現(xiàn)代測試技術課件1

第1章緒論1.1測試技術1.2電子測量1.3測量儀器思考與練習題第1章緒論1.1測試技術1.1測試技術1.1.1概述測試通常包含測量與試驗兩部分內(nèi)容,測量是對某一物理量的“數(shù)量”的描述,而試驗則是對其“性質(zhì)”的探討。測試是人們認識和研究客觀物質(zhì)世界的基礎。一個完整的測試過程就是從客觀事物中提取有用信息、擯棄冗余信息,進而比較客觀、準確地描述被測對象“數(shù)量”與“性質(zhì)”的過程。在測試過程中,人們必須借助于專門的儀器設備,通過科學的試驗和必要的數(shù)據(jù)處理,才能取得被測對象的準確信息。1.1測試技術測試技術隸屬于試驗科學,并在其中占據(jù)著很重要的部分,它主要研究各種物理量的測量原理和測量信號(包括可能的誤差信息)的分析與處理方法。隨著各種相關技術(如計算機技術、傳感器技術、大規(guī)模集成電路技術、通信技術)的飛速發(fā)展,測試技術領域發(fā)生了巨大的變化,從而產(chǎn)生了現(xiàn)代測試技術?，F(xiàn)代測試技術的一個主要特點是基于計算機的測試,也就是以計算機為核心構成測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般具有開放化、遠程化、智能化、多樣化、網(wǎng)絡化、測控系統(tǒng)大型化和微型化、數(shù)據(jù)處理自動化等特點,它將成為儀器儀表與測控系統(tǒng)新的發(fā)展方向。測試技術隸屬于試驗科學,并在其中占據(jù)著很重1.測試技術的作用人們通過對客觀事物大量的觀察和測試,形成各種定性或定量的認識,并歸納、建立起各種定理和定律,而后又通過測試來驗證這些認識、定理和定律是否符合實際情況,經(jīng)過如此反復實踐,逐步認識事物的客觀規(guī)律,并用以解釋和改造世界。因此,可以說測試是人類認識和改造世界的一種不可缺少和替代的手段。事實已經(jīng)證明：當今科學技術要取得進步,社會生產(chǎn)要得到繼續(xù)發(fā)展,就必須與測試理論、技術、手段的發(fā)展和進步相互依賴、相互促進。測試技術水平是反映一個歷史時期、一個國家的科學技術水平的一面“鏡子”?？梢赃@樣認為,評價一個國家的科技狀態(tài),最為快捷的辦法就是去審視在那里所進行的測試以及由測試所累積的數(shù)據(jù)是如何被利用的。1.測試技術的作用具體來講,測試技術有如下主要作用:(1)測試技術是技術部門和科研院所進行研究、認識、維護不同對象的必不可少的手段。對于科研院所,探討某一相，研究某一理論，進行某一實踐,都涉及到對對象的某種認識和了解,因此離不開相應的測試技術；對于軍事部門來說,現(xiàn)代武器系統(tǒng)日益復雜,功能模塊十分繁多,導致可能出現(xiàn)的故障和隱患大大增加,對其實施有效、實用的檢測就必須借助于現(xiàn)代測試技術。具體來講,測試技術有如下主要作用:(2)測試技術是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段。借助于測試工具對產(chǎn)品進行質(zhì)量評價是測試技術重要的應用領域。傳統(tǒng)的方法只能將產(chǎn)品區(qū)分為合格品和廢品,只能起到產(chǎn)品驗收和廢品剔除的作用,對廢品的出現(xiàn)并沒有預先防止或提示的能力,屬于被動測試。隨著科學技術的發(fā)展,在傳統(tǒng)測試技術基礎上發(fā)展起來的一種新的技術稱為主動測試技術或在線測試技術,該技術的一個顯著特點是它可以使測試和生產(chǎn)加工同時進行,并能及時地用測試結果對生產(chǎn)過程主動地進行控制,使之能夠克服外界干擾因素的影響,適應生產(chǎn)條件的變化或能夠自動地將生產(chǎn)過程調(diào)整到最佳狀態(tài)。這樣,測試的作用已經(jīng)不只是單純的檢查產(chǎn)品的最終結果，還需要過問和干預造成這些結果的原因,從而進入質(zhì)量控制的領域。(2)測試技術是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段(3)測試技術是大型設備安全經(jīng)濟運行的保證。電力、石油、化工、機械等行業(yè)的一些大型設備通常在高溫、高壓、高速和大功率狀態(tài)下運行,保證這些關鍵設備的安全運行在國民經(jīng)濟中具有重大意義。為此,通常設置故障監(jiān)測系統(tǒng)以對溫度、壓力、流量、轉速、振動和噪聲等多種參數(shù)進行長期的動態(tài)監(jiān)測,以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況,加強故障預防,達到早期診斷、預防事故發(fā)生的目的，這樣就可以避免嚴重的突發(fā)事故,保證設備和人員的安全,提高經(jīng)濟效益。另外,在日常運行中,這種連續(xù)監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)設備故障的前兆,并采取預防性檢修。隨著計算機技術的發(fā)展,這類監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到故障自診斷系統(tǒng)，可以采用計算機來處理測試信息,進行分析、判斷,及時診斷出設備故障并自動報警或采取相應的對策。(3)測試技術是大型設備安全經(jīng)濟運行的保證(4)測試技術是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。任何生產(chǎn)過程都可以看做是由“物流”和“信息流”組合而成的。人們?yōu)榱擞心康牡剡M行控制,首先必須通過測試獲取有關信息,然后才能進行分析、判斷，以便實現(xiàn)自動控制,而反映物流的數(shù)量、狀態(tài)和趨向的信息流則是人們管理和控制物流的依據(jù)。所謂自動化,就是系統(tǒng)或某個過程的運行不需要人工的干預,也就是用各種技術工具和方法代替人來完成測試、分析、判斷和控制工作。一個自動化系統(tǒng)通常由多個環(huán)節(jié)組成,分別完成信息的獲取、信息的轉換、信息的處理信息的傳送及信息的執(zhí)行等功能。在實現(xiàn)自動化的過程中,信息的獲取與轉換是極其重要的組成環(huán)節(jié),只有精確、及時地將被控對象的各項參數(shù)測試出來并轉換成易于傳送和處理的信號,整個系統(tǒng)才能正常地工作。因此,自動測試技術是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。(4)測試技術是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成(5)測試技術是推動現(xiàn)代科學技術進步的重要力量,測試技術的完善和發(fā)展直接影響著現(xiàn)代科學技術能否以較快的速度發(fā)展和進步。(6)現(xiàn)代測試技術是理論研究成果形成的推進劑。人們在自然科學各個領域內(nèi)從事的研究工作,一般是利用已知的規(guī)律對觀測、試驗的結果進行概括、推理,從而對所研究的對象取得定量的概念并發(fā)現(xiàn)它的規(guī)律性,然后上升到理論。因此,現(xiàn)代測試手段所達到的水平在很大程度上決定了科學研究的深度和廣度。測試技術達到的水平愈高,提供的信息愈豐富、愈可靠,科學研究取得突破性進展的可能性就愈大。此外,理論研究的一些成果也必須通過實驗或觀測來加以驗證,這同樣離不開測試技術。(5)測試技術是推動現(xiàn)代科學技術進步的重要力從另一方面看,現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展也不斷地對測試技術提出新的要求和課題,成為促進測試技術向前發(fā)展的動力。科學技術的新發(fā)現(xiàn)和新成果不斷應用于測試技術中,也有力地促進了測試技術自身的現(xiàn)代化。