第 1章 绪论 社会的发展是基于人类对客观世界的不断认识而持续发展的，测试则是人类认识客观世界的主要方法，是进行各种科学试验和技术评价等必不可少的手段。通过测试，可以揭示事物的内在联系和发展规律，并加以利用和改造，进而推动科学技术的发展。著名科学家钱学森院士明确指出： “信息技术包括测试技术、计算机技术和通信技术。测试技术对信息进行采集和处理，是信息技术的源头，是关键中的关键。” 1.1测试的含义 测试技术是一项综合运用多种学科知识的技术，特别是现代测试技术，几乎应用了所有近代新技术和新理论。从广义的角度讲，测试工作的范围涉及试验设计、模型理论、传感器、信号加工与处理、控制工程、系统辨识、参数估计等诸多学科的内容； 从狭义的角度讲，测试的目的就是借助专门设备，通过合适的试验和必要的数据分析和处理，从研究对象中获取有用的信息。 信息是物质所固有的，是客观存在的。信息蕴含于信号之中，信号是传输信息的载体。例如，一座桥梁或一台机器，它们本身具有抵抗外力的能力，这是物质固有的特性。如何探测这一客观存在呢？当所研究的系统受到外力激励后，所发生的位移时间历程包含了描述该系统的固有频率和阻尼比的信息。因此，测试就是对信号的获取、加工、处理、显示记录及分析的过程。本课程主要从狭义的角度介绍测试的原理和工作过程。 所谓测试是指具有试验性质的测量，是测量（measurement）和试验（test）的综合。一个完整的测试过程涉及被测对象、 图1.1汽车乘坐舒适性的台架试验 计量单位、测试方法和测量误差等四个方面，称之为测试四要素。 测量是指将一个被测量与一个预定标准之间进行定量比较，从而获得被测对象的数值结果，即以确定被测对象的量值为目的的全部操作。 试验是对被研究的对象或系统进行试验性研究的过程。通常是将被研究对象或系统置于某种特定的或人为构建的环境条件下，通过试验数据来探讨被研究对象的性能的过程。例如，汽车乘坐舒适性的台架试验如图1.1所示，座椅的加速度由置于座椅处的加速度计测量，液压振动台则提供汽车在颠簸道路上行驶的状态模拟，测量得到座椅处的加速度的试验数据反映了乘坐汽车舒适性的指标之一。 为了解周边工厂的设备噪声对生活区环境的影响，人们可用声级计实测生活区的噪声，这是对环境噪声的测量； 为了进一步了解噪声的传播途径、确定周边的哪些设备对生活区的环境噪声贡献最大，或需要提出降噪措施，则要以试验的方式，安排设备的运行顺序和工况，在设备与生活区之间布置更多的振动和噪声测点，并对所测的信号进行深入的分析，如频谱分析、相关分析，得到较客观的认识，这称为测试。 测试与传感技术（第3版） 第1章绪论 综上所述，测量是被动的、静态的、较孤立的记录性操作，其重要性在于它提供了系统所要求的和实际所取得的结果之间的一种比较； 测试是主动的、涉及过程动态的、系统的记录与分析的操作，通过试验得到的试验数据成为研究对象的重要依据。 1.2测量方法的分类及选择 鉴于信息的多样性，测试方法极其丰富。而测试方法的选择是否正确，直接关系到测试结果的可信赖程度，关系到测试的经济性和可行性。 1.2.1计量单位 为了将测量结果标准化，必须有一套标准的单位，即计量单位。按约定规则确定的一套完善的制度及其全部单位的总体，称为计量单位制。目前最普遍使用的是国际计量大会（CGPM）上通过的国际单位制，用符号SI（Standard International）表示，如表1.1所示。 表1.1国际制（SI）基本单位和辅助单位 量单位名称和符号量单位名称和符号 基 本 单 位基 本 单 位 长度米（m）物质的量摩尔（mol） 质量千克（kg）照明强度坎德拉（cd） 时间秒（s）补 充 单 位 电流安培（A）平面角弧度（rad） 热力学温度开尔文（K）立体角球面弧度（sr） 1.2.2测量方法的分类 1. 按测量手段分类 按测量手段，可分为直接测量、间接测量和组合测量。其具体描述如表1.2所示。 表1.2按测量手段分类 分类描述实例 直接测量直接与标准量比较或测量仪器得到被测量值的测量。 