工程测试与信号处理技术,测试：是测量与试验的概括，是人们借助于一定的装置，获取被测对象有相关“信息”的过程。,( Measurement and test Technology ),第一章 绪 论,1-1 测试技术,2017/12/7,第一章 绪论,2,1、何为测试技术？,测试是科学的基础，从某种意义上讲，没有测试就没有科学。,测试：是指采用专门的技术手段和仪器设备，设计合理的实验方法并进行必要的数据处理，从而找到被测量的量值和性质的过程。,例1-1：运动物体受到的空气阻力与其速度成正比，测量某物体自由坠落过程中的阻尼系数。,试验设计：自由坠落、多点计时。得到测试数据：,建立系统模型：,初始条件：,有阻尼情况下，物体坠落位移方程：,尚有参数 c 待定。,此 c 便是待求阻尼系数。,2017/12/7,第一章 绪论,3,2、测试技术的任务及测试系统的组成,测量：使用一定的装置，通过实验来获取“数据”的过程；,实验：是指以“检验某种假设或验证某个结论”而进行操作过程。,试验：以获取“信息”为目的的“测量”和“数据分析与处理”的过程。,测试 ： 测量 + 试验。,数据处理：利用相应的技术和设备，进行各种数据加工的过程。,包括：数据的采集、存储、检索、比较、变换、传输等等。,例如：比较两只步枪的射击精度测试。,测试数据：,数据处理：,中心坐标：,系统偏差：随机误差：,相关术语和概念：,通过测试，得到了信息,2017/12/7,第一章 绪论,4,信息量：作用于的受体的不确定性 (uncertainty )消除的程度；,不确定性：事件结果的不可预测程度。,事件1：明天早上会下雨吗？,事件2：明天早上会地震吗？,事件3：明天还会是白天吗？,国家队 vs 伊朗国家队； 输赢概率：0.55 : 0.45 H2=0.9928,国家队 vs 韩国国家队； 输赢概率：0.25 : 0.75 H3=0.8133,国家队 vs 巴西国家队； 输赢概率：0.05: 0.95 H4=0.2864,信号：信息的载体，其物理形态可以转换、传输和记录，而承载的信息不变。,本课程所涉及的信号，特指：随时间而变化的物理量，且以机械量和热工量为主。,机械量：例如，应力、应变、位移、速度、转速、角度等等；,热工量：例如，压力(压强)、流量、温度等等；,2017/12/7,第一章 绪论,5,测试技术的任务：,1、依据研究对象的既有模型或假设，结合具体的研究目的设计实验；,2、利用适当的仪器设备、通过合理的操作过程获得必要的测试数据；,3、通过数据处理获取描述、评价和比较研究对象状态和属性的“信息”。,非电量电测法：将非电物理量变换成电压、电流、电容、电阻等等电量进行传输、记录和显示，从而达到测量目的的方法；,传感器：在非电量电测过程中，实现非电量到电量的转换的器件或设备；,传感器标定：通过实验建立被测非电物理量与传感器输出电量的之间精确的函数关系的方法和过程；,测试系统的组成及测试的工作过程：,2017/12/7,第一章 绪论,6,3、测试技术的发展方向,新材料应用：新型压电、磁敏、光敏、气敏等敏感材料应用新型传感器；,计算机技术应用，主要体现在以下两个方面：,嵌入式计算机的应用智能传感器和传感设备；,计算机技术和通讯技术的应用网络化测试技术、虚拟仪器技术；,数据处理技术发展：新型变换域方法、人工智能在数据挖掘、知识获取方面的应用等等，使得数据分析的结果更加丰富、更加深入。,4、本课程测内容和任务,机械工程中常见动态物理量的传感、信号调理、数据采集的方法及设备应用；,常用数据处理方法的算法原理及应用；,2017/12/7,第一章 绪论,7,实例一：变频空调管路测试，目的：获取管路振型和固频，减振设计、疲劳寿命提高。,实例二：材料冲击测试，目的：获取玻璃、混凝土等材料在冲击载荷作用下的本构特性，为结构抗爆设计提供依据。