測試技術與現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學技術相互滲透、相互作用的密切關系,使它成為一門十分活躍的技術學科,測試技術幾乎涉及到人類的一切活動領域中,在人類的活動中發(fā)揮著愈來愈大的作用。從另一方面看,現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展也不2.測試系統(tǒng)的組成測試的基本任務是獲取有用信息,而信息又蘊涵在某些隨時間或空間變化的物理量(信號)中。因此,首先要檢測出被測對象所呈現(xiàn)的有關信號,再加以處理,最后將結果提交給觀察者或其他信息處理與控制裝置。為了實現(xiàn)對上述信號的獲取、處理和控制工作,人們一般通過構建相應的測試系統(tǒng)來完成。一般來講,測試系統(tǒng)由傳感器、調(diào)理變換裝置、信號傳輸裝置和顯示記錄裝置等部分組成,分別完成信息的獲取、變換處理、傳輸和顯示等功能,當然其中還包括電源等不可缺少的部分。圖1-1給出了基本測試系統(tǒng)的組成框圖。2.測試系統(tǒng)的組成圖1-1基本測試系統(tǒng)的組成框圖圖1-1基本測試系統(tǒng)的組成框圖1)被測對象被測對象是測試系統(tǒng)信息的來源,它決定著整個測試系統(tǒng)的構成形式。被測對象的形式往往是千變?nèi)f化的,因此便構成了不同的測試系統(tǒng)。比如被測對象可能與力、位移、速度、加速度、壓力、流量、溫度等某一個或某些參數(shù)有關,則相應的測試系統(tǒng)就必須具有完成相關參數(shù)檢測的功能。2)傳感器傳感器是把被測量(如物理量、化學量)轉換成電信號輸出的器件。顯然,傳感器是測試系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的環(huán)節(jié),傳感器能否正常地將被測量輸出、傳感器性能的好壞、傳感器選用的是否恰當?shù)纫蛩刂苯雨P系到測試系統(tǒng)的性能。測試系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能一次性確定的,因為測試系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)無法添加新的測試信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。1)被測對象目前傳感器的形式多樣，工作原理也不盡相同,但是一般運用比較多的傳感器按照其工作原理的不同可以分為電阻式、電容式、電感式、壓電式、熱電式、光電式、磁電式等,至于實際使用中采用哪種類型則必須根據(jù)系統(tǒng)要求來選定。3)調(diào)理變換裝置調(diào)理變換裝置的作用是將傳感器的輸出信號進行調(diào)理(包括量程選擇,阻抗匹配,信號放大、縮小等),將其轉換成易于測量的電壓或電流信號,并進行相應的處理變換。調(diào)理變換裝置的種類和結構是由傳感器的類型決定的,不同的傳感器所要求配用的測量電路經(jīng)常具有自己的特色。一般而言,調(diào)理變換裝置較多考慮選用電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器、解調(diào)器、運算器、阻抗變換器等器件來組成。目前傳感器的形式多樣，工作原理也不盡相同,4)信號傳輸裝置信號傳輸裝置用來實現(xiàn)將信號按照某種特定的格式傳輸,比如采用某種總線標準或者進行某種格式的變換。5)結果顯示裝置結果顯示裝置是測試人員和測試系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)之一,主要作用是使人們了解測試數(shù)值的大小或變化的過程。常用的顯示裝置一般包括實時信號分析儀、電子計算機、筆式記錄儀、示波器、磁帶記錄儀、半導體存儲器等。4)信號傳輸裝置1.1.2計量計量是利用比較標準的各類量具、儀器儀表,對測量設備定期進行檢驗和校準,以確保測量結果的準確性、可靠性和統(tǒng)一性的過程。計量可認為是測量的特殊形式。在計量過程中,認為所使用的量具和儀器是標準的,用它們來校準、檢定受檢量具和儀器設備,以保證使用受檢量具儀器進行測量時所獲得的測量結果的可靠性。計量是測量的基礎和依據(jù)。1.1.2計量計量具有準確性、一致性、法制性和原始性的特點。計量結果必須包含被計量的值和量值的誤差范圍(準確性)。計量誤差是計量結果與被計量的量的真值之間的差異。計量基準是指用最先進的科學技術和工藝水平,以最高的準確度和穩(wěn)定性建立起來的專門用以規(guī)定、保持和復現(xiàn)物理量計量單位的特殊量具或儀器裝置等。計量單位的統(tǒng)一是量值統(tǒng)一的前提,計量結果應該不隨所使用的計量器具和計量人員的變化而超出誤差范圍。就一個國家而言,所有的量值都歸結到國家標準上;就世界而言,量值應該歸結到國際標準上,以免造成技術和應用上的混亂。計量器具是計量儀器、量具、計量物質(zhì)及裝置的總稱,是計量工作的物質(zhì)技術基礎。計量具有準確性、一致性、法制性和原始性的特點1.2.1電子測量的內(nèi)容電子測量可分為以下幾個方面：(1)電磁能量測量。電磁能量測量包括電壓、電流、功率、電場強度、磁場強度、功率通量密度等的測量。(2)信號特性測量。信號特性測量包括波形、周期、相位、失真度、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等的測量。(3)網(wǎng)絡特性測量。網(wǎng)絡特性測量包括頻率特性、傳輸系數(shù)、反射系數(shù)、電壓駐波比以及其他網(wǎng)絡參數(shù)等的測量。1.2電子測量1.2.1電子測量的內(nèi)容1.2電子測量(4)電路元器件參數(shù)測量。電路元器件參數(shù)測量包括電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)及電子器件參數(shù)等的測量。(5)電子設備的性能測量。電子設備的性能測量包括增益、衰減、靈敏度、頻率特性、噪聲指數(shù)等的測量。常用的測量儀器有波形分析儀、示波器、噪聲測試儀、掃頻儀等。(6)非電量的測量。非電量的測量包括溫度、位移、壓力、速度、重量、流量、物面高度、物質(zhì)成分等的測量。(4)電路元器件參數(shù)測量。電路元器件參數(shù)測量在航空航天領域的測控系統(tǒng)中,最重要的是彈道和軌道的測量以及對航天器上各設備工作狀態(tài)的測量。這些測量一般是通過無線電(或光)跟蹤測量(遙測)系統(tǒng)來完成的。彈道的測量主要是對高速運動空間目標的角度的跟蹤與測量、距離和速度的測量等;對航天器設備工作狀態(tài)的測量在航天器研制過程中用得較多,主要是對信號波形和工作轉換狀態(tài)的測量。它與一般的電子測量有所不同,主要有以下特點:(1)采用遙測技術。通過無線電或光測設備,對航天器的軌道或各個主要設備的特征狀態(tài)進行測量。在航空航天領域的測控系統(tǒng)中,最重要的是彈道和(2)作用距離遠。如美國深空測控網(wǎng)DSN,由于采用大口徑、高功率、低噪聲天線,低噪聲接收,大功率發(fā)射機及先進的信號處理等技術,其作用距離可達4.6×108km,可實現(xiàn)對月球、行星及星際之間目標的探測。(3)實時性強。使用測試系統(tǒng)或儀器設備對航天器進行測量的主要目的之一就是對其實施控制或制導。最常見的情況就是對其穩(wěn)定跟蹤后,要連續(xù)輸出測距、測角、測速數(shù)據(jù),并可根據(jù)事前獲取的標校數(shù)據(jù)對測量值進行實時修正,以得到實時、高精度的測量數(shù)據(jù)。(2)作用距離遠。如美國深空測控網(wǎng)DSN,1.2.2電子測量的特點1.測量頻率范圍寬電子測量的頻率范圍包括了從10-6Hz以下到1012Hz以上極寬的范圍。實際使用中通常是根據(jù)不同的工作頻段,采用不同的測量原理和使用不同的測量儀器。2.量程寬量程是測量范圍的最大值和最小值之差或上、下限值之比。電子測量的另一個特點是一些被測對象的量值大小相差懸殊,例如,從地面上接收到的宇宙飛船自外空發(fā)來的信號功率,低至10-14W數(shù)量級,而遠程雷達發(fā)射的脈沖功率,可高達108W以上,兩者之比為1∶1022。