现代测试技术及应用

第1章测试的本质与内涵 1.1基本概念 随着计算机和信息科技的发展，测试技术成为一门越来越重要的技术学科。人们通过测试获得客观事物定量的概念，进而掌握其变化规律。从某种意义上讲，没有测试，就没有科学。测试包含测量和试验两大内容，要了解测试的本质和内涵，就要先理解测量、计量、检测和测试这几个基本概念。 1.1.1测量 测量通常是指用仪器测定各种物理量，工程上的一般解释是采用测量设备，按照一定的作业规范与要求对观测目标或对象进行数据采集（data　acquisition，DAQ）和记录。这里的“量”是指可以定性区别和定量确定的现象、物理或物质的属性，包括广义量和特定量。广义量有长度、时间、质量、温度、电阻、浓度等；特定量有某根棒的长度、某根电线样品的电阻、某份酒样中乙醇的浓度等。 测量的本质是要能采集和表达被测物理量，对事物进行量化描述；测量的结果是得到量值或数据，还能与标准进行比较。例如，某机械部件的长度为0.98m，就是对此机械部件测量的结果，其中0.98是量值，m是标准。 测量的前提是被测量必须有明确的定义，而且测量标准必须事先通过协议确定，即量制。没有明确定义的量，如气候的舒适度或人的智力等，在上述意义上是不可测的。 要理解测量的本质和前提，需要弄清楚量制、量纲、测量原理、测量方法、测量系统等基本概念。 量制是指一般意义下各个量之间存在确定关系的一组量，包含基本量和导出量。基本量是指量制中约定地认为在函数关系上彼此独立的量。每个基本量只有一个基本单位，目前国际单位制（SI）的七个基本单位包括长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量和发光强度，如表1.1所示。 2019年，第26届国际计量大会改变的千克、安培、开尔文和摩尔的定义正式生效，自此，所有基本单位全部由自然界的常数去定义：长度由光在1/299792458s内所经过的距离的长度定义，千克由普朗克常量（A）定义，安培由基本电荷（e）定义，开尔文由玻尔兹曼常量（幻定义，摩尔由阿伏伽德罗常量（NA）定义，坎德拉由定频辐射源达到定量辐射强度时的光强定义。2020年，中国科学院将“测量计量与仪器”列人“中国电子信息工程科技发展十六大技术挑战（2020）”，强调了基于常数重新定义国际单位制实施后，推动国家测量体系向数字化、网络化、智能化方向跨越的需求和挑战。 导出量是由基本量的函数定义的量。例如，速度是由长度除以时间求得的。不同的导出单位有各自专门的单位名称和单位符号，这些单位名称和单位符号可以单独使用，也可以和基本单位进一步合成新的导出单位。用基本单位表示的国际单位制（SI）典型导出单位如表1.2所示。 量纲也称为因次，是指物理量固有的、可度量的物理属性，以量制中基本量的幂的乘积表示该量制中一个量的表达式（《国防计量通用术语》（GJB2715-1996）。例如，力的量纲LMT-2是基本量长度、质量和时间的表达式。量制中的七个基本量对应着七个基本量纲。 测量原理是指测量所依据的物理原理。不同性质的被测量用不同测量原理去测量，同一性质的被测量也可用不同原理去测量。测量原理研究涉及物理学、热学、力学、电学、光学、声学和生物学知识。测量原理的选择主要取决于被测量的物理化学性质、测量范围、性能要求和环境条件等因素。新的测量原理的研究与探索始终是测试技术发展的一个活跃领域。 测量方法是指依据测量原理完成测量的具体方式。按测量结果产生的方式不同，可以将测量方法分为直接测量、间接测量和组合测量三种。在测量中，将被测量与作为标准的物理量直接进行比较，从而得到被测量的数值，这类测量称为直接测量。在测量中，对与被测量有确定函数关系的其他物理量（也称为原始参数）进行直接测量，然后通过计算获得被测量数值，这类测量称为间接测量。