机械工程测试基础第三版全套课件熊诗波黄长艺.

第二节测量的基础知识第一节测试技术概况3测试技术是测量和实验技术的统称。静态测量是指不随时间变化的物理量的测量。动态测量是指随时间变化的物理量的测量。第一节测试技术概况一、测试和测量系统工程测量可分为静态测量和动态测量。4测量系统的用途如图0-1所示。第一节测试技术概况一、测试和测量系统图0-15测量系统的一般构成如图0-2所示第一节测试技术概况一、测试和测量系统图0-261.新原理新技术在测试技术中的应用3.计算机测试系统与虚拟仪器的应用第一节测试技术概况二、测试技术的发展概况2.新型传感器的出现各种物理效应、化学效应、微电子技术，甚至生物学原理在工程测量中得到广泛应用,使得可测量的范围在不断扩大，测量精度和效率得到很大提高。包括新型传感器的出现、传感器性能的提高,还包括功能的增强、集成化程度的提高以及小型、微型化等。传感器网络及仪器总线技术、Intemet网与远程测试、测试过程与仪器控制技术,以及虚拟仪器及其编程语言等的发展都是现代工程测试技术发展的重要方面。7测试技术是测量和实验技术的统称。本课程的研究对象是机械工程领域与设计有关的试验、控制和运行监测中涉及到物理量及其他工程量的测量和测量装置与系统的性能，包括物理量和其他工程量的测量方法、测试中常用的传感器、信号调理电路及记录、显示仪器的工作原理，测量装置基本特性的评价方法、测试信号的分析和处理。第一节测试技术概况三、课程的主要环节和本书概要81.量值第二节测量的基础知识一、量与量纲量值是用数值和计量单位的乘积来表示的。量值的数值就是被测量与计量单位之比值。2.基本量和导出量在国际单位（SI）制中，基本量约定为：长度、质量、时间、温度、电流、发光强度和物质的量等七个量。他们的量纲分别为：L、M、T、θ、I、N和J表示。3.量纲和量的单位量纲代表一个实体的确定特征。量纲单位是该实体的量化基础。91.基本单位第二节测量的基础知识二、法定计量单位根据国际单位制（SI），七个基本量的单位分别是：长度——米（Metre）、质量——千克（Kilogram）、时间——秒（Second）、温度——开尔温（Kelvn）、电流——安培（Ampere）、发光强度——坎德拉（Candela）、物质的量——摩尔（Mol）。2.辅助单位3.导出单位在国际单位制中，平面角的单位——弧度和立体角的单位——球面度未归入基本单位或导出单位，而称之为辅助单位。在选定了基本单位和辅助单位之后，按物理量之间的关系，由基本单位和辅助单位以相乘或者相除所构成的单位称为导出单位。10第二节测量的基础知识三、测量、计量、测试测量（Measurement）是指以确定被测量对象的量值为目的而进行的实验过程。如果测量涉及实现单位统一和量值准确可靠则被称为计量。测试（Measurementandtest）是指具有实验性质的测量，或测量和试验的综合。11第二节测量的基础知识四、基准和标准基准是用来保存、复现计量单位的计量器具。计量标准是指用于检定工作计量器具的计量器具。12第二节测量的基础知识五、量值的传递和计量器具检定通过对计量器具实施检定或校准，将国际基准所复现的计量单位量值经过各级计量标准传递到工作计量器具，以保证被测对象量值的准确和一致。计量器具检定是指为评定计量器具的计量特性，确定其是否符合法定要求所进行的全部工作。13第二节测量的基础知识六、测量方法无需经过函数关系的计算，直接通过测量仪器得到被测值的测量。如温度计测水温、卷尺测量靶距等。1.直接测量2.间接测量3.组合测量在直接测量值的基础上，根据已知函数关系，计算出被测量的量值的测量。如通过测定某段时间内火车运动的距离来计算火车运动的平均速度就是间接测量。将直接测量值或间接测量值与被测量值之间按已知关系组合成一组方程，通过解方程组得到被测值的方法。14第二节测量的基础知识七、测量装置它是直接作用于被测量，并能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出的器件。1.传感器2.测量变换器3.