一般情況下,使用同一臺儀器、同一種測量方法是難以覆蓋如此寬廣的量程的。但是隨著電子測量技術的不斷發(fā)展,單臺測量儀器的量程也可以達到很寬。1.2.2電子測量的特點3.測量精度高電子測量儀器的精確度一般比其他測量儀器高很多。特別是對頻率和時間的測量,由于采用原子頻標作為基準,使誤差減小到10-13~10-14數(shù)量級,這是目前人類在測量精確度方面達到的最高標準。例如在GPS系統(tǒng)中就采用了銫原子鐘。電子儀器的精確度高,正是它在現(xiàn)代科技領域得到廣泛應用的重要原因。例如發(fā)射導彈、火箭或人造衛(wèi)星,需要高精度的自動控制系統(tǒng)和遙測系統(tǒng)。如果測量控制不準,末級火箭速度有千分之二的相對誤差,衛(wèi)星就會偏離軌道近百千米。在導彈上,起爆時機有千分之一的相對誤差,就不能有效殺傷目標。3.測量精度高4.響應時間短、測量速度快一般來講,測量的響應時間短,它的測量速度就快。其中,模擬電路的響應速度比時序數(shù)字電路的響應速度快,但模擬式的讀數(shù)裝置(電表指針)的響應速度比數(shù)字式的讀數(shù)裝置(數(shù)字顯示器)的響應速度慢。另外,響應時間、測量速度還和測量原理有關?？梢韵胂?如果沒有快速、自動地測量與控制,像導彈、衛(wèi)星等航天器的發(fā)射、控制與精確制導就是不可能的。5.可進行遙測由于電子測量依據(jù)的是電子的運動和電磁波的傳播,因此可以將現(xiàn)場各種待測量轉換成易于傳輸?shù)碾娦盘?用有線或無線的方式傳送到測試控制臺(終端),從而實現(xiàn)遙測和遙控。這使得對那些遠距離的、高速運動的或其他人們難以接近地方的信號測量成為可能,比如像衛(wèi)星、飛船這類航天器的發(fā)射與運行狀態(tài)的測量與控制。4.響應時間短、測量速度快6.易于實現(xiàn)測試智能化和自動化電子測量作為電子科學一個活躍的分支,電子科學的每一項進步,都非常迅速地在其領域中得到體現(xiàn)。隨著電子計算機,尤其是功耗低、體積小、處理速度快、可靠性高的微型計算機的出現(xiàn),給電子測量理論、技術和設備帶來了新的革命。比如微處理器出現(xiàn)于1971年,而在1972年就出現(xiàn)了使用微處理器的自動電容電橋?，F(xiàn)在,已有大量帶微處理器的電子測量儀器面世,許多儀器還帶有一些標準儀器接口(如GPIB、RS、-232、USB等),可以方便地與其他輔件構成功能完善的自動測試系統(tǒng),從而使得某些測量或測試過程能夠在程序控制下自動進行,并具有一定智能功能,比如對誤差的自動處理、對干擾的補償?shù)取?.易于實現(xiàn)測試智能化和自動化1.2.3電子測量的方法一個物理量的測量,可以通過不同的方法實現(xiàn)。要得到比較令人信服的測量結果,就必須進行方法的選擇,而所測量方法選擇的正確與否,不僅直接關系到測量結果的可信賴程度,也關系到測量工作的經(jīng)濟性和可行性。不當或錯誤的測量方法,除了得不到正確的測量結果外,甚至會損壞測量儀器和被測量設備。在這里特別要強調(diào)的就是有了先進、精密的測量儀器設備,并不等于就一定能獲得準確的測量結果,而不精密的測量儀器設備,也未必不能得到準確的測量結果。實際使用中,我們必須根據(jù)不同的測量對象、測量要求和測量條件,選擇正確的測量方法、合適的測量儀器構成實際測量系統(tǒng),再進行正確、細心的操作,才能得到理想的測量結果。1.2.3電子測量的方法1.按測量手段分類按測量手段分類，可以將測量分為以下幾種：(1)直接測量。直接測量法是用事先標定好的測量儀表直接讀取被測量量值的方法。比如用電壓表測量電壓,用電橋法測量電阻阻值,用計數(shù)式頻率計測量頻率,用溫度計測量溫度等。直接測量簡單迅速,是工程測量中廣泛應用的測量方法。直接測量又可以分為絕對測量和相對測量兩種方式,其中絕對測量是采用儀器、設備、手段測量被測量,直接得到被測量量值,其特點是測量簡單、直觀、明了,但測量精度不高。相對測量是將被測量直接與基準量比較,得到偏差值,其特點是精度高，但測量復雜、成本高、要求高。1.按測量手段分類以測量某一物體長度為例,采用絕對測量(如圖1-2(a)所示)是直接用測量工具,比如刻度尺測量出其長度;而作為相對測量(如圖1-2(b)所示),則是把該物體與某一基準相比較,然后用某一測微工具測量出二者之間的偏差,最終由基準量和偏差得到測量值。(2)間接測量。當被測量由于某種原因不能直接測量時,可以通過直接測量與被測量之間的函數(shù)關系(可以是公式、曲線或表格等),間接得到被測量量值。例如測量電阻[WTBX]R上消耗的直流功率P,可以通過直接測量電壓U和電流I,而后根據(jù)函數(shù)關系P=UI,經(jīng)過計算間接獲得功耗P。間接測量費時費事,常在下列情況下使用:直接測量不方便,間接測量的結果較直接測量更為準確,缺少直接測量儀器等。以測量某一物體長度為例,采用絕對測量(如圖圖1-2絕對測量和相對測量示意圖(a)絕對測量;(b)相對測量圖1-2絕對測量和相對測量示意圖(3)組合測量。當某項測量結果需要用多個未知參數(shù)表達時,可通過改變測量條件進行多次測量,根據(jù)函數(shù)關系列出方程組并求解,從而得到未知量的值,這種測量方式稱為組合測量。在較復雜的測量過程中,經(jīng)常要用到組合測量法,列出較多的方程。組合測量法比較復雜,測量時間長,但精度較高,一般用于科學試驗中。(3)組合測量。當某項測量結果需要用多個未2.按測量回路分類按照測量回路的不同,我們可以把測量分為開環(huán)測量和反饋測量兩種類型。開環(huán)測量如圖1-3(a)所示,它是直接對輸出量y實施測量,具有簡單、直觀、明了,但測量精度不高的特點。反饋測量如圖1-3(b)所示,它所測量的輸出量y反饋作用于輸入量x,具有精度高、復雜、成本高、要求高的特點。2.按測量回路分類圖1-3開環(huán)測量和反饋測量示意圖圖1-3開環(huán)測量和反饋測量示意圖3.按測量方式分類按測量方式分類，測量可分為以下幾種：(1)直讀式測量法。直讀式測量法是根據(jù)儀表的讀數(shù)來判斷被測量值的大小,直接讀取被測量數(shù)值的測量方法。直讀法測量的過程簡單,操作容易,讀數(shù)迅速,但其測量精度不高。(2)零位式測量法。零位式測量法又稱做零示法或平衡式測量法。測量時用被測量與標準量相比較(因此也稱之為比較測量法),用指零儀表(零示器)指示被測量與標準量相等(平衡),從而獲得被測量。3.按測量方式分類(3)微差式測量法。將偏差式測量法和零位式測量法相結合,即可構成微差式測量法。它是一種通過測量待測量與標準量之差(通常很小)間接來得到待測量量值的測量方法。和零位式測量法相比,微差式測量法可以省去反復調(diào)節(jié)標準量大小去尋求平衡的步驟,因此,微差式測量法兼有偏差式測量法的測量速度快和零位式測量法測量準確度高的優(yōu)點。微差式測量法除在實驗室中用作精密測量外,還廣泛地應用在生產(chǎn)線控制參數(shù)的測量上。(4)替代式測量法。替代式測量是將被測量與已知量先后兩次接入同一測量裝置,如果兩次測量中測量裝置的工作狀態(tài)能保持相同,則認為替代前接在裝置上的待測量與替代后的已知標準量數(shù)值完全相同。當然要做到完全替代,已知標準量最好是連續(xù)可調(diào)的,這樣才能在替代時通過調(diào)節(jié)使測量裝置的工作狀態(tài)保持不變。(3)微差式測量法。將偏差式測量法和零位式4.按被測量的性質(zhì)分類如果按被測量的性質(zhì)來區(qū)分,測量過程還可以作如下分類:(1)時域測量。時域測量也叫做瞬態(tài)測量,它主要用來測量被測量隨時間的變化規(guī)律。例如用示波器觀察正弦信號的周期、頻率、幅度等參數(shù)以及將其施加于某一電路后的輸出響應等。(2)頻域測量。頻域測量也稱為穩(wěn)態(tài)測量,主要目的是獲取待測量與頻率之間的關系,如用頻譜分析儀分析信號的頻譜,測量放大器的幅頻特性、相頻特性等。4.按被測量的性質(zhì)分類(3)數(shù)據(jù)域測量。