第一讲-测试基础课件

第一讲测试基础测试技术的基本概念测试系统的组成测量的基础知识测量误差机械工程测试技术第一节测试技术的基本概念测试的定义测试的定义测试的定义测试的定义测试的目的测试的目的测试的目的测试的目的是获取信息，信号是信息的载体，测试是通过测试系统得到被测参数信息并以信号的形式表现出来的技术手段。测试是测量和试验的简称，是为了获取被测对象基本属性与内在运行规律有用信息，而对被测对象物理、化学、工程技术等方面的参量、特性等进行数值测定的工作，是取得对试验对象定性或定量信息的一种基本方法和途径。第一节测试技术的基本概念信息定义信息定义信息定义信息定义 信息是客观事物时间与空间信息是客观事物时间与空间的特性，是无所不在、无时的特性，是无所不在、无时不存的。不存的。人们为了某些特定的目的，人们为了某些特定的目的，需要从浩如烟海的信息中把需要从浩如烟海的信息中把有用的部分提取出来，以达有用的部分提取出来，以达到观测事物某一本质问题的到观测事物某一本质问题的目的。目的。信息通过各种测试手段以信息通过各种测试手段以“信信号号”的形式表达出来，供人们的形式表达出来，供人们观测和分析，所以信号是某观测和分析，所以信号是某一特定信息的载体。一特定信息的载体。第一节测试技术的基本概念（1）为了保证加工零件的质量，要对机床主轴的振动特性进行监测和分析；（2）飞机在飞行时要依靠众多仪表来测量和指示航向、速度、加速度、里程等一系列数据，从而确保飞机始终位于正确的航程中；（3）轧钢过程中要对轧制的带钢厚度及宽度尺寸进行连续自动检测；（4）为了保证旋转机械的平稳运行，要对旋转机械因轴承摩擦发热而造成的部件热变形进行检测。测试对象测试对象测试对象测试对象测试对象总结测试对象总结测试对象总结测试对象总结根据被测的物理量随时间变化的特性，可将它们从总体上分成静态量静态量和动态动态量量。（1）所谓静态量是指那些静止的或缓慢变化的物理量，对这类物理量的测试称为静态测试或测量；（2）所谓动态量是指随时间快速变化的物理量，对这类物理量的测试称为动态测试第一节测试技术的基本概念被测对象传感器信号转换与调理新号分析处理数据显示与记录观察者第二节测试系统的组成各组成部分功能各组成部分功能各组成部分功能各组成部分功能 传感器：获取被测对象有用的信息，并转换变量或信号。信号转换与调理电路：对信号做转换、放大、滤波及一些 专门的处理信号分析与处理装置：信号分析与处理装置：对信号其进行各种运算、滤波、分析。数据显示和记录仪器数据显示和记录仪器：显示调理和处理过的信号。第二节测试系统的组成 测试系统是用来测试被测信号的，被测信号经系统的加工和处理之后在系统的输出端以不同的形式被输出。系统的输出信号应该真实地反映原始被测信号，这样的测试过程被称为“精确测试”或“不失真测试”。因此，如何实现一个精确的或不失真的测试；系统各部分应具备什么样的条件才能实现精确的测试？正是测试技术中所要研究的一个主要问题。总结：总结：第二节测试系统的组成第三节 测试技术的发展趋势1测试仪器向高精度、高速度和多功能方向发展测试仪器向高精度、高速度和多功能方向发展（1）在尺寸测量范畴内，）在尺寸测量范畴内，从绝对量来讲已经提出从绝对量来讲已经提出了纳米与亚纳米的测量了纳米与亚纳米的测量要求；要求；（2）在时间测量上，分）在时间测量上，分辨力要求达到分秒级，辨力要求达到分秒级，相对精度为相对精度为10-14次方；次方；（3）在电量上则要求能）在电量上则要求能够精确测出单个电子的够精确测出单个电子的电量。电量。（4）在航空航天领域，）在航空航天领域，对飞行物速度和加速度对飞行物速度和加速度的测量都要求达到的测量都要求达到0.05的精度。的精度。在测量速度在测量速度方面，机床、方面，机床、涡轮机、交涡轮机、交通工具等的通工具等的运行速度都运行速度都在不断加快在不断加快。