工程测试技术(第二版)

第1章 绪论 1.1 引言 人类对自然界的认识与改造均离不开对自然界信息的获取，因此获取信息的活动是人类*基本的活动之一。 在日常生活中，人类可通过感觉器官获取满足生活的大量信息。但在浩瀚的科学技术领域中，欲获取揭示事物内在规律的信息，无论在获取信息的幅值上，还是时间、空间上，或在分辨信息的能力方面，人类的感觉和大脑功能是十分有限的。测试作为定量地获取事物信息的一种手段，已成为现代科学技术研究的一个重要领域。 人类对客观世界的认识和改造总是以测试工作为基础的。人类早期在从事生产活动时，就已经对长度(距离)、面积、时间和重量进行了测量，其*初的计量单位或是和自身生理特点相联系(如长度) ，或是与自然环境相联系(如时间)。秦始皇在建立了统一的中央政府以后，立即建立了统一的度量衡制度，说明恰当的测试工作对发展生产和进行社会交往的重要性。在测试技术发展史中，应该着重提一下伽利略的功绩。伽利略不满足古代思想家对宇宙进行哲理性的定性描述，主张根据观测和实验对自然界的现象和运动规律进行定量描述，开创了实验科学，从而开创了近代意义的自然科学。 测试技术是测量技术及试验技术的总称。定量地描述事物的状态变化和特征总离不开测试。简言之，测试是依靠一定的科学技术手段定量地获取某种研究对象原始信息的过程。这里所讲的"信息"是指事物的状态或属性，如火炮膛内的燃气压力、温度、燃速是其膛内的基本信息。 工程技术的研究对象往往十分复杂，许多问题至今还难以进行完善的理论分析和计算，需通过实验研究来解决。测试工作需要一定的测试设备，而测试系统是一种能将被测参数转换成可直接观测指示或等效信息的测试设备，其中关键单元是传感器。传感器是指由敏感元件直接感受被测量，并将被测量转变为可用电量的一套完整的测量装置。信息本身不具备传输、交换的功能，只有通过信号才能实现这种功能，因此测试技术与信号密切相关。信息、信号、测试系统之间的关系可表述为:获取信息是测试的目的，信号是信息的载体，测试是得到被测参数信息的技术手段。 1.2 测试工作的任务 测试工作的基本任务是，通过测试手段，对研究对象中的有关信息量作出比较客观、准确的描述，使人们对其有一个恰当的全面的认识，并达到进一步改造和控制研究对象的目的。研究对象所包含的信息是相当丰富的，在实践中，人们总是根据要求测出所感兴趣的有限的信息，而不是全部信息。 信号是信息的载体，某些信息是可直接检测的，而有些信息是不容易直接检测的，需通过对其相关的信息进行加工处理才能获得。一般来说，测试工作总是采用*简捷的方法来获得与研究任务相联系的、*有用的、能表征研究对象特征的有关信息，而不能也不可企图获取该事物的全部信息。 现代测试技术的一大特点是采用非电量的电测法，其测量结果通常是随时间变化的电量，亦即电信号。在这些电信号中，包含着有用信息和大量不需要的干扰信号。干扰的存在给测试工作带来了麻烦，测试工作中的一项艰巨的任务就是要从复杂的信号中提取有用的信号或从含有干扰的信号中提取有用的信息。应该指出的是所谓"干扰"是相对的，在一种场合中，被认为是干扰信号，在另一种场合中却可能是有用信号。 人类早就进行测试工作了，但是迄今还很难给测试规定一个明确的定义及工作范围。测试是为了获取有用的信息，而信息是以信号的形式表现出来的。根据一个研究对象如何估计它的模型结构，如何设计试验方法，以*大限度地突出所需要的信息，并以比较明显的信号形式表现出来，这无疑也是测试工作的一部分。由此可见，测试工作是一件非常复杂的工作，需要多种学科知识的综合运用。当然，根据所测任务的繁简和要求的不同，并不是每项测试工作者F 要经历相同的步骤。如用天平和砖码就可以称重，用一根尺子就可以量布。但测定自动武器自动机的运动或研究机床的动态特性所进行的测试应是相当复杂的。 