第一講測(cè)試基礎(chǔ)測(cè)試技術(shù)的基本概念測(cè)試系統(tǒng)的組成測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)量誤差機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)第一節(jié)測(cè)試技術(shù)的基本概念測(cè)試的定義測(cè)試的目的是獲取信息，信號(hào)是信息的載體，測(cè)試是通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)得到被測(cè)參數(shù)信息并以信號(hào)的形式表現(xiàn)出來(lái)的技術(shù)手段。測(cè)試是測(cè)量和試驗(yàn)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是為了獲取被測(cè)對(duì)象基本屬性與內(nèi)在運(yùn)行規(guī)律有用信息，而對(duì)被測(cè)對(duì)象物理、化學(xué)、工程技術(shù)等方面的參量、特性等進(jìn)行數(shù)值測(cè)定的工作，是取得對(duì)試驗(yàn)對(duì)象定性或定量信息的一種基本方法和途徑。第一節(jié)測(cè)試技術(shù)的基本概念信息定義

信息是客觀事物時(shí)間與空間的特性，是無(wú)所不在、無(wú)時(shí)不存的。人們?yōu)榱四承┨囟ǖ哪康?，需要從浩如煙海的信息中把有用的部分提取出?lái)，以達(dá)到觀測(cè)事物某一本質(zhì)問(wèn)題的目的。信息通過(guò)各種測(cè)試手段以“信號(hào)”的形式表達(dá)出來(lái)，供人們觀測(cè)和分析，所以信號(hào)是某一特定信息的載體。第一節(jié)測(cè)試技術(shù)的基本概念（1）為了保證加工零件的質(zhì)量，要對(duì)機(jī)床主軸的振動(dòng)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析；（2）飛機(jī)在飛行時(shí)要依靠眾多儀表來(lái)測(cè)量和指示航向、速度、加速度、里程等一系列數(shù)據(jù)，從而確保飛機(jī)始終位于正確的航程中；（3）軋鋼過(guò)程中要對(duì)軋制的帶鋼厚度及寬度尺寸進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)；（4）為了保證旋轉(zhuǎn)機(jī)械的平穩(wěn)運(yùn)行，要對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械因軸承摩擦發(fā)熱而造成的部件熱變形進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試對(duì)象測(cè)試對(duì)象總結(jié)根據(jù)被測(cè)的物理量隨時(shí)間變化的特性，可將它們從總體上分成靜態(tài)量和動(dòng)態(tài)量。（1）所謂靜態(tài)量是指那些靜止的或緩慢變化的物理量，對(duì)這類(lèi)物理量的測(cè)試稱(chēng)為靜態(tài)測(cè)試或測(cè)量；（2）所謂動(dòng)態(tài)量是指隨時(shí)間快速變化的物理量，對(duì)這類(lèi)物理量的測(cè)試稱(chēng)為動(dòng)態(tài)測(cè)試第一節(jié)測(cè)試技術(shù)的基本概念被測(cè)對(duì)象傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換與調(diào)理新號(hào)分析處理數(shù)據(jù)顯示與記錄觀察者第二節(jié)測(cè)試系統(tǒng)的組成各組成部分功能

傳感器：獲取被測(cè)對(duì)象有用的信息，并轉(zhuǎn)換變量或信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換與調(diào)理電路：對(duì)信號(hào)做轉(zhuǎn)換、放大、濾波及一些專(zhuān)門(mén)的處理信號(hào)分析與處理裝置：對(duì)信號(hào)其進(jìn)行各種運(yùn)算、濾波、分析。數(shù)據(jù)顯示和記錄儀器：顯示調(diào)理和處理過(guò)的信號(hào)。第二節(jié)測(cè)試系統(tǒng)的組成

測(cè)試系統(tǒng)是用來(lái)測(cè)試被測(cè)信號(hào)的，被測(cè)信號(hào)經(jīng)系統(tǒng)的加工和處理之后在系統(tǒng)的輸出端以不同的形式被輸出。系統(tǒng)的輸出信號(hào)應(yīng)該真實(shí)地反映原始被測(cè)信號(hào)，這樣的測(cè)試過(guò)程被稱(chēng)為“精確測(cè)試”或“不失真測(cè)試”。