该方法测量过程简单、迅速，但精度不高 天平 间接测量利用仪器仪表把待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化。 该方法程序复杂，花费时间较长，但可获得较高的精度 弹簧秤 组合测量被测量必须经过求解联立方程组，才能得到最后结果兼用直接测量和间接测量的方式，这种方法比较繁琐，通常用于试验室和科学研究中 2. 按被测量随时间变化的快慢分类 按被测量随时间变化的快慢分为静态测量和动态测量。其具体描述如表1.3所示。 表1.3按被测量随时间变化的快慢分类 分类描述实例 静态测量输入、输出信号不随时间而变化或变化极慢，在所观察的时间间隔内可忽略其变化而视作常量。 静态测量中校正和补偿技术易于实现，线性关系不是必需的，但是希望的用体温计测量体温，测量时间越长，测量结果越准确 动态测量当输入信号为一随时间迅速变化的信号时，则采用动态测量。 在动态测量中，测试系统则力求为线性系统，原因主要有两方面： ①目前对线性系统的数学处理和分析方法比较完善； ②动态测量中的非线性校正较困难。 对许多实际的测试系统而言，只能在一定的工作范围和误差允许范围内当作线性系统来处理一段需要了解语义的语音测试 3. 按测量条件分类 按测量条件，可分为等精度测量和非等精度测量。其具体描述如表1.4所示。 表1.4按测量的精度因素分类 分类描述说明 等精度测量在测量过程中，使影响测量误差的各因素（环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法）保持不变，对同一被测量进行多次重复测量在工程技术中，常采用的是等精度测量法 非等精度测量在测量过程中，测量环境条件有部分不相同或全部不相同，对同一被测量进行多次重复测量在科学研究、重要的精密测量或检定中，为了获得更可靠和精确的测量结果，才采用非等精度测量法 4. 按测量方式分类 按测量方式分类有偏差式测量、零位式测量和微差式测量。其具体描述如表1.5所示。 表1.5按测量方式分类 分类描述实例 偏差式测量在测量过程中，被测量作用于测量仪表的比较装置（指针），使比较装置产生偏移，利用偏移位移直接表示被测量大小的测量方法。 该方法测量过程简单、迅速，但测量结果精度较低弹簧秤、磁电式仪表 零位式测量在测量过程中，被测量作用于测量仪表的比较装置，利用指零机构使被测量和标准量两者达到平衡，用已知的标准量决定被测未知量的测量方法。 该方法测量精度较高，但测量过程复杂、费时，不适用于测量迅速变化的信号天平测量质量和惠斯通电桥测量电阻（或电感、电容） 微差式测量将被测量与已知标准量比较，读取它们之间的差值，再用偏差式测量法得到该差值。 该方法反应快，测量精度高不平衡电桥测电阻 5. 按测量设备与物质的接触情况分类 按测量设备与物质的接触情况分为接触式和非接触式。其具体描述如表1.6所示。 表1.6按测量设备与物质的接触情况分类 分类描述实例 接触式测量在测量过程中，测量设备或其一部分必须与被检测物质直接相接触。 接触式测量受到的外界干扰往往较少，结果可靠； 缺点是仪器自身也可能成为原信息的干扰源体温计靠与身体的直接接触达到热平衡，将体温信息传递出来 续表 分类描述实例 非接触式测量被测物体不与测量设备直接接触，而是依靠调制载有信息的波或场，如声波、磁场、射线，传递出信息。这种波、场可以是由仪器专门施加的，也可能是从物质自身发出的。 非接触式测量往往用于条件恶劣、无法直接接触的场合，或者仪器接触会破坏原有信息的场合，其缺点是在波、场传递过程中容易受到干扰液滴的温度从其辐射的红外线波长分析出来 1.2.3测量方法的选择 在选择测量方法时，综合考虑下列主要因素。 （1） 从被测量的特点考虑。被测量的性质不同，采用的测量仪表和测量方法也不同，因此，对被测对象的情况要了解清楚。例如被测参数是否为线性、对波形和频率的要求、对测量过程的稳定性有无要求、有无抗干扰要求以及其他要求等。 （2） 从测量的精确度和灵敏度考虑。工程测量和精密测量对这两者的要求有所不同，要注意选择仪器、仪表的准确度等级，还要选择满足测量误差要求的测量技术。如果属于精密测量，则须按照误差理论的要求进行严格的数据处理。 （3） 从测量环境考虑。测量环境是否符合测量设备和测量技术的要求，尽量减少仪器、仪表对被测电路状态的影响。 （4） 测量方法简单可靠，测量原理科学，尽量减少原理性误差。 总之，恰当选择测量仪器、仪表及设备，采用合适的测量方法和测量技术，才能较好地完成测量任务。 1.3测 量 误 差 1.3.1测量误差的基本概念 人们对于客观事物认识的局限性、测量工具的不准确、测量手段的不完善、受环境影响或测量工作中的疏忽等原因，都会使测试系统所获得的测量结果与被测量的真值有所差异，这个差异称为误差。 国际标准化组织(ISO)将真值定义为： 与给定的特定量的定义完全一致的量值。真值是个理想概念，即一般情况下，真值是不知道的，只是在某些特殊情况下，真值可认为是已知的，主要包括理论真值、约定真值和近似真值等。 理论真值： 如三角形内角和是180°，理想电容器的电流与电压的相位差为90°等。 约定真值： 由国际计量大会决议所定的值。如表1.1所示的7个SI基本单位是计量学约定真值。 近似真值： 高一级计量标准器具的误差与低一级计量标准器具的误差之比小于1/3，则可认为前者是后者的相对真值，即近似真值。在系统误差可忽略时，多次测量的平均值也可以作为近似真值。 1.3.2测量误差的分类 1. 按表示方法分类 测量误差按照其表示方法分类，通常有绝对误差、相对误差、引用误差等，具体描述如表1.7所示。 表1.7测量误差表示方法分类 名称定义数学表达式说明 绝对误差由测量所得到的被测量值X与其真值X0的差值ΔXΔX=X-X0真值可以用高一级或数级的标准仪器或计量器具所测得的数值代替。 在误差较小、要求不太严格的场合，也用仪器的多次测量值的均值代替真值 相对误差测量的绝对误差与被测量的真值之比（用百分数表示）r0=ΔXX0×100%实际中，用绝对误差与实际测量值X之比表示实际相对误差： rA=ΔXX×100% 以仪器的示值XI代替X，称为示值相对误差： rX=ΔXXI×100% 引用误差测量仪表绝对误差与测量范围上限值或量程满刻度Xm之比rI=ΔXXm×100%通常，国家标准规定用最大引用误差定义仪器仪表的精度等级S。仪器仪表的精度等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级 【例1.1】测量一个约80V的电压，现有两块电压表： 一块量程300V、0.5级，另一块量程100V、1.0级。问选用哪一块为好？ 解： 300V、0.5级表，其示值相对误差为 rX≤S%×XmX=0.5%×30080≈1.88% 100V、1.0级表，其示值相对误差为 rX≤S%×XmX=1%×10080≈1.25% 可见由于仪表量程的原因，选用1.0级表测量的精度比选用0.5级表为高。故选用100V、1.0级表为好。 由上题可知，在选用仪表时，应根据被测量值的大小，在满足被测量范围的前提下，尽可能选择量程小的仪表，并使测量值大于所选仪表满刻度的2/3，这样既可以达到满足测量误差的要求，又可以选择精度等级较低的测量仪表。另外，当计算所得的最大引用误差与仪表的精度等级的分挡不等时，应取比其稍大的精度等级值。例如计算的S=2.0，则选用1.5级的仪表。 2. 按性质分类 测量误差一般按其性质分为系统误差、随机误差和粗大误差。其描述如表1.8所示。 表1.8测量误差性质的分类 名称定义来源 系统误差在同一测量条件下，多次测量同一量值时绝对值和符号保持不变，或在测量条件改变时按照一定规律变化的误差系统误差包括测量设备的基本误差、偏离额定工作条件所产生的附加误差、测量方法理论不完善所带来的方法误差及试验人员测量素质不高产生的人员误差。 