礦山測試技術(shù)-測試技術(shù)基礎(chǔ)匯編

1測試技術(shù)基礎(chǔ)

測量的基本概念測試系統(tǒng)的特性測量誤差測量數(shù)據(jù)處理1.1測試系統(tǒng)的組成

測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱光電池V溫度計簡單測試系統(tǒng)傳統(tǒng)測試系統(tǒng)組成框圖信息轉(zhuǎn)換信息提取被測信號被測量類別被

測

量熱工量溫度、熱量、比熱容；壓力、壓差、真空度；流量、流速、風(fēng)速機(jī)械量位移(線位移、角位移)、尺寸、形狀；力、重量、力矩、應(yīng)力；質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、線速度；振動幅值、頻率、加速度、噪聲物性和成分量氣體化學(xué)成分、液體化學(xué)成分；酸堿度(pH值)、鹽度、濃度、黏度、密度、相對密度狀態(tài)量顏色、透明度、磨損量、材料內(nèi)部裂紋或缺陷、氣體漏泄、表面質(zhì)量測試系統(tǒng)動畫計算機(jī)測試系統(tǒng)組成形象框圖1.1.1被測信號（signal）確定性信號

可以用明確數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號稱為確定性信號確定性信號—靜態(tài)信號和動態(tài)信號動態(tài)信號—周期信號和脈沖信號隨機(jī)信號不能用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號稱為非確定性信號，即無法確切預(yù)測未來任何瞬間的精確值的信號，只能用數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型來預(yù)測、描述和分析1.1.1信號分類框圖信號分類1.1.2傳感器（transducer、sensor）

傳感器是一種把物理量和化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電量的裝置作用：直接感受被測物理量并將被測物理量轉(zhuǎn)換成便于放大、記錄的電量(如電流、電壓或電路參量)物理量化學(xué)量電量1.1.3信號調(diào)理器（變送器transmitter）傳感器與顯示記錄儀表之間的中間電路作用1.放大：傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大（測控放大器）2.預(yù)濾波：傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比（高頻、低頻、帶通、帶阻濾波器）3.阻抗變換、調(diào)制解調(diào)常用電路

電橋電路、放大電路、濾波電路、調(diào)制解調(diào)電路、相敏檢波電路、湝振電路、阻抗變換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、V/F轉(zhuǎn)換電路、線性化電路等變送器(transmitter)把傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)信號：4～20mA電流信號；0～5電壓信號1.1.4顯示和記錄儀（displayandrecorder）

顯示和記錄儀是測試系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié)作用：將所測得的有用信號及其變化過程顯示或記錄(或存儲)下來數(shù)據(jù)顯示：各種表盤、電子示波器和顯示屏數(shù)據(jù)記錄：函數(shù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)字存儲示波器、無紙記錄儀、動態(tài)記錄儀1.2測試系統(tǒng)的基本特性

測試系統(tǒng)是執(zhí)行測試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱測試系統(tǒng)的基本特性—輸入、輸出特性—靜態(tài)特性和動態(tài)特性理想的測試系統(tǒng)應(yīng)該具有單值的、確定的輸入－輸出關(guān)系，知道其中一個量就可以確定另一個量實際理想的測試系統(tǒng)輸出和輸入成線性關(guān)系系統(tǒng)設(shè)計時總是希望輸入和輸出保持這種理想的線性關(guān)系1.2.1線性系統(tǒng)（linearity）輸出和輸入成線性關(guān)系線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型測試裝置本身參數(shù)有關(guān)的常數(shù)

是輸入函數(shù)

是輸出函數(shù)

線性系統(tǒng)性質(zhì)a)疊加性

系統(tǒng)對各輸入之和的輸出等于各單個輸入的輸出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)

則x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)b)比例性

常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍，即:

若x(t)→y(t)則kx(t)→ky(t)c)微分性

系統(tǒng)對原輸入信號的微分等于原輸出信號的微分，即

若x(t)→y(t)則x'(t)→y'(t)線性系統(tǒng)性質(zhì)d)積分性

當(dāng)初始條件為零時，系統(tǒng)對原輸入信號的積分等于原輸出信號的積分，即

若x(t)→y(t)

