也是利用机器在工作或试验过程中出现的诸多现象，如温升、振动、噪声、应力应变、润滑油状况、异味等来分析、推理、判断的。显然，完善的测试是正确诊断的基础。

tester

二、测试系统的组成

    从上述大量应用实例可知，测试的基本任务是获取有用的信息。而信息又是蕴涵在某些随时间或空间变化的物理量，即信号之中的。因此，首先要捡测出被测对象所呈现的有关信号，再加以分析处理，最后将结果提交给观察者或其它信息处理装置、控制装置。
    信号，就其具体的物理性质而言，有位移信号、速度信号、加速度信号、力信号、光信号和电信号等。从信息的提取和信息的采用来看，目前以电信号最为方便。因此各种非电信号多被转换为电信号，再传输、处理和运用。
    工程信号多随时间或空间而变化。为用数学工具对信号作准确、定量的描述、分析及研究，测试技术中将信号统一抽象为时间的函数。
    一般情况下，一个测试系统的组成可用下图所示的框图来表示。

1、 激励源
     向被测对象输入能量，激发出能充分表征有关信息又便于捡测的信号。有些试验，被测对象在适当的工作状态下可产生所需的信号。而某些试验，则需用外部激励装置对被测对象进行激励。如机床振动模态试验，需用专门的激振器对机床激振。
2、 传感器
     能感受规定的被测量并按一定规律转换成同一种或另一种输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件直接感受被测量，转换元件将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的信号。许多传感器中这二者是合为一体的。
3、 信号的中间变换
     将传感器输出信号转换成便于传输和处理的规范信号。因为传感器输出信号一般是微弱且混有噪音的信号，不便于处理、传输或记录，所以一般要经过调制、放大、解调和滤波等调理，或作进一步的变换，如将阻抗的变化转换为电压或频率的变化，将模拟信号转换为数字信号等。
对一些重要测试项目，需要将变换后的信号记录下来，作原始资料保存，或显示出来供测试者观察。
4、 信号处理
     将中间变换的输出信号作进一步处理、分析，提取被测对象的有用信息。

5、 显示记录或运用
     将处理结果显示或记录下来，供测试者作进一步分析。若该测试系统就是某一控制系统中的一个环节，处理结果将直接被运用。
测试系统的组成与研究任务有关，并不一定都包含上图的所有环节。

tester

三、有关测试装置的常用术语

    在今后的讨论中，将会遇到一些常用术语，在此作简单介绍。此处所指的测试装置，是一个广义的概念，包括上节所示测试系统或环节。
1、量程和测量范围
    量程   是指测试装置示值范围的上、下之差；测量范围是指该装置在规定的极限误差范围内所能测量的被测量的范围，对于动态测试装置，要给出频率的测量范围。
2、测试装置的误差
    测试装置的误差    测试装置的指示值与被测量的真值的差值，称为装置的示值误差。可简称为测试装置的误差。即

    在实际测量中，被测量的真值是不知道的，通常用实测量的算术平均值或满足规定准确度测量值作为真值。如用一级精度压力表去检定二级精度压力表，那么一级精度压力表的测量值就作为二级精度的压力真值使用。
    引用误差   在实际工作中，常使用反映测试装置质量的最常用的综合性指标是装置的引用误差；即

3、测量误差
    反映测量工作的最常用的一个指标是测量误差，即

    若有相同的示值误差，指示值愈小，相应的测量误差愈大。例如测量100mm和10mm长度，如果示值误差都是0.01mm，显然10mm的测量误差大，也就是说，它的测量精度低。因此在选用测试装置时应注意使它的量程与被测量的大小相适应，最好是被测量接近满量程处，至少也要在满量程的 以上，才能得到较好测量精度。
4、信噪比
    信噪比   是信号功率 与噪声功率 之比，用 表示，它的分贝数为

    也常用信号电压 和噪声电压 来表示信噪比，其分贝数为

5、准确度
    准确度    表示测量结果与被测量真值之间的一致程度。误差越小，测量结果愈准确。

tester

四、测试装置的基本特性

    为从测试装置输出中识别其输入，必须研究测试装置输出、输入及测试装置三者之间的关系，如图1所示。图中x(t) 为输入量（即被测信号），y(t) 为对应的输出（即测出信号），h(t) 表示测试装置的传输特性。工程测试一般总是希望测试装置的测出信号能不失真地反映被测的信号，为此对测试装置的传输特性提出了一些基本要求。