系统误差的出现是有规律、易掌握的，可采取适当的措施加以修正或消除 随机误差在同一测量条件下，多次测量同一量值时绝对值和符号以不可确定的方式变化通常是多种因素造成的许多微小误差的综合。 随机误差不能用试验方法消除或修正。但是在多次重复测量时，随机误差的统计特性大多服从正态分布 粗大误差一种明显歪曲试验结果的误差主要是由于操作不当、疏忽大意、环境条件突然变化所造成的。粗大误差根据检验方法的某些准则判断是否剔除 1.3.3测量误差减小的方法 1. 系统误差的减小方法 1） 从产生系统误差的根源上采取措施 所采用的测量方法及其原理应当是正确的，所选用仪器仪表性能等满足使用要求； 仪器的使用条件和方法应符合规定，如仪器仪表要定期校准； 测量工作的环境（温度、湿度、气压、交流电源电压、电磁场干扰）要安排合适，必要时可采取稳压、散热、屏蔽等措施。同时，测量人员应提高测量技术水平，提高工作责任心，克服主观原因所造成的系统误差，必要时可选用数字式仪表代替指针式仪表，用打印设备代替手抄数据等措施。 2） 修正法 预先将仪器仪表的系统误差检定出来，作为修正值加入测量结果中，从而达到消除或减弱系统误差的目的。 3） 特殊的测量方法 系统误差的特点是大小、方向恒定不变，具有预见性。因此，可采用特殊的测量方法，如替代法、零示法、正负误差补偿法等。 2. 随机误差的减小方法 当系统误差采取措施减小或消除后，如果测量数据仍然有不稳定现象，说明存在随机误差。根据随机误差的特点，即有界性、单峰性、对称性以及抵偿性，通过多次测量，采用概率数理统计的方法研究其规律、处理测量数据。通常，以测量值的算术平均值和均方根误差（亦称标准误差或标准偏差）作为评价指标。 在实际测量中，通常用算术平均值代替真值，通过残余误差（简称残差）获取标准误差。所谓残差是指测量值与该被测量的算术平均值之差，用vi表示，即vi=Xi-。 若对某个被测量进行n次等精度测量（通常在n≥15次时），则标准误差为 σ=1n∑ni=1v2i 若对某个被测量进行n次等精度测量（通常在n<15次时），则标准误差为 σ=1n-1∑ni=1v2i 该式亦称为贝塞尔（Bessel）公式。 3. 粗大误差的剔除方法 在一批测量数据中，如果发现有异常数据（有粗大误差），必须剔除这些坏值。对异常数据的处理，往往采取物理判别和统计判别两种方法。 物理判别法： 在测量过程中，人们根据常识和经验，判别由于振动、误读等原因所造成的坏值，随时发现，随时剔除。 统计判别法： 给定一个置信概率（如0.99），并确定一个置信限，凡是超过此限的误差，就认为不属于随机误差范围，属于坏值，应予以剔除。 当然，特定条件下进行试验测量的随机波动性，致使测量数据有一定的分散性。如果人为地丢掉一些误差较大、不属于异常的数据，会造成虚假的“高精度”，这也是不正确的。 【例1.2】对一液体测量温度11次，所得数据如表1.9所示。求被测液体的温度。 表1.9液体温度测量记录表 n1234567891011 ti/℃20.7220.7520.6520.7120.6220.4520.6220.7020.6720.7320.74 解： （1） 计算11次测量数据的算术平均值t-。 t-=227.3611=20.669℃ （2） 检查残差求和，判断是否满足为0时的条件。 计算每个残差vi，如表1.10所示，经计算∑ni=1vi=0.133≠0。不满足条件，说明测量数据中含有除随机误差之外的其他误差。 表1.10残差计算记录表 n1234567891011 vi/℃0.0510.081-0.0190.041-0.049-0.219-0.0490.0310.00100610.071 v2i/℃20.00260.00660.00040.00170.00240.04790.00240.00100.0000.00370.0050 （3） 计算标准偏差σ。 计算每个残差的v2i，如表1.10中，求得∑ni=1v2i=0.0737，则 σ=1n-1∑ni=1v2i=0.086 （4） 检查有无粗大误差，即若有残差超过±3σ，则剔除该ti，然后从（1）开始重复上述步骤，直到无粗大误差为止。 