作者：沈艳等
出版社：电子工业出版社
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测试与传感技术(第2版)试读：
前言
根据教育部“卓越工程师教育培养计划”以及为适应国际工程教育认证的发展形势，进一步推进工程教育改革，提高工程教育质量，以社会市场对人才的需求为导向，实际工程为背景，工程技术为主线，紧跟机电测控领域的最新发展趋势，旨在培养具有理论基础扎实和工程实践能力强的创新型应用人才，为建设创新型国家和人才强国战略服务。
本教材根据学科发展和知识更新的要求以及对学生知识、能力、素质全面培养的要求，充分考虑经典传感测试理论与现代测试方法的融合，传统的测试技术与最新的信息科学技术的融合，注重体系结构的完整性和科学性，内容的先进性和新颖性，在贯彻“拓宽学科基础”、“夯实专业基础”以及“理论与实践紧密结合”的原则下，总结了多年的教学经验，参考同类优秀教材以及相关文献，编写了体现工程教育特色的教材。该教材具有以下特点：（1）工程应用特色鲜明。本书在考虑了学生的学习认知过程的基础上，加强工程背景，通过收录大量的工程案例或者示例，对基本理论和基本分析方法深入浅出地进行讲解，力求抓住学生专业学习的动力点，培养学生获取知识的能力。（2）注重知识技能的实用性和有效性。以学生就业所需专业知识和操作技能为着眼点，紧跟测试技术领域的新理论、新技术和新方法，在理论知识够用的前提下，培养学生运用知识点解决实际工程问题的能力和创新能力。（3）可读性强。在内容编排上力求精练严谨，深浅适当，循序渐进，突出重点，避免了繁杂的数学推导，突出趣味性、可读性，便于读者自学。
本书按照典型的测试系统所完成的测试过程安排顺序，共6章，第1章简要介绍测试技术与传感器技术的适用范围及发展趋势；第2章讨论测试系统的基本特性；第3章介绍常用传感器以及一些新型传感器的原理及应用；第4章介绍信号变换与调理；第5章介绍信号分析与处理；第6章针对现代测试技术进行了介绍。每个章节基本上都配有实际的工程案例分析。
本书由沈艳编写第1、2、5章，3.9节、3.10节；陈亮编写第3、4章；郭兵编写第6章；杨平编写3.1.4节、6.3节以及附录A；全书由沈艳统稿。
本书由电子科技大学古天祥教授主审，他仔细审阅了书稿，提出了许多建设性意见和宝贵的建议。本书在编写过程中，得到了电子科技大学习友宝教授、詹惠琴教授、古军高级工程师的指导和帮助。同时，本书吸取了许多兄弟院校测试与传感技术教材的优点，得到了许多老师的帮助，在此致以衷心的感谢！
限于编者水平，书中难免存在错误与不妥之处，殷切希望广大读者及同行批评指正。编者2015年7月
第1章 绪论
人类社会的发展是基于人类对客观世界的不断认识而持续发展的，测试则是人类认识客观世界的主要方法，是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测等必不可少的手段，是实验科学的一部分。通过测试，可以揭示事物的内在联系和发展规律，并加以利用和改造，进而推动科学技术的发展。著名科学家钱学森院士明确指出：“信息技术包括测试技术、计算机技术和通信技术。测试技术是对信息进行采集和处理，是信息技术的源头，是关键中的关键。”
1.1 测试的含义
测试技术是一项综合运用了多种学科知识的技术，特别是现代测试技术，几乎应用了所有近代新技术和新理论。从广义的角度讲，测试工作的范围涉及试验设计、模型理论、传感器、信号加工与处理、控制工程、系统辨识、参数估计等诸多学科的内容；从狭义的角度讲，测试的目的就是借助专门设备，通过合适的试验及必要的数据分析和处理，从研究对象中获取有用的信息。
信息是物质所固有的，是其客观存在或运动状态的特征。信息蕴涵于信号之中，信号是传输信息的载体。例如，一座桥梁或一台机器，它们本身具有抵抗外力的能力，这是物质固有的特性。如何探测这一客观存在呢？当所研究的系统受到外力激励后，所发生的位移-时间历程包含了描述该系统的固有频率和阻尼比的信息，则可以获得该系统的刚度。因此，测试就是对信号的获取、加工、处理、显示记录及分析的过程。本课程主要从狭义的角度来介绍测试的原理和工作过程。