數(shù)據(jù)域測量也稱為邏輯量測量。它是隨著數(shù)字電路的飛速發(fā)展而發(fā)展起來的,主要是用邏輯分析儀、邏輯筆等設備對數(shù)字量或數(shù)字電路的邏輯狀態(tài)及邏輯功能、可能的故障類型和故障狀態(tài)進行測量。數(shù)據(jù)域測量可以同時觀察多條數(shù)據(jù)通道上的邏輯狀態(tài),也可以顯示某條數(shù)據(jù)線上的時序波形,還可以借助計算機分析大規(guī)模集成電路芯片的邏輯功能等。由于當前集成電路技術的發(fā)展,使得數(shù)字電路的測量靠單純?nèi)斯y量越來越難以完成,因此其發(fā)展的趨勢是傾向于測量的智能化和自動化?？梢钥隙?隨著微電子技術的發(fā)展需要,數(shù)據(jù)域測量技術必將得到更大的發(fā)展。(3)數(shù)據(jù)域測量。數(shù)據(jù)域測量也稱為邏輯量(4)統(tǒng)計測量。統(tǒng)計測量又叫做隨機測量,主要是對各類噪聲信號進行動態(tài)測量和統(tǒng)計分析,這是一項較新的測量技術,尤其在通信領域有著廣泛的應用。除了上述幾種常見的分類方法外,還有其他一些分類方法。比如,按照對測量精度的要求可以分為精密測量和工程測量;按照測量時測量者對測量過程的干預程度分為自動測量和非自動測量;按照被測量與測量結果獲取地點的關系分為本地(原位)測量和遠地測量(遙測)、接觸測量和非接觸測量;按照被測量的屬性分為電量測量和非電量測量等。(4)統(tǒng)計測量。5.測量方法的選擇原則測量的方法形式多樣,而測量的對象又是千差萬別,因此合理、科學的選擇測量方法就顯得尤為重要。一般在具體選擇測量方法時,要綜合考慮下列主要因素:①被測量本身的特性。②所要求的測量準確度。③測量環(huán)境。④現(xiàn)有測量設備等。在此基礎上,還要選擇合適的測量儀器和正確的測量方法。前面已經(jīng)講過,正確可靠的測量結果的獲得,要依據(jù)測量方法和測量儀器的正確選擇、正確操作和測量數(shù)據(jù)的正確處理。否則,即便使用價值昂貴的精密儀器設備,也不一定能夠得到準確的結果,甚至可能損壞測量儀器和被測設備。5.測量方法的選擇原則1.3測量儀器測量儀器是測量者用來對被測對象取得“度”或“量”信息的器具,它能夠將被測量轉換成可供直接觀察的指示值或等效的信息。測量儀器一般包括各類指示儀器、比較儀器、記錄儀器、傳感器和變送器等。利用電子技術對各種待測量進行測量的設備,統(tǒng)稱為電子測量儀器。為了能夠正確地選擇測量方法、使用測量儀器和估價測量結果,本節(jié)將對電子測量儀器的主要功能、分類及其主要性能指標等做一些概括介紹。1.3測量儀器1.3.1電子測量儀器的主要功能電子測量儀器一般具有物理量的變換、信號的傳輸和測量結果的顯示等三種最基本的功能。

1.變換功能電壓、電流等電學量的測量,是通過測量各種電效應的方式實現(xiàn)的。比如作為模擬式儀表最基本構成單元的動圈式檢流計(電流表),就是將流過線圈的電流強度,轉化成與之成正比的扭矩而使儀表指針偏轉到距離初始位置一個角度,根據(jù)此偏轉角度的大小(通過刻度盤上的刻度獲得)得到被測電流的大小,這就是一種基本的變換功能。對非電量的測量,更需將各種非電物理量如壓力、位移、溫度、濕度、亮度、顏色、物質(zhì)成分等,通過各種對1.3.1電子測量儀器的主要功能之敏感的敏感元件(通常稱為傳感器),轉換成與之相關的電壓、電流等,而后再通過對電壓、電流的測量,得到被測物理量的大小。隨著測量技術的發(fā)展和需要,現(xiàn)在往往將傳感器、放大電路及其他有關部分構成獨立的單元電路,將被測量轉換成模擬的標準電信號,送往測量和處理裝置,這樣的單元電路常稱為變送器,它是現(xiàn)代測量系統(tǒng)中極為重要的組成部分。特別是在近幾年,隨著傳感器技術、集成電路技術、信息處理技術的發(fā)展,還出現(xiàn)了數(shù)字傳感器,它能直接將各種非電量轉換為頻率信號(準數(shù)字量)或數(shù)字信號,這使得我們構建自動測試系統(tǒng)更為方便。之敏感的敏感元件(通常稱為傳感器),轉換成與之相關的電壓、2.傳輸功能信號一旦檢測出來后就要通過一定方式將其顯示給控制者,因此,對于測量儀器的另一個必不可少的功能就是傳輸功能。傳輸?shù)倪^程要涉及到對信號的變換和處理(如電壓變換、信號匹配等),同時根據(jù)用戶需要可能還要對傳輸?shù)男盘柛袷阶龀鱿鄳幚?。比如在遙測遙控等系統(tǒng)中,現(xiàn)場測量結果需經(jīng)過較長距離的傳輸才能送到測試終端和控制臺。不管采用有線的還是無線的方式,傳輸過程中造成的信號失真和外界干擾等問題都會存在,所以必須通過變送器對其做相應處理。由此可見,此類測量儀器的傳輸功能是一個必須認真對待和處理的問題。2.傳輸功能3.顯示功能我們進行測量的最終目的是要將測量結果以某種有效的方式顯示出來。因此,任何測量儀器都必須具備一定的顯示功能。比如模擬式儀表通過指針在儀表刻度盤上的位置不同而顯示不同的測量結果,數(shù)字式儀表通過數(shù)碼管、液晶或陰極射線管直接以數(shù)字形式顯示測量結果。作為測量儀器其常用的顯示裝置一般包括實時信號分析儀、電子計算機、筆式記錄儀、示波器、磁帶記錄儀、半導體存儲器等。除此之外,一些先進的儀器如智能儀器等還具有數(shù)據(jù)記錄、處理及自檢、自校、報警提示等功能。3.顯示功能1.3.2電子測量儀器的分類電子測量儀器有多種分類方法,按工作原理可以分為模擬式和數(shù)字式兩大類。前者是指具有連續(xù)特性并與同類模擬量相比較的儀器;后者是指通過模數(shù)轉換把連續(xù)性的被測量變成數(shù)字量,再顯示結果的儀器。習慣上,按功能對電子測量儀器進行分類,大致可分為以下幾類:(1)波形顯示儀器。波形顯示儀器主要包括各類示波器、邏輯分析儀等。這類儀器有一般波形顯示儀器(如單蹤示波器、多蹤示波器、多掃描示波器等),用于超高頻顯示的取樣示波器,具有波形記憶功能的記憶示波器和數(shù)字存儲示波器等。(2)電路參數(shù)測量儀器。電路參數(shù)測量儀器主要包括各類電橋、Q表、RLC測試儀、晶體管和集成電路參數(shù)測試儀等。1.3.2電子測量儀器的分類(3)頻率、時間、相位測量儀器。這類儀器主要包括電子計數(shù)式頻率計、石英鐘、數(shù)字式相位計、波長計等。(4)信號分析儀器。信號分析儀器主要包括失真度儀、諧波分析儀、頻譜分析儀等。(5)模擬電路特性測試儀器。模擬電路特性測試儀器主要包括掃頻儀、噪聲系數(shù)測試儀、網(wǎng)絡特性分析儀等。(6)數(shù)字電路特性測試儀器。數(shù)字電路特性測試儀器主要指邏輯分析儀。這類儀器內(nèi)部多帶有微處理器或通過接口總線與外部計算機相連,是數(shù)據(jù)域測量中不可缺少的設備。(7)測試用信號源。測試用信號源包括各類低頻和高頻信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、掃頻和噪聲信號發(fā)生器等。由于它們的主要功能是作為測試用信號源,因此也叫供給量儀器。(3)頻率、時間、相位測量儀器。這類儀器主要1.3.3電子測量儀器的主要性能指標1.精確度精確度是指測量儀器的讀數(shù)或測量結果與被測量真值接近的程度,也稱為精度。它是表明測量誤差大小泛指性的廣義詞匯。一般來說，精度高,表明誤差小;精度低,表明誤差大。進一步分析隨機誤差和系統(tǒng)誤差,精度又包含以下兩部分內(nèi)容:(1)準確度。準確度是精確度的一個重要組成部分。它反映系統(tǒng)誤差的大小,表明測量儀器設備有規(guī)則的偏離真值的程度。1.3.3電子測量儀器的主要性能指標(2)精密度。精密度說明測量儀器設備指示值的分散程度,反映測量儀器隨機誤差的大小。也就是說,對某一穩(wěn)定的被測量對象,使用同一設備,在同一測量條件下連續(xù)多次進行測量時,得到的測量結果的分散程度。精密度高,意味著隨機誤差小,測量結果的重復性好。比如某電壓表的精密度為0.1V,即表示用它對同一電壓進行測量時,得到的各次測量值的分散程度不大于0.1V。測量時,其結果的分散程度一般用標準偏差σ或者用或然誤差0.674σ來表示。