在科学技术的在科学技术的进步与社会发进步与社会发展过程中，不展过程中，不断出现新领域、断出现新领域、新事物，需要新事物，需要人们去认识、人们去认识、探索和开拓，探索和开拓，如开拓外层空如开拓外层空间、探索微观间、探索微观世界、了解人世界、了解人类自身的奥秘类自身的奥秘等。等。2传感器向新型、微型、智能型传感器向新型、微型、智能型、网络化、网络化发展发展传感器材料是传感传感器材料是传感器技术的重要基础器技术的重要基础，开发新型功能材，开发新型功能材料已成为发展传感料已成为发展传感器技术的关键之一。器技术的关键之一。从从IC制造技术发展制造技术发展起来的微机械加工起来的微机械加工工艺使被加工的敏工艺使被加工的敏感结构的尺寸达到感结构的尺寸达到微米、亚微米级，微米、亚微米级，并可以批量生产，并可以批量生产，从而制造出价格便从而制造出价格便宜的微型化传感器。宜的微型化传感器。传感器逐渐呈小型传感器逐渐呈小型化、微型化的发展化、微型化的发展趋势。趋势。微处理器技术微处理器技术的进步使传感的进步使传感器技术正在向器技术正在向智能化方向发智能化方向发展，这也是信展，这也是信息技术发展的息技术发展的必然趋势必然趋势。第三节 测试技术的发展趋势3测量范围向极端测量方向发展测量范围向极端测量方向发展就目前测试技术的发展水平而言，常规测量已经比较成就目前测试技术的发展水平而言，常规测量已经比较成熟，但是随着研究的不断深入与领域的不断拓宽，一些熟，但是随着研究的不断深入与领域的不断拓宽，一些极端情况下的测量任务不断涌现。尺寸测量要求能从原极端情况下的测量任务不断涌现。尺寸测量要求能从原子核测到宇宙空间，电压测量要求能从纳伏测到百万伏，子核测到宇宙空间，电压测量要求能从纳伏测到百万伏，电阻测量要求能从超导测至电阻测量要求能从超导测至10+14，加速度测量要求，加速度测量要求能从能从10-4 g测到测到10+4 g，温度测量要求能从接近绝对零，温度测量要求能从接近绝对零度测到度测到10+18度。测试技术正在向解决这些极端测量问题度。测试技术正在向解决这些极端测量问题的方向发展。的方向发展。第三节 测试技术的发展趋势4参数测量与数据处理向自动化发展参数测量与数据处理向自动化发展一个产品的大型综合性试验，准备时间长，待测参数多，一个产品的大型综合性试验，准备时间长，待测参数多，若众多数据依靠手工去处理，则不仅精度低，处理周期若众多数据依靠手工去处理，则不仅精度低，处理周期也太长。现代测试技术的发展，使采用以计算机为核心也太长。现代测试技术的发展，使采用以计算机为核心的自动测试系统成为可能。该系统一般能实现自动校准、的自动测试系统成为可能。该系统一般能实现自动校准、自动修正、故障诊断、信号调制、多路采集和自动分析自动修正、故障诊断、信号调制、多路采集和自动分析处理，并能打印输出测试结果。同时还出现了将微测试处理，并能打印输出测试结果。同时还出现了将微测试系统直接放入被测体内，直接测试被测体在工作过程中系统直接放入被测体内，直接测试被测体在工作过程中各种主要参数的变化，并将数据存储起来，然后通过计各种主要参数的变化，并将数据存储起来，然后通过计算机接口读出存储数据的测试技术。算机接口读出存储数据的测试技术。第三节 测试技术的发展趋势催生测试技术迅催生测试技术迅猛发展的的土壤猛发展的的土壤第三节 测试技术的发展趋势 在产品开发、产品开发、试验研究试验研究及生产设备运行生产设备运行监测中，需要测量各种物理量及其随时间变化的特性，这项工作通常由各种测量装置和测量过程来完成。因此，在测量过程中，如何保证被测物理量及其随时间变化的准确性，是检测技术人员必须关注和解决的问题。测量的基本概念、基本概念、测量误差测量误差与测量不确定性测量不确定性等关于测量的基础知识，为后续的测试工作奠定基础。