作者：陈国顺,于涵伟,王格芳,王正林
出版社：清华大学出版社
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测试工程及LabVIEW应用试读：
前言
测试技术是工程科学领域中应用非常广泛的专业技术，在计算机技术、网络通信技术、仪器技术和自动测试技术不断发展的推动下，测试技术的研究和应用也日益受到关注，作为产品质量保证的关键环节，测试贯穿产品研发的整个过程，具有极其重要的地位和作用。
LabVIEW是一种普遍应用的测试仪器和系统相关软件，LabVIEW已成为国内外测试技术和工程中的通用编程语言。
为了更好地推动LabVIEW在测试理论、测试技术以及测试系统设计、研发与工程中的应用，笔者在参考以往类似书籍与教材的基础上，弥补其理论与实践联系不够紧密的不足，结合自身经验和体会编写此书，希望更多的工程人员利用LabVIEW来提高工作效率。
全书紧扣工程实践，以测试工程各环节为主线，依托LabVIEW平台环境，详细阐述了测试工程原理、测试技术应用、LabVIEW应用以及工程实践经验等，是多年来科研、教学与工程工作的结晶，书中所举各例均已进行了试验与验证。全书共分10章，包括绪论、LabVIEW测试软件开发入门、数据采集、LabVIEW中数据采集的实现、测试信号处理与分析及LabVIEW实现、网络化测试、网络测试及LabVIEW实现、LabVIEW中数据库访问、自动测试系统ATS、测试系统集成设计。
本书参考了大量的相关专业教材和参考资料，并基于笔者多年测试技术和工程领域的研究和工程经验编写而成，全书内容深入浅出、实例丰富，各章之间既相互联系又相对独立，读者可根据自己需要选择阅读。
感谢盛新志教授、娄淑琴教授、周超群教授以及同事Ronald、Ben、Amy的指导和帮助，谨以此书向他们致以衷心的感谢。
本书第1、2、6章主要由陈国顺、王格芳编写，第7、8章主要由于涵伟编写，第3、9、10章主要由王格芳、陈国顺编写，第4、5章主要由王正林编写，全书由陈国顺、王正林统稿。参加编写的还有肖静、夏路生、肖绍英、王权、钟颂飞、王伟欣、朱桂莲、邹求来、钟杜清、刘拥军、陈菜枚、钟太平、王盘桃、王殿祜、钟事沅、李灿辉。
由于时间仓促，作者水平和经验有限，特别是测试技术的理论和工程实践都在不断发展，本书难免有错漏之处，敬请读者批评指正。作 者2013年5月第1章 绪 论
当今，测试技术广泛应用于国民经济的各个领域，成为信息技术的三大支柱之一，同时也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。目前测试技术在国民经济中具有举足轻重的地位。
本章主要对测试技术、测试系统、网络化测试工程、测试工程的主要研究内容、LabVIEW在测试工程中的应用状况等基础概念和知识进行概述性介绍。通过本章的学习，读者能对本书的主要内容有一个全面的了解。1.1 测试技术概述
测试技术是一门新兴的、蓬勃发展的、富有生命力的综合性技术学科，测试技术的发展经历了一条“测量——检测——测试”的道路。1.1.1 测试技术发展历程
1．测量
测量（Measurement）是测试早期的表现形式，是测试最基本、最原始的含义，是测试的一部分，测量的意义更为广泛、更为普遍。
测量是指以确定被测对象的量值为目的而进行的实验过程。测量的过程，就是人们借助专门的测量工具，通过实验的方法，把被测量信息直接或间接地与作为测量单位的已知标准量相比较，从而取得数量观念的一种认识过程。测量结果总是包含一定的数值（绝对值大小及符号）和单位两部分。
测量方法可分为静态测量和动态测量。静态测量是指不随时间变化的物理量的测量，例如机械制造中，通过对加工零件的尺寸测量，试图得到制成品的尺寸和形位误差。动态测量是指随时间变化的物理量的测量。
在工程试验中，需要进行各种物理量的测量，以得到准确的定量结果。当然，不仅是工程试验需要测量，机器和生产过程的运行监测、控制和故障诊断也需要在线测量。这时，测量系统大多就是机器和生产线的重要组成部分。
2．检测
随着科学技术的飞速发展，其他新技术不断与测量融合。特别是电子技术的融入，成为了测量技术的助推器。被测对象的拓展，测量手段、方法、工具的进步，使得测量的内涵不断丰富外延，逐步发展到一个新的阶段——检测。
检测是在传统的测量学的基础上，以检测仪器为主要工具，辅助以专门的设备、计算机、网络等手段，通过适当的实验方法、必需的信号分析及定量的数据处理，由测得的信号求取与研究对象有关的信息量值，完成有用信息的获取等任务。
简单来说，测量仅仅是检出被测信号，以确定被测对象属性量值为目的，而检测则是需要在检出信号的基础上做进一步的信号处理和数据分析判断等工作。
检测技术的发展很大程度上依赖于仪器仪表的发展，仪器仪表作为检测领域的一个重要环节，是进行检测与控制的基础手段和设备，是信息产业的源头和组成部分。
3．测试
计算机技术、信息技术的发展也为检测技术赋予了新的内容和含义，注入了新的活力，推动了检测技术的迅猛发展，今天的检测已经拓展为更深、更广的概念——测试（Measurement and Test）。
测试是指具有试验性质的测量或者测量和试验。测试是对某种信息的认知过程，是对被测信息进行检出、变换、分析、处理、判断、控制、显示、数据存储等的综合认识过程。凡是信息的认知都可以划入测试的范畴，一切可以被认知的信息都是测试的对象。
测试涉及信号、信息这两个基本概念。所谓信号，是指传递某个实际系统状态或行为信息的一种物理现象或过程。它的基本表现形式是变化着的电压或电流，而信息是人类社会、自然界一切事物运动与状态的特征，是提供判断或决策的一种资料。信号是信息的实际载体，信息则是信号经过处理之后的有用部分，脱离信息的信号是毫无实际意义的。
测试作为一个非常重要的、甚至不可或缺的环节，贯穿于新产品研究与生产的整个过程。其作用正如自动控制中的反馈环节，使整个研发工作变成一个闭合的、可调节的、不断进步的过程。正在是研发过程中引入了测试，产品的性能和品质才得以不断提高。