則∫x(t)dt→∫y(t)dte)頻率保持性

若系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號，即

若x(t)→y(t)且x(t)=Acos(ωt+φx)

則y(t)=Bcos(ωt+φy)線性系統(tǒng)的這些主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持性，在測量工作中具有重要作用1.2.2測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性

靜態(tài)特性（staticcharacteristic

）指系統(tǒng)在被測信號處于不變或緩慢變化時，輸入與輸出的關(guān)系測試系統(tǒng)綜合性能體現(xiàn)◎靜態(tài)校準(zhǔn)條件：

指沒有加速度，沒有沖擊，振動，環(huán)境溫度為20±5℃，相對適度不大于85％，大氣壓力為0.1±0.08MPa的情況1.2.2.1靜態(tài)特性曲線靜態(tài)特性曲線的數(shù)學(xué)描述xy線性xy非線性常用多項式理想靜態(tài)特性曲線—線性系統(tǒng)1.2.2.1靜態(tài)特性曲線—標(biāo)定曲線標(biāo)定曲線：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，給定輸入值，對系統(tǒng)重復(fù)進(jìn)行全程逐級加載和卸載獲得曲線理想線性系統(tǒng)特性曲線—直線

實際線性系統(tǒng)標(biāo)定曲線：通常以標(biāo)準(zhǔn)量作為輸入信號并測出對應(yīng)的輸出，再用統(tǒng)計法（如最小二乘法）求出一條輸入—輸出直線注意：1重要的測試，需在進(jìn)行測試前、后都對測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定2使測量數(shù)據(jù)具有法律效力法律效力，標(biāo)定曲線應(yīng)由法定計量部門完成常識計量認(rèn)證的標(biāo)志為CMA，CMA是ChinaMetrologyAccredidation（中國計量認(rèn)證/認(rèn)可）的縮寫根據(jù)計量認(rèn)證管理法規(guī)規(guī)定，經(jīng)計量認(rèn)證合格的檢測機(jī)構(gòu)出具的數(shù)據(jù)，作為公證數(shù)據(jù)，具有法律效力標(biāo)定曲線由廠家給定1.2.2.2靈敏度

對測試系統(tǒng)輸入一個變化量Δx，就會相應(yīng)地輸出一個變化量Δy，則測試系統(tǒng)的靈敏度s為

yx△x△y1.2.2.3線性度(直線度)

線性度：標(biāo)定曲線與理想直線的接近程度稱為測試系統(tǒng)的線性度若在系統(tǒng)的標(biāo)稱輸出范圍(全量程)內(nèi)，標(biāo)定曲線與參考理想直線的最大偏差為Bmax，則線性度可用下式表示

yxBmax

量程1.2.2.4回程誤差

回程誤差（遲滯Hysteresis）：在相同測試條件下和全量程范圍yFS

內(nèi)，在輸入由小增大和由大減小的行程中，對于同一輸入值所得到的兩個輸出值之間的最大差值Δhmax與量程yFS

的比值的百分率

xyΔhmaxyfs1.2.2.5量程量程（range)：系統(tǒng)在正常工作時所能測量的最大量值范圍，稱為測量范圍或稱量程yFS在動態(tài)測量時，還需同時考慮儀器的工作頻率范圍跨度（Span）測量范圍上限與下限的算術(shù)差值測量范圍的導(dǎo)出量（下限為零時的跨度）1.2.2.6分辨力和閥值分辨力（Resolution）是指系統(tǒng)能檢測到的輸入信號的最小變化值的能力分辨力=刻度最小值閥值（Threshold）是指當(dāng)一個系統(tǒng)的輸入從零開始極緩慢地增加，只有達(dá)到了某一最小值后，才測得出輸出變化，這個最小輸入值輸入就稱為系統(tǒng)的閾值(死區(qū)Deadband)動態(tài)范圍動態(tài)范圍（DynamicRange）：跨度與絕對分辨力之比系統(tǒng)對輸入信號大小的綜合檢測能力1.2.3測試系統(tǒng)的動態(tài)特性動態(tài)特性當(dāng)被測參數(shù)隨時間變化時，輸入量與輸出量間的函數(shù)關(guān)系波形失真輸出信號不可能任意迅速地跟隨輸入信號，出現(xiàn)輸入波形與輸出波形奇變(失真)波形失真原因摩擦和阻尼質(zhì)量慣性、熱慣性儲能器的填充或放空動態(tài)特性指標(biāo)頻域指標(biāo)—正弦信號—幅頻特性、相頻特性時域指標(biāo)—階躍響應(yīng)—時間常數(shù)、上升時間、響應(yīng)時間和超調(diào)量

