28440测试技术大纲整理版

课程内容与考核要求

（注：涉及计算和复杂原理见课本）

第1章 绪论

1. 测试的含义

识记：测试的基本概念:测试就是对信号的获取、加工、处理、显示记

录及分析的过程。（测试泛指测量和试验两个方面的技术，是具有试验性质的测量，是测量和试验的综合。）

测量的定义：测量是指一个被测量与一个预定标准之间进行定量比较，从而获得被测对象的数值结果，即以确定被测对象的量值为目的的全部操作。（测量分为直接比较法和间接比较法。） 试验的含义：试验是对被研究的对象或系统进行实验性研究的过程。

领会：直接比较法的基本概念：直接比较法无须经过函数关系计算，直

接通过测量仪器得到被测量值。

间接比较法的基本概念：间接比较法利用仪器仪表把待测物理 量的变化换成与之保持已知函数关系的另一种物理量的变化。

测量和测试的概念及区别：

测量是被动的、静态的、较孤立的记录性操作，其重要性在于它提供了系统所要求的和实际所取得的结果之间的一种比较。 测试是主动的、涉及过程动态的、系统的记录与分析的操作，通过试验得到的试验数据成为研究对象的重要依据。

2. 测试基本原理及过程

识记：电测法的基本概念：将非电量先转换为电量，然后用各种电测仪

表和装置乃至计算机对电信号进行处理和分析。

（电量分为：电能量：如电流、电压、电场强度、电功率

电参量：如电阻、电容、电感、频率、相位）

电测法的优点：测试范围广、精度高、灵敏度高、响应速度快，特别适于动态测试。

领会：典型非电量电测法测量的工作过程：

1

典型非电量电测法测量过程

信号检测与信号处理的相互关系：

？信号检测是信号处理的前提，信号处理是信号检测的目的（P3）

3. 测试技术的典型应用

领会：测试技术在工程技术领域的典型应用。

产品质量测量、设备运行状态监控系统、家电产品的传感器、

楼宇自动化。

4．测试技术的发展动态

识记：物理性（物性型）传感器的基本概念：

物理型传感器依据机敏材料本身的物性随被测量的变化来实现

信号转换的装置。 智能化传感器的组成：

测量电路、微处理器、传感器。 领会：计算机技术对测试技术发展的作用。

计算机技术使得测试技术不断提高灵敏度、精度和可靠性；向小

型化、非接触化、多功能化、智能化和网络化方向发展。

四、本章重点、难点

典型非电量电测法测量的工作过程；（见2.） 信号检测与信号处理的作用。

第2章 测试系统的基本特性

1. 测试系统基本概念

识记：测试系统的概念:

所谓测试系统是指为完成某种物理量的测量而由具有某一种或

多种变换特性的物理装置的总体。

理想测试系统的特性：迭加性、比例特性、微分特性、积分特性

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和频率不变性。（P8） 领会：测试系统组成的基本概念：

根据测试的内容、目的和要求等的不同，测试系统的组成可能会

有很大差别。（P7）

测试系统的输入、输出与测试系统的特性关系： 输入（激励） X(t) 测试系统与输入/输出量之间的关系

2. 测试系统的静态特性

识记：测试系统静态特性的定义：

测试系统的静态特性是指当输入信号为不变或缓变信号时，输出

与输入之间的关系。 测试系统的静态传递方程：

测试系统 （对信号的传递特性） 输出(响应) Y(t) b0y(t)?x(t)a 0

( 测试系统处于静态测试时，输入和输出的各阶导数均为零。)

测试系统静态特性的主要定量指标：

精确度、灵敏度、非线性度、回程误差、重复性、分辨率、漂移、

死区。（Ｐ10－13）

测试系统绝对误差、相对误差和引用误差的定义。

绝对误差：绝对误差E是指测量值（指示值）与真值（或准确值）

之差。

E?y?x式中，y为测量值（或指示值）；x为真值（或准确值）。 相对误差：相对误差是绝对误差与被测量真值之比，即

y-x?100% x 绝对误差引用误差??100%引用误差： 测量范围的上限值（满量程值）

相对误差?