在产品开发或其他目的的试验中，一般要在被测对象运行过程中或试验激励下，测量或记录各种随时间变化的物理量，通过随后的进一步处理或分析，得到所要求的定量的试验结果。
测试系统则是测试技术的表征，是进行科研与生产测试的工具，各种工业生产都通过测试系统的监测来保证整个生产流程的顺利进行，保证最终产品的质量。1.1.2 现代测试技术的特点
现代测试技术的主要特点可概括为数字化、智能化、网络化和分布式化。
1．数字化
数字化测试技术在20世纪90年代获得了很大的发展，在测试领域从传感器、控制器到远程终端设备都实现了数字化控制。数字化器件成为信号处理、通信中的主要器件，过程控制也几乎完全实现了数字控制。
2．智能化
测试系统中的仪器仪表是以微处理器为基础的智能化仪器，具有多用、易用和灵巧等特点。虽然这种智能还不能与采用计算机所实现的高级人工智能相比，但是随着微电子技术的发展，这种新的智能将日益嵌入到未来的仪器内，从而使其具有更强的计算能力以及更多的计算方法。
此外，在测试领域将引入更多的人工智能技术，用来执行测试对象、测试过程的故障诊断、报警分析等，同时还可通过数据库进行测试过程的统计分析、智能决策，从而使测试对象管理、调度运行最佳化。
测试服务器中采用专家系统将彻底改变其工作能力，服务器除了常规的监控、控制和显示任务外，还能起到专家顾问作用，可进行智能故障诊断、过程智能监控等。
3．网络化
计算机技术、传感器技术、网络技术与测量、测试技术的结合，使网络化、分布式测试系统的组建更为方便。以Internet为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大，应用更广。在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域，对大范围的网络化测试将提出更迫切的需求，网络技术也必将在测试领域得到广泛的应用。同时，网络化仪器很快会发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测试技术、网络测试技术的进步。
21世纪的测试是一个开放的系统概念。以PC机和工作站为基础，通过组建网络来形（构）成实用的测试系统，提高生产效率和共享信息资源，已成为现代测试技术及仪器仪表发展的方向。
在网络化环境条件下，被测对象可通过测试现场的普通仪器设备，将测得的数据（信息）通过网络传输给异地的精密测量设备或高档次的微机化仪器去分析、处理，能实现测量信息的共享，而且还可掌握网络节点处信息的实时变化的趋势。此外，也可通过具有网络传输功能的仪器将数据传至远端（即现场）。
从某种意义上说，计算机和现代仪器仪表已相互包容，计算机网络也就是通用的仪器网络，如果在测试系统中有更多不同类型的智能设备也像计算机和工作站一样成为网络的节点联入网络，比如各种智能仪器、虚拟仪器及传感器等，它们将充分利用目前已比较成熟的Internet网络的设施，不仅能实现更多资源的共享、降低组建系统的费用，还可提高测试系统的功能，并拓宽其应用的范围。“网络就是仪器”的概念确切地概括了仪器的网络化发展趋势。
测试技术网络化的实用意义主要有以下三点：
● 有利于降低测试系统的成本；
● 有利于实现远距离测试和资源共享；
● 有利于实现测试设备的远距离诊断与维护。
4．分布式化
分布式测试技术是以微计算机与通信网络技术为基础、采用分布式结构将系统内的所用设备连接起来、组成适合需要的分布式测试系统。这种分布式测试系统的应用普遍，发展也很快。
利用分布式测试系统在生产过程控制中可以实现测量——控制——管理的全自动化，从而可使测试成本大幅度降低，测试效率大幅度提高；在管理过程控制中则可以利用实时联机专家系统辅助操作员工作，使管理过程最佳化。
分布式测试系统具有很多优点：
● 组网灵活，其连接网络可根据实际需要扩大，可以是单模块系统也可以是多模块系统；
● 采用并行处理，运行速度很快；
● 安全可靠，某一部分发生故障后不影响整个系统工作；
● 操作员有专用的接口模块，可以联机开发新模块。
测试系统还采用已经成为国际标准的通信网络标准、总线标准以及有关协议规约等，可充分发挥上述优点。1.1.3 测试技术发展趋势
20世纪70年代以来，测量技术与仪器不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其测试系统，计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊，测量领域和范围不断拓宽。近20年来，以Internet为代表的网络技术的出现以及它与其他高新科技的相互结合，不仅已开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为现代测试技术带来了前所未有的发展空间和机遇，现代测试技术呈现出如下几方面的发展趋势。
1．计算机就是仪器
自从计算机技术及微电子技术渗透到测量和控制技术领域，便使得该领域的面貌不断更新。相继出现的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器，都无一例外地利用计算机的软件和硬件优势，从而既增加了测量功能，又提高了技术性能。
由于信号被采集变换成数字形式后，更多的分析和处理工作都由计算机来完成，因此，仪器与计算机之间的界限日益模糊。近年来，新型微处理器的速度不断提高，采用流水线、RISC结构和Cache等先进技术，又极大提高了计算机的数值处理能力和速度。在数据采集方面，数据采集卡、仪器放大器、数字信号处理芯片等技术的不断升级和更新，也有效地加快了数据采集的速率和效率。与计算机技术紧密结合，已是当今测试技术发展的主潮流。
微机化仪器就是配以相应软件和硬件的计算机，它能够完成许多仪器仪表的功能，实质上相当于一台多功能的通用测试仪器。这样的现代仪器设备功能已不再由按钮和开关的数量来限定，而是取决于其中存储器内装有软件的多少。从这个意义上可认为，计算机与现代仪器设备日渐趋同，因此有人提出了“计算机就是仪器”、“软件就是仪器”的概念。