检测器提供与输入量有给定关系的输出量的测量器件。用以指示某种特定量的存在而不必提供量值的器件或物质。4.测量器具的示值由测量器具所指示的被测量值。5.准确度等级用来表示测量器具的等级或级别。15第二节测量的基础知识七、测量装置标称范围也称为示值范围。测量器具标尺范围所对应的被测量示值范围。6.标称范围7.量程8.测量范围标称范围的上下限之差的模。在测量器具的误差处于允许极限内的情况下，测量器具所能测量的被测量值的范围。9.漂移测量器具的计量特性随时间的慢变化。16第二节测量的基础知识八、测量误差测量结果与被测量真值之差称为测量误差，即：测量误差=测量结果－真值1.测量误差定义2.误差的分类3.误差表示方法（1）系统误差（2）随机误差（3）粗大误差（1）绝对误差：是一个量纲、单位和被测量一样的量。可用公式表示，相对误差=误差÷真值（2）相对误差：相对误差=误差÷真值17第二节测量的基础知识八、测量误差3.误差表示方法（3）应用误差：计量器具的绝对误差与引用值之比。（4）分贝误差：一种特殊形式的相对误差。在数值上与相对误差有着一定的关系。测量误差和其分布特征量的关系如图0-3图0-318第二节测量的基础知识九、测量精度和不确定度表示测量结果中随机误差大小的误差；也是指在一定条件下测量结果中所有系统误差的综合。1.测量精密度2.测量正确度3.测量准确度表示测量结果中系统误差的大小程度，它反映了在规定条件下进行多次测量时所得结果彼此符合的程度。不能将精密度简称为精度。表示测量结果中系统误差大小的程度，它反映了在规定条件下测量结果中所有系统误差的综合。表示对被测量真值所处量值范围的评定。4.测量不确定度19第二节测量的基础知识十、测量器具的误差它是指测量器具的示值与被测量真值之差。1.测量仪器的示值误差2.基本误差3.允许误差指测量仪器在标准条件下所具有的误差，也称为固有误差。指技术标准、检定规程等对测量仪器所规定的允许的误差极限值。表示对被测量真值所处量值范围的评定。4.测量不确定度20第二节测量的基础知识十、测量器具的误差测量器具的重复性是指在规定的使用条件下，测量器具重复接受相同的输入，并给出非常相似输出的能力。测量器具的重复性误差就是测量器具造成的随机误差分量。5.测量器具的重复性和重复性误差6.回程误差7.误差曲线回程误差也称为滞后误差，是指在相同条件下，被测量值不变。测量器具形成方向不同时，其示值之差的绝对值。表示测量器具误差与被测量之间的函数关系的曲线。表示被测量的实际值与测量器具示值之间函数关系的曲线。8.校准曲线21第二节测量的基础知识十一、测量结果的表示方式误差分析和数据处理的基础是概率统计学。为了正确理解关于数据处理的讨论，回顾概率统计学的某些概念并把它们和测量联系起来是必要的。1.回顾某些概率统计学的概念2.测量数据的概率分布3.测量结果的表达方式测量过程中有许多因素会造成误差，测量数据往往还会由于意外原因出现异常值。为了不使它们影响测量结果的准确度，应该运用概率分析和现场分析的办法来剔除它们。测量结果=样本平均值±不确定度第一节信号的分类与描述第三节瞬变非周期信号与连续频谱第四节随机信号第二节周期信号与离散频谱231.确定性信号与随机信号第一节信号的分类与描述一、信号的分类周期信号：是按一定时间间隔周而复始重复出现，无始无终的信号。（1）周期信号例如，几种参量的单自由度振动系统（见图1-1）图1-1241.确定性信号与随机信号第一节信号的分类与描述一、信号的分类确定信号中那些不具有周期重复性的信号称为非周期信号。其图形如图1-2所示。（2）非周期信号图1-2252.连续信号和离散信号第一节信号的分类与描述一、信号的分类若信号数学表示式中的独立变量取值是连续的，则称为连续信号。如图1-3a所示。若独立变量取离散值，则称为离散信号。如图1-3b所示。图1-3263.能量信号和功率信号第一节信号的分类与描述一、信号的分类当电压信号满足一定条件时：则认为信号的能量是有限的，并称之为能量有限信号。简称能量信号。若信号在区间（-∞，∞）的能量是无限的，但它在有限区间的平均功率是有限的。