测试技术基础知识

111章测试的根底学问学问要点测试的根本概念什么是测量、计量、试验和测试？测量是指以确定被测对象值为目的的全部操作；计量是指实现单位统一和量值准确可靠的测量；试验是对被争论对象或系统进展试验性争论的过程，通常是将被争论对象或系统置于某种特定的或人为构建的环境条件下测试是人们生疏客观事物的方法，是具有试验性质的测量，是测量和试验的综合，是依靠肯定的科学技术手段定量地猎取某种争论对象原始信息的过程。什么是信息和信号？对于信息，一般可理解为消息、情报或学问，从物理学观点动身来考虑，信息不是物质，也不具备能量，但它却是物质所固有的，是其客观存在或运动状态的特征。因此，可以理解为：信息是事物运动的状态和方式。把传输信息的载体称为信号，信息蕴涵于信号之中，信号是物理性的，含有特定的信息，易于被测得或感知，易于被传输，是物质，具有能量。人类猎取信息需要借助信号的传播，信号的变化则反映了所携带信息的变化。测试工作的任务是什么？测试工作就是信号的猎取、加工、处理、显示记录及分析的过程。测试工作的根本任务是通过测试手段，对争论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生疏，并能到达进一步改造和掌握争论对象的目的，进一步提高生疏自然改造自然的力量。测试工作中的一项困难任务是要从简单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。测试有什么作用？人类从事的社会生产、经济交往和科学争论活动总是与测试技术息息相关。首先，测试是人类生疏客观世界的手段之一，是科学争论的根本方法。科学的根本目的在于客观地描述自然界，科学定律是定量的定律，科学探究离不开测试技术，用定量关系和数学语言来表达科学规律和理论也需要测试技术事实上，科学技术领域内，很多的科学觉察与技术制造往往是以测试技术的进展为根底的，可以认为，测试技术能到达的水平，在很大程度上打算了科学技术进展水平。同时，测试也是工程技术领域中的一项重要技术。工程争论、产品开发、生产监视、质量掌握和性能试验等都离不开测试技术。在自动化生产过程中常常需要用多种测试手段来猎取多种信息，来监视生产过程和机器的工作状态并到达优化掌握的目的。在广泛应用的自动掌握中，测试装置已成为掌握系统的重要组成局部。在各种现代装备系统的设计制造与运行工作中，测试工作内容已嵌入系统的各局部，并占据关键地位。测试技术已经成为现代装备系统日常监护、故障诊断和有效安全运行的不行缺少的重要手段。举例说明测量的根本方法有哪些？〔１〕指被测量直接与测量单位进展比较，或者用预先标定好的测量仪器或测试设备进展测量，而不需要对所猎取数值进展运算的测量方法，例如用直尺测量长度、用万用表测量电压、电流、电阻值等。间接测量法：指通过测量与被测量有函数关系的其他量，来得到被测量量值的测量方法。例如，为了测量一台发动机的输出功率，必需首先测动身动机的转速nMP=M·n可计算出其功率值。〔２〕按测量时是否与被测对象接触的原则，可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量：往往比较简洁，比方测量振动时承受带磁铁座的加速度计直接放在被测位置进展测量。非接触式测量：可以避开对被测对象的运行工况及其特性的影响，也可避开测试设备受到磨损，例如用多普勒超声测速仪测量汽车超速就属于非接触测量。〔３〕按被测量是否随时间变化的原则，分为静态测量和动态测量。静态测量：被测量不随时间变化或变化缓慢的测量。动态测量：指被测量随时间变化的测量，因此动态测量中，要确定被测量就必需测量它的瞬时值及其随时间变化的规律。〔4〕按被测信号的转换方式分为机械测量法、光测量法、气测量法、液测量法和电测量法。测试系统由哪些局部组成？对其有何要求？的整体，包括信号的检测和转换、信号的调理、分析与处理、显示和记录等。系统组成如图1.1所示。为了准确的获得被测对象的信息，要求测试系统中每一个环节的输出量与输入量之间必需具有一一对应关系，而且，其输出的变化能够准确地反映出其输入的变化。1.1测试系统的组成210测试工作的根本内容及测试技术的进展趋势测试工作的根本内容有哪些？从广义的角度来讲，测试工作涉及包含试验设计、模型理论、传感器、信号的加工与处理(传输、调理和分析、处理)、误差理论、掌握工程、系统辨识和参数估量等内容。从狭义来讲，测试工作则是指在选定鼓励的方式下检测信号，进展信号的调理和分析，以便显示、记录或以电量输出信号、数据的工作。简述测试技术的进展趋势。测试量程范围更加宽广。传感器向型、微型、智能型、材料进展。