因此，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)精確的或不失真的測(cè)試；系統(tǒng)各部分應(yīng)具備什么樣的條件才能實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)試？正是測(cè)試技術(shù)中所要研究的一個(gè)主要問(wèn)題?？偨Y(jié)：第二節(jié)測(cè)試系統(tǒng)的組成第三節(jié)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1測(cè)試儀器向高精度、高速度和多功能方向發(fā)展（1）在尺寸測(cè)量范疇內(nèi)，從絕對(duì)量來(lái)講已經(jīng)提出了納米與亞納米的測(cè)量要求；（2）在時(shí)間測(cè)量上，分辨力要求達(dá)到分秒級(jí)，相對(duì)精度為10-14次方；（3）在電量上則要求能夠精確測(cè)出單個(gè)電子的電量。（4）在航空航天領(lǐng)域，對(duì)飛行物速度和加速度的測(cè)量都要求達(dá)到0.05％的精度。在測(cè)量速度方面，機(jī)床、渦輪機(jī)、交通工具等的運(yùn)行速度都在不斷加快。在科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，不斷出現(xiàn)新領(lǐng)域、新事物，需要人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)、探索和開(kāi)拓，如開(kāi)拓外層空間、探索微觀世界、了解人類(lèi)自身的奧秘等。2傳感器向新型、微型、智能型、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)新型功能材料已成為發(fā)展傳感器技術(shù)的關(guān)鍵之一。從IC制造技術(shù)發(fā)展起來(lái)的微機(jī)械加工工藝使被加工的敏感結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到微米、亞微米級(jí)，并可以批量生產(chǎn)，從而制造出價(jià)格便宜的微型化傳感器。傳感器逐漸呈小型化、微型化的發(fā)展趨勢(shì)。微處理器技術(shù)的進(jìn)步使傳感器技術(shù)正在向智能化方向發(fā)展，這也是信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

第三節(jié)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3測(cè)量范圍向極端測(cè)量方向發(fā)展就目前測(cè)試技術(shù)的發(fā)展水平而言，常規(guī)測(cè)量已經(jīng)比較成熟，但是隨著研究的不斷深入與領(lǐng)域的不斷拓寬，一些極端情況下的測(cè)量任務(wù)不斷涌現(xiàn)。尺寸測(cè)量要求能從原子核測(cè)到宇宙空間，電壓測(cè)量要求能從納伏測(cè)到百萬(wàn)伏，電阻測(cè)量要求能從超導(dǎo)測(cè)至10+14Ω，加速度測(cè)量要求能從10-4

g測(cè)到10+4

g，溫度測(cè)量要求能從接近絕對(duì)零度測(cè)到10+18度。測(cè)試技術(shù)正在向解決這些極端測(cè)量問(wèn)題的方向發(fā)展。第三節(jié)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)4參數(shù)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理向自動(dòng)化發(fā)展一個(gè)產(chǎn)品的大型綜合性試驗(yàn)，準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，待測(cè)參數(shù)多，若眾多數(shù)據(jù)依靠手工去處理，則不僅精度低，處理周期也太長(zhǎng)?，F(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，使采用以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)成為可能。該系統(tǒng)一般能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)修正、故障診斷、信號(hào)調(diào)制、多路采集和自動(dòng)分析處理，并能打印輸出測(cè)試結(jié)果。同時(shí)還出現(xiàn)了將微測(cè)試系統(tǒng)直接放入被測(cè)體內(nèi)，直接測(cè)試被測(cè)體在工作過(guò)程中各種主要參數(shù)的變化，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)接口讀出存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的測(cè)試技術(shù)。第三節(jié)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)化智能化催生測(cè)試技術(shù)迅猛發(fā)展的的土壤計(jì)算機(jī)技術(shù)微電子技術(shù)納米技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)………第三節(jié)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)研究及生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)中，需要測(cè)量各種物理量及其隨時(shí)間變化的特性，這項(xiàng)工作通常由各種測(cè)量裝置和測(cè)量過(guò)程來(lái)完成。因此，在測(cè)量過(guò)程中，如何保證被測(cè)物理量及其隨時(shí)間變化的準(zhǔn)確性，是檢測(cè)技術(shù)人員必須關(guān)注和解決的問(wèn)題。測(cè)量的基本概念、測(cè)量誤差與測(cè)量不確定性等關(guān)于測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)的測(cè)試工作奠定基礎(chǔ)。引言第四節(jié)測(cè)量基礎(chǔ)測(cè)量（Measurement）是借助專(zhuān)門(mén)的技術(shù)和儀表設(shè)備，采用一定的方法取得某一客觀事物定量數(shù)據(jù)資料的實(shí)踐過(guò)程。測(cè)量過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)比較的過(guò)程，即將被測(cè)量與一個(gè)同性質(zhì)的、作為測(cè)量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較的過(guò)程。1、測(cè)量的概念第四節(jié)測(cè)量基礎(chǔ)被測(cè)的量必須有明確的定義；測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)必須通過(guò)協(xié)議事先確定

