测试技术与信号处理第1部分绪论

华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理机电工程系机电工程系 何炳蔚（）测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院教材：教材：机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础（第（第3版）版）熊诗波、黄长艺，机械工熊诗波、黄长艺，机械工业出版社，业出版社，2006。参考书：参考书：1.机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础（第（第2版）版）黄长艺黄长艺、严普强、严普强,机械工业出版社，机械工业出版社，1996。2.机械工程测试技术机械工程测试技术 周生国周生国 北京理工大学出版社，北京理工大学出版社，1993。3.测试技术与测试信号处理测试技术与测试信号处理吴正毅吴正毅 清华大学出版社，清华大学出版社，1991。4.旋转机械故障机理及诊断技术旋转机械故障机理及诊断技术 韩捷，韩捷，机械工业出版社，机械工业出版社，1997。5.传感器传感器 强锡富，强锡富，机械工业出版社，机械工业出版社，1999。6.LabVIEW7.1 测试技术与仪器应用测试技术与仪器应用 邓焱、王磊，邓焱、王磊，机械工业出版社机械工业出版社,2004。7 7.虚拟仪器虚拟仪器 秦树人，秦树人，中国计量出版社，中国计量出版社，20042004年。年。等，与等，与测试技术测试技术或或传感器传感器相关的图书资料。相关的图书资料。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院课程内容：课程内容：本课程主要介绍工业自动化等领域中常见物理本课程主要介绍工业自动化等领域中常见物理量量(位移、振动、应力、应变、温度等位移、振动、应力、应变、温度等）的传感器）的传感器工作原理、测量电路原理和信号分析方法。工作原理、测量电路原理和信号分析方法。主要内容如下：主要内容如下：4910868理论学习共理论学习共4545学时，学时，2.52.5学分，学分，必修。必修。学时数分配学时数分配测试技术与信号处理测试技术与信号处理位移位移振动振动应力应力应变应变112112周周华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理是一门与材料科学、微电子是一门与材料科学、微电子技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。为技术、信息技术密切相关的快速发展的学科。为弥补书本教材内容滞后于学科发展的问题，在教弥补书本教材内容滞后于学科发展的问题，在教学内容上加入了一些多媒体素材和案例。学内容上加入了一些多媒体素材和案例。学习方法：学习方法：以教材为主，参考电子教材以教材为主，参考电子教材等资料等资料。测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院本课程学习要求：本课程学习要求：(1)(1)掌握信号的时域和频域描述方法，建立明确的信掌握信号的时域和频域描述方法，建立明确的信号频谱的概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原号频谱的概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法，掌握数字信号分析中的基本概念。理和方法，掌握数字信号分析中的基本概念。测试技术与信号处理测试技术与信号处理(2)(2)掌握测试装置基本特性的评价方法和不失真测试掌握测试装置基本特性的评价方法和不失真测试条件，并能正确运用于测试装置的分析和选择。掌握条件，并能正确运用于测试装置的分析和选择。掌握一阶、二阶线性系统动态特性和测试方法。一阶、二阶线性系统动态特性和测试方法。(3)(3)掌握常用传感器、常用信号调理电路的工作原理掌握常用传感器、常用信号调理电路的工作原理和性能，并能正确选用。和性能，并能正确选用。(4)(4)对测试技术有一个完整的概念，并能初步应用于对测试技术有一个完整的概念，并能初步应用于产品设计、性能评定和实验工作中。产品设计、性能评定和实验工作中。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 本课程是培养学生解决实际工程测量问本课程是培养学生解决实际工程测量问题能力的专业基础课，具有很强的实践性。题能力的专业基础课，具有很强的实践性。学习时应充分利用课程所开设动手实验和仿学习时应充分利用课程所开设动手实验和仿真实验。真实验。只有通过足够的实验和仿真实验操作，才能只有通过足够的实验和仿真实验操作，才能培养应有的实际动手能力和更好地掌握书本培养应有的实际动手能力和更好地掌握书本知识。知识。测试技术与信号处理测试技术与信号处理理论学习、实践学习、研究学习三元并重。理论学习、实践学习、研究学习三元并重。拟开设实验如下：拟开设实验如下：信号合成信号合成 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 应变片与电桥应变片与电桥 滤波器滤波器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院绪绪 论论本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握测试技术的概念及研究内容掌握测试技术的概念及研究内容2.2.了解测试技术的应用情况了解测试技术的应用情况 3.3.了解测试技术的发展动态了解测试技术的发展动态 4.4.了解主要测试仪器生产厂商了解主要测试仪器生产厂商5.5.掌握测量的基础知识（定义、概念等）掌握测量的基础知识（定义、概念等）测试技术与信号处理测试技术与信号处理绪论绪论华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院绪论绪论一、一、测试和测量系统测试和测量系统 测试技术是测试技术是测量测量和和试验试验技术的统称，主要研究技术的统称，主要研究各种各种物理量物理量的的测量原理测量原理和和测量信号分析处理测量信号分析处理方法。