这种信号称为功率有限信号，或功率信号。dttx)(2dttxtttt)(12121227第一节信号的分类与描述二、信号的时域描述和频域描述直接测试或记录到的信号，一般是以时间为独立变量的，称其为信号的时域描述。如图1-4所示。图1-428第一节信号的分类与描述二、信号的时域描述和频域描述图1-5表示的周期方波的时域图形、幅频谱和相频谱三者之间的关系。图1-529第二节周期信号与离散频谱一、傅里叶级数的三角函数展开式在有限区间内，凡满足狄里赫利条件的周期函数都可以展开称傅里叶级数。周期性三角函数的傅里叶级数如图1-6所示。图1-630第二节周期信号与离散频谱一、傅里叶级数的三角函数展开式周期性三角波的频谱图如图1-7所示。图1-731有关负频率的说明如图1-8所示。第二节周期信号与离散频谱二、傅里叶级数的复指数函数展开式图1-832第二节周期信号与离散频谱二、傅里叶级数的复指数函数展开式正、余弦函数的频谱图如图1-9所示。图1-933第二节周期信号与离散频谱二、傅里叶级数的复指数函数展开式周期信号的频谱具有三个特点：1）周期信号的频谱是离散的。2）每条频谱只出现在基波频率的整数倍上，基波频率是诸分量频率的公约数。3）各频率分量的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角。34周期信号的强度以峰值、绝对均值、有效值和平均功率来表述。第二节周期信号与离散频谱三、周期信号的强度表述35第三节瞬变非周期信号与连续频谱通常所说的非周期信号是指瞬变非周期信号如图1-11所示。图1-11a为矩形脉冲信号，图1-11b为指数衰减信号，图1-11c为衰减振荡，图1-11d为单一脉冲。图1-11一、傅里叶变换36第三节瞬变非周期信号与连续频谱一、傅里叶变换图1-11非周期性信号37求矩形窗函数的频谱，函数如图1-12所示。第三节瞬变非周期信号与连续频谱一、傅里叶变换图1-1238sincθ的图像如图1-13所示。第三节瞬变非周期信号与连续频谱一、傅里叶变换图1-13391.奇偶虚实性第三节瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质一般X(f)是实变量f的复变函数。它可以写成2()()Re()Im()jftXfxtedtXfjXf一个信号的时域描述和频域描述依靠傅里叶变换来确立彼此一一对应的关系。402.对称性第三节瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质对称性举例如图1-14所示。图1-14413.时间尺度改变特性第三节瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质时间尺度改变特性举例如图1-15所示。图1-15424.时移和频移特性第三节瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质()()xtXf在时域中信号沿时间轴平移一常值t0时，则020()()jftxttXfe在频域中信号沿频率轴平移一常值f0时，则020()()jftxteXff435.卷积特性第三节瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质112212121212()()()()()()()()()()()()xtXfxtXfxtxtXfXfxtxtXfXf446.微分和积分特性第三节瞬变非周期信号与连续频谱二、傅里叶变换的主要性质()(2)()nnndxtjfXfdt()(2)()nnndXfjfxtdf451.矩形窗函数的频谱第三节瞬变非周期信号与连续频谱三、几种典型信号的频谱矩形窗函数的频谱如图1-12所示。图1-12462.δ函数及其频谱第三节瞬变非周期信号与连续频谱三、几种典型信号的频谱矩形脉冲与δ函数如图1-16所示。图1-16472.δ函数及其频谱第三节瞬变非周期信号与连续频谱三、几种典型信号的频谱δ函数与其他函数的卷积如图1-17所示。图1-17