引言引言第四节 测量基础测量测量（Measurement）是借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的实践过程。测量过程测量过程实质上是一个比较的过程，即将被测量与一个同性质的、作为测量单位的标准量进行比较的过程。1、测量的概念测量的概念第四节 测量基础被测的量必须有明确的被测的量必须有明确的定义定义 ；测量测量标准标准必须通过必须通过协议协议事先确定事先确定 对事物实施测量必须要满足如下对事物实施测量必须要满足如下两个前提条件：两个前提条件：国际计量大会（国际计量大会（CGPMCGPM）定义了）定义了七个基本标准七个基本标准（国际单位（国际单位SISI）：）：长度长度（L,mL,m）、）、质量质量（M,kgM,kg）、）、时间时间（T,sT,s）、）、温度温度（,K,K）、）、电流电流（I,AI,A）、）、光强光强（J,cdJ,cd）和原子物理中的）和原子物理中的物质的量物质的量（N,molN,mol）第四节 测量基础动态测量动态测量 静态测量静态测量按被测量是否随时间变化按被测量是否随时间变化2、测量方法分类例如，用激光干涉仪对建筑物的缓慢沉降进行长期监测 例如，用光导纤维陀螺仪测量火箭的飞行速度、方向就属于动态测量 1第四节 测量基础间接测量间接测量直接测量直接测量按测量手段不同按测量手段不同用标定的仪表直接读取被测量的测量结果，该方法被称为直接测量。例如，用磁电式仪表测量电流、电压；用离子敏MOS场效应晶体管测量pH值和甜度等。间接测量首先要对几个与被测量有确定函数关系的量进行直接测量，将测量值代入函数关系式，经过计算求得被测量。例如，为了求出某一匀质金属球是否纯金，就必须测出它的密度。2第四节 测量基础非接触式测量非接触式测量 接触式测量接触式测量按是否与被测对象接触按是否与被测对象接触例如，用多普勒超声测速仪测量汽车超速与否就属于非接触测量。非接触测量不影响被测对象运行工况，是目前发展的趋势。3第四节 测量基础离线测量离线测量在线测量在线测量按测量手段不同按测量手段不同现代自动化机床均采用“边加工、边测量”的方式，就属于在线测量，它能保证产品质量的一致性。离线测量虽然能测出产品的合格与否，但无法实时监控生产质量。4第四节 测量基础它综合了偏位式测量速度快和零位式测量精度高的优点。这种方法预先使被测量与测量装置内部的标准量取得平衡。当被测量有微小变化时，测量装置失去平衡。在测量过程中，被测量与仪表内部的标准量相比较，当测量系统达到平衡时，用已知标准量的值决定被测量的值 微差式测量微差式测量 偏位式测量偏位式测量 根据测量的具体手段不同根据测量的具体手段不同 在测量过程中，被测量作用于仪表内部的比较装置，使该比较装置产生偏移量，直接以仪表的偏移量表示被测量的测量方式 零位式测量零位式测量 5第四节 测量基础 1、测量误差的定义测量误差的定义（1）真值：）真值：理论真值 规定真值 相对真值（2）测量误差）测量误差测量误差=测量结果-真值（3）残余误差）残余误差残余误差=测量结果-约定真值真值是指客观存在的实际值。理论真值也称为绝对真值，如平面三角形内角之和为180 国际上公认的某些基准量值。计量器具按精度不同分为若干等级，上一等级的指示值即为下一等级的真值 包包括括第五节 测量误差（4）分贝误差）分贝误差（3）引用误差）引用误差2、误差的表示方法误差的表示方法100（1）绝对误差）绝对误差 绝对误差=测得值-真值（2）相对误差）相对误差100 当被测真值为未知数时，一般可用测得值的算术平均值代替被测真值。分贝误差的单位为dB，但本质上属于无量纲量，是一种特殊形式的相对误差。