第1章绪论检测技术与仪器工程测试技术教学课件

工程测试技术南京理工大学参考教材：

孔德仁、朱蕴璞、狄长安编著《工程测试技术》科学技术出版社2004年2月第一版工程测试技术南京理工大学参考教材：1课程的教学目标①熟悉测量的基本知识（基本概念与术语）；②掌握信号的基本特点和描述方法；③掌握测量系统的基本特性和评价方法；熟悉正确选用测量系统和合理应用测量结果的原则；⑤了解典型机械工程量的测试方法（测试系统构建、测试过程实施、测试结果评价）课程的教学目标2主要内容第1章绪论第2章

测量的基础知识第3章工程信号及其可测性分析第4章

测量系统的基本特性第5章计算机测试技术第6章

测试结果及误差分析第7章信号调理电路及指示纪录装置第8章

应变电测技术第9章压电测量技术第10章

光电测量技术第11章温度测量技术第12章

噪声测量技术第13章压力测量技术第14章

位移、速度、加速度测量*第15章机械振动测试主要内容31.1引言——《测试技术》的内涵1、人类认识的过程1）自然观测：天文现象、苹果落地、…经验。2）试验+观测：使对象在设定的条件下运行，然后观测总结规律。2、测试技术

●测试技术=测量技术+试验技术

☆

试验:使研究对象处于要求的状态.★

测量:

获取研究对象的状态(参数)量值.1.1引言——《测试技术》的内涵41.1引言——《测试技术》的内涵●试验：使研究对象处于要求的状态.☆

试验技术:对象分析（影响因素分析）、试验设计（试验方案设计）、试验组织与实施——控制工程、（测量……..)系统建模方法、系统辨识与参数估计、………….1.1引言——《测试技术》的内涵●试验：使研究对象处于要51.1引言——《测试技术》的内涵★

测量:

获取研究对象的状态(参数)量值.★

测量技术：

传感技术（信号获取）、信号调理（变换、放大等）、信号传输、信号（结果）评估——误差理论、信号分析处理→→获得被测对象的信息1.1引言——《测试技术》的内涵★测量:获取研究对61.1引言——《测试技术》的内涵●测试技术=测量技术

+试验技术★“测量”与“试验”相互依存——“试验”时必有测量；“试验”时测量的效果最好。

——在“自然”状态下（随机因素很多！）进行测量往往不能把握被测对象的有效信息☆“测量”与“试验”相互依存→→“测试技术”

1.1引言——《测试技术》的内涵●测试技术=测量技71.1引言——《测试技术》的内涵●测试技术=测量技术+试验技术★“试验技术”与工程对象的关联密切——通常按具体对象分论；

☆“测量技术”的通用性较好——按工程对象通论。

“测试技术”通常重点讨论工程对象的测量技术!

——本课程亦如此约定：测试≈测量；测试技术≈测量技术。1.1引言——《测试技术》的内涵●测试技术=测量技81.２测试（测量）的基本任务★“测试”（测量）的任务：

获取被测对象发出的信号。☆

测试（试验+测量）的根本目的：

获取被测对象的信息掌握其规律☆信号：信息的表达形式。

针对工程研究对象，信号=状态参量的量值。1.２测试（测量）的基本任务★“测试”（测量）的任务91.２测试（测量）的基本任务★

“测试”（测量）的任务：

获取被测对象发出的信号。被测对象测试系统信号x信号2信号1信号y信号x1.２测试（测量）的基本任务★“测试”（测量）的任务101.２测试（测量）的基本任务被测对象测试系统信号x信号2信号1信号y信号x要解决两个问题：

1.信号x→信号y。

2.保证正确理解信号y。1.２测试（测量）的基本任务被测测试系统信号x信号2信号11动态测试的困难：

●静态量：不随时间变化量；●动态量：随时间变化的量——动态信号

（在测试过程中）（不变是相对的）

动态测试=对动态信号的测试（测量）★要求：测量系统有足够快的响应能力。动态测试的困难：12静态测量与动态测量静态测量与动态测量13静态测量与动态测量静态测量与动态测量141.3测试技术的作用与历史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

●利用“日晷”计量时间

●利用“绳扣”记录数量

●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后，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。1.3测试技术的作用与历史151.3测试技术的作用与历史(续)2、科学离不开实验（测试）

●牛顿通过实验发表了万有引力定律；

●伽利略通过实验创造了力学；

●波义尔通过实验创造了化学；

●麦克斯韦尔通过实验创造电磁场理论；●

1665年虎克利用光学显微镜观察软木栓，发现了细胞，促进了生物学的发展；1.3测试技术的作用与历史(续)161.3测试技术的作用与历史(续)

●

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。1.3测试技术的作用与历史(续)171.3测试技术的作用与历史(续)●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，同时布郎吉发明了弹道摆，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。1.3测试技术的作用与历史(续)181.3测试技术的作用与历史(续)