所谓测试是指具有试验性质的测量，是测量（measurement）和试验（test）的综合。
测量是指将一个被测量与一个预定标准之间的定量比较，从而获得被测对象的数值结果，即以确定被测对象的量值为目的的全部操作。
一个完整的测量过程将涉及被测对象、计量单位、测量方法和测量误差，它们被称为测量四要素。测量分为直接比较测量法和间接比较测量法。
直接比较测量法无须经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测量值。如图1.1所示，为了确定被测物体的质量（被测量），通过被测量与预定标准（砝码）之间的定量比较，得到被测物体的质量。
间接比较测量法利用仪器仪表把待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化。如图1.2所示的弹簧秤，是通过度盘来完成质量的间接测量的。图1.1 直接比较测量法图1.2 间接比较测量法
试验是对被研究的对象或系统进行试验性研究的过程。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，通过试验数据来探讨被研究对象的性能的过程。例如，如图1.3所示的汽车乘坐舒适性的台架试验，座椅的加速度由置于座椅处的加速度计测量，液压振动台则提供汽车在颠簸道路上行驶的状态模拟，测量得到座椅处的加速度的试验数据反映了乘坐汽车舒适性的指标之一。图1.3 汽车乘坐舒适性的台架试验
例如，为了解周边工厂的设备噪声对生活区环境的影响，人们可用声级计实测生活区的噪声，这是对环境噪声的测量；为了进一步了解噪声的传播途径、确定周边的哪些设备对生活区的环境噪声贡献最大，或需要提出降噪措施，则要以试验的方式安排设备的运行顺序和工况，在设备与生活区之间布置更多的振动和噪声测点，并对所测的信号进行深入分析，如频谱分析、相关分析，得到较客观的认识，这称为测试。
综上所述，测量是被动的、静态的、较孤立的记录性操作，其重要性在于它提供了系统所要求的和实际所取得的结果之间的一种比较；测试是主动的、涉及过程动态的、系统的记录与分析的操作，通过试验得到的试验数据成为研究对象的重要依据。
1.2 测试基本原理及过程
在工程测试中，要测试的信号往往是一些非电量的物理量，如位移、速度、加速度、力、力矩、功率、压力、流量、温度、重量、振动、噪声等。工程中普遍使用的测量方法是电测法，即将非电量先转换为电量，然后用各种电测仪表和装置乃至计算机对电信号进行处理和分析。电量分为电能量和电参量，如电流、电压、电场强度和电功率属于电能量；电阻、电容、电感、频率、相位属于电参量。由于电参量不具有能量，在测试过程中还要将其进一步转换为电能量。电测法具有测试范围广、精度高、灵敏度高、响应速度快等优点，特别适于动态测试。一个典型非电量电测法测量过程如图1.4所示。图1.4 典型非电量电测法测量过程
由图1.4可知，传感器是测试系统的第一个环节，其主要作用是感知被测的非电量（如压力、加速度、温度等），并将其转换为电量。传感器输出的电信号经过信号调理电路（中间变换装置）加工处理，如衰减、放大、调制与解调、滤波和数字化处理等，其输出的测量结果是被测信号的真实记录。被测量的变化过程可以用示波器、记录仪、显示器、打印机等输出装置显示和记录，也可以用记录仪或计算机存储被测信号，以便反复使用。至此，测试系统完成信号检测的任务。如果要从这些客观记录的信号中找出反映被测对象的本质规律，必须对信号进行分析和处理，从中提取有用的信息，如频谱信息、相关分析等。因此，信号分析是测试系统更为重要的一个环节。将调理电路输出的信号直接送到信号分析设备中进行处理，称为“在线处理”，并以数据或图像的形式通过输出显示装置进行显示。