方法。测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。简单的测试系统可简单的测试系统可以只有一个模块，以只有一个模块，如如玻璃管温度计玻璃管温度计。它直接将被温度变它直接将被温度变化转化液面示值。化转化液面示值。没有电量转换和分没有电量转换和分析电路，很简单，析电路，很简单，但精度低，无法实但精度低，无法实现测量自动化。现测量自动化。为提高测量精度和为提高测量精度和自动化程度，以便自动化程度，以便于和其它环节一起于和其它环节一起构成自动化装置，构成自动化装置，通常先将被测物理通常先将被测物理量转换为电量，再量转换为电量，再对电信号进行处理对电信号进行处理和输出。如图所示和输出。如图所示的声级计。的声级计。测试技术与信号处理测试技术与信号处理第一节第一节 测试技术概况测试技术概况 测试的基本任务是获取有用的信息测试的基本任务是获取有用的信息华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院分析结果分析结果反馈、控制反馈、控制或监测诊断或监测诊断物理量物理量 一般说来，测试系统由一般说来，测试系统由传感器传感器、中间变换装置中间变换装置和和显示记录装置显示记录装置三部分组成。三部分组成。传感器传感器将被测物理量将被测物理量(如如温度、噪声温度、噪声)检出并转换为电量。检出并转换为电量。一、一、测试和测量系统测试和测量系统 信息转换信息转换信息提取信息提取测试技术与信号处理测试技术与信号处理计算机或计算机或控制系统控制系统敏感元件敏感元件转换元件转换元件被测被测物理量物理量适调电路适调电路适调电路适调电路（中间变换装置（中间变换装置）对接收到的电信号用硬件电路对接收到的电信号用硬件电路 进行分析处理或经进行分析处理或经A/DA/D变换后用软件进行信号分析。变换后用软件进行信号分析。显示记录装置显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它则测量结果显示出来，提供给观察者或其它 自动控制装置。自动控制装置。测量结果的利用测量结果的利用华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院工工程程测测量量静态测量静态测量：不不随时间变化的物理量的测量。随时间变化的物理量的测量。如被加工零件的尺寸测量如被加工零件的尺寸测量制成品的尺寸和误差制成品的尺寸和误差动态测量动态测量：随时间变化的物理量的测量。：随时间变化的物理量的测量。本课程的本课程的主要学习内容主要学习内容一、一、测试和测量系统测试和测量系统 测试技术与信号处理测试技术与信号处理测测量量系系统统的的用用途途产品开发与工程试验过程产品开发与工程试验过程产品开发与工程试验产品开发与工程试验测试装置测试装置处理与分析处理与分析参数设计参数设计过程与系统控制过程与系统控制被控制量被控制量输入输入过程或系统过程或系统测试装置测试装置控制装置控制装置监测与诊断监测与诊断运行中的机器或系统运行中的机器或系统测试装置测试装置分析与诊断分析与诊断被监测量被监测量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院绪论绪论测试技术的工程应用测试技术的工程应用 在工程领域，科学实验、产品开发、生产监在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。等每一个工程领域。测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1 1、工业自动化中的应用、工业自动化中的应用 a)a)机械手、机器人中的传感器机械手、机器人中的传感器 转动转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。传感器、嗅觉传感器。测试技术的工程应用测试技术的工程应用 在各种自动控制系统中，测试环节起着系统在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。感官的作用，是其重要组成部分。广州中鸣数广州中鸣数码的机器狗码的机器狗测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院b)AGVb)AGV自动送货车自动送货车 超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGVAGV小车小车位置识别；条形码传感器，货品识别。位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工香港理工AGVAGV模型模型测试技术与信号处理测试技术与信号处理测试技术的工程应用测试技术的工程应用 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院c)c)生产加工过程监测生产加工过程监测 切削力传感器，加切削力传感器，加工噪声传感器，超工噪声传感器，超声波测距传感器、声波测距传感器、红外接近开关传感红外接近开关传感器等。器等。密歇根大学数字化工厂密歇根大学数字化工厂测试技术与信号处理测试技术与信号处理测试技术的工程应用测试技术的工程应用 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2、流程工业设备运行状态监控、流程工业设备运行状态监控 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立建立2424小时在线监测系统。小时在线监测系统。石化企业输油管石化企业输油管道、储油罐等压道、储油罐等压力容器的破损和力容器的破损和泄露检测。泄露检测。