矿山测试技术-测试技术基础汇编

1测试技术基础

测量的基本概念测试系统的特性测量误差测量数据处理1.1测试系统的组成

测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称光电池V温度计简单测试系统传统测试系统组成框图信息转换信息提取被测信号被测量类别被

测

量热工量温度、热量、比热容；压力、压差、真空度；流量、流速、风速机械量位移(线位移、角位移)、尺寸、形状；力、重量、力矩、应力；质量；转速、线速度；振动幅值、频率、加速度、噪声物性和成分量气体化学成分、液体化学成分；酸碱度(pH值)、盐度、浓度、黏度、密度、相对密度状态量颜色、透明度、磨损量、材料内部裂纹或缺陷、气体漏泄、表面质量测试系统动画计算机测试系统组成形象框图1.1.1被测信号（signal）确定性信号

可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号确定性信号—静态信号和动态信号动态信号—周期信号和脉冲信号随机信号不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号，即无法确切预测未来任何瞬间的精确值的信号，只能用数学统计模型来预测、描述和分析1.1.1信号分类框图信号分类1.1.2传感器（transducer、sensor）

传感器是一种把物理量和化学量转换为电量的装置作用：直接感受被测物理量并将被测物理量转换成便于放大、记录的电量(如电流、电压或电路参量)物理量化学量电量1.1.3信号调理器（变送器transmitter）传感器与显示记录仪表之间的中间电路作用1.放大：传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大（测控放大器）2.预滤波：传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比（高频、低频、带通、带阻滤波器）3.阻抗变换、调制解调常用电路

电桥电路、放大电路、滤波电路、调制解调电路、相敏检波电路、湝振电路、阻抗变换电路、A/D转换电路、V/F转换电路、线性化电路等变送器(transmitter)把传感器输出的信号转换成规范化标准信号：4～20mA电流信号；0～5电压信号1.1.4显示和记录仪（displayandrecorder）

显示和记录仪是测试系统的输出环节作用：将所测得的有用信号及其变化过程显示或记录(或存储)下来数据显示：各种表盘、电子示波器和显示屏数据记录：函数记录仪、数据采集仪、数字存储示波器、无纸记录仪、动态记录仪1.2测试系统的基本特性

测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称测试系统的基本特性—输入、输出特性—静态特性和动态特性理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入－输出关系，知道其中一个量就可以确定另一个量实际理想的测试系统输出和输入成线性关系系统设计时总是希望输入和输出保持这种理想的线性关系1.2.1线性系统（linearity）输出和输入成线性关系线性系统的数学模型测试装置本身参数有关的常数

是输入函数

是输出函数

线性系统性质a)叠加性

系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)

则x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)b)比例性

常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即:

若x(t)→y(t)则kx(t)→ky(t)c)微分性

系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即

若x(t)→y(t)则x'(t)→y'(t)线性系统性质d)积分性

当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即

若x(t)→y(t)

则∫x(t)dt→∫y(t)dte)频率保持性

若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即

若x(t)→y(t)且x(t)=Acos(ωt+φx)

则y(t)=Bcos(ωt+φy)线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用1.2.2测试系统的静态特性

静态特性（staticcharacteristic

）指系统在被测信号处于不变或缓慢变化时，输入与输出的关系测试系统综合性能体现◎静态校准条件：

指没有加速度，没有冲击，振动，环境温度为20±5℃，相对适度不大于85％，大气压力为0.1±0.08MPa的情况1.2.2.1静态特性曲线静态特性曲线的数学描述xy线性xy非线性常用多项式理想静态特性曲线—线性系统1.2.2.1静态特性曲线—标定曲线标定曲线：在标准条件下，给定输入值，对系统重复进行全程逐级加载和卸载获得曲线理想线性系统特性曲线—直线

实际线性系统标定曲线：通常以标准量作为输入信号并测出对应的输出，再用统计法（如最小二乘法）求出一条输入—输出直线注意：1重要的测试，需在进行测试前、后都对测试系统进行标定2使测量数据具有法律效力法律效力，标定曲线应由法定计量部门完成常识计量认证的标志为CMA，CMA是ChinaMetrologyAccredidation（中国计量认证/认可）的缩写根据计量认证管理法规规定，经计量认证合格的检测机构出具的数据，作为公证数据，具有法律效力标定曲线由厂家给定1.2.2.2灵敏度

对测试系统输入一个变化量Δx，就会相应地输出一个变化量Δy，则测试系统的灵敏度s为

yx△x△y1.2.2.3线性度(直线度)