例如，车刀磨损的在线检测如图1.5所示。通过检测切削温度、切削力以及振动速度的变化判断刀具磨损量，即：（1）寻找能表现某一物理现象的信号。（2）从这些信号中挑选最合适的信号。（3）将信号采集存储或显示。（4）确定该信号与某一物理想象之间的关系。图1.5 车刀磨损检测
1.3 测试技术的典型应用
在工程技术领域，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等，都离不开测试技术。测试技术业已成为国民经济发展和社会进步一项必不可少的重要基础技术，先进的测试技术的使用成为经济高度发展和科技现代化的重要标志之一。下面介绍测试技术的几个典型应用。1.3.1 产品质量测试
在汽车、机床等设备和电动机、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。例如，当汽车发动机抵达汽车装配厂时，作为质量控制过程的一部分，生产工程师将抽取其中一部分发动机进行测试，其测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、润滑油压力、燃油压力以及每分钟的转速等。生产工程师通过测试结果可以了解产品的质量。
如图1.6所示是某汽车制造厂发动机测试系统原理框图，该测试系统的主要功能是根据测试数据、测试计划、测量、数据分析和报表进行自动决策。该测试系统将研华 IPC-622 工控机作为网络服务器，在发动机点火测试区安装18个测试点，每个测试点执行相同的功能。每个测试点由研华IPC-6806P工控机、ADAM-4520 转换器和 ADAM-5000/485 分布式数据采集和控制系统组成，测点之间通过以太网连接，从而使得测试信息可以被管理人员所使用。ADAM-5000 输入/输出模块和硬件连接在一起，进行数据采集；ADAM-4520 转换器将来自 ADAM-5000 系列的 RS-485 信号转换成 RS-232 信号传送到控制站。图1.6 汽车制造厂发动机测试系统原理框图1.3.2 设备运行状态监控系统
在电力、冶金、石化、化工等众多行业中，某些关键设备或机组的工作状态，如汽轮机、燃气轮机、水轮机、发电机、电动机、压缩机、风机、泵、变速箱等关系到整个生产线的正常流程，因此应对这些关键设备或机组运行状态进行24小时实时动态监测，及时、准确地掌握其变化趋势，为工程技术人员提供详细、全面的机组信息。由于机组大部分故障是渐进式发展的，国内外大量实践表明，机组某些重要测点的振动信号能真实地反映机组的运行状态，通过监测振动总量级的变化过程，可以预测设备故障的发生，同时，结合其他综合监测信息，如温度、压力等，运用精密故障诊断技术可以分析出故障发生的位置，为设备维修提供可靠依据，从而可实现设备事后维修或定期维修向预测维修转变。如图1.7所示是某公司二号变电所电力监控系统。图1.7 电力监控系统1.3.3 工业机器人
工业机器人是典型的机电一体化产品，如图1.8所示。工业机器人一般由机械本体、控制系统、传感器和驱动器4部分组成。传感器提供机器人本体或其所处环境的信息；控制系统依据控制程序控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照指定的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置。因此，通常需要对工业机器人的零位和极限位置进行检测。零位检测精度直接影响工业机器人的重复定位精度和轨迹精度；极限位置的检测则是保护工业机器人。图1.8 工业机器人
1.4 测试技术的发展趋势
测试技术是随着现代技术的进步而发展起来的，它总是从其他关联学科吸取营养而得以发展。科学技术的发展历史表明：一方面，科学上很多新的发现和突破都是以测试为基础的；另一方面，科学技术的发展和进步不断给测试技术提出新的要求，各学科领域的新成就为测试提供了新的方法和装备，推动测试技术的发展。