测试仪器是组成测试系统的基本单位，是进行数据采集和监测监控的物理基础。它的发展在一定程度上决定着测试系统的更新和发展。测试仪器技术既是现代科研的前沿技术，又是信息社会的关键技术。到目前为止，测试仪器技术已经发展了四代，经历了模拟仪器、数字仪器和智能仪器，再到目前的正在高速发展的虚拟仪器四个过程。
测试仪器的智能化、软件化和网络化水平不断提高；而各种数字集成电路芯片的不断问世，使得测试仪器的数字信号处理功能也在不断增强。同时测试仪器技术朝着产业化、标准化的方向大步迈进，一方面使得测试仪器的接口逐渐统一，不同厂商产品之间的互操作性不断增强。另一方面，包括VXI/PXI总线和现场总线在内的各种先进测试总线的广泛使用，使得测试仪器的实时性、智能性和软件化水平进一步提高。
总体来说，测试仪器技术的发展体现了以下趋势：
● 测试仪器的数字化、智能化水平不断提高，集成多功能仪器的平台将有可能取代传统意义上的各种功能单一的仪器；
● 计算机硬件技术在测试仪器领域的应用步伐不断加快，各种最新的硬件制造设计技术都在测试仪器领域找到一席之地，从而使得测试仪器的功能不断扩展，能力不断提高，用途越来越广，而价格却逐渐下降；
● 测试仪器技术与网络的结合使得网络化是今后测试仪器发展的主导方向。测试仪器的概念也在不断变革，其功能逐渐上提并交于计算机软件完成，甚至仪器仪表本身就是一个功能完善的微型嵌入式计算机系统。
2．计算机是测试系统的中坚力量
总线式仪器、虚拟仪器等微机化仪器技术的应用，使组建集中和分布式测试系统变得更为容易。但集中测试越来越满足不了复杂、远程（异地）和范围较大的测试任务的需求，对此，组建网络化的测试系统就显得非常必要，而计算机软、硬件技术的不断升级与进步、给组建测试网络提供了越来越优异的技术条件。
Unix、Windows等网络化计算机操作系统，为组建网络化测试系统带来了方便。标准的计算机网络协议，如OSI的开放系统互连参考模型RM、Internet上使用的TCP/IP协议，在开放性、稳定性、可靠性方面均有很大优势，采用它们很容易实现测试网络的体系结构。
在开发软件方面，比如NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI，HP公司的VEE，微软公司的VB、VC等，都有开发网络应用项目的工具包。软件是虚拟仪器开发的关键，如LabVIEW和LabWindows/CVI的功能都十分强大，不仅使虚拟仪器的开发变得简单方便，而且为把虚拟仪器放到网络上提供了可靠、便利的技术支持。
将计算机、高档外设和通信线路等硬件资源以及大型数据库、程序、数据、文件等软件资源纳入网络，可实现资源的共享。其次，通过组建网络化测试系统增加系统冗余度的方法能提高系统的可靠性，便于系统的扩展和变动。
由计算机和工作站作为结点的网络也就相当于现代仪器的网络，计算机已成为现代测试系统的中坚力量。
3．网络技术是关键支撑技术
随着以Internet为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易，Internet拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用，比如远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用，远程设备故障诊断等。与此同时，高性能、高可靠性、低成本的网关、路由器、中继器及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步，又方便了Internet、不同类型测试网络以及企业网络间的互联。利用现有Internet资源而不需建立专门的拓扑网络，使组建测试网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联都十分方便，这就为测试网络的普遍建立和广泛应用铺平了道路。
把TCP/IP协议作为一种嵌入式的应用，嵌入在现场智能仪器（主要是传感器）的ROM中，使信号的收、发都以TCP/IP方式进行，如此，测试系统在数据采集、信息发布、系统集成等方面都以企业内部网络（Intranet）为依托，将测试网和企业内部网及Internet互联，便于实现测试网和信息网的统一。
在这样构成的测试网络中，传统仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域，使实时、动态（包括远程）的在线测试成为现实，将这样的测试技术与过去的测试、测试技术相比不难发现，今天，测试能节约大量现场布线、扩大测试系统所及地域范围。由于在这种现代测量任务的执行和完成过程中，网络发挥了不可替代的关键作用，即网络实实在在地介入了现代测量与测试的全过程，使得测试系统易于扩展和维护。
基于Web的信息网络Intranet，是目前企业内部信息网的主流。应用Internet具有开放性的互联通信标准，使Intranet成为基于TCP/IP协议的开放系统，能方便地与外界连接，尤其是与Internet连接。借助Internet的相关技术，Intranet给企业的经营和管理能带来极大便利，已被广泛应用于各个行业。Internet也已开始对传统的测试系统产生越来越大的影响。
目前，测试系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开放性等原则，测试网络由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化、智能化的测试系统。网络节点上不仅有计算机、工作站，还有智能测试仪器仪表，测试网络将有与信息网络相似的体系结构和通信模型。
网络技术正在并将极大地改变测试技术及仪器仪表领域，微机化仪器的联网，高档测量仪器设备以及测量信息的地区性、全国性乃至全球性资源共享。各等级计量标准跨地域实施直接的数字化溯源比对，远程数据采集与测试，远程设备故障诊断，电、水、燃气、热能等的自动抄表，等等，都是网络技术进步并全面介入其中发挥关键作用的必然结果。1.2 测试系统概述