    理想的测试装置传输特性应该具有单值的、确定的输入--输出关系，并以输入--输出呈线性关系为最佳。对于静态测试，一般只要求测试装置的静态特性是单值函数，不一定是线性关系；而对于动态测试，则要求测试装置传输特性必须是线性的，否则输出信号会产生畸变。
    然而，实际的测试装置只能在允许误差范围内和一定的工作范围内满足这一要求。为评定测试装置传输特性，需在静态特性和动态特性两方面对测试装置提出性能指标要求。
1、测试装置的静态特性
    测试装置的静态特性是指被测信号x(t) 为常值时，其测出信号与被测信号之间所呈现的关系。
    工程中常用线性度、灵敏度和回程误差等指标来描述，它们能从不同的方面反映实际测试装置的静态特性。
    线性度  线性度是指测试装置的输出与输人的比值保持常值比例关系的程度。
    在进行测试装置静态标定时，一般用实验来确定其输出--输入的对应关系。由此所绘制的曲线称为标定曲线。对该曲线可用多种方法（如端直法，最小二乘法等）拟合出一直线，如图2所示。

   

若在测试装置输出满量程范围A内，标定曲线与拟合直线的最大偏差为B。线性误差可表示为

    灵敏度和灵敏度阈    灵敏度是测试装置输出变化量 与输入变化量 的比值，即

它表征测试装置对输入量变化的反应能力。显然，测试装置的标定曲线的斜率就是其灵敏度。理想的测试装置灵敏度为常数。而一般的测试装置，灵敏度是一个变量，此时常用拟合直线的斜率作为该测试装置的灵敏度。
     灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。当它们的量纲相同时，灵敏度又称“放大倍数”或“增益”。
     有些测试装置还使用灵敏度阈，它是测试装置输出值产生一可察变化的最小输入量变化值，描述了测试装置对输入微小变化的响应能力。
有指示装置的测试装置使用“分辨率”，它是指示装置有效的辨别紧密相邻量值的能力，一般认为数字装置的分辨率是最后两位数的一个字，模拟装置的分辨率是指示标尺分度值的一半。
     回程误差   许多测试装置，输入量增加时（正行程）的标定曲线与输入量减少时（反行程）所得的标定曲线往往不重合，如图3所示。为表征测试装置在全量程范围内正、反行程静态特性的不一致程度，用回程误差来度量，其值可用同一输入量相对应的正、反行程两输出量值的最大差值 max与满量值 之比的百分数表示，即

2．测试装置的动态特性
     本书讨论测试装置的动态特性，仅限于它是线性定常系统这种情况。对于图1示的测试装置，若能用线性常微分方程来描述其输入、输出关系，即

式中， 是由测试装置参数决定的常数。对性定常系统，它具有表0-1列的特性

    严格地讲，实际的测试装置往往是时变的，因为构成物理系统的材料、元件等特性并非稳定，它们会随工作环境状况而改变。但在工程上，在允许的精度范围内，可以把时变线性系统当作线性定常系统处理。
     测试装置的动态特性可以从时域（微分方程或脉冲响应函数）、复数域（传递函数）和频域（频率特性）三个不同角度来描述。而时域分析（微分方程的解）一般比较复杂，使用不方便；用传递函数求输出，其输出包括了稳态解和瞬态解，而瞬态解与输入无关，只取决于测试装置的结构和参数，可见它达不到测试的目的；用频率特性求输出，其输出只有与输入有关的稳态解。脉冲响应函数和频率特性是傅里叶变换对，它们的作用有共同之处。因此，在测试技术中，常使用脉冲响应函数和频率特性来描述测试装置的动态特性。
    频率特性 由控制理论可知，对上式述的线性系统，当输入 时，其稳态输出

y(t)称为频率响应。显然它是时域响应的一个特例。而幅值Y(f) 和相位 随输入信号频率f而变，这恰好提供了该系统自身特性的重要信息。
     输出信号与输入信号幅值比是频率f的函数，称为系统幅频特性，记为A(f) 。它描述了在稳态情况下，测试装置对不同频率谐波的被测信号的幅值进行衰减或放大的特性，即

因此，幅频特性又称动态灵敏度。
     输出信号与输入信号的相位差 也是频率f 的函数，称为系统相频特性。它描述了在稳态情况下，测试装置对不同频率谐波的被测信号的相位超前 或滞后 的特性。
幅频特性 和相频特性 总称为系统频率特性。
     由控制理论可知，对上式叙述的线性系统，其频率特性