目前，综合国内外的发展动态，测试技术的发展趋势是在不断提高灵敏度、精度和可靠性的基础上，主要向微型化或大型化、非接触化、多功能化、人机交互形式多样化、智能化和网络化方向发展。1.4.1 传感器技术的发展
传感器是信息之源头，传感技术是测试技术的关键内容之一，当今传感器开发中有以下两方面的发展趋势：（1）物性型传感器的开发。早期发展的传感器是利用物理学的电场、磁场或力场等定律构成的“结构性”传感器。物性型传感器是依据机敏材料本身的物性随被测量的变化来实现信号转换的装置。这类传感器的开发实质上是新材料的开发。目前，应用于传感器开发的机敏材料主要有声发射材料、电感材料、光纤及磁致伸缩材料、压电材料、形状记忆材料、电阻应变材料和X感光材料等。例如，新型光纤温度传感器如图1.9所示。（2）集成化、微型化、智能化传感器的开发。随着微电子学、微细加工技术的发展，出现了多种形式集成化和微型化的传感器。这类传感器将测量电路、微处理器与传感器集成一体，具有智能化功能，即可同时进行多种参数测量，能自动选择量程和增益、自动校准与实时校准、非线性校正、漂移等误差补偿和复杂的计算处理，完成自动故障监控和过载保护等。如图1.10所示为HP公司生产的加速度信号测量传感器芯片。图1.9 新型光纤温度传感器图1.10 加速度信号测量传感器芯片（HP公司）1.4.2 多功能化、网络化仪器系统
测试技术与计算机的深层次结合，产生了全新的测试仪器概念和结构。虚拟仪器就是在此背景下开发出的新一代仪器，即在以计算机为核心组成的硬件平台上，调用不同的测试软件就可构成不同的虚拟仪器，完成不同功能的测试任务，可方便地将多种测试功能集于一体，实现多功能仪器，从而有效增加测试系统的柔性，降低测量工作的成本，达到不同层次、不同目标的测试。
随着网络技术的普及和发展，测试仪器系统进一步实现网络化，不但可以实现对测试系统的远程操作与控制，而且还可以把测试结果通过网络显示在Web浏览器中，以实现测试系统资源和数据的共享，仪器资源得到很大的延伸，其性价比将获得更大的提高。如图1.11所示为典型的网络化测试系统。1.4.3 新型信息处理方法
新型信息处理技术是解决测量过程中信息获取的方法。目前信号分析处理的发展目标为：（1）在线实时能力的进一步提高。（2）分辨力和运算精度的提高。（3）扩大和发展新的专用功能。
例如，美国Texas公司推出的TMS320C25芯片，运算速度达1000万次/s，用其进行1024复数点FFT运算，只需14ms便可完成。图1.11 典型的网络化测试系统
1.5 课程的性质和任务
本课程是一门专业技术基础课，具有很强的实践性，在学习过程中应该密切联系实际，加强实验，真正掌握有关理论。通过本课程的学习，学生能合理地选用传感器和测试仪器、配置测试系统，初步掌握进行动态测试所需要的基本知识和技能，为进一步学习、研究和处理工程技术问题打下基础。
学生在学完本课程后应具有以下知识和技能：（1）对工程测试工作有一个比较完整的概念和思路，对工程测试系统及其各个环节有一个比较清晰的认识，掌握测试系统基本特性的评价方法和不失真测试条件，并能正确地进行测试系统的分析和选择。（2）了解常用传感器的基本原理和应用状况，能进行比较合理的选用。（3）掌握信号调理方法的原理及应用。（4）掌握信号的时域和频域的分析方法以及数字信号分析中一些最基本的概念和方法。（5）能根据工程中某些参数的测试要求，设计测试方案、分析和处理测试信号以及进行实际测试工作。
小结
人类从事的社会生产、经济交往和科学研究活动都与测试技术息息相关。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，因此，测试技术能达到的水平，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。测试工作是一件非常复杂的工作，需要多种科学知识的综合运用。本章主要内容包括：（1）测试的含义。测试是具有试验性质的测量，是测量和试验的综合。（2）非电量电测法工作过程。（3）测试技术的发展动态。