领会：测试系统的静态特性中误差的概念；（P9）

按不同分类方法对误差进行分类：

按照表示方法分：绝对误差、相对误差、引用误差

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按照性质和特点：系统误差、随机误差、粗大误差 表述系统误差、随机误差和粗大误差的概念和区别：

系统误差：在相同条件下，多次重复测量同一个量时，其绝对值

和符号固定不变，或改变条件（如环境条件、测量条件）后按一定规律变化的误差。（可采取适当的措施加以修正或消除。） 产生原因：测量理论的近似假设、仪器结构的不完善、测量环境的变化、零位调整不好以及测量人员方面的因素。

随机误差：在相同条件下，多次重复测量同一个量时，其绝对值和符号变化无常，但随着测量次数的增加又符合统计规律的误 差。（既不能用实验方法消去，也不能修正。多次重复测量时， 随机误差的统计特性多服从正态分布。）

产生原因：测量过程中各种相关因素的微小变化的相互迭加。 粗大误差：是一种明显歪曲实验结果的误差。(根据检验方法的

某些准则判断哪个测量值是坏值，在误差分析时将其剔除。)

产生原因：操作不当、疏忽大意、环境条件突然变化。 表述精确度、精密度、准确度的概念和区别：

精确度（精度）：是指由测试系统的输出所反映的测量结果和被

测参量的真值相符合的程度，综合反映系统误差和随机误差。

?max 精度等级??100%A

式中，Δmax为满量程内的最大可能误差；A为最大量程。 精密度：是精度的组成部分，它表示多次重复测量中，测量值彼

此之间的重复性或分散性大小的程度。（精密度反映随机误差的

大小，随机误差愈小，测量值就愈密集，重复性愈好，精密度愈 高。）

准确度：表示多次重复测量中，测量平均值与真值接近的程度。

（准确度反映系统误差的大小，系统误差愈小，测量的平均值就愈接近真值，正确度愈高。） 表述灵敏度和灵敏度漂移的概念：

灵敏度：指测试系统在静态条件下，响应量y的变化Δy和与之

对应的输入量x变化Δx的比值，即 （图见Ｐ11）

?yyb0???常数?xxa0S??y?x理想测试系统输入/输出特性为线性关系，则有

S? 4

（灵敏度表征测试系统对输入信号变化的一种反应能力。） 表述系统灵敏度与系统的量程及固有频率的关系

虽然系统的灵敏度是由物理属性或结构所决定的，但在选择测试

系统的灵敏度时，要充分考虑其合理性，因为系统的灵敏度和系统的量程及固有频率是相互制约的。一般来说，系统的灵敏度越高，则其测量范围往往越窄，越容易受外界干扰的影响，稳定性也越差。

3. 测试系统的动态特性

识记：测试系统动态特性的定义：

测试系统的动态特性是指输入量随时间作快速变化时，系统的输

出随输入而变化的关系。

（系统的动态响应特性一般通过描述系统的传递函数、频率响应函数及脉冲响应函数等数学模型来进行研究。） 系统传递函数的定义：

当线性系统的初始条件为零，即在考察时刻以前，其输入量、输

出量及其各阶导数均为零，且测试系统的输入x(t)和输入y(t) 在t>0时均满足狄利克雷条件，则定义输出y(t)的拉普拉斯变 换Y（s）与输入x（t）的拉普拉斯变换Ｘ（s）之比为系统的传 递函数，并记为Ｈ（s），即

Y(s)bm?sm?bm?1?sm?1?????b1?s?b0H(s)??X(s)an?sn?an?1?sn?1?????a1?s?a0式中，s称为拉普拉斯算子；an,an-1,...,a1,a0和bm,bm-1,...b1,b0

是由测试系统的物理参数决定的常数。、

（狄利克雷条件：

① 在一周期内，如果有间断点存在，则间断点的数目应是有

限个；

② 在一周期内，极大值和极小值的数目应是有限个； ③ 在一周期内，信号是绝对可积的。

一般我们遇到的周期信号都能满足狄利克雷条件。 ）

系统频率特性的概念：令s=jω

线性定常系统（或元件）的频率特性是指零初始条件下稳态输出

Y(j?)bm?(j?)m?bm?1?(j?)m?1?????b1?(j?)?b0H(j?)?? X(j?)an?(j?)n?an?1?(j?)n?1?????a1?(j?)?a0 5