国际规定电测仪表的精度等级指数分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共7个等级，其最大引用误差不超过仪器精度等级指数百分数，第五节 测量误差例：质量例：质量G1=50 g，误差，误差 1=2 g；质量；质量G2=2 kg，误差，误差 2=50 g 1=100%=x100%=4%1G1G1的相对误差为的相对误差为250 2=100%=100%=2.5%G2G2的相对误差为的相对误差为502000 2 G2的测量效果较好的测量效果较好第五节 测量误差按照误差的按照误差的按照误差的按照误差的特点和性质特点和性质特点和性质特点和性质粗大误差粗大误差粗大误差粗大误差系统误差系统误差系统误差系统误差随机误差随机误差随机误差随机误差在相同条件下，多次测量同一物理量时，误差不变或按一定规律变化着 产生误差的原因及误差数值的大小、正负是随机的，没有确定的规律性，或者说带有偶然性，误差数值特别大，超出在规定条件下的预计值，测量结果中有明显错误的误差 第五节 测量误差3、误差分类、误差分类按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差。按误差来源：装置误差、环境误差、方法误差、人员误差。按误差性质：系统误差、随机误差、粗大误差。按误差性质：系统误差、随机误差、粗大误差。系统误差系统误差由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生。由特定原因引起、具有一定因果关系并按确定规律产生。有规律可循有规律可循仪器、环境变化、方法不完善仪器、环境变化、方法不完善由于系统误差具有一定的规律性，因此它是可预测的，也是由于系统误差具有一定的规律性，因此它是可预测的，也是可以消除可以消除的。对于的。对于已确知的系统误差，应通过适当的已确知的系统误差，应通过适当的“修正修正”方法从测量结果中消除。方法从测量结果中消除。第五节 测量误差 随机误差随机误差 在同一测试条件下，多次重复测量同一量时，误差大小、符号均以不可预定在同一测试条件下，多次重复测量同一量时，误差大小、符号均以不可预定的方式变化的误差。因许多不确定性因素而随机发生。具有的方式变化的误差。因许多不确定性因素而随机发生。具有偶然性偶然性（不明确、无（不明确、无规律）。规律）。概率和统计性处理（无法消除概率和统计性处理（无法消除/修正）。修正）。绝大多数随机误差遵循正态统计规律。绝大多数随机误差遵循正态统计规律。系统误差和随机误差的划分是相对的。例如，在加工一批轴时，各轴径的误系统误差和随机误差的划分是相对的。例如，在加工一批轴时，各轴径的误差有大有小，有正有负，是随机的，但对于某一确定轴来说，其轴径误差是确定差有大有小，有正有负，是随机的，但对于某一确定轴来说，其轴径误差是确定的。的。第五节 测量误差 粗大误差粗大误差 在一定的测量条件下，测得的值明显偏离其真值，既不具有确定分布规律，在一定的测量条件下，测得的值明显偏离其真值，既不具有确定分布规律，又不具有随机分布规律的误差。又不具有随机分布规律的误差。在判别某个测量值是否含有粗大误差时，应作充分的分析和研究，并根在判别某个测量值是否含有粗大误差时，应作充分的分析和研究，并根据据判别准则判别准则予以确定：予以确定：3 3准则、罗曼诺夫斯基准则和格拉布斯基准则等。准则、罗曼诺夫斯基准则和格拉布斯基准则等。粗大误差的大小通常明显超过正常条件下的系统误差和随机误差，其相粗大误差的大小通常明显超过正常条件下的系统误差和随机误差，其相应的测量值称为应的测量值称为坏值或异常值坏值或异常值。第五节 测量误差4、有效数字及舍入规则、有效数字及舍入规则1 1有有效效数数字字：从从数数字字的的左左边边第第一一个个不不为为零零的的数数字字起起，到到右右面最后一个数字（包括零）止。面最后一个数字（包括零）止。测测量量结结果果应应保保留留位位数数原原则则是是：其其最最末末位位不不可可靠靠，而而倒倒数第二位应是可靠的。