习题
[1] 举例说明什么是测试。
[2] 测试技术的发展动向是什么？
[3] 分析计算机技术的发展对测试技术发展的作用。
[4] 分析说明信号检测与信号处理的相互关系。
第2章 测试系统的基本特性
引例
为了获得被测对象的有关信息，在整个测试过程中需要借助专门的装置和仪器，通过合适的测试手段和必要的数学处理方法，获得被测对象的相关信息。如图2.1所示为电子健康秤，请思考电子健康秤由哪些部分组成？如何根据实际情况完成健康秤测试系统的设计？在测试系统设计中要注意哪些事项？图2.1 电子健康秤
2.1 测试系统概述
2.1.1 测试系统基本概念测试系统是指为完成某种物理量的测量而由具有某一种或多种变换特性的物理装置构成的总体。典型的测试系统如图1.4所示。
根据测试的内容、目的和要求等不同，测试系统的组成可能会有很大差别。例如，简单的温度测试装置只需要一个液柱式温度计，如图2.2所示；而如图2.3所示的轴承振动信号的测量系统要复杂得多，测量系统中的传感器为振动加速度计，它将机床轴承振动信号转换为电信号，中间变换装置由带通滤波器、A/D变换和计算机中的FFT分析软件三部分组成。带通滤波器用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号；A/D信号采集卡对调理后的测量信号进行采样，将其转换为数字信号；FFT分析软件则对转换后的数字信号进行FFT变换，计算出信号的频谱，最后由计算机显示器对频谱进行显示。图2.2 液柱式温度计图2.3 轴承振动信号的测试系统
另外，构成测试系统的物理装置的物理性质不同，会使同样功能的装置具有不同的特性。例如，弹簧秤不能称快速变化的重量值，而具有比例放大功能的电子放大器构成的测量系统可以检测快速变化的物理量。这种差异是由于构成两种测量系统的物理装置的物理结构性质不同造成的。
因此，这种由测试装置自身的物理结构所决定的测试系统对信号传递变换的影响特性称为“测试系统的传递特性”，简称“系统的传递特性”或“系统的特性”。
在测试中，测试系统的输出y（t）能否正确反映输入量x（t），与测试系统本身的特性有密切关系。所以只有确知测试系统的特性，才能从测试结果中正确评价被测对象的特性或运行状态。测试系统与输入/输出量之间的关系如图2.4所示。图2.4 测试系统与输入/输出量之间的关系2.1.2 理想测试系统——线性时不变系统
作为测试系统来说，希望最终观察到的输出信号能确切地反映被测量，即理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入/输出关系，而且输出与输入之间以线性关系为最佳。
测试系统的输入x（t）和输出y（t）之间用常系数线性微分方程来描述，即
其系数a，a，…，a，a和b，b，…，b，b均为常数，nn-110mm-110则被描述的系统为线性时不变系统（定常系统）。一般在工程中使用的测试装置都是线性时不变系统。
线性时不变系统的主要性质如表2.1所示。线性系统的这些特性在测量中具有重要作用。例如，在稳态正弦激振试验时，响应信号中只有与激励频率相同的成分才是由该激励引起的振动，而其他频率成分皆为干扰噪声，应予以剔除。表2.1 线性时不变系统的主要性质
如果测试时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化（或变化极慢，在所观察的时间间隔内可忽略其变化而视作常量），则称为静态测试；若输入信号为一随时间迅速变化的信号，则称为动态测试。