對(duì)事物實(shí)施測(cè)量必須要滿(mǎn)足如下兩個(gè)前提條件：

國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）定義了七個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)際單位SI）：長(zhǎng)度（L,m）、質(zhì)量（M,kg）、時(shí)間（T,s）、溫度（,K）、電流（I,A）、光強(qiáng)（J,cd）和原子物理中的物質(zhì)的量（N,mol）第四節(jié)測(cè)量基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)測(cè)量

靜態(tài)測(cè)量按被測(cè)量是否隨時(shí)間變化2、測(cè)量方法分類(lèi)例如，用激光干涉儀對(duì)建筑物的緩慢沉降進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

例如，用光導(dǎo)纖維陀螺儀測(cè)量火箭的飛行速度、方向就屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量1第四節(jié)測(cè)量基礎(chǔ)間接測(cè)量直接測(cè)量按測(cè)量手段不同用標(biāo)定的儀表直接讀取被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果，該方法被稱(chēng)為直接測(cè)量。例如，用磁電式儀表測(cè)量電流、電壓；用離子敏MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管測(cè)量pH值和甜度等。間接測(cè)量首先要對(duì)幾個(gè)與被測(cè)量有確定函數(shù)關(guān)系的量進(jìn)行直接測(cè)量，將測(cè)量值代入函數(shù)關(guān)系式，經(jīng)過(guò)計(jì)算求得被測(cè)量。例如，為了求出某一勻質(zhì)金屬球是否純金，就必須測(cè)出它的密度。2第四節(jié)測(cè)量基礎(chǔ)非接觸式測(cè)量接觸式測(cè)量按是否與被測(cè)對(duì)象接觸例如，用多普勒超聲測(cè)速儀測(cè)量汽車(chē)超速與否就屬于非接觸測(cè)量。非接觸測(cè)量不影響被測(cè)對(duì)象運(yùn)行工況，是目前發(fā)展的趨勢(shì)。3第四節(jié)測(cè)量基礎(chǔ)離線測(cè)量在線測(cè)量按測(cè)量手段不同現(xiàn)代自動(dòng)化機(jī)床均采用“邊加工、邊測(cè)量”的方式，就屬于在線測(cè)量，它能保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。離線測(cè)量雖然能測(cè)出產(chǎn)品的合格與否，但無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)質(zhì)量。

4第四節(jié)測(cè)量基礎(chǔ)它綜合了偏位式測(cè)量速度快和零位式測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。這種方法預(yù)先使被測(cè)量與測(cè)量裝置內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)量取得平衡。當(dāng)被測(cè)量有微小變化時(shí)，測(cè)量裝置失去平衡。在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)量與儀表內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，用已知標(biāo)準(zhǔn)量的值決定被測(cè)量的值微差式測(cè)量偏位式測(cè)量

根據(jù)測(cè)量的具體手段不同

在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)量作用于儀表內(nèi)部的比較裝置，使該比較裝置產(chǎn)生偏移量，直接以?xún)x表的偏移量表示被測(cè)量的測(cè)量方式零位式測(cè)量