线性度：标定曲线与理想直线的接近程度称为测试系统的线性度若在系统的标称输出范围(全量程)内，标定曲线与参考理想直线的最大偏差为Bmax，则线性度可用下式表示

yxBmax

量程1.2.2.4回程误差

回程误差（迟滞Hysteresis）：在相同测试条件下和全量程范围yFS

内，在输入由小增大和由大减小的行程中，对于同一输入值所得到的两个输出值之间的最大差值Δhmax与量程yFS

的比值的百分率

xyΔhmaxyfs1.2.2.5量程量程（range)：系统在正常工作时所能测量的最大量值范围，称为测量范围或称量程yFS在动态测量时，还需同时考虑仪器的工作频率范围跨度（Span）测量范围上限与下限的算术差值测量范围的导出量（下限为零时的跨度）1.2.2.6分辨力和阀值分辨力（Resolution）是指系统能检测到的输入信号的最小变化值的能力分辨力=刻度最小值阀值（Threshold）是指当一个系统的输入从零开始极缓慢地增加，只有达到了某一最小值后，才测得出输出变化，这个最小输入值输入就称为系统的阈值(死区Deadband)动态范围动态范围（DynamicRange）：跨度与绝对分辨力之比系统对输入信号大小的综合检测能力1.2.3测试系统的动态特性动态特性当被测参数随时间变化时，输入量与输出量间的函数关系波形失真输出信号不可能任意迅速地跟随输入信号，出现输入波形与输出波形奇变(失真)波形失真原因摩擦和阻尼质量惯性、热惯性储能器的填充或放空动态特性指标频域指标—正弦信号—幅频特性、相频特性时域指标—阶跃响应—时间常数、上升时间、响应时间和超调量

研究系统的动态特性的方法时间域中进行—如输入阶跃函数，考察系统的响应时域指标主要有时间常数、上升时间、响应时间和超调量等频率域中进行—如输入正弦函数，考察系统的响应频域指标主要有固有频率、工作频带、相位角等

1.2.3.1线性系统时域描述一般在工程中使用的测试装置都是线性系统线性系统动态特性的数学模型—

常系数线性微分方程式表示(时域描述)研究时需解此常系数线性微分方程式理想线性系统的解

y(t)=A

x(t-t0)1.2.3.2传递函数（passfunction）

传递函数H(s)是指在系统的零初始条件下(即t=0时，输入量、输出量及其各阶导数均为零)，输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉氏变换比值(复域描述)复频域分析：拉氏变换,自变量为S=+j

w传递函数有以下几个特点：1)

H(s)和输入x(t)的具体表达式无关

传递函数H(s)用于描述系统本身固有的特性，与x(t)的表达式无关。x(t)不同时，y(t)的表达式也不同，但二者拉普拉斯变换的比值始终保持为H(s)

例如时域描述：常系数线性微分方程式复域描述：代数方程传递函数有以下几个特点：2）不同的物理系统可以有相同的传递函数

各种具体的物理系统，只要具有相同的微分方程，其传递函数也相同，即同一个传递函数可表示不同的物理系统例如，液柱温度计和简单的RC低通滤波器同是一阶系统，具有相同的传递函数3）传递函数与微分方程等价由于拉普拉斯变换是一一对应变换，不丢失任何信息，故传递函数与微分方程等价

动圈式电表振动子系统、弹簧－质量－阻尼系统和LRC振荡电路都是二阶系统，具有相同的传递函数1.2.3.3频率响应函数

频率响应函数是指在系统的零初始条件下(即t=0时，输入量、输出量及其各阶导数均为零)，输出量的付里叶变换与输入量的付里叶变换比值(频域描述)

输入函数的傅里叶变换X(jω)、输出函数的傅里叶变换Y(jω)和系统频率响应函数H(jω)都是复数量频率响应函数复数形式幅频特性相频特性频率响应函数A(ω)是H(jω)的幅值，它表示输出与输入正弦信号振幅之比随频率的变化规律，称为测试系统的幅频特性(ω)是H(jω)的相位角，它表示输出、输入正弦信号相位差随频率的变化规律，称为系统的相频特性H(ω)、幅频特性A(ω)、相频特性φ(ω)，都是简谐输入频率ω的函数幅频特性和相频特性

幅频特性

—表示输入、输出正弦信号振幅随频率的变化规律相频特性

—表示输入、输出正弦信号相位差随频率的变化规律

幅频特性、相频特性测试方法从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax，逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制就得到系统幅频和相频特性仪器：信号发生器双踪示波器1.2.3.4实现信号不失真传递的条件定义：指系统的响应y(t)的波形与输入x(t)的波形完全相似数学表达式(时域条件)即:该系统的输出波形与输入信号的波形精确地相似，只是幅值放大了A0倍，时间上延迟了t0信号通过测试系统后能保持原信号的特性和全部信息不失真条件图解tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)频域中不失真传递条件表达式

2系统的相频特性(ω)与输入信号x(t)的频率成正比，即时域不失真传递相应传递函数为1系统的幅频特性A(ω)在x(t)的频谱范围内为一常数，即1.3测试系统的主要性能指标

测试系统的主要性能指标有精度稳定性可靠性信噪比传递特性(静态和动态)等

1.3.1测试系统的精度和误差

测试系统的精度和误差是指测试系统给出的指示值和被测量的真值的接近程度

绝对误差Δy=y-y0相对误差γx=Δy/y0×100%引用误差γy=Δy/yFS×100%y0—真值yFS—仪器的测量上限电工仪表精度等级：引用误差最大值γymax×100=Δymax/yFS×100共7级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0使用电工仪表等级仪表时可保证：Δy＜Δyｍax1.3.2稳定性（stability）和可靠性