由于3σ=3×0.086=0.259℃，没有残差大于3σ的值，说明这组测量数据中无粗大误差。 （5） 计算算术平均值的标准偏差σ-。 σ-=σn=0.026℃ （6） 写出计算结果。 t0=t-±3σ-=20.699℃±0.078℃（99.7%） 1.4测试基本原理及过程 在工程测试中，要测试的信号往往是一些非电量的物理量，如位移、速度、加速度、力、力矩、功率、压力、流量、温度、重量、振动、噪声等。工程中普遍使用的测量方法是电测法，即将非电量先转换为电量，然后用各种电测仪表和装置乃至计算机对电信号进行处理和分析。电量分为电能量和电参量，如电流、电压、电场强度和电功率属于电能量； 电阻、电容、电感、频率、相位属于电参量。由于电参量不具有能量，在测试过程中还要将其进一步转换为电能量。电测法具有测试范围广、精度高、灵敏度高、响应速度快等优点，特别适于动态测试。一个典型非电量电测法测量过程如图1.2所示。 图1.2典型非电量电测法测量过程 由图1.2可知，传感器是测试系统的第一个环节，其主要作用是感知被测的非电量(如压力、加速度、温度等)，并将其转换为电量。传感器输出的电信号经过信号调理电路(中间变换装置)加工处理，例如衰减、放大、调制与解调、滤波和数字化处理等，其输出的测量结果是被测信号的真实记录。被测量的变化过程，可以用示波器、记录仪、显示器、打印机等输出装置显示和记录，也可以用记录仪或计算机存储被测信号，以便反复使用。至此，测试系统完成信号检测的任务。如果要从这些客观记录的信号中找出反映被测对象的本质规律，必须对信号进行分析和处理，从中提取有用的信息，如频谱信息、相关分析等，因此，信号分析是测试系统更为重要的一个环节。将调理电路输出的信号直接送到信号分析设备中进行处理，称为“在线处理”，并以数据或图像的形式通过输出显示装置进行显示。 例如，车刀磨损的在线检测如图1.3所示。通过检测切削温度、切削力以及振动速度的变化判断刀具磨损量，即： ①寻找能表现某一物理现象的信号； ②从这些信号中挑选最合适的信号； ③将信号采集存储或显示； ④确定该信号与某一物理现象之间的关系。 图1.3车刀磨损检测 1.5测试技术的典型应用 在工程技术领域，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能试验等，都离不开测试技术。在各种现代装备系统的设计与制作中，测试成本已达到该装备系统总成本的50%~70%，测试技术已成为控制和改进产品质量、保证设备安全运行以及提高生产效率、降低成本等必不可少的重要技术手段。下面介绍测试技术的几个典型的应用。 1.5.1产品质量测试 在汽车、机床等设备和电机、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。例如，当汽车发动机抵达汽车装配厂时，作为质量控制过程的一部分，生产工程师将抽取其中一部分发动机进行测试，其测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、润滑油压力、燃油压力以及每分钟的转速等。生产工程师通过测试结果可以了解产品的质量。 图1.4是某汽车制造厂发动机测试系统原理框图，该测试系统的主要功能是根据测试数据、测试计划、测量、数据分析和报表进行自动决策。该测试系统以研华 IPC622工控机作为网络服务器，在发动机点火测试区安装18个测试点，每个测试点执行相同的功能。每个测试点由研华IPC6806P工控机、ADAM4520 转换器和 ADAM5000/485 分布式数据采集和控制系统组成，测点之间通过以太网连接，从而使得测试信息可以被管理人员所使用。ADAM5000 输入输出模块和硬件连接在一起，进行数据采集； ADAM4520 转换器将来自 ADAM5000 系列的 RS485 信号转换成 RS 232 信号传送到控制站。