5第四節(jié)測(cè)量基礎(chǔ)

1、測(cè)量誤差的定義（1）真值：①理論真值

②規(guī)定真值

③相對(duì)真值（2）測(cè)量誤差測(cè)量誤差=測(cè)量結(jié)果-真值（3）殘余誤差殘余誤差=測(cè)量結(jié)果-約定真值

真值是指客觀存在的實(shí)際值。

理論真值也稱(chēng)為絕對(duì)真值，如平面三角形內(nèi)角之和為180°國(guó)際上公認(rèn)的某些基準(zhǔn)量值。

計(jì)量器具按精度不同分為若干等級(jí)，上一等級(jí)的指示值即為下一等級(jí)的真值包括第五節(jié)測(cè)量誤差（4）分貝誤差（3）引用誤差2、誤差的表示方法100％（1）絕對(duì)誤差

絕對(duì)誤差=測(cè)得值-真值（2）相對(duì)誤差100％當(dāng)被測(cè)真值為未知數(shù)時(shí)，一般可用測(cè)得值的算術(shù)平均值代替被測(cè)真值。分貝誤差的單位為dB，但本質(zhì)上屬于無(wú)量綱量，是一種特殊形式的相對(duì)誤差。國(guó)際規(guī)定電測(cè)儀表的精度等級(jí)指數(shù)分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共7個(gè)等級(jí)，其最大引用誤差不超過(guò)儀器精度等級(jí)指數(shù)百分?jǐn)?shù)，第五節(jié)測(cè)量誤差例：質(zhì)量G1=50g，誤差1=2g；質(zhì)量G2=2kg，誤差2=50g

1=100%=x100%=4%1G1G1的相對(duì)誤差為250

2=100%=100%=2.5%G2G2的相對(duì)誤差為5020002G2的測(cè)量效果較好第五節(jié)測(cè)量誤差按照誤差的特點(diǎn)和性質(zhì)粗大誤差系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差在相同條件下，多次測(cè)量同一物理量時(shí)，誤差不變或按一定規(guī)律變化著產(chǎn)生誤差的原因及誤差數(shù)值的大小、正負(fù)是隨機(jī)的，沒(méi)有確定的規(guī)律性，或者說(shuō)帶有偶然性，誤差數(shù)值特別大，超出在規(guī)定條件下的預(yù)計(jì)值，測(cè)量結(jié)果中有明顯錯(cuò)誤的誤差第五節(jié)測(cè)量誤差3、誤差分類(lèi)按誤差來(lái)源：裝置誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差。按誤差性質(zhì)：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差。①系統(tǒng)誤差由特定原因引起、具有一定因果關(guān)系并按確定規(guī)律產(chǎn)生?！幸?guī)律可循儀器、環(huán)境變化、方法不完善由于系統(tǒng)誤差具有一定的規(guī)律性，因此它是可預(yù)測(cè)的，也是可以消除的。對(duì)于已確知的系統(tǒng)誤差，應(yīng)通過(guò)適當(dāng)?shù)摹靶拚狈椒◤臏y(cè)量結(jié)果中消除。第五節(jié)測(cè)量誤差②隨機(jī)誤差在同一測(cè)試條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一量時(shí)，誤差大小、符號(hào)均以不可預(yù)定的方式變化的誤差。因許多不確定性因素而隨機(jī)發(fā)生。具有偶然性（不明確、無(wú)規(guī)律）。概率和統(tǒng)計(jì)性處理（無(wú)法消除/修正）。

絕大多數(shù)隨機(jī)誤差遵循正態(tài)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的劃分是相對(duì)的。例如，在加工一批軸時(shí)，各軸徑的誤差有大有小，有正有負(fù)，是隨機(jī)的，但對(duì)于某一確定軸來(lái)說(shuō)，其軸徑誤差是確定的。第五節(jié)測(cè)量誤差③粗大誤差在一定的測(cè)量條件下，測(cè)得的值明顯偏離其真值，既不具有確定分布規(guī)律，又不具有隨機(jī)分布規(guī)律的誤差。