3、测试技术在现代生活中的作用1）家用电器空调，尤其是中央空调；楼宇控制；洗衣机（全自动、纳米材料，模糊洗衣机）……;2）加工中心（提高金属材料的加工精度）；3）油井温度压力控制（测压蛋）；4）石油、煤矿勘察5）原油进口6）水果进口7）高速公路速度测量……1.3测试技术的作用与历史(续)191.3测试技术的作用与历史(续)4、测试技术的发展历史1）古老测量方法——自然工具2）机械测量方法；3）电测方法； 非电量电测的基本思想4）计算机测试技术（CAT） ①第一代CAT技术（专用接口） ②第二代CAT技术（通用接口） ③虚拟仪器技术1.3测试技术的作用与历史(续)4、测试技术的发展历史20●

更好的基础、更高的要求1.4测试（测量）技术的发展趋势测试技术★

测量范围不断拓展

↑——巨大量：1000MPa高膛压、10万g冲击加速度;↓——微小量：纳米、原子力动态测量——微秒级的瞬态过程量、……..★

测量准确度不断提高常规位移测量的不确定度可以小到μm量级；常规动态压力测量的不确定度不难控制到1%级以内、…..★

智能化

自动适应测量任务、自动综合分析处理信号、…——测量系统更好用、结果更好理解★

微小型化

——嵌入式测量系统其它科技☆更有效的认识方法●更好的基础、更高的要求1.4测试（测量）技术的发展趋211.4测试技术的发展趋势1、量程范围更加宽广例：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。1.4测试技术的发展趋势221.4测试技术的发展趋势(续)2、传感器向新型、微型、智能型发展传感器是信号检测的器具。精度高、灵敏阀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”。1.4测试技术的发展趋势(续)231.4测试技术的发展趋势(续)3、测量仪器向高精度和多功能发展在产品研制过程中要进行(相同条件下试验若干次)大量试验，然后对所测数据进行统计分析。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。1.4测试技术的发展趋势(续)241.4测试技术的发展趋势(续)4、参数测量与数据处理项自动化发展一个产品的大型综合性试验，准备时间长，待测参数多，靠人工检查，耗费时间长；众多的数据依靠手工去处理，不仅精度低，处理周期也太长。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测试技术的发展趋势(续)251.5本课程的地位、目的、课程结构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。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。1.5本课程的地位、目的、课程结构261.5本课程的地位、目的、课程结构(续)在教学环节中安排了相关的必要的实验及习题，学习中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，才能初步具有处理实际测试工作的能力。1.5本课程的地位、目的、课程结构(续)271.5本课程的地位、目的、课程结构(续)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，掌握频谱分析的基本原理和方法；了解数字信号分析的基本概念。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，能依据测试要求合理地选择相关的测试设备。3.掌握测试系统的静、动态特性的评价方法及不失真测量条件,能够正确运用相关理论对测试系统进行分析和选择。1.5本课程的地位、目的、课程结构(续)281.5本课程的地位、目的、课程结构(续)

4.对动态测试工作的基本问题有比较完整的概念，能合理确定机械工程中典型参数的测试方法。5.熟悉测量误差及不确定度的基本概念，了解动态测量误差的概念。掌握测量数据处理及测量结果评估的基本方法。1.5本课程的地位、目的、课程结构(续)29工程测试技术南京理工大学参考教材：

孔德仁、朱蕴璞、狄长安编著《工程测试技术》科学技术出版社2004年2月第一版工程测试技术南京理工大学参考教材：30课程的教学目标①熟悉测量的基本知识（基本概念与术语）；②掌握信号的基本特点和描述方法；③掌握测量系统的基本特性和评价方法；熟悉正确选用测量系统和合理应用测量结果的原则；⑤了解典型机械工程量的测试方法（测试系统构建、测试过程实施、测试结果评价）课程的教学目标31主要内容第1章绪论第2章

测量的基础知识第3章工程信号及其可测性分析第4章

测量系统的基本特性第5章计算机测试技术第6章

测试结果及误差分析第7章信号调理电路及指示纪录装置第8章

应变电测技术第9章压电测量技术第10章

光电测量技术第11章温度测量技术第12章

噪声测量技术第13章压力测量技术第14章

位移、速度、加速度测量*第15章机械振动测试主要内容321.1引言——《测试技术》的内涵1、人类认识的过程1）自然观测：天文现象、苹果落地、…经验。2）试验+观测：使对象在设定的条件下运行，然后观测总结规律。2、测试技术

●测试技术=测量技术+试验技术

☆

试验:使研究对象处于要求的状态.★

测量:

获取研究对象的状态(参数)量值.1.1引言——《测试技术》的内涵331.1引言——《测试技术》的内涵●试验：使研究对象处于要求的状态.☆

试验技术:对象分析（影响因素分析）、试验设计（试验方案设计）、试验组织与实施——控制工程、（测量……..)系统建模方法、系统辨识与参数估计、………….1.1引言——《测试技术》的内涵●试验：使研究对象处于要341.1引言——《测试技术》的内涵★