测量仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格进展。承受高智能化软件，参数测量与数据处理以计算机为核心，使测量、分析、处理、打印、绘图、状态显示及故障预报向自动化、集成化、网络化、通用化和标准化进展。测量方式向多样化进展，如多传感器融合技术在工程中的应用、积木式、组合式测量方法的应用和虚拟仪器技术的应用。广泛承受运算放大器和各种集成电路，简化测试系统。广泛应用信息技术，大幅度提高测试系统的精度。多参量系统的开发，实现多自变量函数的测量。测试技术课程的性质及学习目的测试技术课程的性质是什么？电工学、电子学、力学、掌握工程及计算机技术等课程的综合应用，涉及到传感技术、微电子技术、掌握技术、计算机技术、信号处理技术、周密机械设计技术等多学科技术。学习测试技术课程的目的是什么？把握信号的时域和频域的描述方法，形成明确的信号频谱构造概念；把握谱分析和相关分析、功率谱分析的根本原理和方法；把握数字信号分析中一些最根本的概念和方法；把握误差的性质及处理方法。把握测试系统根本特性的评价方法和不失真测试条件，并能正确地进展测试系统的分析和选择。把握一、二阶系统的动态特性及其测定方法；了解动态误差的根本概念及常用动态误差修正方法。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展比较合理的选择。对动态测试工作的根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展数据处测量误差及其不确定度解释真值、理论真值、商定真值、相对真值、测量误差、确定误差、相对误差、引用误差和准确度的含义。真值即真实值，是指被测量在肯定条件下客观存在的、实际具备的量值。真值是不能精准获知的，通常所说的真值可分为理论真值、商定真值、相对真值。理论真值又称为确定真值，是依据肯定的理论，在严格的条件下，按定义确定180°。商定真值是指用商定的方法确定真值，就给定的目的而言，它被认为充分接近于真值，例如砝码的质量。相对真值也叫实际值，是指将计量器具按精度不同分为假设干等级，高一等级计量器具的测量值即为相对真值。测量误差是测量结果与被测量真值之差。确定误差是指测量值〔也称仪器示值〕与真值之差。相对误差定义为确定误差与真值之比的百分数。引用误差是指测量装置的示值确定误差与引用值之比，并以百分数表示。准确度是指测量装置的准确度，是表示测量装置给出接近于被测量真值的示值力量，反映测量装置的总误差。测量误差按其性质一般分为哪几种？说明其含义及产生的缘由。测量误差按其性质一般分为系统误差、随机误差和粗大误差。系统误差系统误差，前者也叫已定系统误差，在误差处理中是可被修正的；后者为未定系统误差，在实际测量中其方向往往是不确定的，误差估量时可归结为测量不确定度。系统误差的来源包括测量设备的根本误差、测量理论和方法不完善、读数方法不正确、环境误差等。随机误差变化，则该误差为随机误差。产生的缘由很简单，如测量环境中温度、湿度、气压、振动、电场等的微小变化，因此，随机误差是大量对测量值影响微小且又互不相关的因素所引起的综合结果。粗大误差明显超出规定条件下预期值的误差称为粗大误差意或操作不当或不行掌握的环境因素影响等造成的误差，如读错数值、使用有缺陷的测量仪表等。对于粗大误差在数据处理时应予以剔除。什么是测量的不确定度？有哪几种类型？测量不确定度是误差理论进展和完善的产物，是建立在概率论和统计学根底上的概念。它表示由于测量误差的影响而对测量结果的不行信程度或不能确定的程度，测量值在某一区域内以肯定的概率分布，表示被测量分散性的参数就是测量不确定度，因此它是定量描述测量结果质量的一个重要指标。依据计算及表示方法的不同，不确定度可分为标准不确定度、合成标准不确定度和扩展不确定度三类。什么是标准不确定度、合成标准不确定度和扩展不确定度？标准不确定度：是指用概率分布的标准偏差表示的不确定度，依据评定方法的AB类标准不确定度。A类标准不确定度由统计方法得到的不确定度。B类标准不确定度由非统计方法得到的不确定度，即依据资料及假设的概率分布估量的标准偏差表示的不确定度。合成标准不确定度：各个标准不确定度重量合成的标准不确定度。在间接测量时，即测量结果是由假设干非相关重量求得的状况下，测量结果的标准不确定度等于各其他重量的方差和的正平方根。扩展不确定度由合成标准不确定度的倍数表示的测量不确定度。5．A类标准不确定度的评定方法是什么？在同一条件下对被测量x进展n次测量，测量值为xix的估量值，即测量结果为：x1n xn ii1x的标准偏差可用贝塞尔公式计算，即：