對于一個測量結果,精密度高的準確度不一定高。而準確度高的精密度也不一定高,可以用圖1-4所示的打靶的例子來說明。(2)精密度。精密度說明測量儀器設備指示值圖1-4用射擊比喻測量圖1-4用射擊比喻測量2.靈敏度靈敏度表示測量儀表對被測量變化的敏感程度,可以定義為測量儀器輸入變化所引起的輸出變化量Δy與輸入變化量Δx之比。也就是說,測量儀器的靈敏度是單位輸入變化量所引起的輸出量的變化。靈敏度用S來表示,可以用下式計算:2.靈敏度3.穩(wěn)定性穩(wěn)定性通常用穩(wěn)定度和影響量兩個參數(shù)來表征。穩(wěn)定度也稱穩(wěn)定誤差,是指在規(guī)定的時間區(qū)間,其他外界條件恒定不變的情況下,儀表示值變化的大小。造成這種示值變化的原因主要是儀器內(nèi)部各元器件的特性、參數(shù)不穩(wěn)定和老化等因素。穩(wěn)定度可用示值絕對變化量與時間一起表示。例如某數(shù)字電壓表的穩(wěn)定度應為(0.08%Um＋0.003％Ux)/(8h),其含義是在8小時內(nèi),測量同一電壓,在外界條件維持不變的情況下,電壓表的示值可能發(fā)生0.08%Um＋0.003％Ux的上下波動,其中Um為該量程滿度值,Ux為示值。穩(wěn)定度也可用示值的相對變化率與時間一起表示。例如國產(chǎn)XFC-6標準信號發(fā)生器,在220V電源電壓和20℃環(huán)境溫度下,頻率穩(wěn)定度小于或等于2×10-4/(10min);XD6B超低頻信號發(fā)生器,正弦波幅度穩(wěn)定度小于或等于0.3%/(1h)等。3.穩(wěn)定性由于電源電壓、頻率、環(huán)境溫度、濕度、氣壓、振動等外界條件變化而造成儀表示值的變化量,稱為影響量或影響誤差,一般用示值偏差和引起該偏差的影響量來一起表示。如EE1610晶體振蕩器在環(huán)境溫度從10℃變化到35℃時,頻率漂移小于或等于1×10-9等。由于電源電壓、頻率、環(huán)境溫度、濕度、氣壓、振動4.輸入阻抗與輸出阻抗輸入阻抗是指儀表在輸出端接有額定負載時,輸入端所表現(xiàn)出來的阻抗。輸入阻抗的大小將決定信號源的衰減程度,輸入阻抗越大,則衰減越小,所以一般應選擇輸入阻抗大一些的儀表。輸出阻抗是指儀表在接入信號源的情況下,輸出端所表現(xiàn)出來的阻抗。輸出阻抗大意味著把儀表或傳感器看成信號源時,信號源具有很大的內(nèi)阻。這樣,在儀表輸出端接上負載后(如二次儀表)其信號衰減較大,會產(chǎn)生較大的負載誤差。因此,一般要求儀表或傳感器的輸出阻抗要小。4.輸入阻抗與輸出阻抗5.線性度線性度是測量儀表輸入、輸出特性之一,表示儀表的輸出量(示值)隨輸入量(被測量)變化的規(guī)律。若儀表的輸出為y,輸入為x,兩者關系用函數(shù)y＝f(x)表示,如果y＝f(x)為y-x平面上過原點的直線,則稱之為線性刻度特性,否則稱為非線性刻度特性。由于各類測量儀器的原理各異,因此不同的測量儀器可能呈現(xiàn)不同的刻度特性。如常用的萬用表的電阻擋,具有上凸的非線性刻度特性；而數(shù)字電壓表,具有線性刻度特性.儀器的線性度可用線性誤差來表示,如SR46雙線示波器垂直系統(tǒng)的幅度線性誤差小于或等于5%。5.線性度6.動態(tài)特性測量儀表的動態(tài)特性表示儀表的輸出響應隨輸入變化的能力。例如模擬電壓表由于動圈式表頭指針慣性、軸承摩擦、空氣阻尼等因素的作用,使得儀表的指針不能瞬間穩(wěn)定在固定值上。又如示波器的垂直偏轉系統(tǒng),由于輸入電容等因素的影響,造成輸出波形對輸入信號的滯后與畸變,示波器的瞬態(tài)響應就表示了這種儀器的動態(tài)特性。最后指出,上述測量儀器的幾個特性,是就一般而論,并非所有儀器都用上述特性加以考核。有些測量儀器除了上述指標特性外,還有其他技術要求,這些具體問題都將在后面有關章節(jié)中加以說明。6.動態(tài)特性1.3.4電子測量儀器的發(fā)展1.模擬式儀器模擬式儀器的基本結構采用電磁機械式,它借助于儀器儀表指針來顯示測量結果。例如指針式萬用表等。1.3.4電子測量儀器的發(fā)展2.數(shù)字式儀器數(shù)字式儀器是將模擬信號的測量轉化為數(shù)字測量信號,并以數(shù)字方式輸出測量結果的儀器,它又可分為模數(shù)轉換式和脈沖計數(shù)式兩種。例如,利用模數(shù)轉換器和數(shù)字顯示器就可以構成數(shù)字式電壓表;利用數(shù)字式傳感器輸出的數(shù)碼或脈沖數(shù)與數(shù)字顯示器相連可以構成脈沖計數(shù)式儀器。數(shù)字式儀器目前使用比較普遍,具有快速響應能力和較高準確度。2.數(shù)字式儀器3.智能化儀器智能化儀器也稱為微機化儀器,它是把微處理器和通用標準接口總線(GPIB)引入到儀器儀表中的電子測量儀器。這種儀器具備通用的測試功能,可以單獨使用,也可以通過GPIB接口作為可程控儀器組建自動測試系統(tǒng)。這類儀器與傳統(tǒng)的儀器相比增加了新的功能和特點。例如,具有自動調(diào)零、量程自動轉換、多點快速測量、自動修正誤差、數(shù)據(jù)處理等功能。3.智能化儀器4.虛擬儀器虛擬儀器(VI,VirtualInstruments)是通過各種與檢測技術相關的軟件和硬件與工業(yè)計算機相結合,用于替代傳統(tǒng)概念的儀器設備,或者利用軟件和硬件與傳統(tǒng)儀器設備相連接,通過通信方式采集、分析、顯示數(shù)據(jù),監(jiān)控測試過程、生產(chǎn)過程的儀器備。它是檢測技術、計算機技術和通信技術相結合的產(chǎn)物。虛擬儀器是在計算機的顯示器上虛擬了傳統(tǒng)儀器面板的計算機化的儀器,它盡可能多地將原來由硬件電路完成的信號調(diào)理和信號處理的功能,替代為計算機來完成。這種硬件功能的軟件化是虛擬儀器的一大特征。自虛擬儀器概念提出來后,以軟件代替硬件,以圖形代替代碼,以組態(tài)代替編程,以虛擬儀器代替真實儀器,使得組建自動測試系統(tǒng)的技術得到迅速發(fā)展。4.虛擬儀器思考與練習題1.什么是測量?什么是測試?兩者之間有什么異同?2.簡述測試系統(tǒng)的構成以及各部分的作用。3.測量和計量有什么不同之處?4.按不同的分類方式，電子測量的基本方法有哪些?5.簡述直讀法、零位法和微差法的特點，并結合實際各舉一兩個應用實例。6.按照測量的性質(zhì)分類，測量過程可以劃分為哪幾種類型?7.在設計具體的測量方案時，測量方法的選擇應考慮什么因素?8.測量儀器有哪些基本功能?9.通過參閱一些相關資料，試總結現(xiàn)代測試技術的發(fā)展趨勢。思考與練習題第1章緒論1.1測試技術1.2電子測量1.3測量儀器思考與練習題第1章緒論1.1測試技術1.1測試技術1.1.1概述測試通常包含測量與試驗兩部分內(nèi)容,測量是對某一物理量的“數(shù)量”的描述,而試驗則是對其“性質(zhì)”的探討。測試是人們認識和研究客觀物質(zhì)世界的基礎。一個完整的測試過程就是從客觀事物中提取有用信息、擯棄冗余信息,進而比較客觀、準確地描述被測對象“數(shù)量”與“性質(zhì)”的過程。在測試過程中,人們必須借助于專門的儀器設備,通過科學的試驗和必要的數(shù)據(jù)處理,才能取得被測對象的準確信息。1.1測試技術測試技術隸屬于試驗科學,并在其中占據(jù)著很重要的部分,它主要研究各種物理量的測量原理和測量信號(包括可能的誤差信息)的分析與處理方法。隨著各種相關技術(如計算機技術、傳感器技術、大規(guī)模集成電路技術、通信技術)的飛速發(fā)展,測試技術領域發(fā)生了巨大的變化,從而產(chǎn)生了現(xiàn)代測試技術?，F(xiàn)代測試技術的一個主要特點是基于計算機的測試,也就是以計算機為核心構成測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般具有開放化、遠程化、智能化、多樣化、網(wǎng)絡化、測控系統(tǒng)大型化和微型化、數(shù)據(jù)處理自動化等特點,它將成為儀器儀表與測控系統(tǒng)新的發(fā)展方向。