数第二位应是可靠的。2 2舍入原则舍入原则：四舍六入五凑双四舍六入五凑双。12.512.5写作写作1212；13.513.5写作写作1414。第五节 测量误差6、误差的消除、误差的消除系统误差的消除系统误差的消除2 2）引入修正值进行校正引入修正值进行校正1 1）从产生误差的根源上消除系统误差从产生误差的根源上消除系统误差 预先将测量器具的系统误差检定出来，作出预先将测量器具的系统误差检定出来，作出误差误差表表或或误差曲线误差曲线，然后取与误差数值大小相同而符号相，然后取与误差数值大小相同而符号相反的值作为修正值，将实际测得值加上相应的修正值，反的值作为修正值，将实际测得值加上相应的修正值，即得结果。此方法不能将全部系统误差修正掉。即得结果。此方法不能将全部系统误差修正掉。第五节 测量误差 例：等臂天平称重，例：等臂天平称重，左右两臂长的微小差别。左右两臂长的微小差别。为恒值系统误差为恒值系统误差引起系统误差的条件（如被测量的位置）相互交换引起系统误差的条件（如被测量的位置）相互交换 ，其他条件不变。，其他条件不变。（1 1）交换法交换法X X与与P P左右交换，取两次测量的平左右交换，取两次测量的平均值，以消除系统误差。均值，以消除系统误差。被测物被测物 -X-X；平衡物；平衡物 -T-T；砝码；砝码 -P-P交换法交换法3 3）消除常值系统误差的方法）消除常值系统误差的方法第五节 测量误差 例：等臂天平称重，例：等臂天平称重，左右两臂长的微小差别。左右两臂长的微小差别。为恒值为恒值系统误差系统误差（2 2）标准量替代法标准量替代法被测物被测物 -X-X；平衡物；平衡物 -T-T；砝码；砝码 -P PT T与与X X 平衡平衡测量结果测量结果P P与与T T平衡平衡标准量替换被测量。标准量替换被测量。替代法替代法，第五节 测量误差(3)(3)抵消抵消法法改变测量条件（如方向），两次测量结果的误差符号改变测量条件（如方向），两次测量结果的误差符号相反相反 ，取平均值消除带有间隙特性的定值系统误差。，取平均值消除带有间隙特性的定值系统误差。例：螺旋测微仪。由间隙引起空行程误差，属系统误差例：螺旋测微仪。由间隙引起空行程误差，属系统误差往返两个方向两次读数，取平均。往返两个方向两次读数，取平均。顺时针顺时针 逆时针逆时针 正确值正确值 不含系统误差不含系统误差 a，空程引起误差，空程引起误差 第五节 测量误差（4 4）差动法差动法被测量对传感器起差动作被测量对传感器起差动作用，干扰因素起相同作用。用，干扰因素起相同作用。被测量的作用相加被测量的作用相加 干扰的作用相减干扰的作用相减抑制干扰抑制干扰 ，提高灵，提高灵敏度和线性度敏度和线性度作用：作用：第五节 测量误差1 1）判别方法）判别方法(1)(1)物理判别法物理判别法 人为因素，不符合实验条件人为因素，不符合实验条件/环境突变环境突变(2)(2)统计判别法统计判别法（整个测量完毕之后）（整个测量完毕之后）粗大误差的减少办法和剔除准则粗大误差的减少办法和剔除准则显然与事实不符、歪曲的测量结果应主观避免、剔除。显然与事实不符、歪曲的测量结果应主观避免、剔除。（测量过程中）（测量过程中）统计方法处理数据统计方法处理数据 ：超过误差限：超过误差限 判为坏值，剔除。判为坏值，剔除。随时发现，随时剔除随时发现，随时剔除 -重新测量重新测量 3 3 准则：准则：测量值测量值 Xd 的误差的绝对值的误差的绝对值|x|3 -坏值坏值-剔除。剔除。第五节 测量误差提问与解答环节Questions And Answers谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard,Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal