測試技術(shù)第一章概論

1、 輪輪 機(jī)機(jī) 測測 試試 技技 術(shù)術(shù)主講：陳益瑞 第一章的問題1. 測試是什么？2. 測試技術(shù)的作用是什么？3. 測試系統(tǒng)如何組成？4. 傳感器是什么？5. 什么是測試裝置的靜態(tài)特性？6. 什么是測試裝置的動(dòng)態(tài)特性？7. 不失真測試的條件是什么？8. 低頻系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)測試中常用其哪一特性? 第一章第一章 概概 論論1-1測試技術(shù)的作用和意義測試借助專門的技術(shù)手段，通過試驗(yàn)和測量，以得知被測量的量值和性質(zhì)。測試技術(shù)的主要作用：、監(jiān)視與控制生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行；、為設(shè)計(jì)工作提供有效的數(shù)據(jù)資料；、評價(jià)產(chǎn)品的質(zhì)量；、作為科學(xué)研究的必要手段和基礎(chǔ)? 1-測試系統(tǒng)的組成測試系統(tǒng)的三個(gè)基本組成部分：一、感知部分

2、（傳感器）二、傳遞部分（中間變換器）三、指示記錄部分（顯示記錄儀）電荷放大器智能無紙記錄儀防爆熱電偶智能計(jì)數(shù)器傳感器中間變換器顯示記錄儀 溫度傳感器壓力傳感器流量傳感器煙度計(jì)排氣分析儀發(fā)發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)測測試試系系統(tǒng)統(tǒng)組組成成原原理理圖圖? 發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)組成原理圖發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)組成原理圖? 傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。 傳感器獲取的信息可以為各種物理量、化學(xué)量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以有各種形式。但目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。一般也稱傳感器為變換器、換能器

3、和探測器，其輸出的電信號陸續(xù)輸送給后續(xù)配套的測量電路及終端裝置，以便進(jìn)行電信號的調(diào)理、分析、記錄或顯示等。射頻物位開關(guān)傳感器輪輻拉壓稱重傳感器智能型電容式壓力變送器 傳感器的種類繁多。在工程測試中，一種物理量可以用不同類型的傳感器來檢測；而同一種類型的傳感器也可測量不同的物理量。傳感器的分類方法很多，概括起來，主要有下面幾種分類方法： (1)按被測物理量來分類，可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。 (2)按傳感器工作的物理原理來分類，可分為機(jī)械式、電氣式、輻射式、流體式等。 (3)按信號變換特征來分類，可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。 電容式加速度傳感器氣體壓力傳感器 可

4、變磁阻位移傳感器 早期發(fā)展的傳感器是利用物理學(xué)場的電場、磁場、力場等定律所構(gòu)成的“結(jié)構(gòu)型”傳感器，其基本特征是以其結(jié)構(gòu)部分的變化或變化后引起場的變化來反映待測量（力、位移等）的變化。 利用物質(zhì)特性構(gòu)成的傳感器稱為“物性型”傳感器或“物性型”敏感元件。新的物理、化學(xué)、生物效應(yīng)用于物性型傳感器是傳感技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。每一種新的物理效應(yīng)的應(yīng)用，都會(huì)出現(xiàn)一種新型的敏感元件能測量某種新的參數(shù)。例如，除常見的力敏、壓敏、光敏、磁敏材料之外，還有聲敏、濕敏、色敏、氣敏、味敏、化學(xué)敏、射線敏材料等。壓敏電阻聲敏傳感器光敏電阻熱敏電阻離子煙霧傳感器 新材料與新元件的應(yīng)用，有力地推動(dòng)了傳感器的發(fā)展，因?yàn)槲镄?/p>