測試技術隸屬于試驗科學,并在其中占據(jù)著很重1.測試技術的作用人們通過對客觀事物大量的觀察和測試,形成各種定性或定量的認識,并歸納、建立起各種定理和定律,而后又通過測試來驗證這些認識、定理和定律是否符合實際情況,經(jīng)過如此反復實踐,逐步認識事物的客觀規(guī)律,并用以解釋和改造世界。因此,可以說測試是人類認識和改造世界的一種不可缺少和替代的手段。事實已經(jīng)證明：當今科學技術要取得進步,社會生產(chǎn)要得到繼續(xù)發(fā)展,就必須與測試理論、技術、手段的發(fā)展和進步相互依賴、相互促進。測試技術水平是反映一個歷史時期、一個國家的科學技術水平的一面“鏡子”?？梢赃@樣認為,評價一個國家的科技狀態(tài),最為快捷的辦法就是去審視在那里所進行的測試以及由測試所累積的數(shù)據(jù)是如何被利用的。1.測試技術的作用具體來講,測試技術有如下主要作用:(1)測試技術是技術部門和科研院所進行研究、認識、維護不同對象的必不可少的手段。對于科研院所,探討某一相，研究某一理論，進行某一實踐,都涉及到對對象的某種認識和了解,因此離不開相應的測試技術；對于軍事部門來說,現(xiàn)代武器系統(tǒng)日益復雜,功能模塊十分繁多,導致可能出現(xiàn)的故障和隱患大大增加,對其實施有效、實用的檢測就必須借助于現(xiàn)代測試技術。具體來講,測試技術有如下主要作用:(2)測試技術是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段。借助于測試工具對產(chǎn)品進行質(zhì)量評價是測試技術重要的應用領域。傳統(tǒng)的方法只能將產(chǎn)品區(qū)分為合格品和廢品,只能起到產(chǎn)品驗收和廢品剔除的作用,對廢品的出現(xiàn)并沒有預先防止或提示的能力,屬于被動測試。隨著科學技術的發(fā)展,在傳統(tǒng)測試技術基礎上發(fā)展起來的一種新的技術稱為主動測試技術或在線測試技術,該技術的一個顯著特點是它可以使測試和生產(chǎn)加工同時進行,并能及時地用測試結果對生產(chǎn)過程主動地進行控制,使之能夠克服外界干擾因素的影響,適應生產(chǎn)條件的變化或能夠自動地將生產(chǎn)過程調(diào)整到最佳狀態(tài)。這樣,測試的作用已經(jīng)不只是單純的檢查產(chǎn)品的最終結果，還需要過問和干預造成這些結果的原因,從而進入質(zhì)量控制的領域。(2)測試技術是產(chǎn)品檢驗和質(zhì)量控制的重要手段(3)測試技術是大型設備安全經(jīng)濟運行的保證。電力、石油、化工、機械等行業(yè)的一些大型設備通常在高溫、高壓、高速和大功率狀態(tài)下運行,保證這些關鍵設備的安全運行在國民經(jīng)濟中具有重大意義。為此,通常設置故障監(jiān)測系統(tǒng)以對溫度、壓力、流量、轉速、振動和噪聲等多種參數(shù)進行長期的動態(tài)監(jiān)測,以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況,加強故障預防,達到早期診斷、預防事故發(fā)生的目的，這樣就可以避免嚴重的突發(fā)事故,保證設備和人員的安全,提高經(jīng)濟效益。另外,在日常運行中,這種連續(xù)監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)設備故障的前兆,并采取預防性檢修。隨著計算機技術的發(fā)展,這類監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到故障自診斷系統(tǒng)，可以采用計算機來處理測試信息,進行分析、判斷,及時診斷出設備故障并自動報警或采取相應的對策。(3)測試技術是大型設備安全經(jīng)濟運行的保證(4)測試技術是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。任何生產(chǎn)過程都可以看做是由“物流”和“信息流”組合而成的。人們?yōu)榱擞心康牡剡M行控制,首先必須通過測試獲取有關信息,然后才能進行分析、判斷，以便實現(xiàn)自動控制,而反映物流的數(shù)量、狀態(tài)和趨向的信息流則是人們管理和控制物流的依據(jù)。所謂自動化,就是系統(tǒng)或某個過程的運行不需要人工的干預,也就是用各種技術工具和方法代替人來完成測試、分析、判斷和控制工作。一個自動化系統(tǒng)通常由多個環(huán)節(jié)組成,分別完成信息的獲取、信息的轉換、信息的處理信息的傳送及信息的執(zhí)行等功能。在實現(xiàn)自動化的過程中,信息的獲取與轉換是極其重要的組成環(huán)節(jié),只有精確、及時地將被控對象的各項參數(shù)測試出來并轉換成易于傳送和處理的信號,整個系統(tǒng)才能正常地工作。因此,自動測試技術是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。(4)測試技術是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成(5)測試技術是推動現(xiàn)代科學技術進步的重要力量,測試技術的完善和發(fā)展直接影響著現(xiàn)代科學技術能否以較快的速度發(fā)展和進步。(6)現(xiàn)代測試技術是理論研究成果形成的推進劑。人們在自然科學各個領域內(nèi)從事的研究工作,一般是利用已知的規(guī)律對觀測、試驗的結果進行概括、推理,從而對所研究的對象取得定量的概念并發(fā)現(xiàn)它的規(guī)律性,然后上升到理論。因此,現(xiàn)代測試手段所達到的水平在很大程度上決定了科學研究的深度和廣度。測試技術達到的水平愈高,提供的信息愈豐富、愈可靠,科學研究取得突破性進展的可能性就愈大。此外,理論研究的一些成果也必須通過實驗或觀測來加以驗證,這同樣離不開測試技術。(5)測試技術是推動現(xiàn)代科學技術進步的重要力從另一方面看,現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展也不斷地對測試技術提出新的要求和課題,成為促進測試技術向前發(fā)展的動力?？茖W技術的新發(fā)現(xiàn)和新成果不斷應用于測試技術中,也有力地促進了測試技術自身的現(xiàn)代化。測試技術與現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學技術相互滲透、相互作用的密切關系,使它成為一門十分活躍的技術學科,測試技術幾乎涉及到人類的一切活動領域中,在人類的活動中發(fā)揮著愈來愈大的作用。從另一方面看,現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展也不2.測試系統(tǒng)的組成測試的基本任務是獲取有用信息,而信息又蘊涵在某些隨時間或空間變化的物理量(信號)中。因此,首先要檢測出被測對象所呈現(xiàn)的有關信號,再加以處理,最后將結果提交給觀察者或其他信息處理與控制裝置。為了實現(xiàn)對上述信號的獲取、處理和控制工作,人們一般通過構建相應的測試系統(tǒng)來完成。一般來講,測試系統(tǒng)由傳感器、調(diào)理變換裝置、信號傳輸裝置和顯示記錄裝置等部分組成,分別完成信息的獲取、變換處理、傳輸和顯示等功能,當然其中還包括電源等不可缺少的部分。圖1-1給出了基本測試系統(tǒng)的組成框圖。2.測試系統(tǒng)的組成圖1-1基本測試系統(tǒng)的組成框圖圖1-1基本測試系統(tǒng)的組成框圖1)被測對象被測對象是測試系統(tǒng)信息的來源,它決定著整個測試系統(tǒng)的構成形式。被測對象的形式往往是千變?nèi)f化的,因此便構成了不同的測試系統(tǒng)。比如被測對象可能與力、位移、速度、加速度、壓力、流量、溫度等某一個或某些參數(shù)有關,則相應的測試系統(tǒng)就必須具有完成相關參數(shù)檢測的功能。2)傳感器傳感器是把被測量(如物理量、化學量)轉換成電信號輸出的器件。