测试的基本任务是获取有用的信息。而信息又是蕴涵在某些随时间或空间变化的物理量，即信号之中的。因此，首先要检测出被测对象所呈现的有关信号，再加以分析处理，最后将结果提交给观察者或其他信息处理装置、控制装置。信号，就其具体的物理性质而言，有位移信号、速度信号、加速度信号、力信号、光信号和电信号等。从信息的提取和信息的采用来看，目前电信号最为方便。因此各种非电信号多被转换为电信号，再传输、处理和运用。
由于测试的目的和要求不同，测量对象又千变万化，因此测试系统的组成、复杂程度都有很大差别，下面就典型的测试系统进行讲述。1.2.1 测试系统的组成
测试系统由一些不同功能的环节所组成，这些环节保证了由获取信号到提供观测的最必要的信号流程功能。一个典型的测量或测试系统的原理框图如图1-1所示。图1-1 测试系统原理框图
1．传感器
传感器是测试系统中的第一个环节，用于从被测对象获取有用的信息，是测试系统的信号获取部分。传感器将被测物理量转换为适合于测量的变量或信号。
比如采用弹簧秤测量物体重量时，其中的弹簧便是一个传感器，它将物体所受的重力转换成弹簧的变形——位移量。测量物体的温度变化时，其中的水银温度计便是一个传感器，将温度的变化转换为汞柱位移的变化。
由此可见，对于不同的被测物理量要采用不同的传感器，这些传感器的作用原理所依据的物理效应也是千差万别的。对于一个测量任务来说，第一步是能够有效地从被测对象取得能用于测量的信号，因此传感器在整个测试系统中的作用十分重要。
2．信号调理
信号调理部分是对从传感器所输入的信号作进一步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤波、储存、重放和一些专门的信号处理。经过信号的调理，最终转变成便于传输、显示和记录以及可做进一步后续处理的信号。
信号调理是测试信号处理的必不可少的环节，因为：
● 从传感器出来的信号，往往除有用信号外还夹杂着各种有害的干扰和噪声，因此在做进一步处理之前必须将干扰和噪声滤除掉。
● 传感器的输出信号往往具有光、机、电等多种形式，而对信号的后续处理往往都采取电的方式和手段，因而有时必须把传感器的信号进一步转换为适宜于电路处理的电信号，其中也包括信号的放大。
3．显示与记录
显示与记录部分是将调理和处理过的信号，采用便于人们观察和分析的介质和手段进行记录或显示。
4．被测对象和观察者
被测对象和观察者也是测试系统的组成部分，它们同传感器、信号调理部分以及数据显示与记录部分，一起构成了一个完整的测试系统。
在用传感器从被测对象获取信号时，被测对象通过不同的连接或耦合方式也对传感器产生了影响和作用；同样，观察者通过自身的行为和方式也直接或间接地影响着系统的传递特性，因此在评估测试系统的性能时，必须也考虑这两个因素的影响。
在测试系统中，原理图的虚线框中的部分，也就是三个方框中的功能，都是通过传感器和不同的测量仪器和装置来实现的，它们构成了测试系统的核心部分。1.2.2 自动测试系统
科学技术的进步与经济、军事等各个领域的飞速发展，对测试提出了更高的要求。要求测试精度更高、速度更快；能自动进行数据处理、显示、存储和传输；能多点综合测试；能自动控制测试过程；能自动校准、误差修正；能自动检验故障，甚至排除故障，实现自修复等。计算机技术的发展使得以计算机为中心的自动测试系统能够从容应对这些挑战。
自动测试系统以计算机为核心，主要采用软件控制的方式将测试的各个环节（从测试信号产生、信号检出、信号传输、信号处理、数据分析与判断、结果显示与数据存储、自动控制与调节等）进行有机集成，从而自动完成测试的全过程。
自动测试系统具有智能数据处理、高度灵活、多参数同时测试、快速测试等性能和特点，可以避免人为误差，获得良好的测试复现性；通过大量的冗余测量，进行统计、分析和计算，在很大程度上还可以清除或削弱随机误差和系统误差，从而获得极高的测试精确度。自动测试系统是现代测试工程学的发展方向。1.2.3 测试系统的分类
根据测试对象不同，采用的测试方法也就不同。测试方法以测试实时性分为在线测试和非在线测试；以测试信号分为模拟信号测试和数字信号测试；以域分为时域测试和频域测试；以测试手段分为接触测试和非接触测试等。实际采用哪种测试方法，视具体情况而定。
1．按测试模型分
从测试模型来说，测试的方式有两种：一种是已知测试；另一种是未知测试。（1）已知测试
已知测试是指对测试对象已经有明确的认识，从理论上就可建立测试系统来正确描述被测事物或现象，测试的目的只是对被测事物或现象进行验证和监测，这种情况下的测试系统构建往往以数据分析方法为核心，首先确定测试数据的分析方法，然后结合信号进行传感器、仪器和采集卡等硬件选型，并结合测试环境确立相应的信号处理方式。整个测试系统的构建基本处在测试工程师的掌控之中。（2）未知测试
未知测试是指被测事物或现象没有确定的描述模型，需要根据已有的知识或者借鉴其他测试经验建立一个估计测试模型，然后通过对测试数据的分析来不断改进测试模型，一方面尽可能多地让测试模型表达可描述被测事物或现象特征的信息；另一方面则通过对测试数据的分析来正确描述被测事物或现象。在这种情况下，测试系统的构建往往从被测对象所表现的可测信号出发，用各种传感器或仪器尽可能多地感知被测对象信号，然后对测试数据进行各种尝试性分析，找出最合适的数据分析方法，并不断改进测试系统各中间环节，以适应参数分析的需要。
多数成熟测试系统的形成都是一个从未知测试到已知测试、逐渐完善的过程。
2．按测试系统物理构成分
如果从测试系统物理构成来划分，主要有以下几种基本形式。（1）简单型
简单型主要针对单一测试信号的某个方面，采用相应的测试仪器来托运测试。
最简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计，它直接将温度转化为液面示值。简单型测试系统的测试目的明确；测试对象单一；对应的仪器功能强大，能够进行相应数据分析并得到明确直观的结果；测试自动化要求不高。（2）数据采集型
数据采集型是测试系统应用最广泛的形式，其基本组成包括传感器、信号处理、数据采集卡和计算机。（3）系统集成型
大多数通用测试平台采用系统集成型形式，其特点是测试功能相对稳定，但对测试系统的性能要求很高，只有专用的仪器才能完成。（4）网络型