研究系統(tǒng)的動態(tài)特性的方法時間域中進(jìn)行—如輸入階躍函數(shù)，考察系統(tǒng)的響應(yīng)時域指標(biāo)主要有時間常數(shù)、上升時間、響應(yīng)時間和超調(diào)量等頻率域中進(jìn)行—如輸入正弦函數(shù)，考察系統(tǒng)的響應(yīng)頻域指標(biāo)主要有固有頻率、工作頻帶、相位角等

1.2.3.1線性系統(tǒng)時域描述一般在工程中使用的測試裝置都是線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型—

常系數(shù)線性微分方程式表示(時域描述)研究時需解此常系數(shù)線性微分方程式理想線性系統(tǒng)的解

y(t)=A

x(t-t0)1.2.3.2傳遞函數(shù)（passfunction）

傳遞函數(shù)H(s)是指在系統(tǒng)的零初始條件下(即t=0時，輸入量、輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)均為零)，輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉氏變換比值(復(fù)域描述)復(fù)頻域分析：拉氏變換,自變量為S=+j

w傳遞函數(shù)有以下幾個特點：1)

H(s)和輸入x(t)的具體表達(dá)式無關(guān)

傳遞函數(shù)H(s)用于描述系統(tǒng)本身固有的特性，與x(t)的表達(dá)式無關(guān)。x(t)不同時，y(t)的表達(dá)式也不同，但二者拉普拉斯變換的比值始終保持為H(s)

例如時域描述：常系數(shù)線性微分方程式復(fù)域描述：代數(shù)方程傳遞函數(shù)有以下幾個特點：2）不同的物理系統(tǒng)可以有相同的傳遞函數(shù)

各種具體的物理系統(tǒng)，只要具有相同的微分方程，其傳遞函數(shù)也相同，即同一個傳遞函數(shù)可表示不同的物理系統(tǒng)例如，液柱溫度計和簡單的RC低通濾波器同是一階系統(tǒng)，具有相同的傳遞函數(shù)3）傳遞函數(shù)與微分方程等價由于拉普拉斯變換是一一對應(yīng)變換，不丟失任何信息，故傳遞函數(shù)與微分方程等價

動圈式電表振動子系統(tǒng)、彈簧－質(zhì)量－阻尼系統(tǒng)和LRC振蕩電路都是二階系統(tǒng)，具有相同的傳遞函數(shù)1.2.3.3頻率響應(yīng)函數(shù)

頻率響應(yīng)函數(shù)是指在系統(tǒng)的零初始條件下(即t=0時，輸入量、輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)均為零)，輸出量的付里葉變換與輸入量的付里葉變換比值(頻域描述)

輸入函數(shù)的傅里葉變換X(jω)、輸出函數(shù)的傅里葉變換Y(jω)和系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)H(jω)都是復(fù)數(shù)量頻率響應(yīng)函數(shù)復(fù)數(shù)形式幅頻特性相頻特性頻率響應(yīng)函數(shù)A(ω)是H(jω)的幅值，它表示輸出與輸入正弦信號振幅之比隨頻率的變化規(guī)律，稱為測試系統(tǒng)的幅頻特性(ω)是H(jω)的相位角，它表示輸出、輸入正弦信號相位差隨頻率的變化規(guī)律，稱為系統(tǒng)的相頻特性H(ω)、幅頻特性A(ω)、相頻特性φ(ω)，都是簡諧輸入頻率ω的函數(shù)幅頻特性和相頻特性