顯然,傳感器是測試系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的環(huán)節(jié),傳感器能否正常地將被測量輸出、傳感器性能的好壞、傳感器選用的是否恰當?shù)纫蛩刂苯雨P系到測試系統(tǒng)的性能。測試系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量往往是由傳感器的性能一次性確定的,因為測試系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)無法添加新的測試信息并且不易消除傳感器所引入的誤差。1)被測對象目前傳感器的形式多樣，工作原理也不盡相同,但是一般運用比較多的傳感器按照其工作原理的不同可以分為電阻式、電容式、電感式、壓電式、熱電式、光電式、磁電式等,至于實際使用中采用哪種類型則必須根據(jù)系統(tǒng)要求來選定。3)調(diào)理變換裝置調(diào)理變換裝置的作用是將傳感器的輸出信號進行調(diào)理(包括量程選擇,阻抗匹配,信號放大、縮小等),將其轉換成易于測量的電壓或電流信號,并進行相應的處理變換。調(diào)理變換裝置的種類和結構是由傳感器的類型決定的,不同的傳感器所要求配用的測量電路經(jīng)常具有自己的特色。一般而言,調(diào)理變換裝置較多考慮選用電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器、解調(diào)器、運算器、阻抗變換器等器件來組成。目前傳感器的形式多樣，工作原理也不盡相同,4)信號傳輸裝置信號傳輸裝置用來實現(xiàn)將信號按照某種特定的格式傳輸,比如采用某種總線標準或者進行某種格式的變換。5)結果顯示裝置結果顯示裝置是測試人員和測試系統(tǒng)聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)之一,主要作用是使人們了解測試數(shù)值的大小或變化的過程。常用的顯示裝置一般包括實時信號分析儀、電子計算機、筆式記錄儀、示波器、磁帶記錄儀、半導體存儲器等。4)信號傳輸裝置1.1.2計量計量是利用比較標準的各類量具、儀器儀表,對測量設備定期進行檢驗和校準,以確保測量結果的準確性、可靠性和統(tǒng)一性的過程。計量可認為是測量的特殊形式。在計量過程中,認為所使用的量具和儀器是標準的,用它們來校準、檢定受檢量具和儀器設備,以保證使用受檢量具儀器進行測量時所獲得的測量結果的可靠性。計量是測量的基礎和依據(jù)。1.1.2計量計量具有準確性、一致性、法制性和原始性的特點。計量結果必須包含被計量的值和量值的誤差范圍(準確性)。計量誤差是計量結果與被計量的量的真值之間的差異。計量基準是指用最先進的科學技術和工藝水平,以最高的準確度和穩(wěn)定性建立起來的專門用以規(guī)定、保持和復現(xiàn)物理量計量單位的特殊量具或儀器裝置等。計量單位的統(tǒng)一是量值統(tǒng)一的前提,計量結果應該不隨所使用的計量器具和計量人員的變化而超出誤差范圍。就一個國家而言,所有的量值都歸結到國家標準上;就世界而言,量值應該歸結到國際標準上,以免造成技術和應用上的混亂。計量器具是計量儀器、量具、計量物質(zhì)及裝置的總稱,是計量工作的物質(zhì)技術基礎。計量具有準確性、一致性、法制性和原始性的特點1.2.1電子測量的內(nèi)容電子測量可分為以下幾個方面：(1)電磁能量測量。電磁能量測量包括電壓、電流、功率、電場強度、磁場強度、功率通量密度等的測量。(2)信號特性測量。信號特性測量包括波形、周期、相位、失真度、調(diào)幅度、調(diào)頻指數(shù)及數(shù)字信號的邏輯狀態(tài)等的測量。(3)網(wǎng)絡特性測量。網(wǎng)絡特性測量包括頻率特性、傳輸系數(shù)、反射系數(shù)、電壓駐波比以及其他網(wǎng)絡參數(shù)等的測量。1.2電子測量1.2.1電子測量的內(nèi)容1.2電子測量(4)電路元器件參數(shù)測量。電路元器件參數(shù)測量包括電阻、電感、電容、阻抗、品質(zhì)因數(shù)及電子器件參數(shù)等的測量。(5)電子設備的性能測量。電子設備的性能測量包括增益、衰減、靈敏度、頻率特性、噪聲指數(shù)等的測量。常用的測量儀器有波形分析儀、示波器、噪聲測試儀、掃頻儀等。(6)非電量的測量。非電量的測量包括溫度、位移、壓力、速度、重量、流量、物面高度、物質(zhì)成分等的測量。(4)電路元器件參數(shù)測量。電路元器件參數(shù)測量在航空航天領域的測控系統(tǒng)中,最重要的是彈道和軌道的測量以及對航天器上各設備工作狀態(tài)的測量。這些測量一般是通過無線電(或光)跟蹤測量(遙測)系統(tǒng)來完成的。彈道的測量主要是對高速運動空間目標的角度的跟蹤與測量、距離和速度的測量等;對航天器設備工作狀態(tài)的測量在航天器研制過程中用得較多,主要是對信號波形和工作轉換狀態(tài)的測量。它與一般的電子測量有所不同,主要有以下特點:(1)采用遙測技術。通過無線電或光測設備,對航天器的軌道或各個主要設備的特征狀態(tài)進行測量。在航空航天領域的測控系統(tǒng)中,最重要的是彈道和(2)作用距離遠。如美國深空測控網(wǎng)DSN,由于采用大口徑、高功率、低噪聲天線,低噪聲接收,大功率發(fā)射機及先進的信號處理等技術,其作用距離可達4.6×108km,可實現(xiàn)對月球、行星及星際之間目標的探測。(3)實時性強。使用測試系統(tǒng)或儀器設備對航天器進行測量的主要目的之一就是對其實施控制或制導。最常見的情況就是對其穩(wěn)定跟蹤后,要連續(xù)輸出測距、測角、測速數(shù)據(jù),并可根據(jù)事前獲取的標校數(shù)據(jù)對測量值進行實時修正,以得到實時、高精度的測量數(shù)據(jù)。(2)作用距離遠。如美國深空測控網(wǎng)DSN,1.2.2電子測量的特點1.測量頻率范圍寬電子測量的頻率范圍包括了從10-6Hz以下到1012Hz以上極寬的范圍。實際使用中通常是根據(jù)不同的工作頻段,采用不同的測量原理和使用不同的測量儀器。2.量程寬量程是測量范圍的最大值和最小值之差或上、下限值之比。電子測量的另一個特點是一些被測對象的量值大小相差懸殊,例如,從地面上接收到的宇宙飛船自外空發(fā)來的信號功率,低至10-14W數(shù)量級,而遠程雷達發(fā)射的脈沖功率,可高達108W以上,兩者之比為1∶1022。一般情況下,使用同一臺儀器、同一種測量方法是難以覆蓋如此寬廣的量程的。但是隨著電子測量技術的不斷發(fā)展,單臺測量儀器的量程也可以達到很寬。1.2.2電子測量的特點3.測量精度高電子測量儀器的精確度一般比其他測量儀器高很多。特別是對頻率和時間的測量,由于采用原子頻標作為基準,使誤差減小到10-13~10-14數(shù)量級,這是目前人類在測量精確度方面達到的最高標準。例如在GPS系統(tǒng)中就采用了銫原子鐘。電子儀器的精確度高,正是它在現(xiàn)代科技領域得到廣泛應用的重要原因。例如發(fā)射導彈、火箭或人造衛(wèi)星,需要高精度的自動控制系統(tǒng)和遙測系統(tǒng)。如果測量控制不準,末級火箭速度有千分之二的相對誤差,衛(wèi)星就會偏離軌道近百千米。在導彈上,起爆時機有千分之一的相對誤差,就不能有效殺傷目標。3.測量精度高4.響應時間短、測量速度快一般來講,測量的響應時間短,它的測量速度就快。其中,模擬電路的響應速度比時序數(shù)字電路的響應速度快,但模擬式的讀數(shù)裝置(電表指針)的響應速度比數(shù)字式的讀數(shù)裝置(數(shù)字顯示器)的響應速度慢。另外,響應時間、測量速度還和測量原理有關?？梢韵胂?如果沒有快速、自動地測量與控制,像導彈、衛(wèi)星等航天器的發(fā)射、控制與精確制導就是不可能的。5.可進行遙測由于電子測量依據(jù)的是電子的運動和電磁波的傳播,因此可以將現(xiàn)場各種待測量轉換成易于傳輸?shù)碾娦盘?用有線或無線的方式傳送到測試控制臺(終端),從而實現(xiàn)遙測和遙控。