式中 是 f的复变函数，其幅值和相位分别为 和 ,是系统的幅频特性和相频特性，即

在测试技术中，常用对数坐标（即Bode）图或线性坐标图表示幅频特性与相频特性，这在第三章第五节可见到。
    读者在分析测试装置的频率特性时，切记测试目的，这也是与控制理论讨论频率特性的区别。
   单位脉冲响应函数 当被测信号 ，由控制理论可知， ，一般记为 ，即

    可见，频率特性是脉冲响应函数的频谱，它们分别在频域和时域描述系统的特性。

tester

五、不失真测试装置的数学模型

    工程测试的目的是从测试装置的输出信号y(t)中确定输入信号x(t) 或获取它的有关信息。因此，不失真测试装置的输入与输出应满足方程

式中S和τ均为常数。
     由上式求得不失真测试装置的频率特性

其幅频特性A（f）=s=const，即对所有频率分量的幅值放大倍数相同，动态灵敏度是一常数,否则输出信号幅值失真；相频特性是一条过坐标原点的直线，φ(f)=-2πfτ，即输出各频率信号的相移与频率成正比，否则输出信号相位失真。不失真测试系统的输入x(t) 和输出 y(t)如图1所示。图中的 ,且 和 频率为 ， 和 频率为 。读者从图中可找出与 和与 的相移，并讨论它们之间关系

    输入信号通过具有不失真或失真频率特性的系统，其输出变化如图2所示。应该指出，对于图2b系统，若输入信号是单一频率信号，其输出也不会失真。可见，要使输出信号不失真，一方面可选择测试装置频率特性，另一方面，可选择输入信号的频率范围。

    应该指出，理想的不失真测试装置是不存在的，因此，在设计或选择测试装置时，只能在满足测试精度（测试误差一般在2%~5%之间）的前提下，在有限的频率范围内（此频率范围又称不失真测试装置的可用频率范围）接近理想测试装置的数学模型，同时也用它们之间的差距来评价测试装置不失真传输的质量。若测试装置的输出信号用于控制系统的反馈或相位有严格要求的多路测量，对输出信号的相移量大小则有更高要求。

tester

六、测试中的干扰及正确接地

    在测试中，除待测信号外，还常常迭加有一些不需要的信号。通常把这些不需要的信号称为干扰或噪声。干扰会在不同程度上影响测试结果的可靠性。因此，消除和抑制测试中的干扰在实际测试中是很重要的。
    测试中的干扰来自许多方面，如对测试装置（特别是传感器）的冲击或振动，温度变化引起电路参数的变动等等，但更多的是由供电系统，周围电磁场或测试电路所产生。由供电系统，周围电磁场或测试电路所产生的干扰，通常称为电、磁干扰或电噪声。
    用交流稳压器供电，一般已可抑制供电系统电压不稳定所产生的干扰。测试装置，特别是测试信号线的良好屏蔽，可以消除周围大部份电磁场所产生的干扰。正确接地，则是消除测试电路产生干扰的主要措施。
    地线是测试系统中各个测试装置（即各个电路）公共的零电平参考点。理论上，地线所有位置的电平均应该相同。由于所有的导线都具有一定的阻抗，若各个测试装置在地线的不同位置接地，在地电流作用下，各个测试装置的接地点的电位可能会不等。各个测试装置在地线的不同位置接地，也可能会产生环路电流并与其它电路产生藕合。另外地线是所有信号电流都要流经的公共点，这可能引起公共地电阻的藕合干扰。
   下面介绍几种常用的接地方式。
1、单点（并联）接地
如图1所示，将各电路分别用导线在一点与地相连，此时 ，C点的电位 ，各电路的接地电位只与本电路地电源和电线阻抗有关，相互干扰小。

2、串联接地
     一般形式如图2所示，各单元的电路顺序连接在一条公共地线上。R1~ R3是各电路接地线的等效电阻，它们是串联的。 、 和 是电路1、2和3的地电流，A点电位不为零，且 ，C点电位。可见这种串联接地方式，将由接地线阻抗造成各电路相互间干扰。
    从抑制干扰角度看，这种接地方式不合理。但由于接地方式布线比较简单，在各电路的电平相差不大时仍常采用。显然，应注意把低电平的电路放在距接地点最近的地方，所有地线截面积都应尽可能的大。
3、低频接地方式
     如图3所示，将功率相差不多，噪声电平相差不大的电路分为一组，然后把低电平电路一组采用串联接地方式经共同地线接地；把高电平电路一组采用串联方式经共同地线接地，各组间采用并联接地方式。采用图3所示方式,低频测量系统至少要分三组并以串并联一点接地