扬子石化扬子石化50MW热电机组监测系统热电机组监测系统阳逻电厂阳逻电厂300MW汽轮机组监测系统汽轮机组监测系统荆门电厂荆门电厂200MW机组监测系统机组监测系统青山热电厂生产信息实时查询系统青山热电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统沙角电厂生产信息实时查询系统宝钢宝钢30KW以上风机监测系统以上风机监测系统宝钢精轧宝钢精轧F2轧机网络化监测系统轧机网络化监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统宝钢冷轧带钢振动纹监测系统武钢风机状态监测系统武钢风机状态监测系统测试技术与信号处理测试技术与信号处理测试技术的工程应用测试技术的工程应用 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3 3、产品质量测量、产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。图示为汽车出厂检验原理框图，测图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量测试技术与信号处理测试技术与信号处理测试技术的工程应用测试技术的工程应用 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4 4、楼宇控制与安全防护、楼宇控制与安全防护 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活或工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理活或工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。图示为某楼宇自动化系统。图示为某楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水制、停车管理、水/废水管理废水管理和电梯监控。和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器测试技术与信号处理测试技术与信号处理测试技术的工程应用测试技术的工程应用 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5 5、家庭与办公自动化、家庭与办公自动化 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器器，透光率光传感器(洗净度洗净度)液位传感器，电阻传感器液位传感器，电阻传感器(衣衣物烘干检测物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器透光率传感器透光率传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器测试技术与信号处理测试技术与信号处理测试技术的工程应用测试技术的工程应用 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6 6、其他应用、其他应用航天航天农业农业交通交通医学医学测试技术与信号处理测试技术与信号处理测试技术的工程应用测试技术的工程应用 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院鼠标鼠标:位移传感器位移传感器 摄象头摄象头:CCD传感器传感器 声位笔声位笔:超声波传感器超声波传感器麦克风麦克风:电容传声器电容传声器 声卡声卡:A/D卡卡+D/A卡卡 软驱软驱:速度速度,位置伺服位置伺服7 7、PCPC机中的测试技术应用机中的测试技术应用测试技术与信号处理测试技术与信号处理测试技术的工程应用测试技术的工程应用 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院二、测试技术的发展概况二、测试技术的发展概况绪论绪论1 1、传感器方面、传感器方面 a)a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器应开发出的新型传感器光纤流速传感器光纤流速传感器荧光材料荧光材料制作的电制作的电子鼻传感子鼻传感器器生物酶血样分析传感器生物酶血样分析传感器热热/光光电量电量测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院二、二、测试技术的发展概况测试技术的发展概况b)b)传感器传感器+嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器 振动网络传感器振动网络传感器嵌入式计算机嵌入式计算机智能压力网智能压力网络传感器络传感器智能智能倾角倾角RS232RS232传感器传感器IC总线数字总线数字温度传感器温度传感器测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2、测量信号处理方面、测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术 用用PCPC机仪器板卡机仪器板卡 代替传统仪器代替传统仪器用计算机软件用计算机软件 代替硬件分析电路代替硬件分析电路优点优点?我们的工作我们的工作测试技术与信号处理测试技术与信号处理二、二、测试技术的发展概况测试技术的发展概况华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院仪器定义和功能的转变仪器定义和功能的转变传统仪器传统仪器:厂商定义厂商定义虚拟仪器虚拟仪器:用户定义用户定义PROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMPROCESSOR BUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAY AND CONTROL488 PORT PMathMEMORYPROMControl PanelFlowPressure Alarm ConditionsSTOPTemperature计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术用户定义虚拟仪器的优点：用户定义虚拟仪器的优点：费用费用性能性能 用户定义用户定义 低费用低费用 灵活灵活 可再用性可再用性 