5、型敏感元件全賴于敏感功能材料，例如嗅（味）敏傳感器、集成霍爾元件、集成固態(tài)CCD圖像傳感器等。被開發(fā)的敏感功能材料有半導(dǎo)體、電介質(zhì)（晶體或陶瓷）、高分子合成材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、光導(dǎo)纖維、液晶、生物功能材料、凝膠、稀土金屬等。新型光纖溫度傳感器超聲波傳感器CCD生物傳感器芯片? 。 測試技術(shù)正在向多功能、集成化、智能化發(fā)展，進(jìn)行快變參數(shù)動(dòng)態(tài)測量是自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)，其主要支柱是微電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)。傳感器與微計(jì)算機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生了智能傳感器。它能自動(dòng)選擇量程和增益，自動(dòng)校準(zhǔn)與實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，進(jìn)行非線性校正、漂移等誤差補(bǔ)償和復(fù)雜的計(jì)算處理，完成自動(dòng)故障監(jiān)控和過載保護(hù)等。加速度信號測量傳感器芯

6、片智能傳感器激光型位移傳感器? 1-測試儀器的基本特性一、靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指被測信號不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢時(shí)，輸出與輸入之間的關(guān)系。、靜態(tài)特性曲線靜態(tài)特性曲線 在靜態(tài)測量中，根據(jù)測量裝置輸入量值 x 與實(shí)際的輸出量值 y 對應(yīng)關(guān)系所繪制的曲線稱為靜態(tài)特性曲線（或稱靜態(tài)校準(zhǔn)曲線 ）。測試儀器輸入量x輸出量y00yyxxxxyy 、靜態(tài)靈敏度、靜態(tài)靈敏度靜態(tài)靈敏度是輸出變化量與輸入變化量的比率，即特性曲線的斜率。dxdyxyStlim0一般的測試裝置，輸入輸出關(guān)系是非線性的，靈敏度是一個(gè)變量，此時(shí)常用參考直線的斜率作為該裝置的靈敏度。靈敏度的量綱由輸入和輸出的量綱決定，當(dāng)它的量綱相同時(shí)，靈敏

7、度又稱“放大倍數(shù)”或“增益”。 、線性度、線性度線性度是指特性曲線接近直線的程度。%1001A常用確定參考直線的方法是最小二乘法。xy0A使用范圍 、儀表精度等級、儀表精度等級精度指示值接近于被測量的實(shí)際值的準(zhǔn)確程度。以引用誤差(允許誤差)的大小表示。 一般儀表以精度等級來表示引用誤差(允許誤差)的界限。%100KAAbaj下限刻度上限指示值的最大絕對誤差引用誤差通常，工程用儀表為0.54級； 實(shí)驗(yàn)室用儀表為0.20.5級； 范型儀表在0.2級以上。 被測量的示值越接近滿刻度值，則誤差越小。因此，在選擇儀表時(shí)，以滿足下式為宜：aaAxA32 實(shí)驗(yàn)室用的儀表，為了求得更為可靠的測量結(jié)果，應(yīng)將其與

8、準(zhǔn)確度更高的標(biāo)準(zhǔn)儀表讀數(shù)相比較進(jìn)行校驗(yàn)。校正值讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值校正值? 二、動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性是指被測信號隨時(shí)間變化時(shí)，輸出與輸入之間的關(guān)系。、概述、概述 動(dòng)誤差動(dòng)態(tài)信號輸出與輸入的變化之差。 激勵(lì)輸入的被測信號。 響應(yīng)對應(yīng)于激勵(lì)，測試裝置的輸出。 通常，用一些典型的信號作輸入，研究其響應(yīng)，得出一系列動(dòng)態(tài)參數(shù)來表征測量裝置的動(dòng)態(tài)特性。因此，測量裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性一般通過描述測量裝置的階躍響應(yīng)、頻率響應(yīng)和傳遞函數(shù)（脈沖響應(yīng)）等數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行研究。 x除少數(shù)情況外，一般測試系統(tǒng)可以等效為如圖所示的二階系統(tǒng)，其輸出與輸入的關(guān)系可用微分方程來描述：)(22tfkxdtdxcdtxdm定義：kmc2阻