样本算术平均值x〔1-1〕1 nS(x)n1 (xii1i

x)2 〔1-2〕用算术平均值作为测量结果，xS(x)则为测量结果的A类标准不确定度，即：n S(x)S(x)nA

〔1-3〕6．B类标准不确定度的评定方法是什么？B可能值不会超出的区间－，kB类测量不确定度为： B kk为包含因子。合成标准不确定度的评定方法是什么？在间接测量时，被测量y是由N 个输入量x 、x1 2

、……xN

的函数关系yf(x,x1 2

,...,xN

)xi

〔1-4〕表示：

Ni1(f)2Ni1(f)22(x)xiic

〔1-4〕式中：

f cx i

Ni1cNi1c22(x)iii

(x是ixi

AB定度可由下式表示：(y)c

〔1-5〕Ni1(fNi1(f)22(x)2N1Nfxix xfr(x,x)(x)(x)i jijii1ji1 i ji j

xxi j

的相互关系数估量值；r(x,xi j

)(xi

)(xj

)(x,xi j

)xxi j

的协方差函数。假设不能写出输出Ni1Ni12i(y)c

〔1-6〕式〔1-6〕i

为第iN为标准不确定度重量的个数。扩展不确定度的评定方法是什么？扩展不确定度U由合成不确定度C

与包含因子k的乘积得到，即：UkC

。扩展不确定度U主要用于测量结果的报告。说明测量不确定度的评定流程〔1〕建立测量过程数学模型，即确定被测量Y 和输入量xi

之间关系：Yf(x,x1 2

x 。Nxi

，它们已包括全部系统误差影响的修正值。xi

的标准不确定度(xi

)，包括A类和B类评定方法。计算灵敏度系数——误差传播系数ci

，包括数值法、偏导法或试验法。确定输入量的相关性及相关系数，包括统计法或公式法。假设已确认各重量相互独立，则可不进展此步骤。xi

yyf(xx1 2

x 。Ny的合成标准不确定度

y)。ck值，确定扩展不确定度Ukp。报告测量结果及其不确定度。测量数据处理方法测量数据处理的任务是什么？

y，估量区间yUyU的置信水c以得到可信的结果。测量数据处理的任务就是求得测量数据的样本统计量，以得到一个既接近真值又可信的估量值以及它偏离真值程度的估量。测量数据处理的表述方法有哪些？各方法有哪些特点？测量数据的表述方法：表格法、图示法和阅历公式法。表格法表格法是依据测试的目的和要求，把一系列测量数据列成表格，再进展其他的处理。表格法的优点：简洁、便利，数据易于参考比较；缺点：不直观，不易看出数据变化的趋势。表格法是图示法和阅历公式法的根底。图示法图示法是用图形或曲线表示数据之间的关系，它能形象直观地反映数据变化的趋势，如递增或递减、极值点、周期性等。但是，图形不能进展数学分析。阅历公式法测量数据不仅可以用图示法表示各变量之间的关系，且可用与图形对应的数学公式来描述变量之间的关系，从而进一步分析和处理数据。该数学模型称为阅历公式，也称为回归方程。如何建立阅历公式来表述测量数据？将输入自变量作为横坐标，输出量即被测量作为纵坐标，在适当的坐标系中绘制测量数据曲线；对绘制的曲线进展分析，确定公式的根本形式。假设数据点所反映的根本上是直线，则可以用一元线性回归方法〔直线拟合〕确定直线方程。假设数据点描绘的是曲线，则要依据曲线的特点推断曲线属于何种类型，推断时可参考已有的数学曲线外形加以选择〔如双曲线、指数曲线、对数曲线、S型曲线等。假设测量曲线很难推断属于何种类型，则可以按多项式回归方程处理，多项式的次数可以用差分法确定。假设测量数据描绘的曲线被确定为某种类型的曲线，则可以先将曲线方程变换为直线方程，然后按一元线性回归方法处理。确定线性方程中的常量，即依据测量数据确定直线方程yabx中的常量ab，然后把曲线变换为直线的方程复原为原来的函数形式。检验所确定公式的准确性，将测量数据中的自变量带入阅历公式，计算出函数值，看与实际测量值是否全都，假设差异很大，说明所确定的公式根本形式可能有错误，此时应建立另外形式的阅历公式。什么叫线性回归？有哪几种类型？依据测量数据来分析变量之间相互关系的方法称为回归分析法，即工程上所说的拟合问题，所得的关系式即为阅历公式或拟合方程。依据变量个数及变量之间关系的不同，回归分析分为一元线性回归〔直线拟合、一元非线性回归〔曲线拟合、多元线性回归和多项式回归等。什么叫一元线性回归方程？求解方法有哪些？各有何特点？一元线性回归方程，实际上就是将一系列测量数据通过数学处理确定相应的直线方程yabxab，即确立了拟合方程。通常求解拟合方程未知系数的方法有以下几种：〔１〕端点法〔最大量程点〕的测量值(x,y1 1

