测试技术基本概念
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第1章测试的基础知识1.1 知识要点1.1.1测试的基本概念1.什么是测量、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;试验是对被研究对象或系统进行实验性研究的过程,通常是将被研究对象或系统置于某种特定的或人为构建的环境条件下,通过实验数据来探讨被研究对象性能的过程;测试是人们认识客观事物的方法,是具有试验性质的测量,是测量和试验的综合,是依靠一定的科学技术手段定量地获取某种研究对象原始信息的过程。
2.什么是信息和信号?对于信息,一般可理解为消息、情报或知识,从物理学观点出发来考虑,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。
人类获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。
3.测试工作的任务是什么?测试工作就是信号的获取、加工、处理、显示记录及分析的过程。
测试工作的基本任务是通过测试手段,对研究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认识,并能达到进一步改造和控制研究对象的目的,进一步提高认识自然改造自然的能力。
测试工作中的一项艰巨任务是要从复杂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。
4.测试有什么作用?人类从事的社会生产、经济交往和科学研究活动总是与测试技术息息相关。
首先,测试是人类认识客观世界的手段之一,是科学研究的基本方法。
科学的基本目的在于客观地描述自然界,科学定律是定量的定律,科学探索离不开测试技术,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,验证科学理论和规律的正确性同样需要测试技术。
事实上,科学技术领域内,许多新的科学发现与技术发明往往是以测试技术的发展为基础的,可以认为,测试技术能达到的水平,在很大程度上决定了科学技术发展水平。
工程测试技术基础工程测试技术基础是现代工程领域非常重要的一个领域,工程测试技术基础包含了一些工程学科基础知识以及测试技术、测试方法和测试设备的知识等。
在工程测试技术的实际应用中,它能够帮助工程设计者和工程师们更好地理解和把握工程运行的状况以及进行问题排除,从而大大提高工程的安全性和可靠性,使得工程的设计和运行更加高效、稳定和安全。
在本文中,将会介绍工程测试技术基础的相关知识。
一、工程测试技术基本概念工程测试技术是用科学方法和技术手段来对工程进行量化测量、记录和分析的过程,它不仅可以测量各种物理量和电气参数,还可以对物理现象进行分析和解释。
以工程学科为例,工程测试技术包含了诸多测试方法和测试技术,例如:电子数字测量、信号分析、计算机仿真、热工测试、机械振动测试、光学测试、气体测试和电机测试等。
工程测试技术的设计目的是为了得到准确的,可重复的和有意义的测试数据,并且使测试过程不影响工程的正常运行,以及对测试结果进行分析和解释。
根据测试对象的不同,工程测试分为产品测试和系统测试。
产品测试是指对制造的单个产品进行测试。
而系统测试则是对整个系统进行测试,包括硬件和软件。
二、测试方法与分析在工程测试过程中,测试方法和测试设备非常重要,有多种测试方法可以用于检测工程中的各种参数和变量。
接下来,我们将介绍一些常用的测试方法和测试设备。
1. 机械测试机械测试主要用于测量物体在机械方面(如力、形变、位移和速度等)的性能和特征。
通常采用传感器和数字多功能测量仪器来进行测量,例如拉伸试验机、压缩试验机、硬度计、扭转试验机、冲击试验机等。
2. 电气测试电气测试主要用于测量电气参数和电气性能,例如电压、电流、电阻、电势差等。
通常采用万用表、示波器、电源和信号生成器等仪器来进行测量。
3. 光学测试光学测试主要用于分析光学器件和系统的性能和特点,例如照明系统、视觉系统和光通信系统。
常用的测试仪器包括光谱仪、分光仪、激光测量仪、显微镜等。
1、测量:指确定被测对象属性量值为目的的全部操作。
如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称为计量。
测试:具有试验性质的测量,或测量和试验的综合。
2、测量精度和不确定度:测量精度是泛指测量结果的可信程度。
测量精密度:表示测量结果中随机误差大小的程度,也指在一定条件在进行多次测量时所得结果彼此符合的程度。
测量正确度:表示测量结果中系统误差大小的程度。
测量准确度:表示测量结果和被测量结果和真值之间的一致程度。
测量不确定度:表示对被测量真所处量值范围的评定。
