工程测试技术

1.1 测试的基本概念及意义

人类对自然界的一切认识与改造均离不开对自然界信息的获取，因此获取信息的活动是人类最基本活动之一。

在日常生活中，人类可凭借感觉器官获取满足生活的大量信息。但在浩瀚的科学技术领域中欲获取揭示事物内在规律的信息，无论在获取信息的幅值上，还是时间、空间上，或在分辨信息的能力方面，人类的感觉和大脑功能是十分有限的。测试作为定量地获取事物信息的一种手段，而成为现代科学技术研究的一个重要领域。

人类对客观世界的认识和改造总是以测试工作为基础的。人类早期在从事生产活动时，就已经对长度（距离）﹑面积﹑时间和重量进行测量，其最初的计量单位或是和自身生理特点相联系（长度），或是与自然环境相联系（如时间）。秦始皇在建立了统一的中央政府以后，立即建立了统一的度量衡制度，说明恰当的测试工作对发展生产和社会交往的重要性。在测试技术发展史中，应该着重提一下伽利略的功绩，伽利略不满足古代思想家对宇宙进行哲理性的定性描述，主张根据观测和实验对自然界的现象和运动规律进行定量的描述，开创了实验科学，从而开创了近代意义的自然科学。

测试技术是测量技术及试验技术之总称。定量的描述事物的状态变化和特征总离不开测试。简言之，测试是依靠一定的科学技术手段定量地获取某种研究对象原始信息的过程。这里所讲的“信息”是指事物的状态或属性。如火炮膛内的燃气压力、温度、燃速是其膛内的基本信息。

工程技术中的研究对象往往十分复杂，有许多问题至今还难以进行完善的理论分析和计算，需依靠实验研究来解决实际问题。测试工作需要一定的测试设备，而测试系统是将被测参数自动转换成具有可直接观测指示或等效信息的测试设备，其中关键单元是传感器。传感器是由敏感元件直接感受被测量，并将被测量转变为可用电量的一套完整的测量装置。信息本身不具备传输、交换的功能，只有通过信号才能实现这种功能，因此测试技术与信号密切相关。信息、信号、测试系统之间关系可表述为：获取信息是测试的目的，信号是信息的载体，测试是得到被测参数信息的技术手段。

1.2 测试工作的任务

测试工作的基本任务是通过测试手段，对研究对象中有关信息量作出比较客观、准确的描述，使人们对其有一个恰当的全面的认识，并能达到进一步改造和控制研究对象的目的。

信号则是信息的载体，某些信息是可直接检测的，而有些信息是不容易直接检测，需通过对其相关的信息进行加工处理才能获得。一般来说，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、能表征研究对象特征的有关信息，而不能也不可企图获取该事物的全部信息。

现代测试技术的一大特点是采用非电量的电测法，其测量结果通常是随时间变化的电量，亦即电信号。在这些电信号中，包含着有用信息，也包含有大量不需要的干扰信号。干扰的存在给测试工作带来麻烦，测试工作中的一项艰巨的任务就是要从复杂的信号中提取有用的信号或从含有干扰的信号中提取有用的信息。应该指出的是所谓“干扰”是相对的，在一种场合中，被认为是干扰信号，在另一种场合中却可能是有用信号。

人类早就进行测试工作了，但是迄今也很难给测试规定一个明确的定义及工作范围。测试是为了获取有用的信息，而信息是以信号的形式表现出来的。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的突出所需要的信息，并以比较明显的信号形式表现出来，这无疑也是测试工作的一部分。由此可见测试工作是一件非常复杂的工作，需要多种学科知识的综合运用。当然根据要测任务的繁简和要求的不同，并不是每项测试工作都要经历相同的步骤。如用天平和砝码就可以称重，用一根尺子就可以量布。但测定自动武器自动机的运动或研究机床的动态特性所进行的测试应是相当复杂的。

从广义的角度来讲，测试工作涉及到试验设计、模型试验、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。因此测试工作者应当具备这些方面的相关知识。从狭义来讲，测试工作则是在选定激励方式下，信号的检测、变换、处理、显示、纪录以及电量输出的数据处理工作。本课程限于从狭义的范围来讨论动态测试技术中的基础知识。

1.3 测试技术的发展

现代科技水平的不断发展，为测试技术水平的提高创造了物质条件，反过来，拥有高水平的测试系统又会促进新科技成果的不断发现和创新。两者之间是相辅相承的。大致来说，测试技术的发展方向有下列几个方面。 （1）量程范围更加宽广