网络型测试系统利用局域网、互联网或二者的结合，将分布在不同地域的测试装置及测试子系统连接起来，通过某种通信协议（如TCP/IP）传输测试数据及测试控制指令，实现各测试子系统为共同测试任务而协同工作的目的。（5）闭环反馈型
闭环反馈型是在数据采集型的基础上增加了反馈控制环节，一方面使测试系统能够根据数据分析结果实时调整、控制其自身的测试装置，使其以最佳的测试状态测试当前信号，以便应对信号的较大变化；另一方面使测试系统能够将测试数据分析结果及时反馈给被测信号，通过某种控制装置改变被测对象的信息，以符合用户的需求。
只有测试系统中某些环节接受可控信号，系统才能形成闭环反馈。当然，对于那些没有控制信号接口但又需要控制的器件（如传感器），仍然可以用其他可控装置对其位置、距离、方向进行调节与控制，使之更符合测试需要。
闭环反馈测试系统是按偏差进行控制的，能够整合测试系统自身的状态，能够自动适应信号的较大变化，其特点是不论什么原因，当输出量与期望值之间出现偏差时，都会产生一个相应的控制动作来减小或消除这个偏差，使测试值与真值趋于一致，抵制任何内、外扰动对输出量产生的影响，它有较高的测试精度。但这种系统使用的元件多，线路复杂，系统性能分析和设计比较麻烦。尽管如此，它仍是一种重要的并被广泛应用的测试系统，应用前景会越来越广，目前已有越来越多的可控传感器和可控信号处理模块。（6）综合型
当测试系统非常复杂，测试参量很多且信号种类也很多，甚至被测对象分布在不同的地方时，单一物理结构的测试系统就很难胜任测试任务了，此时需要将前文所述的各种测试系统形式加以灵活运用，用计算机和网络将其有机集成，形成一个综合型的测试系统。1.2.4 测试系统主要性能指标
测试系统的主要性能指标在一定程度上就是各个环节的主要性能指标的集合，但相互之间也会有促进或者抑制。传统上，根据测试系统的基本特性可以将测试系统性能分为静态性能和动态性能两个方面。这两个性能指标之间既有区别，又有联系。
静态性能指标指被测量恒定或变化非常缓慢的情况下，测试系统对被测量反应所进行的描述，包括线性度、灵敏度、分辨力、迟滞、重复性、稳定性等。动态性能指标指测试系统在被测量变化很快情况下的性能指标，包括频带、响应速度、稳定时间、超调等，这些性能一般更适合衡量单个的测试环节，如传感器、采集卡、单个仪器等。通常，很难使前面提到的各个性能达到最优，工程实践过程中需要在这些性能之间找到一个适合当前测试需要的侧重点或平衡点。
在实际的工程应用中，更关注的是测试系统的整体性能。作为测试系统整体来说，最终反映的指标是准确度、稳定性和响应特性等。
1．准确度
准确度指测试系统得到的信息与真实信息的一致程度。准确度反映了测试系统综合误差的大小，主要取决于传感器、信号处理、采集器等模拟变换部件。
2．稳定性
稳定性反映了在一定条件下，保持测试系统的输入信号不变，测试系统输出随时间推移、信号变化或环境变化的情况，即对同一信息测试时，多次测试值之间的相互接近程度。
环境是影响测试系统稳定性最大的因素，包括弹性元件的时效、电子元件的老化、温度、湿度、气压、风、水、电源电压和电磁场等。稳定性是长期监测测试系统最重要的性能指标之一。
3．动态响应时间
动态响应时间是指测试系统每采样一次信号后，系统需要多少时间来调整、恢复到标定的正常可采样状态，以便重新得到测试信号的准确信息。动态响应时间必须小于测试系统对被测信号采样的频率，才能保证测试的准确性。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须大于或等于被测信号频率的两倍，因此，测试系统的动态响应时间必须大于被测信号的频率。测试系统的动态响应时间直接决定了测试系统可测信号频率的理论范围。被测信号一般是连续变化的，因此测试系统的动态响应能力是一个很重要的性能。在现代测试中，高频信号成分越来越多，要求测试系统必须具有足够的动态响应能力。
4．工作范围
工作范围是指测试系统能够正常工作的、被测试的量值范围，工作范围通常用信号幅值或频率来衡量。测试范围增大往往会使灵敏度下降。用于动态测试的系统必须充分考虑其工作范围。
5．实时和事后数据分析与判断能力
测试系统应能在测试过程中实时分析数据，直接用于现场显示，及时判断测试对象的状态和性能。实时数据处理可以提高测试安全性、加速测试过程、缩短测试周期。系统还应具有事后处理能力，测试结束后能对全部数据做出完整、详尽的分析。
6．开放性、兼容性和可扩展性
开放性、兼容性和可扩展性是进一步提高测试系统性能指标的预留措施，以适应环境变化对测试系统提出的新要求。主要表现为测试系统的多用性，能够随测试要求的不同而进行相应调整。较高的开放性、兼容性和可扩展性能使测试系统从容应对被测对象、测试环境、测试技术及测试系统性能指标的变化，完成各种不同的测试任务。
测试系统设计时遵循标准化、模块化是保证测试系统具有开放性和兼容性的基础。如果测试系统中有计算机，那么应尽量用软件的方式来实现测试功能。计算机和操作系统具有良好的开放性和兼容性，可以根据需要扩展系统硬件和软件，便于使用和维护。今后的测试系统将采用标准化的模块设计，大量光纤作为传输总线，并用多路复用技术同时传输测试数据、图像信息和语音，使测试系统具有更大的开放性和更好的兼容性，向多功能、大信息量、高度综合化和自动化方向发展。
7．成本
成本是测试系统一个非常重要的指标。工程上一般用效费比代替成本，来表示系统的这一指标。性能通常与成本成正比，因此，测试系统即使有非常好的性能，而且效费比也很高，但如果成本超出了所能接受的范围，那么对用户来说也没有多少价值。成本包括直接成本、使用成本、维护成本和有关预留措施的成本，以及开发测试系统时所消耗的人力、物力等开发成本。
另外，环境的潜在变化是否会对系统适应性造成影响，系统是否能够防止误操作，是否具有自保护功能，自动化程度的高低、人机界面的友好等，都是现代测试系统设计、构建过程中应该综合考虑的性能因素。
测试任务不同，对测试系统的要求也不同，在设计、集成和配置测试系统时，应用系统工程的思想，综合考虑测试条件和要求，在合理的经济和技术条件下实现最优、最合适的测试系统性能。1.2.5 现代测试系统应用状况