测量中各个未知量以不同的组合形式出现，综合直接测量或间接测量所获得的数据，通过求解联立方程组以求得未知量的数值，这类测量称为组合测量。 测量系统是指完成具体测量任务的各种仪器、仪表所构成的实际系统。按照信息传输方式不同，测量系统可分为模拟式和数字式两种。无论是哪种测量系统，一般都是由传感器、信号调理电路、数据处理与显示装置、输出装置等组成。其中，数字式测量系统由于信息传输均采用数字化信息，具有抗干扰能力强、速度快、精度高、功能全等优点，是目前测量系统的主流及发展方向。 测量数据的精度不仅取决于测量原理、测量方法和测量系统，在很大程度上也与数据处理密切相关。统计分析、数字信号处理都是测量数据处理中常用的方法。研究先进、快速、高效的数据处理方法，研制高度集成、智能的数据处理系统与软件是现代测量系统一个重要的发展方向。 1.1.2计量 计量是利用技术和法制手段实现单位统一、量值准确可靠的测量。计量涉及整个测量领域，对整个测量领域起指导、监督、保证和仲裁作用。计量的本质是测量，但又不等同于一般的测量。广义而言，计量包括建立计量基准、标准，确定计量单位制，进行计量监督管理。在技术管理和法制管理的要求上，计量要高于一般的测量。 计量学即计量的科学，包括计量的理论和实践的各个方面。计量学研究量与单位、测量原理与方法、测量标准的建立与溯源、测量器具及其特性，以及与测量有关的法制、技术和行政管理。 各国在商业及其他涉及公众利益的范围内，都制定了法定计量学的规定条例，这些条例涉及法定计量学的三大范畴：①确定单位和单位制；②确定国家施加影响的范围，包括测量仪器的校准义务、官方监督职能和校准能力；③实施校准和官方监督。例如，海军为了规范设备计量工作，加强计量监督管理，制定了计量工作规定，其基本任务是按照计量法律、法规和其他有关规定，建立、完善海军计量管理体系和量值传递体系，组织实施装备和检测设备的计量检定、校准和测试，保证其量值的准确、可靠和计量单位的统一。 1.1.3检测 检测是意义更为广泛的测量，其本质是测量+信号检出，其中*重要的过程是信号检出，即将测量结果中的有用信号提取出来。测量是以检出信号、确定被测量属性的量值为目的，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。 检测过程可分为信息提取、信号转换、信号存储与传输、显示记录分析处理等，其中涉及的技术包括检测的方法、检测的结构、检测信号的处理等。 检测方法可按以下方式分类：按被测量的物理属性分类，其可分为电量检测和非电量检测；按检测原理分类，其可分为电磁法、光学法、微波法、超声法、核辐射法、电化学分析法、色谱分析法、质谱分析法等；按检测方法分类，其可分为主动检测与被动检测、直接检测与间接检测、接触式检测与非接触式检测、动态检测与静态检测等。 检验和检测是两个容易混淆的概念，其实这两个概念差别很明显。检验强调符合性，不仅提供结果，还要与规定要求进行比较，做出合格与否的判定。例如，产品装箱后，按规定进行抽样检查，检验合格后发放合格证才能出厂。检测是对给定对象按照规定程序进行的活动，仅是一项技术活动，在没有明确要求时，仅需要提供结果，不需要判定合格与否。例如，奥运会等各大体育赛事都对运动员实施兴奋剂等药物检测，检测结果是否呈阳性是未知的，这里就不能称为检验。 1.1.4测试 测试是具有试验性质的测量，即测量与试验的综合，一般是借助相关的仪器、设备，设计合理的试验方法，以及进行必要的信号分析与处理，从而获取被测量的有用信息，*后将结果提供给观察者或者输人其他信息处理装置、控制系统中。在生产和科学试验中经常进行的满足一定准确度要求的试验性测量过程也称为测试[1-4]。