可重新配置可重新配置测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术虚拟仪器技术的优点虚拟仪器技术的优点虚拟仪器虚拟仪器传统仪器传统仪器软件使得开发与维护费用降至最低软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护开销高开发与维护开销高技术更新周期短技术更新周期短(1(12 2年年)技术更新周期长技术更新周期长(5(51010年年)关键是软件关键是软件关键是硬件关键是硬件价格低、可复用与可重配置性强价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵价格昂贵用户定义仪器功能用户定义仪器功能厂商定义仪器功能厂商定义仪器功能开放、灵活，计算机技术同步发展开放、灵活，计算机技术同步发展封闭、固定封闭、固定与网络及其它周边设备互联与网络及其它周边设备互联功能单一的独立设备功能单一的独立设备华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院虚拟仪器技术的主要应用领域虚拟仪器技术的主要应用领域通讯通讯 AT&T,Alcatel,Ericsson计算机计算机 IBM,Apple,Dell半导体半导体 Motorola,TI,Thomson-CSF汽车汽车 Ford,Chrysler,Nissan,Toyota电子电子 Sony,Siemens测试和测量测试和测量石油化工石油化工 Shell,Mobil Research纺织纺织 Instron,Dupont,Eli Lilly,Albany International制造制造 Ericcson,Duracell食品加工食品加工 Sara Lee,Ben&Jerry抯抯,Shiner医药医药 Johnson&Johnson,Proctor&Gamble工业自动化工业自动化测试技术与信号处理测试技术与信号处理计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成PXIPXIVXIVXIGPIBGPIBDAQDAQIMAQIMAQMotionMotion硬件硬件板卡板卡软件软件程序解决程序解决方案方案软件驱动软件驱动模块模块计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院基于虚拟仪器的新型工业测控系统架构基于虚拟仪器的新型工业测控系统架构计算机虚拟仪器技术计算机虚拟仪器技术测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术的发展趋势总结测试技术的发展趋势总结测试技术测试技术 重要手段重要手段相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等新的测试理论、方法和技术手段新的测试理论、方法和技术手段1 1、传感器水平的提高、传感器水平的提高光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为敏感元件）料为敏感元件）化学传感器、化学传感器、微生物传感器、微生物传感器、仿生传感器（代替视觉、仿生传感器（代替视觉、嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温嗅觉、味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器和超高真空等极端参数的新型传感器1）新原理、新材料、新工艺）新原理、新材料、新工艺 新功能传感器新功能传感器2）新领域、新需求）新领域、新需求 新型传感器新型传感器科学研究和探索世界的翅膀（触角）科学研究和探索世界的翅膀（触角）形成形成推动实验研究和发展推动实验研究和发展测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3）传感器向着高精度小型化和集成化方向发展）传感器向着高精度小型化和集成化方向发展微电子技术微电子技术-多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上多个同类型传感器集成在一个芯片或阵列上 一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体一体化：将传感器和后续的处理电路集成一体 微型化：微米微型化：微米/纳米技术纳米技术 体积微小、重量轻微体积微小、重量轻微特点：点测量特点：点测量 平面平面/空间测量空间测量例：电荷耦合器件（例：电荷耦合器件（CCD）-光敏元阵列光敏元阵列 数码相机数码相机 多功能传感多功能传感-不同功能的传感器集成化不同功能的传感器集成化 集成化：集成化：特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数特点：一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数例：测量血液中各种成分的多功能传感器例：测量血液中各种成分的多功能传感器特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时特点：减少干扰，提高灵敏度，方便使用；可实现实时数据处理（传感器和数据处理电路集成）数据处理（传感器和数据处理电路集成）2 2、测试系统由模拟式、数字式向智能化方向发展、测试系统由模拟式、数字式向智能化方向发展以计算机为中心的测试系统以计算机为中心的测试系统 复杂对象或系统的多路、多复杂对象或系统的多路、多参数检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断参数检测；数据存贮、传输、处理或复杂分析加工；故障诊断测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1 1、产品检验和质量控制的重要手段、产品检验和质量控制的重要手段工程测试技术的作用与意义工程测试技术的作用与意义被动测试被动测试主动检测（在线测试）主动检测（在线测试）质量控制领域质量控制领域2 