现代测试技术具有广阔的应用空间，由于受到各行各业，尤其是军事领域的需求，未来测试系统的发展将十分迅速。总之，目前现代测试系统主要应用包括军事和民用两个方面：（1）军事应用中的武器试验、武器装备运行状态监测、数字化战场、核爆炸试验、风洞试验、航空航天测试等；（2）民用方面如钢铁、石油、化工等工厂自动化，以及智能建筑（楼宇自动化）、城市基础设施（管道、桥梁、机场、高速公路等）监测、国家主要江河水文监测、气象监测、农业测试、环境监测等。
例如，使用虚拟仪器技术，采用嵌入式计算机控制方案，可以替代农业动力机器上的仪表，实现仪表的综合和简化，并能存储数据，便于分析，同时与传感元件、电磁阀执行元件等配合，实现生产的自动化。
以下是目前主流的两类测试系统的应用场合。（1）基于VXI的测试系统在航空航天、军用测试、医疗、工业、交通管理乃至实验室内广泛应用；（2）基于PXI的测试系统在数据采集、工业自动化系统、计算机机械观测系统和图像处理等方面获得了广泛应用。
融合网络技术、软件技术和测量技术的基于网络的分布式测试系统可以应用于大范围区域的测量与控制，有着广泛的应用前景。在电力系统监控、工厂生产自动化、异地联合实验、实验室自动测试、教学、卫星发射、智能大厦、智能小区安全及监控管理、海洋探测等众多领域都能发挥重要作用。1.3 网络化测试工程概述
近20年来，以Internet为代表的网络技术的出现及它与其他高新技术的结合，为测试与仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测试技术与网络化测试系统应运而生。网络化测试是现代测试技术的主要特点之一。1.3.1 网络化测试的定义
网络化测试系统是将测试系统中地域分散的基本功能单元（计算机、测试仪器、测试模块或智能传感器），通过网络互联起来，构成一个分布式的自动测试系统，这类基于计算机网络通信的分布式自动测试系统称之为网络化测试系统。
测试系统网络化的思路，把测试系统与计算机网络相结合，构成信息采集、传输、处理和应用的综合信息网络，符合信息化发展的要求，是具有信息时代特点的新思路。
网络化测试系统包含两部分。（1）组成系统的各基本单元、测试仪器、测试模块和计算机；（2）连接各基本单元形成系统的传输介质——通信网络。
系统以网络为基础，将分布于各地的各种不同设备挂接在网络上，进行数据传输，实现资源共享，协调工作，共同完成测试任务。
随着计算机技术、网络技术与通信技术的高速发展与广泛应用，出现了将自动测试技术、计算机技术和通信技术相结合的时机。网络化测试技术受到广泛关注，这必将使网络时代的测试仪器和测试技术产生革命性变化。“网络就是仪器”确切地概括了测试和仪器的网络化发展趋势。网络技术和软件工程技术的快速发展，使得建立开放的、互操作的、模型化的、可扩展的网络化测试系统成为可能。目前，遍布全球的Internet网已比较成熟，随着其信息容量的扩大，网络速度不再成为网络应用的障碍。1.3.2 测试中网络的功能
网络化测试系统的中坚是计算机，计算机网络技术方面要求一种标准的、开放的、可互操作的网络结构，基于此网络结构，大量分散的测试仪器及远程测试信息可相互交换，从而构成一个功能强大的系统。
计算机网络技术已经成为现代测试技术中不可缺少的部分，利用网络可以实现以下几方面。（1）数据采集和数据处理
测试系统把通过网络进行的数据采集看作本身的一个测试仪器，通过其他高速总线连接至计算机进行的操作，并通过网络实现完备、可靠及高效的数据管理功能。（2）数据共享
在一个基于计算机的网络测试系统中，有时需要把采集到的数据分布到其他地方以便进行分析处理和显示，可以通过网络的数据共享来实现。例如，利用过程控制对象链接和嵌入软件技术，可以在大型应用中通过网络进行通信，如果测试系统仅仅只需把采集到的数据分布到特定用户，可以利用如DataSocket技术方便地实现网络信息分布。（3）分布式测试
把基于计算机的测试系统分布到各测试仪器模块中是网络提供的又一功能。有时某测试模块需要非常高的实时要求而需要特定的处理芯片。通过软件和网络技术，就可以把对实时要求比较高的模块分布到网络中的特定测试仪器。1.3.3 网络化测试的特点
网络化的测试技术与传统的测试技术相比，主要具有以下优势。（1）网络化不但充分体现了资源及信息共享，也充分体现负荷均衡的思想，即在测试系统的测试任务较繁重时，能够把部分任务转移到任务不足的计算机或其他测试系统中去处理，甚至可以将服务器中难以解决的大型任务，分配给网络中的个人PC机共同完成；（2）网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络内得以共享，减少了设备重复投资；（3）在网络化测试系统中，一台计算机采集的数据可以立即传输到另一台处理分析机上进行处理分析，分析后的结果可被执行机构、设计师查询使用，使数据采集、传输、处理分析成为一体，容易实现实时采集、实时监测，重要的数据实行多机备份，提高了系统的可靠性；（4）对于有些危险的、环境恶劣的不适合人员操作的测试工作可实行网络化测试，将采集的数据放在服务器中供用户使用，为远程监控提供了便利条件。工业生产过程的状态信息、监控信息接入Internet，在一定条件下就可以通过Internet控制并监视生产系统和现场设备的运行状态和各种参数，控制者就不必亲临现场，能够节省大量的人力物力。管理人员可以监控远程生产运行情况，根据经营需要及时发出调度指令；（5）研究机构可以方便地利用本地丰富的软硬件资源，对远程对象进行高等过程控制和故障诊断。1.3.4 测试网络化的意义
测试系统从集中的系统发展到分散的网络化测试系统，是测试领域观念上的又一大飞跃，测试系统网络化的意义可概括如下。（1）降低了测试成本
利用遍布全球的Internet网络设施进行网络化测试，能降低组建系统的费用；测试现场的普通仪器测得被测对象的数据（信息）后，通过网络传输给异地的精密测试仪器或高档次的微机化仪器去分析处理，既节约了人力物力，又提高了贵重和复杂设备的利用率，从而降低了测试系统的成本。（2）实现了远距离测试和资源共享