在火炮膛压测试技术中，对常规火炮膛压小于600Mpa的测试，采用铜柱（或铜球）测压器或压电传感器均可满足要求。为提高火炮射程和射击精度，在高膛压火炮的研究中，膛压可达到800～1000Mpa，甚至1000Mpa以上，并伴随着105X9.8ms-2的高冲击加速度，这就促使膛压测试技术要相应的发展，研制测压范围更宽的压力传感器以及配套的压力动态标定装置。 （2）传感器向新型、微型、智能型发展

精度高、灵敏阈值高而测量范围大及小型化是传感器的发展的一个重要方向。新的材料，特别是新型半导体材料方面的成就，已经促使很多对力、热、光、磁等物理量或气体化学成分敏感的器件的发展。光导纤维不仅可用来信号传输，而且可作为物性型传感器。另一个引人注目的发展是由于微电子的发展使得很有可能把某些电路乃至微处理器和传感测量部分做成一体，而是传感器具有放大、校正、判断和一定的信号处理功能，组成所谓的“智能传感器”。 （3）测量仪器向高精度和多功能发展

测量仪器及整个测量系统精度的提高，使测得数据的可信度也相应提高。仪器精度的提高，可减少试验次数，从而减少试验经费，降低产品成本，在提高测量仪器精度的同时应扩大仪器的功能。计算机技术的发展也使测试技术产生了革命化的变化，在许多测试系统中利用计算机而使仪器起的测量精度更高，功能更全。 （4）参数测量与数据处理项自动化发展

现代测试技术的发展，使采用以计算机为核心的自动测试系统成为可能，该系统一般能实现自动校准、自动修正、故障诊断、信号调制、多路采集、自动分析处理并能打印输出测试结果。

1.4 本课程的特点及目的

学习内容：本课程主要讨论工程动态测试中常用的传感器、中间变换电路及记录、显示、分析设备的工作及原理，测量系统的静、动态特性的评价方法，测量信号的可测性分析，计算机在测试中的应用，常用的应变测量技术、压电测量技术、光电测量技术以及温度测量技术以及其它几个常见物理量的动态测试方法。

本课程特点：对高等学校机械工程各有关专业来说，本课程是一门技术基础课。本课程是数学、物理学、电工学、电子学、力学、控制工程及计算机技术等课程的综合应用。

学习方法：本课程具有很强的实践性，只有在学习过程中密切联系实际，加强实验，注意物理概念，才能真正掌握有关知识。本课程在教学环节中安排了相关的必要的实验及习题，学习中学生必须主动积极地参加实验，及完成相应的习题才能受到应有的实验能力的训练，才能在潜移默化中获得关于动态测试工作的比较完整的概念，也只有这样，才能初步具有处理实际测试工作的能力。

学习目的：通过本课程的学习，培养学生能较正确地选用测试系统并初步掌握进行动态测试所需要的基本知识和技能，为学生进一步学习、研究和处理工程测试技术问题打下坚实的基础。从进行动态测试工作所必备的基本条件出发，学生在学完本课程后应具有下列几个方面的知识和能力：

①掌握信号时域和频域的描述方法，建立明确的信号频谱概念，掌握频谱分析的基本原理和方法；了解相关分析、功率谱分析的基本原理及其应用，了解数字信号分析的基本概念，掌握误差的性质及处理方法。

②了解常用传感器、中间变换电路及记录、显示设备的工作原理及性能，并能依据测试要求进行比较合理的选择。

③掌握测试系统的静、动态特性的评价方法和不失真测量条件，并且能正确运用相关理论对测试系统进行分析和选择。了解动态误差的基本概念及常用动态误差修正方法。

④对动态测试工作的基本问题有一个比较完整的概念，对工程测试中的某些参数的测试能自行确定测试方法，自行设计或选用测试系统，并能对测量结果正确地进行数据处理。

第二章 测量的基础知识 2.1 测量

在科学研究和工程试验中，往往需要探求物理现象之间的数量关系。为了确定被测对象的量值而进行的实验过程称为测量。 测量的最基本形式是比较——将待测的未知量和予定的标准作比较。由测量所得到的被测对象的量值表示为数值和计量单位的乘积。 测量可分为两类：直接测量和间接测量。

2.1.1 直接测量

无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测量值的测量为直接测量。直接测量又可分为两种：直接比较和间接比较。 直接比较 直接把被测物理量和标准作比较的测量方法称为直接比较。长度测量是最简单的直接比较。但是，并不是任何物理量和标准之间的比较，都能直接由人的感官来完成。电阻测量也是一种直接测量，但需要借助于惠斯通电桥来进行未知电阻和标准电阻之间的比较。直接比较的一个显著特点是待测物理量和标准量是同一种物理量。