从广义的角度来讲，测试工作涉及试验设计、模型试验、传感器、信号加工与处理(传输、加工和分析、处理)、误差理论、控制工程、系统辨识和参数估计等内容。因此，测试工作者应当具备这方面的相关知识。从狭义的角度来讲，测试工作是指在选定激励方式下，所进行的信号的检测、变换、处理、显示、记录及电量输出的数据处理工作。本书从狭义的范围来讨论动态测试技术中的基础知识。 1.3 测试技术的发展 现代科学技术的不断发展，为测试技术水平的提高创造了物质条件，同样，拥有高水平的测试系统又会促进新科技成果的不断发现和创新。两者之间是相辅相成的。大致来说，测试技术的发展方向有下列几个方面: 1) 量程范围更加宽广 在火炮膛压测试技术中，对常规火炮膛压小于600MPa 的测试，采用铜柱(或铜球)测压器或压电传感器均可满足要求。为提高火炮射程和射击精度，在高膛压火炮的研究中，膛压可达到800 r- J 1000MPa ，甚至1000MPa 以上，并伴随着105 X 9.8ms- 2 的高冲击加速度。这就促使膛压测试技术要有相应的发展，需要研制测压范围更宽的压力传感器及配套的压力动态标定装置。 2) 传感器向新型、微型、智能型发展 传感器是信号的检测工具。精度高、灵敏度高且测量范围大及小型化是传感器发展的一个重要方向。新材料，特别是新型半导体材料的研制成功，促进了很多对于力、热、光、磁等物理量或气体化学成分敏感的器件的发展。光导纤维不仅可用来传输信号，而且可作为物性型传感器。另一个引人注目的发展是，由于微电子的发展，可把某些电路乃至微处理器和传感测量部分做成一体，即传感器具有放大、校正、判断和一定的信号处理功能，组成所谓的"智能传感器"。 3) 测量仪器向高精度和多功能方向发展 测量仪器及整个测量系统精度的提高，使测得数据的可信度也相应提高。在产品研制过程中要进行大量试验，测量某些性能参数，然后对所测数据进行统计分析。在相同条件下要试验若干次，所测参数才具有一定的可信度。仪器精度的提高，可减少试验次数，从而减少试验经费，降低产品成本。在提高测量仪器精度的同时应扩大仪器的功能。计算机技术的发展使测试技术也产生了革命性的变化，在许多测试系统中，由于使用了计算机而使仪器的测量精度更高，功能更全。 4) 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，靠人工检查，耗费时间长;众多的数据依靠手工去处理，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处理，并能打印输出测试结果。 1.4 本书的特点及目的 本课程主要讨论工程动态测试中常用的传感器、中间变换电路，记录、显示、分析设备的工作原理，测量系统的静、动态特性的评价方法，测量信号的可测性分析，计算机在测试中的应用，常用的应变测量技术、压电测量技术、光电测量技术和温度测量技术，以及其他几个常见物理量的动态测试方法。 对于高等学校机械工程的有关专业来说，本课程是一门技术基础课，它综合了数学、物理学、电工学、电子学、力学、控制工程及计算机技术等课程的内容。本课程具有很强的实践性，在学习过程中，只有注意理论密切联系实际，加强实验操作，掌握物理概念，才能真正学好它。在教学中，本课程安排了必要的实验与习题。学生在学习中必须积极主动地参加实验操作，完成相应的习题练习，这样，才能获得关于动态测试工作的比较完整的基本知识，为将来参加实际测试工作打好基础。 本课程的教学目的是，培养学生能较正确地选用测试设备，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、研究和处理工程测试技术问题打下坚实的基础。