,实例三：电机异响测试，目的：在生产线上代替人工听音，自动判断产品是否合格。,5、实例,1-2 量的基本概念,2017/12/7,第一章 绪论,8, 1-2-1 量和量纲，国际单位制,量：现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。,基本量：确定单位制时选定的相互独立的量。,1960年10月，第11届国际计量大会确定了国际通用的“国际单位制”，简称“SI 制”。其中包括七个基本量：,长度单位：m / 米；,时间单位：s / 秒；,重量单位：kg / 千克；,电流单位：A / 安培；,温度单位：C / 摄氏度；,物质的量：mol / 摩尔 （以1克C12所包含的C原子个数为一个单位）,光强度单位：cd / 坎德拉；,辅助量：,平面角度单位： rad / 弧度；,球面角单位： sr / 球面度；,2017/12/7,第一章 绪论,9,导出量：以基本量为基础，为表示物质属性或物质运动状态而导出的量。,例如：速度，物体在单位时间运动的距离，m / s，或， km / h 等；,压强，单位面积上的压力，Pa = N/m2，帕斯卡。,国际制中的倍数单位和分数单位：,倍数单位：k (103) / M (106) / G (109) / T (1012)；,分数单位：d (10-1) / c (10-2) / m (10-3) / m (10-6) / n (10-9) / p (10-12) ；,例如：压力（压强）1000Pa 1 kPa，1000 kPa = 1 MPa,长度 1 m 10 dm = 100 cm = 1000 mm , 1 mm = 1000,2017/12/7,第一章 绪论,10,计量基准：用来保存和复现计量单位的计量器具。三级基准：国家基准、副基准和工作基准，分别由国家、省、市质量监督局保存。,计量标准：按照国家计量检定系统规定的准确度等级制作的计量器具，用于检定更低一级的计量标准或计量器具。如，检定测长器具（如游标卡尺）的量块。,量值传递：通过自上而下逐级检定或校准，将国家基准所复现的单位量值逐级传递到测量用的器具上，以保证测量量值的准确和一致。,第二十八条县级以上人民政府计量行政部门依法设置的计量检定机构，为国家法定计量检定机构。其职责是：负责研究建立计量基准、社会公用计量标准，进行量值传递，执行强制检定和法律规定的其他检定、测试任务，起草技术规范，为实施计量监督提供技术保证，并承办有关计量监督工作。,常用仪表精度级别：0.05级、0.1级、0.2级、0.5级、1.0级、1.5级、2.5级；,例外：称重仪表用分度数表示精度，例如：3000，表示其准确度为满量程的13000。,计量：为实现测量准确和单位统一而进行的测量过程；,1-2-2 基准、标准和量值的传递,2017/12/7,第一章 绪论,11,1-2-3 测量方法,直接测量和间接测量：用测量器具直接测得被测值称为直接测量；先测得相关值，然后经计算得到被测值的测量方法称为间接测量。,直接比较和间接比较测量：将被测值与已知值进行比较的测量方法称为直接比较测量，如，尺子、天平；利用仪器将原始被测量转换成与之保持固定关系的另一种量，然后再进行比较测量的方法称为间接比较测量，如，水银温度计。,接触测量和非接触测量,等精度测量和不等精度测量,相关术语,示值：测量器具指示的被测量之量值。,示值误差：示值与真值之差。,标称范围：测量器具所能指示的范围。,测量范围：误差允许的标称范围。,量程：标称范围上下限之差。,最小刻度1mm的尺子是不等精度测量器具，量值越大误差越小。,振弦式力传感器是等精度测量器具，量程范围内其误差总是1%。,工程上，通常标称范围等于测量范围，于是，经常将以上三个概念统称为“量程范围”。例如，位移传感器量程范围50mm，满量程精度 0.1%(FSC)。