3、一个信号包含着反映被测系统的状态或特性的某些有用的信息,它是人们认识客观十五内在规律、研究事物之间相互关系、预测未来发展的依据。
4、周期信号:按一定时间间隔周而复始出现的信号x ( t ) =x ( t + nT )。
随机信:是一种不能准确预测其未来瞬时值,也无法用数学关系式来描述的信号。
但可用概率统计方法由其过去来估计其未来。
5、信号时域描述直观地反映出信号瞬时值随时间变化的情况;频域描述则反映信号的频率组成及其幅值、相角之大小。
6、周期信号的频谱的特点:1) 周期信号频谱是离散的。
2)每条谱线只出现在基波频率的整倍数上,不存在非整倍数的频率分量。
3)各频率分量的谱线高度与对应谐波的振幅成正比。
工程中常见的周期信号,其谐波幅值总的趋势是随谐波次数的增高而减小的。
7、周期信号的强度表示:峰值XP是信号在时域中出现的最大瞬时幅值Xp=|x(t)|max;绝对均值μ|X|—周期信号全波整流后的均值有效值xrms—信号中的有效值就是均方根值平均功率Pav—有效值的平方,也就是说,均方根值就是信号的平均功pav=8、非周期信号包括准周期信号和瞬变非周期信号。
9、随机信号是不能用确定的数学关系式来描述的不能预测其为了任何瞬时值,任何一次观测值只代表在其变动范围中可能产生的结果之一,但其值的变动服从统计规律。
描述随机信号必须用概率和统计的方法。
10、随机信号主要特征参数:1)均值、方差和均方值2)概率密度函数3)自相关函数4)公里谱密度函数。
第一章 测试技术的理论基础1、 基本概念标定曲线:灵敏度:线性度:测量系统的标定曲线(由试验确定的实际工作曲线)对理论拟合直线的接近程度 分辨率:检测到被测量最小变化值。
回程误差:在相同条件下,被测量值不变,计量器具行程方向不同其示值之差的的绝对值。
漂移:测量仪器计量特性的慢变化传递特性:静态传递特性:描述系统静态测量时输入—输出函数关系的方程、图形、参数称为静态传递特性。
动态传递特性:描述系统动态测量时输入—输出函数关系的方程、图形、参数称为动态传递特性。
2、 测试系统的组成、作用及其性能指标答:测试系统主要由荷载系统、测量系统、信号处理系统和显示记录系统组成。
荷载系统:使被测对象处于一定受力状态,使其有关力学量充分显露,以便进行有效测量。
测量系统:将被测物理量转化为电信号,并对信号进行变换、放大、运算, 变成易于处理和记录的信号。
由传感器(一次仪表)、中间变换、测量电路组成信号处理系统:对输出信号进一步处理以排除干扰。
显示和记录系统:将对被测对象所测得得有用信号及其变化过程显示和记录下来。
性能指标主要有:精度、稳定性、量程、分辨率和传递特性3、 线性测试系统的主要特性答:叠加性、齐次性(比例性)、微分特性、积分特性、频率保持特性(幅值、频率和相位差)4、 选择和组建测试系统的基本原则答:灵敏度高:能感测微小变化,但是存在噪声问题,测量范围小,稳定性差准确度:尽量使准确度一致;前面环节的准确度高于后面环节的准确度响应特性:保持不失真,充分考虑被测量变化特点。
线性范围:线性范围与量程要保证准确度,允许在近似线形区间工作。
稳定性:零漂和漂移测量方式:满足实际的工作条件。
匹配性 :灵敏度与量程匹配%100m ax ⨯=Ah f δx ys ∆∆=第二章传感器1、基本概念传感器:能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
狭义定义指传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
基本概念1.传感器的定义:工程中通常把直接作用于被测量,能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件称作传感器。
2.传感器的分类。
(1)物性型传感器:依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号变换的传感器。
属于物性型传感器有:光电式和压电式,如:电阻应变片,压电式加速度计,光电管等。
(2)结构型传感器:依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。
属于结构型传感器的有:电感式,电容式,光栅式。
如:电容传感器,涡流传感器,差动变压器式等。
(3)按照工作原理分类,固体图象式传感器属于(光电式传感器)3.静态指标:线性度,灵敏度,重复性等。
(1)线性度:指测量装置输出、输入之间保持常值比例关系的程度。
(2)灵敏度:输出的变换量与输入的变换量之比。
(3)重复性:指测量系统在输入量按同一方向做全量程连续多次测试时所得输入、输出特性曲线不重合程度。
4.动态指标:属于传感器动态性能的有:固有频率,5.灵敏度:(1)测试系统的灵敏度越高,则其测量范围:越窄(2)对于理想的定常线性系统,灵敏度是(常数)(3)传感器灵敏度的选用原则。