从进行动态测试工作所**的基本条件出发，学生在学完本课程后应具有以下几方面的知识和能力: (1) 掌握信号的时域和频域的描述方法、频谱分析的基本原理和方法，建立明确的信号频谱概念;了解相关分析、功率谱分析的基本原理及其应用，数字信号分析的基本概念;掌握误差的性质及处理方法。 (2) 了解常用传感器、中间变换电路及记录、显示设备的工作原理及性能，并能根据测试要求进行比较合理的选择。 (3) 掌握测试系统的静态、动态特性的评价方法和不失真测量的条件，能正确应用相关理论对测试系统进行分析和选择;了解动态误差的基本概念及常用动态误差修正方法。 (4) 对动态测试工作的基本问题有一个比较完整的概念，对工程测试中的某些参数能自行确定测试方法，自行设计或选用测试系统，并能对测试信号正确地进行处理和描述。 习题与思考题 1-1 列出你身边的测试技术应用的例子。 第2章 测量的基础知识 2.1 测量 在科学研究和工程试验中，往往需要探求物理现象之间的数量关系。为确定被测对象的量值而进行的实验过程称为测量。测量是人类认识客观世界，获取定量信息的重要手段。测量的*基本形式是比较，即将待测的未知量和预定的标准进行比较。由测量所得到的被测对象的量值表示为数值和计量单位的乘积。 测量可分为直接测量和间接测量两类。 2.1.1 直接测量 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的测量为直接测量。直接测量又可分为直接比较和间接比较两种。 直接比较直接将被测物理量和标准量进行比较的测量方法称为直接比较。例如，要测量一根圆钢的长度，*常用的办法是用一把钢皮尺和它作比较，钢皮尺(米尺)就是作长度测量用的标准。假设测得的圆钢长度是长度标准(米)的2.4倍，就用2.4m 作为圆钢长度的示值。长度测量是*简单的直接比较，但是，并不是任何物理量和标准之间的比较都能直接由人的感官来完成。例如，要比较两只电阻的大小，这不是人的感官所能胜任的，需要用惠斯通电桥来进行未知电阻和标准电阻之间的比较。电阻测量也是一种直接测量。直接比较的一个显著特点是待测物理量和标准量是同一种物理量。 间接比较直接测量的另一种方法是间接比较。例如，测量体温，*常用的是水银温度计。根据水银热胀冷缩的物理规律，温度越高，水银膨胀得越厉害，毛细管中的水银柱就上升得越高，水银柱的高度和温度之间有着确定的函数关系，因此可以用水银柱的高度作为被测温度的量度。这是通过热胀冷缩的规律把温度的高低转化为水银柱的长度，然后，通过对水银柱长度的比较间接地得出被测温度的大小，这就是间接比较。概括地讲，间接比较是利用仪器仪表——统称为测量系统——把原始形态的待测物理量的变化变换成与之保持已知函数关系(通常是线性关系)的另一种物理量的变化，并以人的感官所能接受的形式(通常是位置的变化) ，在测量系统的输出端显示出来。用弹簧测力，用直流电流表测电流等都是间接比较的例子。 元论是直接比较还是间接比较，都是直接用测量仪器测出待测量的大小，都属于直接测量。由此可以看出，为使测量结果具有普遍的科学意义，测量必须具备以下两个条件:*先，用作比较的标准必须是精确已知的，得到公认的;其次，进行比较的测量系统必须工作稳定，经得起检验。 2.1.2 间接测量 间接测量是在直接测量的基础上，根据已知的函数关系，计算出所要测量的物理量的大小。例如，在弹道实验中测量弹丸的初速度，就是先用直接测量测出两靶之间的距离和弹丸通过这段距离所需要的时间，然后由平均速度公式计算出弹丸的运动速度。这种测定弹丸速度的方法，属于间接测量。 一般尽可能地不采用间接测量，因为它的准确度往往不如直接测量高，但是，有时所要测的物理量本身就是根据数学关系定义的，没有比较的标准可供使用(如冲量、马赫数等) ，或者没有能够探测所要测量的物理量的仪器，在这些场合，就不得不采用间接测量了。 2.2 标准 2.2.1 SI的构成 为了求得国际上的统一，国际计量