在判別某個(gè)測(cè)量值是否含有粗大誤差時(shí)，應(yīng)作充分的分析和研究，并根據(jù)判別準(zhǔn)則予以確定：3σ準(zhǔn)則、羅曼諾夫斯基準(zhǔn)則和格拉布斯基準(zhǔn)則等。

粗大誤差的大小通常明顯超過(guò)正常條件下的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，其相應(yīng)的測(cè)量值稱(chēng)為壞值或異常值。第五節(jié)測(cè)量誤差4、有效數(shù)字及舍入規(guī)則1．有效數(shù)字：從數(shù)字的左邊第一個(gè)不為零的數(shù)字起，到右面最后一個(gè)數(shù)字（包括零）止。測(cè)量結(jié)果應(yīng)保留位數(shù)原則是：其最末位不可靠，而倒數(shù)第二位應(yīng)是可靠的。2．舍入原則：四舍六入五湊雙。12.5寫(xiě)作12；13.5寫(xiě)作14。第五節(jié)測(cè)量誤差5、

測(cè)量結(jié)果的評(píng)價(jià)①準(zhǔn)確度：反映測(cè)量結(jié)果中系統(tǒng)誤差的影響程度。②精密度：反映測(cè)量結(jié)果中隨機(jī)誤差的影響程度。③精確度：反映測(cè)量結(jié)果中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合影響。第五節(jié)測(cè)量誤差

(a)精密度(b)準(zhǔn)確度(c)精確度

........................................6、誤差的消除系統(tǒng)誤差的消除2）引入修正值進(jìn)行校正1）從產(chǎn)生誤差的根源上消除系統(tǒng)誤差

預(yù)先將測(cè)量器具的系統(tǒng)誤差檢定出來(lái)，作出誤差表或誤差曲線，然后取與誤差數(shù)值大小相同而符號(hào)相反的值作為修正值，將實(shí)際測(cè)得值加上相應(yīng)的修正值，即得結(jié)果。此方法不能將全部系統(tǒng)誤差修正掉。第五節(jié)測(cè)量誤差

例：等臂天平稱(chēng)重，左右兩臂長(zhǎng)的微小差別。為恒值系統(tǒng)誤差引起系統(tǒng)誤差的條件（如被測(cè)量的位置）相互交換，其他條件不變。（1）交換法X與P左右交換，取兩次測(cè)量的平均值，以消除系統(tǒng)誤差。被測(cè)物-X；平衡物-T；砝碼-P交換法3）消除常值系統(tǒng)誤差的方法第五節(jié)測(cè)量誤差

例：等臂天平稱(chēng)重，左右兩臂長(zhǎng)的微小差別。為恒值系統(tǒng)誤差（2）標(biāo)準(zhǔn)量替代法被測(cè)物-X；平衡物-T；砝碼-PT與X平衡測(cè)量結(jié)果P與T平衡標(biāo)準(zhǔn)量替換被測(cè)量。替代法，第五節(jié)測(cè)量誤差(3)抵消法改變測(cè)量條件（如方向），兩次測(cè)量結(jié)果的誤差符號(hào)相反，取平均值消除帶有間隙特性的定值系統(tǒng)誤差。

例：螺旋測(cè)微儀。由間隙引起空行程誤差，屬系統(tǒng)誤差往返兩個(gè)方向兩次讀數(shù)，取平均。順時(shí)針逆時(shí)針正確值不含系統(tǒng)誤差－a，空程引起誤差－第五節(jié)測(cè)量誤差（4）差動(dòng)法被測(cè)量對(duì)傳感器起差動(dòng)作用，干擾因素起相同作用。

被測(cè)量的作用相加干擾的作用相減抑制干擾，提高靈敏度和線性度作用：第五節(jié)測(cè)量誤差1）判別方法(1)物理判別法

人為因素，不符合實(shí)驗(yàn)條件/環(huán)境突變(2)統(tǒng)計(jì)判別法（整個(gè)測(cè)量完畢之后）粗大誤差的減少辦法和剔除準(zhǔn)則顯然與事實(shí)不符、歪曲的測(cè)量結(jié)果應(yīng)主觀避免、剔除。（測(cè)量過(guò)程中）