2、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用、在大型设备安全经济运行监测中得到广泛应用故障测试系统故障测试系统动态测试动态测试保证设备和人员安保证设备和人员安全提高经济效益全提高经济效益3 3、自动化系统中不可缺少的组成部分、自动化系统中不可缺少的组成部分生产过程：生产过程：“物流物流”“信息流信息流”控制控制管理管理数量数量状态状态趋向趋向测试测试获取信息获取信息分析判断分析判断自动控制自动控制自动化：自动化：信息获取、信息转换、信息处理与传送、信息执行信息获取、信息转换、信息处理与传送、信息执行4 4、测试测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步、测试测技术的完善和发展推动着现代科学技术的进步测试手段水平决定科学研究的深度和广度测试手段水平决定科学研究的深度和广度理论研究成果离不开必要的测试手段理论研究成果离不开必要的测试手段测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院绪论绪论主要传感器和测试仪器生产厂商主要传感器和测试仪器生产厂商2 2、振动、振动/噪声传感器噪声传感器 丹麦丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名振动测量、声学测量领域最富盛名）http:/ 1、工业自动化类传感器、工业自动化类传感器 美国美国霍尼威尔霍尼威尔公司（有全球最大公司（有全球最大传感器传感器技术研究中心）技术研究中心）http:/ 3、测量分析仪器、测量分析仪器 美国国家仪器公司美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商全球最大的计算机虚拟仪器生产商)http:/ 分分 析析结果隐含的信息：结果隐含的信息：1.预示什么现象？预示什么现象？2.采取什么对策？采取什么对策？装置：装置：1.如何构成？如何构成？3 2.正常工作？正常工作？2，3 3.有何特性？有何特性？2分析方法分析方法 5如何记录？如何记录？4被测被测对象对象信号信号 1华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 绪论绪论思考题：思考题：1.列出你身边的测试技术应用的例子。列出你身边的测试技术应用的例子。测试技术与信号处理测试技术与信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 绪论绪论测试技术与信号处理测试技术与信号处理第二节第二节 测量的基础知识测量的基础知识为使测量结果具有普遍的科学意义需具备的条件：为使测量结果具有普遍的科学意义需具备的条件：测量的基础知识内容包括：测量的基础知识内容包括：1.1.量与量纲量与量纲 2.2.法定计量单位法定计量单位 3.3.测量、计量与测试测量、计量与测试4.4.基准与标准基准与标准 5.5.量值的传递与计量器具检定量值的传递与计量器具检定 6.6.测量方法测量方法 7.7.测试装置测试装置 8.8.测量误差测量误差 9.9.测量精度和不确定度测量精度和不确定度 10.10.测量器具的误差测量器具的误差 进行比较的测量系统必须进行进行比较的测量系统必须进行定期检查、标定定期检查、标定，以保证测，以保证测量的有效性、可靠性，这样的测量才有意义。量的有效性、可靠性，这样的测量才有意义。测量过程测量过程被测量的量与被测量的量与标准或相对标准量标准或相对标准量的的比较过程比较过程。作为比较用的作为比较用的标准量标准量必须是必须是已知的，且是合法的已知的，且是合法的，才能确保测，才能确保测量至的可信度及测量值的溯源性。量至的可信度及测量值的溯源性。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识测试技术与信号处理测试技术与信号处理一、量与量纲一、量与量纲量：是指现象、物体或物质可量：是指现象、物体或物质可定性区别定性区别和和定量确定定量确定的一种属性。的一种属性。不同类的量不同类的量同类的量同类的量1.1.量值量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。是用数值和计量单位的乘积来表示的。被用来被用来定量地定量地表达被测量对象相应属性的大小。表达被测量对象相应属性的大小。2.2.基本量基本量和和导出量导出量专门约定选取某些专门约定选取某些相互独立相互独立的量作为的量作为基本量基本量。SISI制制长度、质量、时间、温度、电流、发光强度、物质的量长度、质量、时间、温度、电流、发光强度、物质的量由基本由基本量按一定的函数关系来定义的，量按一定的函数关系来定义的，如速度如速度:m/s，km/h，cm/s 等等也有例外，如弧度也有例外，如弧度(rad)(rad)，实际上一个数。，实际上一个数。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识3.3.量纲量纲和和量的单位量的单位代表一个实体代表一个实体（被测量）的（被测量）的确定特征确定特征量纲单位则是该实体的量化基础量纲单位则是该实体的量化基础同样，同样，时间时间是一个基本量，是惟一的量纲是一个基本量，是惟一的量纲表示表示长度长度有千米、米、厘米、纳米等有千米、米、厘米、纳米等单位单位例如，例如，长度长度是一个量纲是一个量纲千米是长度的一个千米是长度的一个单位单位同样，米、厘米、纳米同样，米、厘米、纳米惟一的惟一的一种特定的量纲可用一种特定的量纲可用不同的单位来测量不同的单位来测量表示表示时间时间有光年、年、小时、秒、微秒等有光年、年、小时、秒、微秒等单位单位华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识二、法定计量单位二、法定计量单位 是强制性的是强制性的,各行业、各组织都必须遵照执行，以确保各行业、各组织都必须遵照执行，以确保单位的一致。单位的一致。我国的法定计量单位是以国际单位制（我国的法定计量单位是以国际单位制（SI）为基础，并选用少数其他单位制的计量单位来组成的。为基础，并选用少数其他单位制的计量单位来组成的。1.