和(xy)n nyabxab分别为ay bx1 1 y y

〔1-7〕 b x xx平均法n个测量值(x,yi i

n 1)分成数目大致一样的两组，前半组k个k=n/2左右，后半组n-k个，两组数据都有自己的“点系中心”，其坐标分别为：ik xix i11 k

k yiy i1i1 k

n xiik1i2 nk

n yiik1i2 nk

〔1-8〕通过上述两个“点系中心(x,y1 1

和(xy2

)的直线即为拟合直线，可得ay bx y bx1 1 2 2 y y

〔1-9〕b 2 1x x2 1最小二乘法最小二乘法的动身点是使实际测量数据yi的残差的平方和为最小，即：

yabxyinVii1

n[yii1

(abxi

)]2min 〔1-10〕为使nV2ii1

abab的值为： n x i

xyi i

yn x2i iai1 i1 i1 i1

x)2

nn x2 i i i1 i1 〔1-11〕

xi

ynn xyi i ibi1 i1

i1 (n x)2nn x2 i ii1 i1以上三种方法中，最小二乘法所得拟合直线精度最高，平均法次之，端点法较差。但最小二乘法计算工作量大，端点法计算最简洁，因此一般状况下多承受端点法，对于精度要求较高的则承受最小二乘法。例题解析【例1.1】举例说明什么是测试？答：(1)测试例子：为了确定一端固定的悬臂梁固有频率，我们可以承受锤击法对梁进展激振，再利用压电传感器、电荷放大器、波形记录器记录信号波形，由衰减的振荡波形便可以计算出悬臂梁的固有频率。(2)结论：由本例可知测试是指确定被测对象悬臂梁固有频率的全部操作，是通过肯定的技术手段—激振、拾振、记录、数据处理等，猎取悬臂梁固有频率的信息过程。【例1.2】以方框图的形式说明测试系统的组成，简述主要局部的作用。答：〔1〕1.1所示。〔2〕各局部的作用如下：传感器是将被测信息转换成某种电信号的器件；信号的调理是把来自传感器的信号转滤波和分析；信号显示、记录环节将来自信号处理环节的信号显示或存贮。模数〔A/D〕转换和数模〔D/A〕转换是进展模拟信号与数字信号相互转换，以便用计算机处理。1.3】2%，50mv10mv，求可能消灭的最大误差。1/21/8什么结论。解：50-10=40mv可能消灭的最大误差为：402%0.8mV1/21/80.8 0.840184012 100%4%，401840121 2结论：测量值越接近传感器〔仪表〕的满量程，测量误差越小。【例1.4】1520.42，20.43，20.40，20.43，20.42，20.43，20.39，20.30，20.40，20.43，20.42，20.41，20.39，20.39，20.40，试判定测量数据中是否存在粗大误差P=99。解：测量数据的平均值为：x1n xn i11n1n1ni1v2iˆ

20.4040.0149614 0.0149614第8个数据的残差0.10430.099，依据拉依达准则可以判定，数据20.30为特别值，应当剔除。剔除该数据后，重计算平均值和标准偏差，得：0.00337413x20.404 0.0160.00337413这时剩余数据的残差30.048即剩余数据不再含有粗大误差依据的P=99%，也可用格罗布斯准则判定，结果一样。【例1.5】某恒温容器温度测控系统，用热电偶数字温度计测量容器内部的实际温度，系统设定温度要求为400℃。所用的测量仪器是带K型热电偶的数字式温度计，从仪器说明0.1℃，准确度为±0.6℃2.0℃〔置99%〕，400℃0.5℃400℃时，10个显示值t1-1。试分析评定其测量不确定度。测量列ti测得值测量列ti测得值ti(℃)12345678910Σ401.0400.1400.9399.4398.8400.0401.0402.0399.9399.04002.22400.22解：测量不确定度的分析评定步骤如下：建立测量过程数学模型T与数字温度计显示值t和热电偶修正值BT=t+B分析测量不确定度来源1〕由于各种随机因素影响引起的读数不重复；数字温度计不准确；热电偶校准时引入的标准不确定度。评定标准不确定度1〕读数重复性引入的标准不确定度11ni11ni1t)2is(t)i