由于静态测试中校正和补偿技术易于实现，其线性关系不是必需的，但却是希望的。在动态测试中，测试系统则力求为线性系统，原因主要有两方面：一是目前对线性系统的数学处理和分析方法比较完善；二是动态测量中的非线性校正较因难。对许多实际的测试系统而言，不可能在很大的工作范围内全部保持线性，只能在一定的工作范围和误差允许范围内当作线性系统来处理。
2.2 测试系统的静态特性
2.2.1 静态传递方程工程测试总是希望测试系统的测出信号能不失真地反映被测信号，满足这一要求取决于测试系统的传输特性。为评定测试装置的传输特性，从静态特性和动态特性两个方面对测试系统提出性能指标要求。
测试系统的静态特性是指当输入信号为不变或缓变信号时，输出与输入之间的关系。测试系统处于静态测试时，输入和输出的各阶导数均为零，式（2-1）演变为
式（2-2）是常系数线性微分方程的特例，称为测试系统的静态传递方程，简称静态方程。2.2.2 测试系统静态特性参数
表征测试系统的静态特性的主要定量指标有：灵敏度、非线性度、回程误差、重复性、分辨率、漂移、量程、测量范围、精确度、死区和稳定性等，其具体描述如表2.2所示。例如，板环式拉力传感器（ZWBH-II）具有精度高、密封性能好、长期可靠性好等特点，适用于吊装式电子秤、码头、矿山的货物计量等场所，如图2.5所示。其性能指标如表2.3所示。表2.2 测试系统静态特性参数续表续表续表图2.5 板环式拉力传感器（ZWBH-II）表2.3 板环式拉力传感器（ZWBH-II）性能指标
静态特性参数是通过实验的方法测得静态测量下系统的输出与输入的关系曲线，即静态特性曲线，然后再根据该曲线进行相应的数据处理，即可得到相应的静态特性参数。【例2.1】 某位移传感器在位移变化1mm时，输出电压变化300mV，则该传感器的灵敏度为多少？
解：传感器的灵敏度为S=300mV/mm。【例2.2】 若要测一个16V左右的电压，可选用两种电压表，其中一个量程为200V、±1.5级，另一个量程为20V、±2.5级，问选用哪一个表合适？
选用20V，±2.5级的表合适。【例2.3】 某一测试系统的量程为6，在相同的测试条件下得到如表2.4所示的测试数据。该测试系统的回程误差是多少？表2.4 测试数据列表
解：根据表2.4画出图2.6。
由图2.6所示， h =2.8max图2.6 测试数据图
则该测试系统的回程误差为：
2.3 测试系统的动态特性
2.3.1 系统描述方法测试系统的动态特性是指输入量随时间快速变化时，系统的输出随输入而变化的关系。在对动态物理量进行测试时，测试系统的输出变化是否能真实地反映输入变化，则取决于测试系统的动态响应特性。
例如，1849年，列队的士兵以整齐的步伐通过法国西部昂热市曼恩河上的大桥时，桥身突然发生断裂，导致266人落水死于非命。其原因是军队齐步过桥时，使桥发生共振，这是在桥梁设计过程中对桥梁的频率响应了解不够造成的。为了避免发生破坏性的共振，世界各国都有一条不成文的规定：大队人马要便步过桥。在建造铁路桥梁时，绝对不能让桥梁的固有频率与车轮撞击铁轨的振动频率相近。因此，在进行动态测试时，必须清楚地了解其动态特性，尤其是在测试系统工作的频率范围。
系统的动态响应特性一般通过描述系统传递函数、频率响应函数以及脉冲响应函数等数学模型来进行研究，如表 2.5 所示。在这些描述方法中， h（t）是在时域中通过瞬态响应过程来描述系统的动态特性；频率响应函数H（jω）是在频域中通过对不同频率的正弦激励，以在稳定状态下的系统响应特性来描述系统的动态特性；传递函数H （s）描述系统的特性则具有普遍意义，既反映了系统响应的稳态过程，也反映了其过渡过程。
应当注意传递函数的局限性及适用范围。传递函数是从拉普拉斯变换导出的，拉普拉斯变换是一种线性变换，因此传递函数只适应于描述线性定常系统，同时，传递函数是在零初始条件下定义的，所以它不能反映非零初始条件下系统的自由响应运动规律。表2.5 测试系统动态特性描述方法
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