9、尼比為mkn系統(tǒng)固有頻率為靜態(tài)靈敏度為kS1（1-5）（1-6）則式1-5可寫成：)(22222tfSxdtdxdtxdnnncf(t)km 2、階躍響應(yīng)、階躍響應(yīng)當(dāng)二階系統(tǒng)的靜態(tài)靈敏度S=1，且輸入f(t) 為單位階躍信號時(shí)，則微分方程1-6的解有四種，響應(yīng)曲線如圖所示。 當(dāng)（過阻尼）時(shí)，x值逐漸增大，趨近于，曲線逐漸上升；當(dāng)（欠阻尼）時(shí)，曲線為自由衰減振蕩曲線；當(dāng)（臨界阻尼）時(shí)，介于上兩種情況之間，曲線不產(chǎn)生振蕩；當(dāng)（無阻尼）時(shí)，曲線作等幅振蕩，永不衰減。二階系統(tǒng)U(t)x(t)1 tX(t)ts1+1-響應(yīng)時(shí)間從輸入開始到響應(yīng)最終進(jìn)入給定允許誤差范圍所需時(shí)間ts。若允許誤差=5 % ，響

10、應(yīng)時(shí)間ts為最小的阻尼比=0.7，此阻尼比稱為最佳阻尼比。 當(dāng)阻尼比為定值時(shí)，固有頻率n越大，則系統(tǒng)響應(yīng)越快。二階測量系統(tǒng)要使動(dòng)誤差盡可能小，一般?。?0.60.8) n=0.650.7 3、頻率響應(yīng)、頻率響應(yīng)當(dāng)輸入f(t)F0sint 時(shí)，則式1-5可寫成t sinF022kxdtdxcdtxdm（1-10）該方程的通解為)sin()1sin1cos(022tHSFtBtAexnntn二階系統(tǒng)f(t)x(t)tf(t)x(t)t 因此，該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)為)sin(0tHSFx式中：2222)(4)(11nnH2)(12nnarctg為幅頻響應(yīng)函數(shù)A()為相頻響應(yīng)函數(shù)()二階系統(tǒng)f(t)x

11、(t)tf(t)x(t)t當(dāng)S1（靈敏度歸一化）時(shí)，有)(sin)()sin(00tFAtHFx? 測試裝置實(shí)現(xiàn)不失真測試的條件:0)()(tA常量A() () 右圖為二階系統(tǒng)的幅頻和相頻特性函數(shù)的伯德圖。? 從上圖中可見：=0.7時(shí)，幅頻曲線接近等于1的直線的連續(xù)段為最寬， 若=5 % 時(shí)，工作頻帶為(00.6) n， 若=1% 時(shí)，工作頻帶為(00.4) n； =0.7時(shí)，若 n ，即n 遠(yuǎn)小于被測信號的頻率時(shí)，幅頻函數(shù)值趨向于，相頻函數(shù)值趨向于-180，這表明測試系統(tǒng)對該頻率的正弦信號已無響應(yīng)輸出，但對被測信號的平均值分量卻可以如輸入靜態(tài)信號一樣輸出。 因此，低頻系統(tǒng)（ n ）所反映的是

12、被測信號的平均值。 所以，用型管壓力計(jì)可測動(dòng)態(tài)氣體壓力的平均值。 該結(jié)論也可用來設(shè)計(jì)不受外界高頻振動(dòng)干擾影響的隔振裝置。p1p2? 機(jī)械慣性輪式平均壓力表? 、測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的試驗(yàn)確定、測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的試驗(yàn)確定(1)若已知測試系統(tǒng)的m、c、k ，則mkc2mkn()用階躍響應(yīng)法測定tX(t)a1a2TdA1ln121Aa221/21ddnT二階系統(tǒng)U(t)x(t)1cf(t)km (3)二階系統(tǒng)的判別方法： 若用階躍響應(yīng)的不同過沖量求得的阻尼比 都相等，則系統(tǒng)是二階系統(tǒng)。否則不是二階系統(tǒng)。 阻尼比 相差越大，說明系統(tǒng)與二階系統(tǒng)差別越遠(yuǎn)?；蛴秒A躍響應(yīng)的不同過沖量求得的阻尼比 ：222