基本单位基本单位：根据国际单位制，根据国际单位制，7个基本量的单位如下个基本量的单位如下 基本量基本量单单 位位单位代号单位代号长长 度度米（米（Metre）米（米（M）质质 量量千克（千克（Kilogram）千克（千克（Kg）时时 间间秒（秒（Second）秒（秒（S）温温 度度开尔文（开尔文（Kelvn）开（开（K）电电 流流安培（安培（Ampere）安（安（A）发光强度发光强度坎德拉（坎德拉（Candela）坎（坎（Cd）各基各基本单本单位的位的定义定义参见参见教材教材第第5页页华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识2.辅助单位辅助单位平面角的单位平面角的单位弧度（弧度（rad）立体角的单位立体角的单位球面度（球面度（sr）既可以作为基本单位使用，又可以作为导出单位使用。既可以作为基本单位使用，又可以作为导出单位使用。3.导出单位导出单位 在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或相除的形式所构成关系，由基本单位和辅助单位以相乘或相除的形式所构成的单位。的单位。例如，例如，速度速度 m/s;加速度加速度 m/s2；角速度；角速度 rad/s 扭矩扭矩 Nm（kgm）华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识三、三、测量测量、计量计量、测试测试是指以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程。是指以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程。如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则成为计量。如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则成为计量。计量学计量学研究测量、保证测量统一和准确的科学研究测量、保证测量统一和准确的科学计量计量一词只用做某些专门术语的一词只用做某些专门术语的限定语限定语，如计量单位、计量管理、计量标准等。所如计量单位、计量管理、计量标准等。所组成的新术语都与单位统一和量值准确有组成的新术语都与单位统一和量值准确有关。关。测量测量的意义的意义则更为广泛、则更为广泛、普遍。普遍。一个完整的测量过程必定涉及到一个完整的测量过程必定涉及到被测对被测对象象、计量单位计量单位、测量方法测量方法和和测量误差测量误差指具有试验性质的测量，指具有试验性质的测量，或测量和试验的综合。或测量和试验的综合。测量的四要素测量的四要素华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识四、四、基准基准和和标准标准是用来保存、复现计量单位的计量器具；是用来保存、复现计量单位的计量器具；具有现代科学技术所能达到的最高准确度的计量器具。具有现代科学技术所能达到的最高准确度的计量器具。基基准准的的分分类类在特定的计量领域内，用来保存和复现该在特定的计量领域内，用来保存和复现该领域计量单位并具有最高的计量特性。领域计量单位并具有最高的计量特性。通过与国家基准对比或校准来确定其量通过与国家基准对比或校准来确定其量值，地位仅低于国家基准。值，地位仅低于国家基准。通过与国家基准或副基准对比或校准，通过与国家基准或副基准对比或校准，用来检定计量标准的计量器具；地位仅用来检定计量标准的计量器具；地位仅低于国家基准和副基准。低于国家基准和副基准。目的目的是避免频繁使用国家基准和副基准；是避免频繁使用国家基准和副基准；国家基准国家基准副基准副基准工作基准工作基准是用于检定是用于检定工作计量器具工作计量器具的计量器具。的计量器具。是用于是用于现场测量现场测量而不用于检定工作的计量器具。而不用于检定工作的计量器具。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识五、五、量值的传递量值的传递和和计量器具检定计量器具检定检定规程检定规程：是指检定计量器具时必须遵守的法定文件。：是指检定计量器具时必须遵守的法定文件。分为国家、部门和地方三种。分为国家、部门和地方三种。通过对计量器具实施检定或通过对计量器具实施检定或校准，将国家基准所复现的校准，将国家基准所复现的计量单位经过各级计量单位经过各级计量标准计量标准传递传递到工作计量器具。到工作计量器具。是指为评定计量器的计是指为评定计量器的计量特性，确定其是否量特性，确定其是否符符合法定合法定要求所进行的全要求所进行的全部工作。部工作。按按检定规程检定规程对计量器具实施对计量器具实施检定检定的工作对量值的准确和一的工作对量值的准确和一致起着最重要的保证作用，是量值传递的关键步骤。致起着最重要的保证作用，是量值传递的关键步骤。所有的计量器具都必须实施所有的计量器具都必须实施定点定期的强制检定定点定期的强制检定，合格的计量，合格的计量器具被授予检定合格证书和在计量器具上加盖检定标记。器具被授予检定合格证书和在计量器具上加盖检定标记。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院按比较方法按比较方法间接比较间接比较测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识六、六、测量方法测量方法测量的基本形式是测量的基本形式是比较比较，即将，即将被测量与标准量进行比较。被测量与标准量进行比较。根据测量的方法、手段、目的、性质等对测量进行分类根据测量的方法、手段、目的、性质等对测量进行分类1.直接测量直接测量无需经过函数关系计算，直接通过测量无需经过函数关系计算，直接通过测量仪器得到被测值的测量。仪器得到被测值的测量。按测量条件按测量条件如卷尺测量长度、高度等，如卷尺测量长度、高度等，同一物理量同一物理量之间的比较。之间的比较。如水银温度计，如水银温度计，温度的高低温度的高低转化为转化为水银柱的高度。水银柱的高度。直接比较直接比较直接直接把被测物理量和标准量作把被测物理量和标准量作比较比较。利用仪器把原始形态的利用仪器把原始形态的待测物理量待测物理量的变化的变化变变换换成与之保持已知函数关系的成与之保持已知函数关系的另一种物理量另一种物理量的变化。的变化。