测量:

获取研究对象的状态(参数)量值.★

测量技术：

传感技术（信号获取）、信号调理（变换、放大等）、信号传输、信号（结果）评估——误差理论、信号分析处理→→获得被测对象的信息1.1引言——《测试技术》的内涵★测量:获取研究对351.1引言——《测试技术》的内涵●测试技术=测量技术

+试验技术★“测量”与“试验”相互依存——“试验”时必有测量；“试验”时测量的效果最好。

——在“自然”状态下（随机因素很多！）进行测量往往不能把握被测对象的有效信息☆“测量”与“试验”相互依存→→“测试技术”

1.1引言——《测试技术》的内涵●测试技术=测量技361.1引言——《测试技术》的内涵●测试技术=测量技术+试验技术★“试验技术”与工程对象的关联密切——通常按具体对象分论；

☆“测量技术”的通用性较好——按工程对象通论。

“测试技术”通常重点讨论工程对象的测量技术!

——本课程亦如此约定：测试≈测量；测试技术≈测量技术。1.1引言——《测试技术》的内涵●测试技术=测量技371.２测试（测量）的基本任务★“测试”（测量）的任务：

获取被测对象发出的信号。☆

测试（试验+测量）的根本目的：

获取被测对象的信息掌握其规律☆信号：信息的表达形式。

针对工程研究对象，信号=状态参量的量值。1.２测试（测量）的基本任务★“测试”（测量）的任务381.２测试（测量）的基本任务★

“测试”（测量）的任务：

获取被测对象发出的信号。被测对象测试系统信号x信号2信号1信号y信号x1.２测试（测量）的基本任务★“测试”（测量）的任务391.２测试（测量）的基本任务被测对象测试系统信号x信号2信号1信号y信号x要解决两个问题：

1.信号x→信号y。

2.保证正确理解信号y。1.２测试（测量）的基本任务被测测试系统信号x信号2信号40动态测试的困难：

●静态量：不随时间变化量；●动态量：随时间变化的量——动态信号

（在测试过程中）（不变是相对的）

动态测试=对动态信号的测试（测量）★要求：测量系统有足够快的响应能力。动态测试的困难：41静态测量与动态测量静态测量与动态测量42静态测量与动态测量静态测量与动态测量431.3测试技术的作用与历史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

●利用“日晷”计量时间

●利用“绳扣”记录数量

●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后，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。1.3测试技术的作用与历史441.3测试技术的作用与历史(续)2、科学离不开实验（测试）

●牛顿通过实验发表了万有引力定律；

●伽利略通过实验创造了力学；

●波义尔通过实验创造了化学；

●麦克斯韦尔通过实验创造电磁场理论；●

1665年虎克利用光学显微镜观察软木栓，发现了细胞，促进了生物学的发展；1.3测试技术的作用与历史(续)451.3测试技术的作用与历史(续)

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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。1.3测试技术的作用与历史(续)461.3测试技术的作用与历史(续)●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，同时布郎吉发明了弹道摆，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。1.3测试技术的作用与历史(续)471.3测试技术的作用与历史(续)

3、测试技术在现代生活中的作用1）家用电器空调，尤其是中央空调；楼宇控制；洗衣机（全自动、纳米材料，模糊洗衣机）……;2）加工中心（提高金属材料的加工精度）；3）油井温度压力控制（测压蛋）；4）石油、煤矿勘察5）原油进口6）水果进口7）高速公路速度测量……1.3测试技术的作用与历史(续)481.3测试技术的作用与历史(续)4、测试技术的发展历史1）古老测量方法——自然工具2）机械测量方法；3）电测方法； 非电量电测的基本思想4）计算机测试技术（CAT） ①第一代CAT技术（专用接口） ②第二代CAT技术（通用接口） ③虚拟仪器技术1.3测试技术的作用与历史(续)4、测试技术的发展历史49●

更好的基础、更高的要求1.4测试（测量）技术的发展趋势测试技术★

测量范围不断拓展

↑——巨大量：1000MPa高膛压、10万g冲击加速度;↓——微小量：纳米、原子力动态测量——微秒级的瞬态过程量、……..★

测量准确度不断提高常规位移测量的不确定度可以小到μm量级；常规动态压力测量的不确定度不难控制到1%级以内、…..★

智能化

自动适应测量任务、自动综合分析处理信号、…——测量系统更好用、结果更好理解★

微小型化

——嵌入式测量系统其它科技☆更有效的认识方法●更好的基础、更高的要求1.4测试（测量）技术的发展趋501.4测试技术的发展趋势1、量程范围更加宽广例：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。1.4测试技术的发展趋势511.4测试技术的发展趋势(续)2、传感器向新型、微型、智能型发展传感器是信号检测的器具。精度高、灵敏阀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”。1.4测试技术的发展趋势(续)521.4测试技术的发展趋势(续)3、测量仪器向高精度和多功能发展在产品研制过程中要进行(相同条件下试验若干次)大量试