幅頻特性

—表示輸入、輸出正弦信號振幅隨頻率的變化規(guī)律相頻特性

—表示輸入、輸出正弦信號相位差隨頻率的變化規(guī)律

幅頻特性、相頻特性測試方法從系統(tǒng)最低測量頻率fmin到最高測量頻率fmax，逐步增加正弦激勵信號頻率f，記錄下各頻率對應(yīng)的幅值比和相位差，繪制就得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性儀器：信號發(fā)生器雙蹤示波器1.2.3.4實現(xiàn)信號不失真?zhèn)鬟f的條件定義：指系統(tǒng)的響應(yīng)y(t)的波形與輸入x(t)的波形完全相似數(shù)學(xué)表達(dá)式(時域條件)即:該系統(tǒng)的輸出波形與輸入信號的波形精確地相似，只是幅值放大了A0倍，時間上延遲了t0信號通過測試系統(tǒng)后能保持原信號的特性和全部信息不失真條件圖解tAx(t)y(t)=A0x(t)y(t)=A0x(t-t0)頻域中不失真?zhèn)鬟f條件表達(dá)式

2系統(tǒng)的相頻特性(ω)與輸入信號x(t)的頻率成正比，即時域不失真?zhèn)鬟f相應(yīng)傳遞函數(shù)為1系統(tǒng)的幅頻特性A(ω)在x(t)的頻譜范圍內(nèi)為一常數(shù)，即1.3測試系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

測試系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有精度穩(wěn)定性可靠性信噪比傳遞特性(靜態(tài)和動態(tài))等

1.3.1測試系統(tǒng)的精度和誤差

測試系統(tǒng)的精度和誤差是指測試系統(tǒng)給出的指示值和被測量的真值的接近程度

絕對誤差Δy=y-y0相對誤差γx=Δy/y0×100%引用誤差γy=Δy/yFS×100%y0—真值yFS—儀器的測量上限電工儀表精度等級：引用誤差最大值γymax×100=Δymax/yFS×100共7級：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0使用電工儀表等級儀表時可保證：Δy＜Δyｍax1.3.2穩(wěn)定性（stability）和可靠性

穩(wěn)定度指被測量保持不變，儀器由于隨機(jī)性變動、漂移等引起的示值變化環(huán)境影響系數(shù)指儀器工作場所的環(huán)境條件，諸如室溫、大氣壓、振動等外部狀態(tài)以及電源電壓、頻率和腐蝕氣體等因素對儀器精度的影響程度可靠性

指測試裝置無故障工作時間長短

1.3.3信噪比

信噪比指信號功率ps與噪聲功率pn比值，用SNR表示也常用信號電壓Vs與噪聲電壓Vn來表示信噪比1.3.4傳遞特性（passcharacteristic)傳遞特性是表示測量系統(tǒng)輸入與輸出對應(yīng)關(guān)系的性能用靜態(tài)傳遞特性和動態(tài)傳遞特性來描述靜態(tài)傳遞特性—線性度、重復(fù)性、遲滯、靈敏度、量程動態(tài)傳遞特性—系統(tǒng)幅頻和相頻特性理想的幅頻和相頻特性系統(tǒng)的幅頻特性A(ω)在x(t)的頻率范圍內(nèi)為一常數(shù)；系統(tǒng)的相頻特性(ω)與輸入信號x(t)的頻率成正比時域指標(biāo)輸入階躍信號，考察下列參數(shù)時間常數(shù)t:一階系統(tǒng)輸出上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2％所需的時間延遲時間td：系統(tǒng)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的50％所需的時間上升時間tr：系統(tǒng)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90％所需的時間峰值時間tp：二階系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線達(dá)到第一個峰值所需的時間超調(diào)量s：二階系統(tǒng)輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值衰減比d：衰減振蕩的二階系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線第一個峰值與第二個峰值之比時域指標(biāo)圖示—輸入階躍信號時間常數(shù)t延遲時間td上升時間tr峰值時間tp超調(diào)量s衰減比d1.4計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)簡介計算機(jī)輔助測試(computerassistanttest、CAT)系統(tǒng)組成—計算機(jī)、程控設(shè)備、接口及軟件功能—集數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、分析、處理和測試控制優(yōu)點—充分發(fā)揮計算機(jī)和各種設(shè)備的潛力，通過調(diào)用不同的測試軟件就能完成不同的測試目的1.4.1計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)組成典型的計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)原理框圖（）