等精度（等权）直接测量等精度（等权）直接测量不等精度（不等权）直接测量不等精度（不等权）直接测量每次测量的条件不尽相同每次测量的条件不尽相同在完全相同的条件下进行在完全相同的条件下进行华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识2.间接测量间接测量在直接测量值的基础上，根据已知的函在直接测量值的基础上，根据已知的函数关系，计算出被测量的量值的测量。数关系，计算出被测量的量值的测量。如，测定某段如，测定某段时间时间内火车运动的内火车运动的距离距离火车运动的平均火车运动的平均速度速度 速度速度=位移位移/时间时间3.组合测量组合测量将直接测量值或间接测量值与被测量值将直接测量值或间接测量值与被测量值之间的已知关系组合成一组方程（函数之间的已知关系组合成一组方程（函数关系），通过求解方程组得到被测值的关系），通过求解方程组得到被测值的方法。方法。实质上是间接测量的实质上是间接测量的推广推广在不提高计量仪器准在不提高计量仪器准确度的情况下，提高确度的情况下，提高被测量值的准确度。被测量值的准确度。目目的的华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识七、七、测量装置测量装置1.传感器传感器2.测量变换器测量变换器3.检测器检测器4.测量器具的示值测量器具的示值5.准确度等级准确度等级敏感元件敏感元件转换元件转换元件被测物理量被测物理量电量电量直接作用于被测量，并能按一定规律将被测直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件。量转换成同种或别种量值输出的器件。提供与输入量有给定关系的输出量的器件。提供与输入量有给定关系的输出量的器件。用于指示某种特定量的存在而不必提供量值的器用于指示某种特定量的存在而不必提供量值的器件或物质。件或物质。由测量器具所指示的被测量，用被测量由测量器具所指示的被测量，用被测量的单位表示。的单位表示。用来表示测量器具的等级或级别。每一等用来表示测量器具的等级或级别。每一等级的测量器具都有相应的计量要求，用来级的测量器具都有相应的计量要求，用来保持其误差在规定极限以内。保持其误差在规定极限以内。是指为了确定被测量值所必须是指为了确定被测量值所必须的器具和辅助设备的总体。的器具和辅助设备的总体。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识7.量程量程8.测量范围测量范围9.漂移漂移测量器具标尺范围所对应的被测量示测量器具标尺范围所对应的被测量示值的范围值的范围在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，测量器具所能测量的被测量值的范围。测量器具所能测量的被测量值的范围。测量器具的计量特性随时间的慢变化。测量器具的计量特性随时间的慢变化。标称范围的上下限之差的模。上例的量程标称范围的上下限之差的模。上例的量程就是就是50C 6.标称范围标称范围（示值范围）（示值范围）例如，温度计的标尺范围的起点示值为例如，温度计的标尺范围的起点示值为-30C，终点示值，终点示值为为+20C，其标称范围即为，其标称范围即为-30C +20C此外，随温度变化，输出的零点也会产生变化此外，随温度变化，输出的零点也会产生变化零零漂漂华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识八、八、测量误差测量误差1.测量误差的定义测量误差的定义测量结果与被测量真值之差测量结果与被测量真值之差是被测量在被观测时所具有是被测量在被观测时所具有的量值，是不可能确切获知的量值，是不可能确切获知的，是理想的概念。的，是理想的概念。就给定的目的而言，被认为充分接近真就给定的目的而言，被认为充分接近真值，因而可以代替真值来使用的量值。值，因而可以代替真值来使用的量值。由测量所得的被测量值由测量所得的被测量值2.误差误差 分类分类系统系统误差误差随机随机误差误差粗大粗大误差误差对同一被测量进行多次测量，出现某种保持对同一被测量进行多次测量，出现某种保持恒定恒定或或按按确定的方向确定的方向变化着的误差，可以通过修正消除。变化着的误差，可以通过修正消除。对同一被测量进行多次测量，误差的正负号和绝对值对同一被测量进行多次测量，误差的正负号和绝对值以以不可预知不可预知的方式变化，无法修正消除，可以控制和的方式变化，无法修正消除，可以控制和减少其影响。减少其影响。明显明显超出超出规定条件下规定条件下预期误差范围预期误差范围，由于某种不正常，由于某种不正常原因造成的，允许也应该剔除，但必须有充分依据。原因造成的，允许也应该剔除，但必须有充分依据。约定约定真值真值测量误差测量误差=测量结果测量结果 真值真值华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识3.误差表示方法误差表示方法 绝对误差绝对误差绝对误差绝对误差=测量结果测量结果 真值真值 相对误差相对误差相对误差相对误差=误差误差 真值真值相对误差相对误差 误差误差 测量结果测量结果当误差值较小时，可采用当误差值较小时，可采用有量纲和单位有量纲和单位无量纲和单位，无量纲和单位，常用常用%、等等表示表示例例0-1 真值为真值为 2.00mA，测量结果为测量结果为 1.99mA绝对误差绝对误差=1.99-2.00=-0.01mA相对误差相对误差=-0.01/2.00=-0.005-0.005=-0.5-0.5%误差误差=1.99-2.00=-0.01mA华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识 引用误差引用误差引用误差引用误差=绝对绝对误差误差 引用值引用值例如，温度计标称范围为例如，温度计标称范围为-30C +50C，量程是，量程是 70C，引用值为，引用值为 50C。只用于表示计量器具特性的情况中只用于表示计量器具特性的情况中例例0-2 标称范围为标称范围为 0 150V的电压表测量时，当示值为的电压表测量时，当示值为100.0V，电压，电压 实际值为实际值为99.4V。这时电压表的引用误差为。