這使得對那些遠距離的、高速運動的或其他人們難以接近地方的信號測量成為可能,比如像衛(wèi)星、飛船這類航天器的發(fā)射與運行狀態(tài)的測量與控制。4.響應時間短、測量速度快6.易于實現(xiàn)測試智能化和自動化電子測量作為電子科學一個活躍的分支,電子科學的每一項進步,都非常迅速地在其領域中得到體現(xiàn)。隨著電子計算機,尤其是功耗低、體積小、處理速度快、可靠性高的微型計算機的出現(xiàn),給電子測量理論、技術和設備帶來了新的革命。比如微處理器出現(xiàn)于1971年,而在1972年就出現(xiàn)了使用微處理器的自動電容電橋?，F(xiàn)在,已有大量帶微處理器的電子測量儀器面世,許多儀器還帶有一些標準儀器接口(如GPIB、RS、-232、USB等),可以方便地與其他輔件構成功能完善的自動測試系統(tǒng),從而使得某些測量或測試過程能夠在程序控制下自動進行,并具有一定智能功能,比如對誤差的自動處理、對干擾的補償?shù)取?.易于實現(xiàn)測試智能化和自動化1.2.3電子測量的方法一個物理量的測量,可以通過不同的方法實現(xiàn)。要得到比較令人信服的測量結果,就必須進行方法的選擇,而所測量方法選擇的正確與否,不僅直接關系到測量結果的可信賴程度,也關系到測量工作的經(jīng)濟性和可行性。不當或錯誤的測量方法,除了得不到正確的測量結果外,甚至會損壞測量儀器和被測量設備。在這里特別要強調(diào)的就是有了先進、精密的測量儀器設備,并不等于就一定能獲得準確的測量結果,而不精密的測量儀器設備,也未必不能得到準確的測量結果。實際使用中,我們必須根據(jù)不同的測量對象、測量要求和測量條件,選擇正確的測量方法、合適的測量儀器構成實際測量系統(tǒng),再進行正確、細心的操作,才能得到理想的測量結果。1.2.3電子測量的方法1.按測量手段分類按測量手段分類，可以將測量分為以下幾種：(1)直接測量。直接測量法是用事先標定好的測量儀表直接讀取被測量量值的方法。比如用電壓表測量電壓,用電橋法測量電阻阻值,用計數(shù)式頻率計測量頻率,用溫度計測量溫度等。直接測量簡單迅速,是工程測量中廣泛應用的測量方法。直接測量又可以分為絕對測量和相對測量兩種方式,其中絕對測量是采用儀器、設備、手段測量被測量,直接得到被測量量值,其特點是測量簡單、直觀、明了,但測量精度不高。相對測量是將被測量直接與基準量比較,得到偏差值,其特點是精度高，但測量復雜、成本高、要求高。1.按測量手段分類以測量某一物體長度為例,采用絕對測量(如圖1-2(a)所示)是直接用測量工具,比如刻度尺測量出其長度;而作為相對測量(如圖1-2(b)所示),則是把該物體與某一基準相比較,然后用某一測微工具測量出二者之間的偏差,最終由基準量和偏差得到測量值。(2)間接測量。當被測量由于某種原因不能直接測量時,可以通過直接測量與被測量之間的函數(shù)關系(可以是公式、曲線或表格等),間接得到被測量量值。例如測量電阻[WTBX]R上消耗的直流功率P,可以通過直接測量電壓U和電流I,而后根據(jù)函數(shù)關系P=UI,經(jīng)過計算間接獲得功耗P。間接測量費時費事,常在下列情況下使用:直接測量不方便,間接測量的結果較直接測量更為準確,缺少直接測量儀器等。以測量某一物體長度為例,采用絕對測量(如圖圖1-2絕對測量和相對測量示意圖(a)絕對測量;(b)相對測量圖1-2絕對測量和相對測量示意圖(3)組合測量。當某項測量結果需要用多個未知參數(shù)表達時,可通過改變測量條件進行多次測量,根據(jù)函數(shù)關系列出方程組并求解,從而得到未知量的值,這種測量方式稱為組合測量。在較復雜的測量過程中,經(jīng)常要用到組合測量法,列出較多的方程。組合測量法比較復雜,測量時間長,但精度較高,一般用于科學試驗中。(3)組合測量。當某項測量結果需要用多個未2.按測量回路分類按照測量回路的不同,我們可以把測量分為開環(huán)測量和反饋測量兩種類型。開環(huán)測量如圖1-3(a)所示,它是直接對輸出量y實施測量,具有簡單、直觀、明了,但測量精度不高的特點。反饋測量如圖1-3(b)所示,它所測量的輸出量y反饋作用于輸入量x,具有精度高、復雜、成本高、要求高的特點。2.按測量回路分類圖1-3開環(huán)測量和反饋測量示意圖圖1-3開環(huán)測量和反饋測量示意圖3.按測量方式分類按測量方式分類，測量可分為以下幾種：(1)直讀式測量法。直讀式測量法是根據(jù)儀表的讀數(shù)來判斷被測量值的大小,直接讀取被測量數(shù)值的測量方法。直讀法測量的過程簡單,操作容易,讀數(shù)迅速,但其測量精度不高。(2)零位式測量法。零位式測量法又稱做零示法或平衡式測量法。測量時用被測量與標準量相比較(因此也稱之為比較測量法),用指零儀表(零示器)指示被測量與標準量相等(平衡),從而獲得被測量。3.按測量方式分類(3)微差式測量法。將偏差式測量法和零位式測量法相結合,即可構成微差式測量法。它是一種通過測量待測量與標準量之差(通常很小)間接來得到待測量量值的測量方法。和零位式測量法相比,微差式測量法可以省去反復調(diào)節(jié)標準量大小去尋求平衡的步驟,因此,微差式測量法兼有偏差式測量法的測量速度快和零位式測量法測量準確度高的優(yōu)點。微差式測量法除在實驗室中用作精密測量外,還廣泛地應用在生產(chǎn)線控制參數(shù)的測量上。(4)替代式測量法。替代式測量是將被測量與已知量先后兩次接入同一測量裝置,如果兩次測量中測量裝置的工作狀態(tài)能保持相同,則認為替代前接在裝置上的待測量與替代后的已知標準量數(shù)值完全相同。當然要做到完全替代,已知標準量最好是連續(xù)可調(diào)的,這樣才能在替代時通過調(diào)節(jié)使測量裝置的工作狀態(tài)保持不變。(3)微差式測量法。將偏差式測量法和零位式4.按被測量的性質(zhì)分類如果按被測量的性質(zhì)來區(qū)分,測量過程還可以作如下分類:(1)時域測量。時域測量也叫做瞬態(tài)測量,它主要用來測量被測量隨時間的變化規(guī)律。例如用示波器觀察正弦信號的周期、頻率、幅度等參數(shù)以及將其施加于某一電路后的輸出響應等。(2)頻域測量。頻域測量也稱為穩(wěn)態(tài)測量,主要目的是獲取待測量與頻率之間的關系,如用頻譜分析儀分析信號的頻譜,測量放大器的幅頻特性、相頻特性等。4.按被測量的性質(zhì)分類(3)數(shù)據(jù)域測量。數(shù)據(jù)域測量也稱為邏輯量測量。它是隨著數(shù)字電路的飛速發(fā)展而發(fā)展起來的,主要是用邏輯分析儀、邏輯筆等設備對數(shù)字量或數(shù)字電路的邏輯狀態(tài)及邏輯功能、可能的故障類型和故障狀態(tài)進行測量。數(shù)據(jù)域測量可以同時觀察多條數(shù)據(jù)通道上的邏輯狀態(tài),也可以顯示某條數(shù)據(jù)線上的時序波形,還可以借助計算機分析大規(guī)模集成電路芯片的邏輯功能等。由于當前集成電路技術的發(fā)展,使得數(shù)字電路的測量靠單純?nèi)斯y量越來越難以完成,因此其發(fā)展的趨勢是傾向于測量的智能化和自動化。可以肯定,隨著微電子技術的發(fā)展需要,數(shù)據(jù)域測量技術必將得到更大的發(fā)展。(3)數(shù)據(jù)域測量。數(shù)據(jù)域測量也稱為邏輯量(4)統(tǒng)計測量。統(tǒng)計測量又叫做隨機測量,主要是對各類噪聲信號進行動態(tài)測量和統(tǒng)計分析,這是一項較新的測量技術,尤其在通信領域有著廣泛的應用。除了上述幾種常見的分類方法外,還有其他一些分類方法。比如,按照對測量精度的要求可以分為精密測量和工程測量;按照測量時測量者對測量過程的干預程度分為自動測量和非自動測量;按照被測量與測量結果獲取地點的關系分為本地(原位)測量和遠地測量(遙測)、接觸測量和非接觸測量;按照被測量的屬性分為電量測量和非電量測量等。(4)統(tǒng)計測量。5.測量方法的選擇原則測量的方法形式多樣,而測量的對象又是千差萬別,因此合理、科學的選擇測量方法就顯得尤為重要。一般在具體選擇測量方法時,要綜合考慮下列主要因素:①被測量本身的特性。②所要求的測量準確度。