①尽量选用灵敏度高的传感器②尽量选用信噪比大的传感器③当被测量是向量时要考虑交叉灵敏度的影响④过高的灵敏度会缩小其适用的测量范围6.线性度:非线性度是表示校准曲线( 偏离拟合直线)的程度。
7.稳定性:测试装置在规定条件下保持其测量特性恒定不变的能力称( 稳定度 )8.精确度:(1)精度:也称为精确度,是反映测量系统误差和随机误差的综合误差指标,即准确度和精密度的综合偏差程度。
(2)传感器精确度的选用原则。
①尽量选用精确度高的传感器,同时考虑经济性②对于定性试验,要求传感器的精密度高③对于定量试验,要求传感器的精确度高④传感器的精确度越高,价格越昂贵。
9.可靠性:是指在使用环境和运行指标不超过极限的情况下,系统特性保持不变的能力。
10.在静态测量中,根据绘制的定度曲线,可以确定测量系统的三个静态特性:灵敏度,非线性度,回程误差。
11.在非电量电测法中,总是将被测信号转换成( 电信号 )12.传感器测量方式的选用原则。
①工作方式不同对传感器要求也不同②对运动部件,往往需要非接触测量③对自动控制与检测系统应进行在线测量④对危险的工作场合,应采用遥测装置。
13.测量装置有效地辨别紧密相邻量值的能力称( 分辨力)14.通常物性型传感器的工作频率范围( 较宽)15.传感器响应特性的选用原则。
①响应特性必须满足不失真测量条件②延迟时间越短越好③物性型传感器响应较快,可工作频率范围宽;结构型传感器固有频率低,可工作频率较低④充分考虑被测物理量的变化特点。
16.电参数型传感器:被测量变化导致电阻、电感、电容发生变化的敏感元件统称为电参数型传感器。
17.按照工作原理分类,固体图象式传感器属于(光电式传感器)18. 测量范围大的电容式位移传感器的类型为(容栅型)19.对差动变压器式传感器进行静态定标时,铁芯向上和向下运动时零点不一致的原因是( 零点残余电压)20. 差动变压器零点残余电压:由于两个次级线圈结构不对称,以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀,线圈间分布电容等原因所形成的现象。
21. 涡流式传感器测量位移与其它位移传感器比较,其主要优点是什么?能实现非接触测量,结构简单,不怕油等介质污染。
22. 涡流传感器能否测量大位移量?为什么?涡流传感器不能测量大位移量,只有当测量范围较小时,才能保证一定的线性度。
23.光栅式莫尔条纹光栅传感器的输出是( 数字脉冲式)24.感应同步器:(1)(感应同步器)常用于测量大位移。
(2)直线式感应同步器由哪两个绕组组成?由固定绕组和滑动绕组组成。
(3)鉴相式测量电路的作用是什么?检测感应电动势的相位,从而根据相位确定位移量的大小和方向。
25.将电阻应变片贴在( 弹性元件)上,就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器。
26.金属丝应变片在测量某一构件的应变时,其电阻的相对变化产生的原因是( 几何尺寸变化 )27.半导体应变片的工作原理是基于( 压阻效应)28.半导体应变片具有( 灵敏度高)等优点。
29.半导体应变片的特点::①灵敏度高;②由于机械滞后小、横向效应小及体积小等特点,扩大了使用范围;③温度稳定性能差;④灵敏度分散度大,非线性误差大。
30.金属电阻应变片与半导体应变片的区别?金属电阻应变片是利用导体形变引起电阻的变化,而半导体应变片是利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。
31.应变片在弹性元件上的布置原则及几种电桥接法具有温度补偿作用。
①贴在应变最敏感部位,使其灵敏度最佳;②在复合载荷下测量,能消除相互干扰;③考虑温度补偿作用;④单臂电桥无温度补偿作用,差动和全桥方式具有温度补偿作用。
32.应变片的温度补偿法:消除由温度引起的影响,或者对它进行修正以求出仅由载荷作用引起的真实应变的方法。
33.利用相邻双臂桥检测的应变式传感器,为使其灵敏度高、非线性误差小(两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片)。
34.直流电桥同一桥臂增加应变片数,则电桥灵敏度( 不变 )35.有人在使用电阻应变仪时发现灵敏度不够,于是在半桥双臂各串联一片电阻应变片,问是否提高灵敏度?为什么?①不能提高灵敏度;②因为电桥灵敏度只与供桥电压和电阻的相对变化有关。
36.压电式:(2)压电式传感器最好采用电荷放大器的原因是( 可忽略导线电容和分布电容)(3)压电式传感器与一般电压放大器连接使用时,中间加一级前置放大器,该放大器主要用来( 实现高阻抗输入、低阻抗输出)(4)压电式传感器分别与电压放大器和电荷放大器相连时各自的特点。
①传感器与电压放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电压成正比,但容易受电缆电容的影响。