1.03℃故由读数重复性引入的标准不确定度：110s(t10n in1

)1.03C0.33℃2〕数字温度计不准确引入的标准不确定度2B类方法评定：由技术说明书可知，数字温度计的准确度为±0.6℃，故确定最大允许误差区间的半宽度a2

为0.6℃。设测量值在该区间内为均匀分布，则由于数字温度计不准确引入的标准不确定度 为：2a 22 k2

0.6C1.730.35C热电偶校准时引入的标准不确定度3B400℃0.5℃，其不确定度2.0℃99%，包含因子k3为：

2.583 a3

3k 2.0C2.580.78C3计算合成标准不确定度3为：0.3320.3320.3520.78222221 2 3c

0.92C确定扩展不确定度〔总不确定度〕k=2，故扩展不确定度UUk 20.92C1.8Cc习题推断题传感技术，计算机技术与通信技术一起构成了现代信息的三大支柱。测试是以确定被测物属性量值为目的的全部操作。对屡次测量的数据取算术平均值，就可以削减随机误差的影响。在间接测量中，只要直接测量的相对误差小，则间接测量的误差也就肯定小。用近似公式或近似值计算测量值所造成的误差一般属于系统误差。选择题测试技术的进展趋势： ， ， ， 。A.智能化，集成化，高灵敏化，数字化；B.智能化，集成化，微小化，数字化；C.集成化，高灵敏化，微小化，数字化；D.智能化，高灵敏化，微小化，数字化 、 与 一起构成了现代信息的三大支柱。A.纳米技术，计算机技术，检测技术；B.多媒体技术，测量技术，通信技术；C.传感技术，计算机技术，通信技术；D.超导技术，传感技术，通信技术仪器构造不完善所引起的误差属于A.引用误差；B.随机误差；C.过失误差；D.系统误差使用最小二乘法时，偏差的平方和最小意味着拟合直线与整个试验数据。A.不相关；B.偏离度大；C.偏离度最小；D.3个都不对以下哪个参数反映测试系统的随机误差的大小 。A.灵敏度；B.重复性；C.滞后量；D.线性度填空题1-11在测试系统中，输入量与输出量之间一般是关系。信息与信号二者间关系是 测量误差是指 的差值有 。、和三类。1-14测量数据处理的表述方法有 法、法和法。1-15现有0～300℃、0.5级和0～120℃、1级的两支温度计，推测量100℃左右的温度，测量精度高的是用 。问答题什么是测量？什么是测试？测试系统一般由那些局部组成?各局部功能是什么？测试有哪些方法？何为非电量电测法？有何特点？什么是测量误差？误差有哪几种类型和表示方法？表征测量结果质量的指标有哪些？不确定度的术语有哪些?产生测量不确定度的缘由是什么？分析计算题针对测试技术课程的特点，思考如何学习该课程?1.2性衡量乘坐舒适性的指标之一：坐椅处衡量乘坐舒适性的指标之一：坐椅处的加速度加速度计液压振动台：模拟道路的颠簸状态1.2汽车乘座舒适性试验装置1.3从加速度计猎取带有去除噪声积分后得到的放大后的“噪声”的电压输出后的信号速度电压信号电压信号第一级：传感器其次级：信号调理电路第三级：显示与记录第一级：传感器其次级：信号调理电路第三级：显示与记录汽车振动加速度加速度计滤波器积分器放大器显示记录时间/s鼓励装置(振动台)反响掌握测量装置xy1-2所示，试用最小二乘法建立此直线的回归方程。1-2x、yx1381013151720y3467891011xSx95%置信概率的算术平均值极限误差及置信区间，并比较两组测量值的周密度。A组：23.11，23.12，23.12，23.19，23.16，23.20，23.13，23.19B组：21.48，23.62，22.73，22.61，24.32，23.14，23.09，23.23习题解答推断题解答1-1√；1-2×；1-3√；1-4×；1-5×。选择题解答1-6B；1-7C；1-8A；1-9C；1-10B。填空题解答一一对应信息在信号之中测量值与其真值之间；系统误差；随机误差；粗大误差。表格；图示；阅历公式1-150～120℃、1问答题解答答：测量是指以确定被测对象值为目的的全部操作；测试是人们生疏客观事物的方法，是具有试验性质的测量，是测量和试验的综合，是依靠肯定的科学技术手段定量地猎取某种争论对象原始信息的过程。答信号调理与信号器以及显示、记录仪器三个局部。传感器感受和拾取被测的非电量信号，并把非电量信号转换成电信号，以便送入后续的仪器进展处理；信号调理仪器也称运算等，以求得信号中有用的特征值；显示仪、记录仪器的作用是供给人的知觉能够理解的信息。标定装置用以找到测量装置的输入与输出之间的精准关系。鼓励装置是依据测试内容的需要，使被测对象处于人为的工作状态，产生表征其特征(信息)的信号。答静态测量法和动态测量法；机械测量法、光测量法、气测量法、液测量法和电测量法等。非电量电测法是将不同的被测机械量信号转换成一样的电信号，便于用统一的后继仪器进行处理和计算机分析方法。这种测量方法精度高、灵敏度高，特别适于动态测试，还便于进展远距离测量和掌握，甚至可以进展无线遥控测量。答：测量误差是测量结果与被测量真值之差。误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差三种。误差的表示方法有确定误差、相对误差和引用误差。表征测量结果质量的指标主要有正确度、周密度、准确度和不确定