稳定度指被测量保持不变，仪器由于随机性变动、漂移等引起的示值变化环境影响系数指仪器工作场所的环境条件，诸如室温、大气压、振动等外部状态以及电源电压、频率和腐蚀气体等因素对仪器精度的影响程度可靠性

指测试装置无故障工作时间长短

1.3.3信噪比

信噪比指信号功率ps与噪声功率pn比值，用SNR表示也常用信号电压Vs与噪声电压Vn来表示信噪比1.3.4传递特性（passcharacteristic)传递特性是表示测量系统输入与输出对应关系的性能用静态传递特性和动态传递特性来描述静态传递特性—线性度、重复性、迟滞、灵敏度、量程动态传递特性—系统幅频和相频特性理想的幅频和相频特性系统的幅频特性A(ω)在x(t)的频率范围内为一常数；系统的相频特性(ω)与输入信号x(t)的频率成正比时域指标输入阶跃信号，考察下列参数时间常数t:一阶系统输出上升到稳态值的63.2％所需的时间延迟时间td：系统输出达到稳态值的50％所需的时间上升时间tr：系统输出达到稳态值的90％所需的时间峰值时间tp：二阶系统输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间超调量s：二阶系统输出超过稳态值的最大值衰减比d：衰减振荡的二阶系统输出响应曲线第一个峰值与第二个峰值之比时域指标图示—输入阶跃信号时间常数t延迟时间td上升时间tr峰值时间tp超调量s衰减比d1.4计算机辅助测试系统简介计算机辅助测试(computerassistanttest、CAT)系统组成—计算机、程控设备、接口及软件功能—集数据采集、运算、分析、处理和测试控制优点—充分发挥计算机和各种设备的潜力，通过调用不同的测试软件就能完成不同的测试目的1.4.1计算机辅助测试系统组成典型的计算机辅助测试系统原理框图（）

安全监测自动化系统构成示意图集数据采集、数据管理、通讯管理、数据分析于一体

各部分的作用

传感器与信号调理器：与传统测量仪器相同；多路切换开关(程控开关)：把多个通道的模拟信号按预定顺序与后接的保持电路接通并行模拟开关和地址译码驱动器，把输入的地址翻译成通道代码，把与输入地址相应的模拟开关接通，同时保证每次只有一个模拟开关是导通的采样/保持器：保证A/D转换器进行模数转换期间，输入A/D到转换器的电压是稳定不变的A/D转换器：模拟量转换成数字量并进行编码以适应计算机工作测控接口：管理计算机与模数器之间的数据、状态和控制信息传输和交换如PCI标准总线系统、GPIB仪器通用接口，VXI标准总线系统计算机：系统的控制中心，使整个测量系统成为一个智能化的有机整体，在软件引导下按预定的程序进行信号采集与存贮、自动进行的运算分析与处理，指令以适当形式输出、显示或记录测量结果1.4.2计算机辅助测试系统功能1.自动测量功能

对于通用测量预先把操作程序存入存储器中，操作人员只要按键盘上所规定的功能健，数据采集器就能按预先编制的程序自动测量（如幅值、有效值、平均值）2.多项选择功能

可按要求选择测量项目、信号通道、测量范围和频率范围，并达到最佳工作状态提高测量精度3.结果判断功能

可根据预先给定的指标，判断测试结果的正确性，并能自动记录和显示4.自动校正功能

可进行自动调零，按预先给定的标准进行自校、消除温度、噪声及干扰等因素，把系统误差存储起来，便于以后从测试结果中扣除，提高测试精度1.4.2计算机辅助测试系统功能5.数据处理和分析功能

把测量的数据进行分类处理并进行数学运算、模拟运算、误差修正、工程单位转换等，进行频谱分析6.自动控制功能

对被测对象进行实时控制和定时控制7.故障报警功能

能进行自身的故障诊断报警，由CPU向系统各部分发出校准信号经过比较，可以判断各部分有无故障8.联网通信功能

一般计算机的外设，通过标准接口进行联网通信1.5测试系统选择的原则选择测试系统的根本原则要达到测试的目的和要求、经济节约考虑的因素灵敏度准确度响应特性线性范围稳定性测量方式各特性参数之间的配合

1.5.1灵敏度灵敏度高能检测到被测物理量极微小的变化高灵敏度的测量系统同时也是敏感的噪声接收系统，其噪声也能被放大系统所放大，系统易被外界噪声的侵入灵敏度愈高，往往测量范围愈窄，稳定性也愈差达到既能检测微小的被测量、又能使噪声被抑制到尽量低的目的，测试系统的信噪号比越大越好1.5.2准确度准确度越高，测量结果中所包含的系统误差和随机误差就越小；测试仪器的准确度越高、价格一般就越贵应从被测对象的实际情况和测试要求出发，选用准确度合适的仪器，以获得最佳的技术经济效益若干台不同准确度组成的测试系统，其测试结果的最终准确度取决于准确度最低的那一台仪器如果条件有限，