13、4nnn式中：niinaa lntX(t)a1a2TdA? 1-4 1-4 測量與誤差的概念測量與誤差的概念1.1. 測量的概念測量的概念測量是以確定被測物屬性量值為目的的全部操作。2.2. 測量方法與分類測量方法與分類1)1) 直接測量、間接測量與組合測量直接測量、間接測量與組合測量a. 直接測量是用預(yù)先標(biāo)定好的測量儀表，對某一未知量直接進(jìn)行測量，從而得到測量結(jié)果。b. 間接測量是對幾個(gè)與被測物理量有確定函數(shù)關(guān)系的物理量進(jìn)行直接測量，然后把所測得的數(shù)據(jù)代入關(guān)系式中進(jìn)行計(jì)算，從而求出被測物理量。c. 組合測量是根據(jù)直接測量和間接測量所得的數(shù)據(jù)，通過解聯(lián)立方程組求出未知量的數(shù)值。 2 2）靜態(tài)測

14、量與動(dòng)態(tài)測量靜態(tài)測量與動(dòng)態(tài)測量 a.靜態(tài)測量是測量不隨時(shí)間變化或變化很緩慢的物理量。 b.動(dòng)態(tài)測量是測量隨時(shí)間迅速變化的物理量。3)接觸式測量與非接觸式測量接觸式測量與非接觸式測量根據(jù)傳感器與被測物體是否接觸來分類。3.誤差的概念和分類誤差的概念和分類 某量值的給定值與其客觀真值之間的差異稱為誤差。 給定值包括測量值、標(biāo)稱值、示值、預(yù)置值、計(jì)算近似值等。 誤差的三種表達(dá)形式：1)絕對誤差測量值真值2)相對誤差（絕對誤差真值）100%3)引用誤差 （絕對誤差滿量程值）100% 根據(jù)誤差的特征，可將誤差分為三類：1) 粗大誤差粗大誤差由測量人員粗心大意、操作錯(cuò)誤、記錄和運(yùn)算錯(cuò)誤或外界條件的突然變化

15、等原因產(chǎn)生的誤差。2) 隨機(jī)誤差隨機(jī)誤差由某些不可知的原因引起的（如儀器內(nèi)部摩擦力的細(xì)微變化，實(shí)驗(yàn)條件的無規(guī)則變化，外界干擾等），在同一條件下，多次測量同一量值時(shí)，絕對值和符號以不可預(yù)測的方式變化的誤差。3) 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差由某些固定的原因引起的（如儀器的標(biāo)度尺刻劃得不準(zhǔn)確，測量時(shí)的溫度與校正時(shí)的溫度不同，計(jì)算公式的近似，儀器的零點(diǎn)漂移，靈敏度的變化等），在同一條件下，多次測量同一量值時(shí)，絕對值和符號保持不變或在條件改變時(shí)按一定規(guī)律變化的誤差。 , 200910012022年3月12日星期六39第一章第一章 小結(jié)小結(jié)u測試借助專門的技術(shù)手段，通過試驗(yàn)和測量，以得知被測量的量值和性質(zhì)。u測試系統(tǒng)的三個(gè)基本組成部分：傳感器、中間變換器和顯示記錄儀器。u傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。u按被測物理量來分類，傳感器可分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。u測試裝置的靜態(tài)特性是指被測信號不隨時(shí)間變化或變化極為緩慢時(shí)，輸出與輸入之間的關(guān)系。常用靜態(tài)特性曲線來表示。該曲線的斜率稱為靜態(tài)靈敏度。該曲線接近直線的程度用線性度來描