,1-3 测量误差与测量结果的可信程度,2017/12/7,第一章 绪论,12,系统误差（偏差）：对同一对象进行多次测量，如果测量误差按一定规律变化或保持为一个常数，这种误差称为“系统误差”或称“偏差”。, 1-3-1、误差及其统计特性,例如，某个品牌的钢卷尺有制造误差，环境温度25C时刻度偏大 0.1；该尺子的温度系数为 0.01C。在环境温度35C时测量真值为 x0 的物体时，其测量的示值为：,测量误差（绝对误差）定义：Dx = x x0 ; x：测量结果，x0：被测对象的真值。,系统误差可以通过标定和补偿等技术手段予以减小或消除。,粗大误差：显超出合理预期的测量结果。在连续测量过程中，也称为“飞点”，通常是由于某种意外因素而造成的不合理测量结果。在数据处理是应予以剔除。,2017/12/7,第一章 绪论,13,例如，两台人体秤称同一人体重，每台称反复称100次，所得数据如下：,74.9322 75.0259 75.0096 74.9608 74.9870 75.0103 75.1074 75.0831 74.9595 75.0910,75.0072 74.9949 75.0040 74.9982 74.9956 75.0046 75.0029 74.9803 74.9966 74.9892 ,74.9986 / 0.0394,74.9991 / 0.0178,随机误差：对同一对象进行多次测量，如果测量误差的大小和符号以不可知的方式变化，这种误差称为“随机误差”。,均值：,标准方差：,通常用均值作为测量结果；标准差（均方差）作为衡量随机误差大小的测度。,2017/12/7,第一章 绪论,14, 1-3-2、误差产生原因,器具误差：测量设备本身存在缺陷而产生的误差。,方法误差：测量测量操作过程而产生的误差。,例如，PT100型热敏电阻，特性如图所示，用线性关系近似表达阻值与温度的关系时，会存在一定误差。,调整误差：测量前未能将器具和被测对象调整到正确的位置或状体而导致的误差。例如，人体称未精确调零而导致的测量误差。,观测误差：测量时观测者主观判断不当而导致的误差。,环境误差：测量过程环境条件变化而导致的误差。例如，测量一个零件的尺寸，因环境温度改变和热涨冷缩而造成的尺寸测量结果不同。,机械量电测的噪声：包括不可预知的电磁噪声、振动噪声、传感器和电路的热噪声等等。,2017/12/7,第一章 绪论,15, 1-3-3、误差的表示方法,式中： x 测量结果，x0 被测对象的真值,相对误差：,引用误差：,式中： xm 称为“引用值”。通常取器具的测量范围上限作为引用值，此时称为“满量程（FSCFull Scale）误差”，指的是测量值达到满量程时的最大误差，常用于表示测量器具的“精度”。,分贝误差：,式中： x 为测量结果，x0 为被测对象的真值。,绝对误差：,2017/12/7,第一章 绪论,16, 1-3-4 测量结果的可信程度,测量的精密度：描述了测量结果中随机误差大小的程度，反映了多次测量结果的重复性。,测量的正确度：描述了测量结果中系统误差（偏差）大小的程度，是规定条件下测量结果中所有系统误差的综合反映。,测量的准确度：测量精密度描述了测量结果与被测真值的一致程度，是测量结果中随机误差和系统误差的综合反映，也称为测量“精确度”或“精度”。,测量的不确定度：测量不确定度是对被测真值所处范围的估计和评定，反映了测量结果的可信程度。任何一次测量，只有不确定度可估计时才有意义。,用多次测量数据的均方差来衡量，精密未必准确。,用多次测量数据的均值与真值之差来衡量，正确未必精密。,用多次测量的最大偏差来衡量，既有随机误差的成分、也有系统误差的成分。,即，误差可能范围的测度。例如，用尺子测量长度时，测量结果的准确度不会大于尺子的最小刻度。因此，最小刻度可作为该尺子或此次测量的“不确定度”指标。,2017/12/7,第一章 绪论,