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)構(gòu)成示意圖集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、通訊管理、數(shù)據(jù)分析于一體

各部分的作用

傳感器與信號調(diào)理器：與傳統(tǒng)測量儀器相同；多路切換開關(guān)(程控開關(guān))：把多個通道的模擬信號按預(yù)定順序與后接的保持電路接通并行模擬開關(guān)和地址譯碼驅(qū)動器，把輸入的地址翻譯成通道代碼，把與輸入地址相應(yīng)的模擬開關(guān)接通，同時保證每次只有一個模擬開關(guān)是導(dǎo)通的采樣/保持器：保證A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換期間，輸入A/D到轉(zhuǎn)換器的電壓是穩(wěn)定不變的A/D轉(zhuǎn)換器：模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并進(jìn)行編碼以適應(yīng)計算機(jī)工作測控接口：管理計算機(jī)與模數(shù)器之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息傳輸和交換如PCI標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)、GPIB儀器通用接口，VXI標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)計算機(jī)：系統(tǒng)的控制中心，使整個測量系統(tǒng)成為一個智能化的有機(jī)整體，在軟件引導(dǎo)下按預(yù)定的程序進(jìn)行信號采集與存貯、自動進(jìn)行的運(yùn)算分析與處理，指令以適當(dāng)形式輸出、顯示或記錄測量結(jié)果1.4.2計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)功能1.自動測量功能

對于通用測量預(yù)先把操作程序存入存儲器中，操作人員只要按鍵盤上所規(guī)定的功能健，數(shù)據(jù)采集器就能按預(yù)先編制的程序自動測量（如幅值、有效值、平均值）2.多項選擇功能

可按要求選擇測量項目、信號通道、測量范圍和頻率范圍，并達(dá)到最佳工作狀態(tài)提高測量精度3.結(jié)果判斷功能

可根據(jù)預(yù)先給定的指標(biāo)，判斷測試結(jié)果的正確性，并能自動記錄和顯示4.自動校正功能

可進(jìn)行自動調(diào)零，按預(yù)先給定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自校、消除溫度、噪聲及干擾等因素，把系統(tǒng)誤差存儲起來，便于以后從測試結(jié)果中扣除，提高測試精度1.4.2計算機(jī)輔助測試系統(tǒng)功能5.數(shù)據(jù)處理和分析功能

把測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理并進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、模擬運(yùn)算、誤差修正、工程單位轉(zhuǎn)換等，進(jìn)行頻譜分析6.自動控制功能

對被測對象進(jìn)行實時控制和定時控制7.故障報警功能

能進(jìn)行自身的故障診斷報警，由CPU向系統(tǒng)各部分發(fā)出校準(zhǔn)信號經(jīng)過比較，可以判斷各部分有無故障8.聯(lián)網(wǎng)通信功能

一般計算機(jī)的外設(shè)，通過標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信1.5測試系統(tǒng)選擇的原則選擇測試系統(tǒng)的根本原則要達(dá)到測試的目的和要求、經(jīng)濟(jì)節(jié)約考慮的因素靈敏度準(zhǔn)確度響應(yīng)特性線性范圍穩(wěn)定性測量方式各特性參數(shù)之間的配合

1.5.1靈敏度靈敏度高能檢測到被測物理量極微小的變化高靈敏度的測量系統(tǒng)同時也是敏感的噪聲接收系統(tǒng)，其噪聲也能被放大系統(tǒng)所放大，系統(tǒng)易被外界噪聲的侵入靈敏度愈高，往往測量范圍愈窄，穩(wěn)定性也愈差達(dá)到既能檢測微小的被測量、又能使噪聲被抑制到盡量低的目的，測試系統(tǒng)的信噪號比越大越好1.5.2準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度越高，測量結(jié)果中所包含的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差就越??；測試儀器的準(zhǔn)確度越高、價格一般就越貴應(yīng)從被測對象的實際情況和測試要求出發(fā)，選用準(zhǔn)確度合適的儀器，以獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益若干臺不同準(zhǔn)確度組成的測試系統(tǒng)，其測試結(jié)果的最終準(zhǔn)確度取決于準(zhǔn)確度最低的那一臺儀器如果條件有限，