     采用这种接地方式，它兼有串联、并联接地方式特点，对复杂测试系统可以解决大部分接地问题。
4、模拟地和数字地
     信号地线中，同时有模拟信号地线和数字信号地线。模拟信号一般较弱，对地线要求较高，各种干扰应尽量小。数字电路在开关状态下工作，电流起伏波动大，很可能通过地线干扰模拟电路。一般将模拟地和数字地分开，模拟电路与数字电路之间采用光电耦合器耦合，如图4所示。

不管何种接地方式，接点均应可靠。最好用电焊、气焊、铜焊或锡焊等连接接点。

tester

七、测试技术的发展

    从专业角度看，测试技术应包括传感器技术、信号处理技术和仪器仪表技术三个方面。
    从学科关系看，测试技术是综合运用多学科原理和技术，同时也直接为各专业学科服务的一门技术学科。各专业学科的发展不断地向测试技术提出新的要求，推动测试技术的发展，同时，测试技术也在迅速吸取各学科的新成就中得到发展。
   十余年来，测试技术的发展在如下两个方面最为突出：
1、传感器技术的迅速发展
   材料科学是传感器技术的重要基础。材料科学的迅速发展使越来越多的物理和化学现象被应用，并可按人们所要求的性能来设计、配方和制作敏感元件。各类新型传感器的发现和开发，不仅使传感器性能进一步加强，也使可测参量大大增多。如用各种配方的半导体氧化物制造各种气体传感器，应用光导纤维，液晶和生物功能材料制造光纤传感器、液晶传感器和生物传感器，用稀土超磁致伸缩材料制造微位移传感器等。
   微电子学、微细加工技术及集成化工艺的发展，使传感器逐渐小型化、集成化、智能化和多功能化。如用微细加工可使被加工的半导体材料尺寸达到光的波长级；集成化工艺将同一功能的多个敏感元件排列成线型、面型的传感器，同时进行同一参数的多点测量，或将不同功能的多个敏感元件集成为一体，组成可同时测量多种参数的传感器；或将传感器与预处理电路甚至微处理器集成为一体，成为有初等智能的所谓智能化传感器。
2、测试仪器微机化、智能化
   数字信号处理方法、计算机技术和信息处理技术的迅速发展，使测试仪器发生了根本性的变革，以微处理器为核心的数字式仪器能大大提高测试系统精度、速度、测试能力和工作效率，有高的性能价格比及可靠性，已成为当前测试仪器的主流。目前数字式仪器正向标准接口总线的模块化插件式发展，向具有逻辑决断、自校准、自适应控制和自动补偿能力的智能化仪器发展，向用户自己构造所需功能的所谓虚拟仪器发展。
   机械工程领域的各个方面，包括产品设计、开发、性能试验、自动化生产、智能制造、质量控制、加工动态过程的深入研究、机电设备状态监测、故障诊断和智能维修等都以先进的测试技术为重要支撑。测试技术的先进性已是一个地区、一个国家科技发达程度的重要标志之一，测试技术已是一个企业、一个国家参与国内、国际市场竟争的一项重要基础技术。 可以肯定，测试技术的作用和地位在今后将更加重要和突出。

tester

八、课程的性质与要求

    按拓宽基础，淡化专业的宽口径原则和新世纪制造业人才的需求，机械工程测试技术作为一门技术基础课，其目的是培养学生能合理地选用测试装置并初步掌握进行动态测试所需的基本知识和技能，为学生进一步学习、研究和处理机械工程技术问题打下基础。课程的基本要求是：
    1、掌握信号的时域、频域描述方法，掌握信号频域分析和相关分析的基本原理和方法，了解数字信号分析中的一些基本概念，以指导正确调用常用的信号处理子程序或设置常用数字信号分析仪的主要参数。
    2、掌握测试系统基本特性的评价方法和不失真测试条件，正确选用测试装置，初步分析测试误差并在实际工程测试中应用。
    3、了解常用传感器，中间变换电路及记录仪器工作原理及性能，并能较合理选用。
    4、对动态测试的基本问题有一完整的概念，了解常见工程量的测试方法和系统组成。
   5、了解数字式测试分析系统的基本组成和专用数字分析仪的特点，了解虚拟仪器的基本构成。
除理论知识学习外，测试技术作为一门多学科融合交汇的技术学科，在提高学生创新精神、培养学生实践能力方面，也起着重要的作用。测试技术也是一门实践性很强的学科，学生只有通过足够和必要的实际测试训练，才能达到课程的基本要求。

fhjjwzw

收藏关注中，最好有联系如果用LABVIEW的，比如说这么用传感器接电脑等一系列东西，越详细越好。