在网络上进行测试和数据采集，可以远程监测／控制过程和实验数据，网络化测试使得测试跨越了空间和时间的界限，与传统仪器和测试系统相比，这是一个质的飞跃，而且还能实现测试设备和测试信息等测试资源的共享。（3）实现了测试设备的远距离诊断与维护
在网络基础上搭建的测试系统，可以通过网络采集和访问系统设备的状态信息和故障信息，用于预测性故障分析、预防性维护计划、远距离诊断和维修，提高了设备使用寿命和使用效率。1.4 LabVIEW与测试工程1.4.1 LabVIEW概述
LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），是一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的测试系统软件开发平台。虚拟仪器技术作为测试工程的一个新的研究方向，推动了测试技术的整体发展。LabVIEW并不局限于虚拟仪器的开发，它的作用是为大型复杂测试系统提供通用的软件开发平台。目前，LabVIEW已经成为测试领域应用最广泛和最有前途的软件开发平台之一。
自NI公司1986年正式推出LabVIEW1.0以来，经不断改进和完善，现已发展至8.x版本，它包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制、模糊控制、PDA和PID等众多附加软件包，可运行于Windows、Linux、Macintosh和UNIX等多种平台，已成为测试界一种标准的软件开发环境，广泛应用于航空、航天、通信、汽车、电子半导体和生物医学等众多领域。不同领域的科学家和工程师都借助这个易学、易用的软件来解决工作、工程中的各种测试应用课题。LabVIEW已经成为目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境之一。1.4.2 LabVIEW开发测试软件的优势
当今软件技术日新月异，各种软件开发平台前涌后出。和大多数科学技术发展道路一样，专业化已成为软件发展的趋势。
用于测试工程的软件开发平台有很多，VC++、VB和Delphi等传统软件开发平台为众多编程人员所熟悉，也可以用来开发测试软件，但这种开发方式对测试人员要求很高，需要自己将各种数据处理方法用计算机语言实现，还要对用于数据通信的各种连接总线（如RS232、GPIB、USB等）非常熟悉，绝大多数测试工程人员难以做到，或者需要花大量的时间来研究，而懂得这些编程方法的人员又不一定懂得测试，因此，用这种平台开始测试工程软件难度大、周期长、费用高、可扩展性差。顺应形势发展，一些专业测试软件开发平台纷纷推向市场，如HPVEE、组态软件平台、TPS平台等，但这些平台的专用性太强，可扩展性、通用性比较差。
NI公司作为测试领域最知名的公司之一，LabWindows/CVI和LabVIEW是其推出的两款专业测试软件开发平台。前者是NI公司开发的测试软件旗舰产品，是图形化编程环境的引领者，是测试软件开发的趋势。
利用LabVIEW开发测试系统软件，涉及两个主要部分：前面板和流程图（又称程序框图）。
前面板是指一些图形化的测试界面，即测试程序开发完成后，用户运行时所展现的各种测试交互接口，包括菜单、参数设置、结果显示等。
流程图是指测试程序的内部运行结构，是测试系统结构、数据处理的流程。测试程序绝大部分工作是在流程图中完成的。开发完成的测试程序在运行时流程图是不可见的，它和文本式开发平台（如VC++）中的*.h、*.cpp等文件的作用相同，只是LabVIEW流程图的开发是图形化的，更简单、高效、直观。
概括地说，LabVIEW作为测试软件开发平台有如下特点和优点。（1）图形化编程环境
LabVIEW的基本编程单元是图标，不同的图标表示不同的功能模块。用LabVIEW编写程序的过程也就是将多个图标用线连起来的过程，连线表示功能模块之间存在数据的传递。被连接的对象之间的数据流控制执行顺序，并允许有多个数据通路同步运行。其编程过程近似人的思维过程，直观易学，编程效率高，无须编写任何文本格式的代码，易为多数工程技术人员接受。（2）可重用性高
LabVIEW继承并发展了结构化和模块化程序设计概念，使测试程序能够很好地体现分层性、模块化，即可以把任意一个测试程序当做顶层程序，也可将其当做其他测试程序的子程序，这样，用户就可以把一个复杂的应用任务分解为一系列、多层次的子任务。通过为每个子任务设置不同的功能，并将这些测试子程序进行适当的组合、修改、交叉和合并等，就可以在顶层最终建成一个包括所有应用功能的测试系统。（3）开发功能高效、通用
LabVIEW是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统，提供数百种功能模块（类似其他计算机语言的子程序或函数），包括算术运算、函数运算、信号采集、信号输出、数据存取、信号分析处理、数据通信等功能模块，涵盖了测试的各个环节，用户通过拖放及简单的连线，就可以在极短的时间内设计好一个高效而实用的测试软件，再配以相应的硬件就可完成各种测试任务，既节约了时间，又可提高测试的可控制性及测试速度。（4）支持多种仪器和数据采集硬件的驱动
LabVIEW提供了数百种仪器的源码级驱动程序，包括DAQ、GPIB(IEEE488)、PXI、VXI、RS232，根据需要还可以在LabVIEW中自行开发各种硬件驱动程序，也可通过动态链接库（DLL）利用其他语言开发驱动函数库，从而进一步扩展其功能。（5）查错、调试能力强大
LabVIEW的查错、调试功能也非常强大。程序查错无须先编译，只要有语法错误，LabVIEW就会自动显示并给出错误的类型、原因及准确位置。进行程序调试，既有传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行等，又有独到的高亮执行工具，就像电影中的慢镜头，使程序动画式执行，利于设计者观察程序运行细节。同时可以在任何位置插入任意的数据探针，程序在调试状态下运行时，LabVIEW会给出各探针的具体数值，通过观察数据流的变化情况、程序运行的逻辑状态，寻找错误、判断原因，从而大大缩短程序调试时间。（6）支持多种操作系统
