工程测试技术基础

工程测试技术基础摘要：本文全面介绍了工程测试技术基础的相关内容，包括测试的基本概念、测试系统的组成、传感器原理及应用、信号调理与转换、数据采集与处理以及测试误差分析等方面。通过对这些知识的阐述，旨在帮助读者建立起工程测试技术的基本框架，为实际工程测试工作提供理论支持。

一、引言在现代工程领域中，测试技术起着至关重要的作用。无论是机械制造、电子工程、航空航天还是土木建筑等行业，都离不开对各种物理量的精确测量和分析。工程测试技术基础涵盖了从传感器获取信号到数据处理与结果分析的一系列知识和方法，它是实现工程系统优化设计、性能评估、故障诊断以及质量控制的重要手段。

二、测试的基本概念

（一）测试的定义测试是指确定被测对象的属性和特性，包括各种物理量、化学量、生物量等，并将其与规定的标准进行比较的过程。通过测试，可以获取关于被测对象的信息，为工程决策提供依据。

（二）测试的目的1.性能评估：了解工程系统或产品在不同条件下的性能指标，如机械部件的强度、速度、精度等，电子设备的电压、电流、功率等，以便评估其是否满足设计要求。2.故障诊断：检测系统或设备中存在的故障，确定故障的位置和原因，为维修和改进提供指导。3.质量控制：在生产过程中对产品进行检测，确保产品质量符合标准，防止不合格产品流入市场。4.优化设计：根据测试结果，对工程设计进行优化，提高产品性能和效率，降低成本。

（三）测试的分类1.按测试对象分类机械测试：测量机械部件的力学性能、运动参数等，如应力、应变、位移、速度等。电气测试：检测电气信号的电压、电流、电阻、频率、相位等参数，以及电路的性能。热工测试：测量温度、热量、热流等热学量，评估热传递过程和热设备性能。声学测试：分析声音的频率、强度、音色等特性，进行噪声控制和声学设计。光学测试：测量光的强度、波长、角度等参数，用于光学系统的设计和检测。2.按测试手段分类直接测量：直接从测量仪表的读数获取被测量的数值，如用万用表测量电压。间接测量：通过测量与被测量有函数关系的其他量，从而得到被测量的值，如通过测量电流和电阻，利用欧姆定律计算电压。组合测量：同时测量多个与被测量有关的量，通过解联立方程得到被测量的值，常用于较为复杂的测量场合。3.按测试性质分类静态测试：在被测对象处于稳定状态下进行的测试，测量的是静态参数，如物体的质量、硬度等。动态测试：测量被测对象在随时间变化过程中的参数，如振动、噪声、信号的动态特性等。

三、测试系统的组成

（一）传感器传感器是测试系统的首要环节，它能将被测的非电量转换为电量。常见的传感器类型有：1.电阻式传感器：利用电阻值随被测量变化的特性工作，如应变片可测量应变，进而计算应力。2.电容式传感器：通过改变电容值来检测被测量，常用于位移、压力等测量。3.电感式传感器：基于电磁感应原理，将被测量转换为电感变化，可测量位移、振动等。4.压电式传感器：能将机械振动或压力转换为电信号，广泛应用于振动测量和力测量。5.光电式传感器：利用光电效应将光信号转换为电信号，常用于转速测量、物体检测等。

（二）信号调理与转换传感器输出的信号往往很微弱或不满足后续处理要求，需要进行信号调理与转换。1.放大：将微弱的电信号放大到合适的电平，以便后续处理。2.滤波：去除信号中的噪声和干扰，保留有用信号成分。常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。3.调制与解调：当被测信号的频率较低时，为了便于传输和抗干扰，常采用调制技术将信号调制到较高频率的载波上，接收端再进行解调还原信号。4.A/D转换：将模拟信号转换为数字信号，以便计算机进行处理和存储。

（三）数据采集数据采集系统负责采集经过调理和转换后的数字信号。它通常包括采样保持电路、模数转换器、数据存储和传输部分。采样频率应根据信号的最高频率合理选择，以保证能准确还原信号。

（四）数据处理与显示采集到的数据需要进行处理和分析，以获取有用信息。常见的数据处理方法包括：1.数字滤波：进一步去除数字信号中的噪声。2.特征提取：提取信号的特征参数，如峰值、均值、频率成分等。3.信号分析：如频谱分析、相关分析、小波分析等，深入了解信号的特性。处理后的数据可通过显示器、打印机等设备进行显示和记录，以便直观地观察和分析测试结果。

四、传感器原理及应用

（一）应变片传感器应变片是一种常用的电阻式传感器，用于测量物体的应变。它由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。当应变片粘贴在被测物体表面时，物体的应变会引起敏感栅电阻的变化，通过测量电阻变化可计算出应变值。应变片广泛应用于机械工程中的应力分析、材料力学性能测试等领域。

（二）压电式加速度传感器压电式加速度传感器利用压电材料的压电效应工作。当传感器受到振动或加速度作用时，压电元件产生电荷，电荷量与加速度成正比。通过测量电荷量可得到加速度值。该传感器常用于振动测量、冲击检测以及地震监测等方面。

（三）光纤传感器光纤传感器利用光纤的光学特性来检测被测量。常见的光纤传感器有光纤应变传感器、光纤温度传感器等。例如，光纤应变传感器通过检测光纤的长度或折射率变化来测量应变，具有抗电磁干扰、灵敏度高、可分布式测量等优点，在航空航天、电力等领域有广泛应用。

五、信号调理与转换

（一）放大器放大器是信号调理中常用的电路，用于放大微弱信号。常见的放大器有运算放大器、功率放大器等。运算放大器具有高增益、高输入电阻和低输出电阻等特点，可实现各种信号放大和运算功能，如反相放大、同相放大、加法运算等。功率放大器则用于将小功率信号放大为大功率信号，以驱动负载。

（二）滤波器1.低通滤波器：允许低于截止频率的信号通过，抑制高于截止频率的信号成分。常用于去除高频噪声，如在音频信号处理中去除高频杂音。2.高通滤波器：与低通滤波器相反，只允许高于截止频率的信号通过，可用于提取信号的高频成分或去除低频干扰。3.带通滤波器：只允许在某一频率范围内的信号通过，用于选择特定频率范围内的信号，如在通信系统中选择特定频道的信号。4.带阻滤波器：抑制某一频率范围内的信号，让其他频率信号通过，常用于消除特定频率的干扰，如电力系统中的工频干扰抑制。

（三）调制与解调1.调幅（AM）：将载波信号的幅度随调制信号的变化而变化。调制信号为低频信号，载波信号为高频信号。解调时可采用包络检波器等方法恢复调制信号。2.调频（FM）：使载波信号的频率随调制信号变化。调频信号具有抗干扰能力强等优点，常用于广播、通信等领域。解调方法有鉴频器等。3.调相（PM）：载波信号的相位随调制信号改变。调制与解调原理与调频类似。

（四）A/D转换A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，其性能指标包括分辨率、转换精度、转换速度等。常见的A/D转换方法有逐次逼近型、双积分型等。逐次逼近型A/D转换器转换速度较快，适用于对转换速度要求较高的场合；双积分型A/D转换器抗干扰能力强，常用于对转换精度要求较高且转换速度要求不高的场合。

六、数据采集与处理

（一）数据采集系统数据采集系统一般由传感器、信号调理电路、A/D转换器、数据存储和传输设备以及计算机等组成。计算机通过接口电路控制数据采集过程，并对采集到的数据进行存储和初步处理。采集系统的采样频率应根据奈奎斯特采样定理确定，以避免混叠现象。

（二）数据处理方法1.数字滤波：通过软件算法对数字信号进行滤波处理，可灵活设计滤波器特性。常见的数字滤波算法有均值滤波、中值滤波、巴特沃斯滤波等。2.频谱分析：将时域信号转换为频域信号，分析信号的频率成分和分布。常用的频谱分析方法有傅里叶变换、快速傅里叶变换（FFT）等。FFT算法大大提高了频谱分析的计算效率。3.相关分析：用于研究两个信号之间的相关性，可检测信号的时延、同步性等。相关分析在振动测量、故障诊断等领域有重要应用。4.小波分析：能同时在时域和频域对信号进行局部分析，可有效提取信号的突变点和奇异点等特征，适用于非平稳信号的处理。

（三）数据显示与记录采集和处理后的数据可通过多种方式显示和记录。常见的显示设备有示波器、液晶显示器等。示波器可实时显示电信号的波形，便于观察信号的变化过程。数据记录设备有硬盘、U盘、磁带机等，可将数据长期保存以便后续分析和处理。

七、测试误差分析

（一）误差的分类1.系统误差：在相同条件下，多次测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按一定规律变化的误差。系统误差主要由测量仪器、测量方法、环境因素等引起，可通过校准仪器、改进测量方法、控制环境条件等措施减小或消除。2.随机误差：在相同条件下，多次测量同一量时，误差的大小和符号以不可预定的方式变化的误差。随机误差服从统计规律，可通过增加测量次数，取平均值来减小其影响。3.粗大误差：明显超出规定条件下预期的误差。粗大误差通常是由于测量人员的疏忽、仪器故障等原因造成的，应剔除含有粗大误差的数据。

（二）误差的表示方法1.绝对误差：测量值与真值之差，即绝对误差=测量值真值。2.相对误差：绝对误差与真值的比值，通常用百分数表示，相对误差=（绝对误差/真值）×100%。相对误差能更直观地反映测量结果的准确程度。3.引用误差：绝对误差与测量仪表量程上限值之比，引用误差=（绝对误差/量程上限值）×100%。引用误差常用于衡量测量仪表的精度等级。

（三）误差的合成与传递当测量结果受多个因素影响时，需要进行误差的合成与传递。若测量结果\(y\)是多个独立测量值\(x_1,x_2,\cdots,x_n\)的函数，即\(y=f(x_1,x_2,\cdots,x_n)\)，则测量结果\(y\)的绝对误差\(\Deltay\)为：

\(\Deltay=\sum_{i=1}^{n}(\frac{\partialf}{\partialx_i})\Deltax_i\)

相对误差\(\delta_y\)为：

\(\delta_y=\frac{\Deltay}{y}=\sum_{i=1}^{n}(\frac{\partial\lnf}{\partial\lnx_i})\deltax_i\)

式中，\(\Deltax_i\)为\(x_i\)的绝对误