正弦信号与输入正弦信号的复数比，即

H(j?)?Y(j?)A(?)ej?(?)X(j?)系统幅频特性的概念：

A（ω）称为幅频特性，它表示在稳态时，系统输出信号与输入

信号的幅值之比，即描述了系统（或元件）对不同频率的正弦输 入信号在稳态情况下的放大（或衰减）特性。

系统相频特性的概念：

它表示在稳态时，输出信号与输入信号的?(?)称为相频特性，

相位差，即描述了系统对不同频率的正弦输入信号在相位上产生的相角滞后或超前的特性。幅频特性和相频特性总称为系统的频率特性。

一阶、二阶测试系统频率特性的表达式： 一阶测试系统： 传递函数： H(s)?其频率特性为：

Y(s)1?X(s)?s?1?11????j?H(j?)?j???11?(??)21?(??)2??1?22????A(?)?Re(?)?Im(?)??1?(??)2??Im(?)??(?)?arctan??arctan(??)?Re(?)??(?)为负值表示系统输出信号的相位滞后于输入信号的相位。 二阶测试系统：

2?n1传递函数： H(s)??22122?s?2??s??nns?s?12

其频率特性为：

?n?n

????1?H(j?)??2??1?()?j2?()??n?n??1A(?)??2???2??21?()?2?()????n??n????2?()????(?)??arctann??21?()??n?6

动态特性参数：系统无阻尼固有频率?n、系统阻尼率?、系统的

响应振荡频率?d、最大超调量Mmax。 ① 传递函数与微分方程有直接联系。

② 传递函数与微分方程一样，只反映系统（元件）中输出信

号与输 入信号之间的变化规律，不反映原来物理系统（元件）的实际结构，即对于许多物理性质截然不同的系统（元件），可以具有相同形式的传递函数。

③ 传递函数是复变量s的有理真分式函数，即m≤n且所有系数均为实数。（这是由系统的物理性质决定的。）

④ 传递函数只与系统（元件）本身内部结构参数有关，而与输入信号无关。（传递函数只表征系统（元件）本身的特性。） 表述系统传递函数的初始条件及适用范围：

传递函数是在零初始条件下定义出来的，所以它不能反映非零初

始条件下系统的自由响应运动规律。

传递函数是从拉氏变换导出的，拉氏变换的条件是一种线性变 换，因此传递函数只适用于描述线性定常系统。

表述频率特性函数的物理意义：

频率特性反映了系统的内在性质，与外界因素无关，即当系统结

构参数给定，频率特性ω变换的规律也随之确定。频率特性描述了在不同频率下系统（或元件）传递正弦信号的能力。（在测量 脉冲响应函数的概念：

领会：表述系统传递函数的主要特点：

系统频率响应函数时，必须在系统响应达到稳态时才能测量。）

Y(s)H(s)?由系统的传递函数： ，可得

X(s)

Y(s)?H(s)?X(s)

将上式进行拉普拉斯逆变换，可得

y(t)?h(t)?x(t)

如果线性系统的输入x(t)为单位脉冲函数?(t)，则该系统的输出

应当是：y(t)?h(t)??(t)，因而有：y0(t)?h(t)??(t)?h(t)。这表明，h(t)等于系统的输入为单位脉冲函数?(t)时的响应y0(t)，因此，称h(t)为单位脉冲响应函数。 动态特性参数的测定:（详见P18-22） ① 频率响应法 ② 脉冲响应法