这时电压表的引用误差为引用误差引用误差=(100.0V 99.4V)150V=0.4%分贝误差分贝误差分贝误差分贝误差=20lg（测量结果（测量结果真值真值）dB分贝误差分贝误差=10lg（测量结果（测量结果真值真值）dB注意：对于一部分的量（如广义功），需改用如下公式注意：对于一部分的量（如广义功），需改用如下公式当测量结果等于真值时，即误差为零时，当测量结果等于真值时，即误差为零时，分贝误差必定等于分贝误差必定等于 0 dB华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院是泛指测量结果的可信程度，更为规范的术语如下：是泛指测量结果的可信程度，更为规范的术语如下：测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识九、九、测量精度和不确定度测量精度和不确定度1.测量精密度测量精密度表示测量结果中随机误差大小的误差；表示测量结果中随机误差大小的误差；也是指在一定条件下进行多次测量时所也是指在一定条件下进行多次测量时所得结果彼此符合的程度。得结果彼此符合的程度。2.测量正确度测量正确度表示测量结果中系统误差大小的程度；表示测量结果中系统误差大小的程度；反映了在规定条件下测量结果中所有系反映了在规定条件下测量结果中所有系统误差的综合。统误差的综合。表示测量结果和被测量真值之间的一致表示测量结果和被测量真值之间的一致程度；反映了测量结果中系统误差和随程度；反映了测量结果中系统误差和随机误差的综合。机误差的综合。3.测量准确度测量准确度（测量精确度）（测量精确度）测量精密度低测量精密度低测量正确度低测量正确度低测量准确度高测量准确度高华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识4.测量不确定度测量不确定度表示对被测量真值所处量值范围的评价；表示对被测量真值所处量值范围的评价；或者说，对被测量真值不能肯定的误差范或者说，对被测量真值不能肯定的误差范围的一种评价。围的一种评价。是测量误差量值分散性的指标，表示对测量值不能肯定的程度。是测量误差量值分散性的指标，表示对测量值不能肯定的程度。完整的测量结果不仅应包括被测量的量值，还应包括它的不确完整的测量结果不仅应包括被测量的量值，还应包括它的不确定度，这样的测量结果才有意义和用处。定度，这样的测量结果才有意义和用处。用不确定度表示测量结果的可信赖程度。不确定度越小，测量用不确定度表示测量结果的可信赖程度。不确定度越小，测量结果的可信度越高，其使用价值越大。结果的可信度越高，其使用价值越大。注意：注意：精密度、准确度和正确度都是用它们的反面精密度、准确度和正确度都是用它们的反面不精不精密、不准确和不正确密、不准确和不正确的程度来作定量表征的。如，规的程度来作定量表征的。如，规定准确度为若干计量单位或真值的百分之几，其意思定准确度为若干计量单位或真值的百分之几，其意思是所得测量结果和真值之间的差将不超过该规定的范是所得测量结果和真值之间的差将不超过该规定的范围。这种表征方式意味着这个数值愈大，精密度、准围。这种表征方式意味着这个数值愈大，精密度、准确度和正确度愈低。确度和正确度愈低。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识 测量测量重复性重复性和和复现性复现性也是评价测量质量的重要概念也是评价测量质量的重要概念在实际在实际相同测量条件相同测量条件下，下，在短时间内对同一被测在短时间内对同一被测对象进行连续多次测量对象进行连续多次测量时，其测量结果之间的时，其测量结果之间的一致性一致性在在不同测量条件不同测量条件下，对下，对同一被测对象进行测量同一被测对象进行测量时，其测量结果之间的时，其测量结果之间的一致性一致性测量条件测量条件测量程序、测量原理、测量方法、测量器具、测量程序、测量原理、测量方法、测量器具、观测者、地点、使用条件、时间观测者、地点、使用条件、时间均可用测量结果的分散性来定量表示。均可用测量结果的分散性来定量表示。在实际中，很少使用在实际中，很少使用“正确度正确度”，尤其近年来广泛使，尤其近年来广泛使用用不确定度不确定度。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识十、十、测量器具的误差测量器具的误差测量器具在完成测量任务测量器具在完成测量任务的同时也给测量结果的同时也给测量结果误差误差1.测量仪器的示值误差测量仪器的示值误差测量仪器的示值与被测量真值（约定真值）之差测量仪器的示值与被测量真值（约定真值）之差2.基本误差基本误差测量仪器在标准条件下所具有的误差，也称固有误差测量仪器在标准条件下所具有的误差，也称固有误差3.允许误差允许误差指技术标准、检定规程等对测量仪器所规定的允许最大误差指技术标准、检定规程等对测量仪器所规定的允许最大误差4.测量器具的准确度测量器具的准确度测量器具给出接近被测量真值的示值的能力测量器具给出接近被测量真值的示值的能力华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识5.测量器具的重复性测量器具的重复性和重复性误差和重复性误差在规定的适用条件下，重复接收相同的输入时给出非常相在规定的适用条件下，重复接收相同的输入时给出非常相似输出的能力似输出的能力测量器具造成的随机误差分量测量器具造成的随机误差分量6.回程误差回程误差在相同条件下，被测量值不变，测量器具行程方向不同时，在相同条件下，被测量值不变，测量器具行程方向不同时，其示值之差的绝对值，也称滞后误差。其示值之差的绝对值，也称滞后误差。7.误差曲线误差曲线表示测量器具误差与被测量之间的函数关系的曲线表示测量器具误差与被测量之间的函数关系的曲线8.校准曲线校准曲线表示被测量的实际值与测量器具示值之间的函数关系的曲线表示被测量的实际值与测量器具示值之间的函数关系的曲线输入输入输出输出回程回程误差误差华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 绪论绪论测量的基础知识测量的基础知识思考题：思考题：教材第教材第16页页0-1 0-6本节的主要内容是与测试技术的基础知识本节的主要内容是与测试技术的基础知识要求：要求：理解和掌握定义、含义等基本概念理解和掌握定义、含义等基本概念