间接比较 直接测量的另一种方法是间接比较。如水银温度计测量体温是通过热胀冷缩的规律把温度的高低转化为水银柱的长度，然后，通过对水银柱长度的比较间接地得出被测温度的大小。这就是间接比较。概括来讲，间接比较是利用仪器仪表——统称之为测量系统——把原始形态的待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系（通常是线性关系）的另一种物理量的变化，并以人的感官所能接受的形式（通常是位置的变化），在测量系统的输出端显示出来。用弹簧测力，用直流电流表测电流等等都是间接比较的例子。 无论直接比较还是间接比较，都是直接用测量仪器测出待测量的大小，都属于直接测量。 为使测量结果具有普遍的科学意义，测量必须具备以下两个条件：

首先用作比较的标准必须是精确已知的，得到公认的；其次，进行比较的测量系统必须工作稳定，经得起检验。

2.1.2 间接测量

间接测量是在直接测量的基础上，根据已知的函数关系，计算出所要测量的物理量的大小。例如在弹道实验中测量弹丸的初速，就是先用直接测量测出两靶之间的距离和弹丸通过这段距离所需要的时间，然后由平均速度公式计算出弹丸的运动速度。这种测定弹丸速度的方法，属于间接测量。

一般，尽可能地不采用间接测量，因为它的准确度往往不如直接测量高，但是，有时所要测的物理量本身就是根据数学关系定义的，没有比较的标准可供使用（如冲量、马赫数等），或者没有能够探测所要测量的物理量的仪器，在这些场合，就不得不采用间接测量了。

2.3 非电量电测系统的组成

2.3.1现代测量技术的特点：

1）电测法，即电测非电量。采用电测法，首先要将输入物理量转换成电量，然后再进行必要的调节、转换、运算，最后以适当的形式输出。这一转换过程决定了测量系统的组成。

2）采用计算机作为测量系统的核心器件，具有数据处理，信号分析及显示功能。

2.3.2 测试系统组成

一个完整的测试系统包括以下几部分：传感器、信号变换与测量电路、显示与记录器及数据处理器、打印机等外围设备。如图2-1所示。此外还有传感器标定设备、电源和校准设备等都是附属部分，不属于测试系统主体范围内，数据处理器与打印机也按具体情况的需要而添置。

传感器是整个测试系统实现测试与自动控制（包括遥感、遥测和遥控）的首要关键环节，它的作用是将被测非电量转换成便于放大、记录的电量。在工业生产的自控过程中，几乎全靠各种传感器对瞬息变化的众多参数信息进行准确、可靠、及时的采集（捕获），以达到对生产过程按预定工艺要求进行随时监控，使设备和生产系统处于最佳的正常运转状态，从而保证生产的高效率和高质量。传感器是整个测试系统中采集信息的首要环节，所以有时称传感器为测试系统的一次仪表，其余部分为二次仪表或三次仪表。作为一次仪表的传感器往往又由两个基本环节组成，如图2-2所示。

①敏感元件（或称预变换器，也统称弹性敏感元件） 在进行由非电量到电量的变换时，有时需利用弹性敏感元件，先将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。

②传感元件 凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变换为电量的器件称为传感元件（或称变换元件）。例如应变计、压电晶体、压磁式器件、光电元件及热电偶等。但并不是所有的传感器都包括敏感元件和传感元件两部分。有时在机——电量变换过程中，不需要进行预变换这一步，例如热敏电阻、光电器件等。另外一些传感器，敏感元件与传感元件合二为一，如固态压阻式压力传感器等。

中间变换与测量电路依测量任务的不同而有很大的伸缩性。在简单的测量中可完全省略，将传感器的输出直接进行显示或记录。 显示与记录器的作用是把中间变换与测量电路送来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来。

若按记录方式分，又可分为模拟式记录器和数字式记录器两大类。模拟式记录器记录的是一条或一组曲线。如自动平衡式记录仪、X—Y记录仪等。数字式记录器记录的是一组数字或代码。如瞬态波形记录器等。

此外，数据处理器、打印机、绘图仪是上述测试系统的延伸部分。它能对测试系统输出的信号作进一步处理，以便使所需的信号更为明确化。

在实际的测量工作中，测量系统的构成是多种多样的。它可能只包括一、二种测量仪器，也可能包括多种测量仪器，而且测量仪器本身也可能相当复杂。可以将微型计算机直接用于测量系统中，也可以在测量现场先将测量信号记录下来，再用计算机进行分析处理。

2.3.3测试系统分类及特点

按照信号传递方式来分，常用的测试系统可分为模拟式测试系统和数字式测试系统。现代测试系统中还包括智能式测试系统。在模拟测试系统中，如图2-3所示。