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③ 阶跃响应法 不失真测试；（P22）

定义：在测试过程中采取相应的技术手段，使测试系统的输出信

号能够真实、准确地反映出被测对象的信息，这种测试称为不失真测试。

?A(?)?A0(常数）不失真测试条件： ????0???（?）

即：

① 系统的幅频特性曲线应当是一条平行于?轴的直线。 ② 系统的相频特性曲线是一条通过坐标原点且具有负斜率的

直线。

A(?)?(?)A0OO?理想不失真条件

??0??不失真测试分析：（P23） ① 测试任务要求 ② 系统特性参数选择

简单应用：一阶、二阶测试系统频率特性的计算。 四、本章重点、难点

重点：测试系统的概念；

测试系统的组成；

测试系统静态特性的定义；

测试系统静态特性的主要定量指标：精确度、灵敏度、非线性度、分辨率；

系统传递函数的定义； 系统频率特性的概念； 系统传递函数的主要特点；

一阶、二阶测试系统频率特性的表达式；

动态特性参数：系统无阻尼固有频率?n、系统阻尼率?。

次重点：理想测试系统的特性；

测试系统的输入、输出与测试系统的特性关系；

测试系统静态特性的主要定量指标：回程误差、重复性、漂移、

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死区；

测试系统绝对误差、相对误差和引用误差的定义； 表述频率特性函数的物理意义 系统幅频特性的概念； 系统相频特性的概念；

动态特性参数：系统的响应振荡频率?d、最大超调量Mmax； 一阶、二阶测试系统频率特性的计算。

难点：测试系统静态特性的主要定量指标：精确度、灵敏度、非线性度、

分辨率；

系统传递函数的定义； 系统频率特性的概念；

动态特性参数：系统无阻尼固有频率?n、系统阻尼率?； 系统幅频特性的概念； 系统相频特性的概念；

动态特性参数：系统的响应振荡频率?d、最大超调量Mmax； 一阶、二阶测试系统频率特性的计算。

第3章 传感器及其应用

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1. 传感器的概念

识记：传感器的定义：

能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的

器件或装置。

① 传感器是测量装置，能完成检测任务。

② 从传感器的输入端看，一个指定的传感器只能感受或响应

规定的被测量，被测量既可以是电量也可以是非电量。 ③ 按一定规律转换成易于传输和处理的信号，而且这种规律是可复现的。

④ 从传感器的输出端看，传感器的输出信号中不仅承载着待测的原始信号，而且是能够被传输并成为便于后继检测环节接收和进一步处理的信号形式。 简述传感器的组成：

传感器通常由敏感元件、转换元件和信号调节和转换电路组成。

领会：表述传感器定义的4层含义：

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被测量 传感器组成框图

表述传感器的分类方法：（详见P30表3.1） ① 按被测物理量 ② 按传感器工作原理 ③ 按能量传递方式 ④ 按内部物理结构 ⑤ 按信号输出特征

2. 电阻传感器

识记：电阻传感器的定义：

电阻传感器是根据欧姆定律，将被测物理量的变化转化为电阻元

件的电阻值变化的装置。 电阻传感器的种类:

电位器式、电阻应变式、热敏电阻式、光敏式、气敏式、湿敏式传感器等

应变效应及压阻效应概念：（P31-33）

应变效应：所谓“应变效应”是指金属导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象。

压阻效应：所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率随之发生变化的现象。 应变片灵敏度的定义：

（强烈要求看书本32页） dR/RS??(1?2????)?

应变片的种类：

金属电阻应变片和半导体应变片 金属电阻应变片的种类： 丝式、箔式、薄膜式 半导体应变片的种类： 体型、薄膜型、扩散型

敏感元件 转换元件 信号调节 转换电路 电量 辅助电源 10

角速度型传感器感应电势与角速度的计算。

6. 压电传感器（P54-61）

识记：正压电效应及逆压电效应的概念：

正压电效应：某些物质，如石英、钛酸钡等，在沿一定方向对其

施加外力，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面有电荷出现，形成电场；当外力去除后，又重新回到原来不带电状态，这种现象称为正压电效应。

逆压电效应：若将这些物质置于电场中，将产生机械变形，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。 压电陶瓷的压电效应；

压电元件的等效电路及后接放大器的形式； 电荷放大器与电压放大器的优缺点； 详见P54-61 压电式加速度传感器的类型及工作原理。

简单应用：压电传感器配接电压放大器的输出电压计算； 压电传感器配接电荷放大器的输出电压计算。 7. 光电传感器（P61-64）

识记：光电传感器的概念：

以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。 外光电效应的概念：

在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象。 领会：内光电效应的类型及工作原理：

类型：一，光电导效应（即在光作用下，电子吸收光子能量，使

半导体材料导电率显著改变。）二，在光作用下，使半导体材料产生一定方向的电动势。（光电池和光敏管）

原理：在光照作用下，物体内部的原子释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势。

光电池的结构与等效电路：

领会：石英晶体的压电效应及种类；

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硅光电池的结构与等效电路

光敏二极管和光敏三极管的结构、符号及接线：

光敏二极管的结构、符号及连线

光电传感器测量零件表面状态的工作原理； 光电传感器测量转速的工作原理。

简单应用：光电传感器在工业上应用的4种基本形式及其原理。

光敏三极管的结构、符号及接线

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8. 热电传感器（P64-70）

识记：温度传感器分类:

接触式：热电偶、金属热电阻、热敏电阻 非接触式：热辐射式、亮度式、比色式

常用热电偶的主要性能和特点：

（P64表3.4） 热电效应的概念； 热电势的概念； 接触电势的概念； 温差电势的概念； 热电偶的串、并联。 领会：热电偶的工作原理；

均质导体定律； 中间导体定律； 中间温度定律； 标准电极定律；

热电偶的冷端温度处理的方法及原理； 热电偶冷端电桥补偿法原理及电路。

简单应用：热电偶测温方法及热电势和温度的关系分析。 9. 磁敏传感器（P70-72） 识记：磁敏传感器的概念：

磁敏传感器指利用半导体材料的磁敏特性，将磁场变化转换成

电量输出的传感器。

霍尔效应的概念：

霍尔效应指当半导体中流过一个电流I时，若在与该电流垂直的方向上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向上会产生一个电压。 领会：霍尔传感器的原理；

霍尔元件的结构与基本测量电路； 产生磁阻效应的原理。

简单应用：霍尔位移传感器的结构与应用；

霍尔转速传感器的结构及输出信号频率与转速的关系。 10. 其他新型传感器（P73-87）

识记：计量光栅的原理与作用：

原理：莫尔条纹原理

详见P71-73

此处宜看书。

详见P64-69

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作用：用于测量长度、角度、速度、加速度、振动等。 计量光栅的类型： 透射光栅、反射光栅

长光栅和圆光栅的类型与作用： 长光栅（光栅尺）：测量长度或直线位移 类型： 黑白光栅（振幅光栅）

闪耀光栅（相位光栅） 圆光栅（光栅盘）：测量角度或角位移 类型： 径向光栅、切向光栅 莫尔条纹的概念： （详见P74-75） 编码式传感器的分类：

电磁式、光电式、接触式（按检测原理） 光电编码器的分类：

直线式编码器、旋转式编码器（按结构形式） 绝对式、增量式（按脉冲信号） 领会：莫尔条纹的性质：（详见P75）

① 放大作用 ② 平均效应 ③ 运动方向 ④ 对应关系

⑤ 莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数 光栅传感器组成及工作原理； 光栅传感器的辨向电路及其原理； 4倍频细分技术的概念与方法； 光电增量式编码器的结构与原理； 绝对码盘的结构与原理；

CCD传感器的原理、特点与种类：（详见P81-82） 光纤传感器的原理与应用： 原理：（详见P83-84） 应用：光纤转速测量传感器 光纤传感器的组成与分类：

组成：光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统及光纤 分类：

功能型光纤传感器（利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的

详见P76-80

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光纤，构成“传”和“感”一体。）

非功能型光纤传感器（利用光纤对光的传输作用，由其他敏感元件与光纤信息传输回路组成测试系统，光纤在此仅起传输作用。） 超声传感器的工作原理与检测过程： （详见P86-87）

集成传感器与智能传感器的概念：

集成传感器：将敏感元件、测量电路及各种补偿元件等集成在一

块芯片上的传感器。

智能传感器：在集成传感器的基础上，装有微处理器，能够进行信息处理和信息存储，并能够进行逻辑分析和结论判断的传感器系统。

智能传感器的特点：

① 具有自动调零和自动校准功能。

② 具有判断和信息处理能力，对测量值可进行各种修正和误

差补偿。

③ 实现多参数综合测量。 ④ 自动判断故障。

⑤ 具有数字通信接口，便于与计算机联机。 典型智能传感器的结构图： 被 测 量

传感器

预处理电路 输入接口 微处理器 输出接口 典型的智能传感器的结构图 简单应用：莫尔条纹的间距表达式与计算分析。

综合应用：设计采用热电偶冷端电桥补偿法的测温系统，画出电路图，并说

明其工作原理；

热电偶测量切削温度的方法、原理及特点，画出测量系统简图。

以框图形式设计采用位移传感器的测量位移的系统，并说明各环节的作用；

以框图形式设计采用力传感器的测量车削切削力的测力系统，并说明各环节的作用。 四、本章重点、难点

重点：传感器的定义；

传感器的组成；

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