LabVIEW支持多种系统平台，在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序都可以直接移植到其他平台上。（7）网络功能强大
LabVIEW支持常用网络协议，如传输控制协议（TCP/IP）和用户数据报协议（UDP），方便网络、远程测试系统的开发。（8）开放性强
LabVIEW具有很强的开放性，是一个开放的开发环境，能和第三方软件轻松连接。通过LabVIEW可以把现有的应用程序和.NET组件、ActiveX、DLL等相连，可以和MATLAB混合编程，也可以在LabVIEW中创建能在其他软件环境中调用的独立执行程序或动态连接库。1.5 测试工程学主要研究内容
从广义上讲，测试工程学涉及试验设计、模型理论、信号检出、变换与传输、误差理论、控制工程、系统识别和参数估计等知识，它是多种基础理论的综合应用。
测试工程学的研究内容包括理论研究和工程应用两个方面。理论研究主要关注如何不断完善测试系统的各个组成部分，并努力寻求测试原理的新突破、新发现；工程应用主要研究测试系统各部分之间的联系和影响，研究如何均衡各环节的性能，以期得到系统的最优性能，即如何以最经济的方案实现最有效、最合适的测试系统，以便满足不同的测试需求，也就是以系统工程的思想，根据实际需要来构建测试系统。
1．测试信号
用什么样的信号来定性、定量地描述被测信息，是测试信号所要研究的内容，既包括对被测信息本身所蕴含信号的归纳、分解，也包括用哪种合适的信号来表征被测信息所处的实际环境。
2．信号检出
信号的检出就是将被测信息用某种能够被人类所认知的值来量化。检出过程最大限度运用了物理学、化学、电子学、电磁学、材料学、生物学和机械原理等基础学科的知识。
为了提高测试精度和自动化程度，以便于和其他环节一起构成自动化装置，首先需要将被测物理信号转换为电信号，再对电信号进行处理和输出。信号检出是整个测试系统的基础，信号的检出大多用传感器来实现。传感器是测试工程学研究的重点之一，也是研究难度最大的部分之一。
3．信号处理
原始信号通过某种方式检出以后，一方面不可避免地含有噪声、干扰等，这会影响测试系统对被测信号的分析判断结果；另一方面需要转换成其他信息才能用于分析判断，因此，在进行数据分析判断之前要对信号进行相应的处理。
信号处理是指把从传感器得来的信号进行变换、放大、滤波、调制／解调、模／数和数／模转换、识别、估值等加工处理，以便削弱信号中多余、无用分量并增强信号中有用分量，或将信号变换成某种更希望的形式，提取需要的特征值，从而全面、准确地获取有用信息。
从传感器得来的信号往往很微弱，并常常混有噪声。如果这些噪声处于有用信号之外，则可以用模拟滤波器予以清除。如果噪声是与信号频谱交叠的弱信号，可以考虑用相关测试或取样积分等方法来提取有用信息。信号处理的根本目的是提高信噪比。信号的提取、放大、滤波往往在很大程度上决定了测试系统的性能。
现代测试系统的处理能力由系统硬件和算法程序来体现。硬件的现代化主要由大规模集成电路、计算机和高性能的材料与现代工艺支撑，快速变换算法、数字滤波等则由计算机程序来完成。
4．信息传输与通信
测试系统的信息传输与通信是现代测试技术发展的一个重要标志，是实现测试系统自动化、智能化、网络化的桥梁。
信息传输与通信部分主要完成测试装置间或测试装置与其他环节间的信息传输。当然，在任何一个测试仪表或测试系统的内部也存在信息传输，但此处仅指物理上分隔较明显的装置与装置之间的信息传输，重点是指测试装置与计算机之间的传输、网络传输。信息传输追求快速性、有效性和高可靠性，其实现方法包括物理实体的接口、传输线和其他介质及通信规约等。
测试系统中的通信接口多种多样，有串行和并行之分，又有同步和异步之别。要根据待传输的信息要求和装置间的具体条件选用不同的接口和通信规约。一个测试系统甚至一个智能仪器往往同时具有几种通信接口。
大范围、多层次的测试设备之间进行通信以完成复杂的测试任务是现代测试系统区别于以往测试系统的最主要标志之一。高性能、标准化的通信协议是有效通信的基础。适用于实验室范围的GPIB、PXI、VXI、LXI、USB、1394和工业领域的现场总线等是现代测试系统的接口总线；TCP/IP、UDP等是应用最为广泛的网络通信协议。
5．测试数据分析与判断
测试中得到的数据必须经过科学的分析与判断，才能给出正确可信的测试结果，实现对被测参数真值的最佳估计。
测试数据分析与判断是测试工程学的核心部分，是自动化、智能化的基础，应该在对测试目的、测试对象做了充分的研究之后再组建与之相配的分析系统。
一般来说，即使测试的目的很明确，测试对象的确定也不是很容易。要解决好这一点，重要的还是要将范围非常广泛的专业知识（自然科学各学科知识和社会科学各学科知识）与事物做系统的考虑，尤其需要内容广泛的数学、物理学、社会结构学、工业社会学、经营管理学、系统工程学等方面的知识，包括代数、几何、微积分、微分方程、矢量分析、行列式、复变函数、拉普拉斯变换、傅里叶分析、贝塞尔函数、椭圆函数、概率统计、归纳统计、归纳学、数学分析、位相几何、信号卷积、相关分析、频谱分析、图像处理、信息融合、人工神经网络、模糊处理和人工智能等，使测试系统具有自动补偿、自动校准、自动诊断和自动完成测试过程的能力，甚至具备自学习、理解、分析、推理和判断决策等能力。所有这一切不仅将大大减少测试过程中各种误差的影响，提高测试精度，而且测试系统的功能和范围也将得到扩展。
判断与分析一样，需要建立在对被测信息的某些属性有全面、深刻的认识基础之上，因此也需要有自然科学和社会科学及专门学科的丰富知识。分析与判断的关系是一种复合关系，相互之间没有非常明显的界限，即分析中的一部分就是判断，判断中的一部分也就是分析。一旦要把分析、判断的结果加以修正时，也就形成了与系统的控制再复合的复合形式。
6．测试结果显示与数据管理
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]