例如，某交流电源的输出电压为115±5V、频率为400±5Hz、波形失真度小于3%，对这些技术指标进行的试验性测量也称为测试。 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴含在某些随时间、空间变化的物理量中，这些物理量就是信号。信号按其物理表达有电信号、光信号、力信号等。电信号在变换、处理、传输和运用等方面都有相对明显的优点，由于成为目前应用*广泛的信号，各种非电信号往往被转换成电信号再进行传输、处理和应用。 测试与测量概念的区别体现在以下三个方面： （1）测试可以指试验研究性质的测量过程。这种测量可能没有正式计量标准，只能用一些有意义的方法或参数去测评被测量状态或性能。例如，对人能力的测评，结果的计量标准不明确，但也称为测试。 （2）测试可以指着眼于定性而非定量的测量过程。例如，数字电路测试主要是确定逻辑电平的高低而非逻辑电平的准确值，这种测量过程也称为测试。 （3）测试可以指实验和测量的全过程。这种过程既是定量的，也是定性的，其目的在于鉴定被测量的性质和特征。 因此，测试与测量两个概念的基本含义是一致的，但测试概念的外延更宽，更注重强调试验性质与过程。同样，测试与检测在很多场合可以通用，测试是更广泛意义上的检测，是包含测量和检测含义的更深、更广的概念，而且测试还包含试验的意思。 1.2测试系统组成架构及基本特征 1.2.1测试系统的组成架构 基于现代测试技术，以计算机为核心的测试系统称为现代测试系统。相对完整的现代测试系统一般由激励装置、被测量、传感器、信号转换与调理、信号传输、信号分析、显示和记录等部分组成，典型组成如图1.1所示。 激励装置主要是向被测量发出激励信号，作为被测量的输人。并不是所有信息都装载在可直接检测的信号中，有时需要选用合适的方式激励被测量，使其产生既能充分表征信息又便于检测的信号。 被测量是测试系统的信息来源，整个测试系统都是围绕被测量来组建的。如果被测量与力、位移、速度、加速度、压力、流量、温度等某一参数或某些参数有关，那么相应的测试系统就必须具有完成该参数检测的功能。 传感器直接作用于被测量，是测试系统与被测量直接发生联系的纽带。传感器功能、性能都直接关系到测试系统的任务能力和测试性能，可以说测试系统获取信息的质量是由传感器直接决定的。 传感器检出信号不可避免地含有噪声、干扰，信号的幅度、频率等也可能过小或过大，这就需要对信号进行必要的转换与调理。信号转换与调理的主要作用是将从传感器检出的信号进行转换、放大、滤波、模拟/数字转换或数字/模拟转换、调制、识别、估值等加工调理，转换成更适合传输、分析或判断处理的形式。 信号传输主要完成测试设备内部或测试设备与其他设备之间的信息传输。信号传输与通信是测试的重要环节，已涉及数据通信领域的问题。一般的测试仪器仪表特别是智能仪器都设有通信接口，能够实现程控，便于进行自动测试。良好的数据通信接口是现代测试系统的重要组成部分。 图1.1中的信号分析不同于信号转换与调理，是在收集到一定维度或一定数量的有效信息后，利用相关算法和现代计算机运算能力进行科学分析，实现如时频域转换、统计、预测及其他更高级的运算分析功能。 显示和记录装置是连接测试人员和测试系统连接的主要桥梁，将测试的结果以观察者易于识别的形式呈现或存储。常用的显示方式有数字显示、指针式显示、图形显示、图表显示、文字显示及动态影像显示等。 需要注意的是，并不是所有的测试系统都具备图1.1所示的所有环节和内容，但至少应该具有被测量、信号获取、信号传输和信息处理部分。现代测试系统一般具有系统开放化、通信多元化、远程智能化、人机交互形式多样化、测控系统大型化和微型化、数据处理网络化与自动化等特点，将成为工业仪器与测控系统新的发展方向。