②传感器与电荷放大器连接的电路,其输出电压与压电元件的输出电荷成正比,电缆电容的影响小。
37.压磁式扭矩仪的工作原理:压磁式扭矩仪的轴是强导磁材料。
根据磁弹效应,当轴受扭矩作用时,轴的磁导率发生变化,从而引起线圈感抗变化,通过测量电路即可确定被测扭矩大小。
38.举例说明两类扭矩的测量原理。
(1)轴类零件受扭矩作用时,在其表面产生切应变,可通过测量该应变检测扭矩,如电阻应变式扭矩传感器。
(2)弹性转轴受扭后,两端面的相对转角只与所承受的扭矩有关,且呈比例关系,可通过测量扭转角测量扭矩,如电容式或光电式扭矩传感器。
39.通常采用的弹性式压力敏感元件有(波纹管)40.可变磁阻式传感器中,铁芯磁阻比空气隙磁阻( 小得多)41.磁电式速度计输出电量大小正比于( 线圈与壳体的相对速度)42.磁电式速度计工作频率范围比本身固有频率( 高)43.压电式加速度计的工作原理是基于( 压电效应)44.压电式加速度计与测振仪之间可串联的仪器有( 电荷放大器)45.压电式加速度计横向灵敏度:表示它对横向(垂直于加速度轴线)振动的敏感程度。
46.压电式加速度传感器是( 适于测量动态 )信号的传感器。
47.压电式加速度计输出电荷多少正比于( 绝对加速度 )48.压电式加速度计电压灵敏度:加速度计输出电压与所承受加速度之比。
49.压电式加速度计工作频率范围比本身固有频率( 低 )50.压电式加速度计的工作频率上限ω为( 2n ωω= )51.影响压电式加速度传感器低频响应能力的是( 前置放大器的输入阻抗 )52.压电式加速度计的阻尼率一般为( 7.0≈ξ )53.对压电式加速度传感器,希望其固有频率( 尽量高些 )54. 固体半导体摄像元件CCD 是一种( MOS 型晶体管开关集成电路 )55. 激光视觉传感器将条形码的信息传输的信号处理装置的工作过程。
(1)多面棱镜高速旋转,将激光器发出的激光束反射到条形码上作一维扫描。
(2)条形码反射的光束经光电转换及放大元件接收并放大后再传输给信号处理装置。
56.人工视觉系统图像处理中,对像素信息进行编码的作用是( 传输和存储信息 )57.薄膜热电偶式温度传感器的主要特点:热容量小(或热惯性小),时间常数小,反应速度快。
58. 测量不能直接接触的高温物体温度,可采用( 热电偶 )温度传感器。
59.半导体热敏电阻率随着温度上升,电阻率( 迅速下降 )60.被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是( 温度 )61.( 半导体三极管 )传感器可用于医疗上-50℃~150℃之间的温度测量。
62.测量等速变化的温度时,为减少测量误差,希望测温传感器的时间常数( 小些好 )63.液柱温度计属于( 一阶系统 )64.电容式湿度传感器只能测量( 水分 )湿度。
65.在一个测试系统中直接获取被测对象信息的装置是( 传感器)66.电桥测量电路的作用是把传感器的参数变化转为( 电压)的输出。
67. 在动态测量中,电桥的输出量通常是( 电压量 )68. 为提高电桥灵敏度可采取( 适当提高电桥电源电压 )69. 差动电桥由环境温度变化引起的误差为( 0 )70. 载波频率为f 0,调制信号的最高频率为f m ,两者的关系为( f 0>f m )71. 选择二阶装置的阻尼比ζ=0.707,其目的是( 接近不失真条件)。
72. 无源RC 低通滤波器从( 电容C )两端引出输出电压。
73.在采用限定最大偏差法进行数字滤波时,若限定偏差△Y ≤0.01,本次采样值为0.315,上次采样值为0.301,则本次采样值Yn 应选为( 0.301 )74.若模/数转换器输出二进制数的位数为10,最大输入信号为2.5V ,则该转换器能分辨出的最小输入电压信号为( 2.44mV )75. 逐次逼近法的模/数转换器主要包括哪几部分:由电压比较器、数/模转换器、顺序脉冲发生器、数码寄存器和逐次逼近寄存器组成。
76. 信号传输过程中,产生干扰的原因是( 干扰的耦合通道 )77. 将电阻R 和电容C 串联后再并联到继电器或电源开关两端所构成的RC 吸收电路,其作用是( 消除电火花干扰 )78. 为了抑制干扰,常采用的电路有( 调谐电路 )79.下列函数哪些是周期函数、哪些是非周期函数。
x 1(t)=sin3ωt ,x 2(t)=e -t ,x 3(t)=e sin ωt ,x 4(t)=δ(t), x 5(t)=sin 12t ⎛⎝ ⎫⎭⎪。
答:x 1(t) x 3(t) x 5(t)周期函数,x 2(t) x 4(t)非周期函数。
80. 概率密度函数提供了随机信号( 沿幅值域分布 )的信息。
81. 单位脉冲信号δ(t)当t=0时幅值为( ∞ )82. 周期信号的自相关函数必为( 周期偶函数 )83.自相关函数一定是( 偶 )函数。
84. 记录磁带慢录快放,放演信号的频宽将(扩展,幅值减小 )85. (t e t x at ωsin )(-= ) 信号的频谱是连续谱。