第二章 测试系统

静态测量和动态测量
①
0.15
In-plane displacement D /μm
0.1 0.05 0 -0.05 0 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 -0.3 -0.35 Y axis motion X axis motion 50 100 150 200 250 300 350 400
重复性、稳定性、漂移

③
重复性（repeatability）：在相同测量条件下，重复测 量同一个被测量，测量仪器提供相近示值的能力

相同的测量程序 相同的观测者 相同条件下使用相同的测量设备 相同地点 在短时间内重复

稳定性（stability）：测量仪器保持其计量特性随时间 恒定的能力
加速度传感器
智能式压力变送器 常用的涡流探头＋前置器
力传感器
12
2.2 测试系统的组成

传感器技术
信息采集——“感官”

信号处理技术
信息加工——“甄别”
一体化 传感器 智能 传感器 网络化 传感器
计算机技术
信息综合——“大脑”
网络技术
信息传输——“神经”
13
2.2 测试系统的组成

信号调理

信号处理
对来自信号调理环节的信号，进行各种运算、分析，并 输出结果
模拟信号处理 运算：微分、积分、对数 数字信号处理 信号量化 编程处理：信号分析
15

显示记录
以观察者易于识别的形式来显示测量的结果，或者将 测量结果存储
16
举例：测速系统方框图
②
17
2.3 测试系统的静、动态特性

③
27
灵敏度、鉴别力、分辨力

③
灵敏度（sensitivity）：测量仪器的响应变化除以对应 的激励变化

对于线性系统，灵敏度与输入量的大小无关，是常数，可用测量仪 器在稳态下输出增量与输入变化量之比来表示，即拟合直线的斜率； 对于非线性误差较大的测量仪器，灵敏度与输入量的大小有关，应 该用仪器输出量对输入量的导数来表示，或用某一较小输入量区域 的拟合直线斜率表示。

100～200℃；0～10 V

标称值：测量仪器上表明其特性或指导其使用的量值

标在标准电阻上的量值：100Ω
量程（span）：标称范围两极限之差的模

主要用于计算测试系统的引用误差
测量范围（measuring range），也称工作范围，是指误 差处于规定的极限范围内的被测量的示值范围

32
极限条件－额定操作条件－参考条件
2.3.2 测试系统的动态特性

③
测试系统（仪器）的动态特性是指系统对随时间变化 的输入量的响应特性，是系统的输出值能够真实地再 现变化着的输入量能力的反映

理论上，输出—输入具有相同类型的时间函数

实际上，输出信号不会与输入信号具有完全相同的时间函数

响应时间（response time）：激励受到规定突变的 瞬间，与响应达到并保持其最终稳定值在规定极限内 的瞬间，这两者之间的时间间隔


相对误差（relative error）

由于真值不能确定，实际上用的是约定真值 相对误差只有大小和符号，而无量纲，一般用百分数来表示 当被测量值相差较大时，用相对误差才能进行有效的测量水平比较

无量纲量
21
真值和约定真值

③
真值（true value）：与给定的特定量的定义一致的值


又称：测量仪器的允许误差限

[测量仪器的]引用误差：测量仪器的误差除以仪器的 特定值

该特定值一般称为引用值，例如，可以是测量仪器的量程或 标称范围的上限（此时可称为满量程误差）
24
误差（测量仪器）举例（1）

③

示值误差：被检电流表的示值I为40A，用标准电流表检 定，其电流实际值为41A，那么示值40A的误差＝40－41 ＝－1A 最大允许误差：测量上限大于1000mm的游标卡尺，国 家计量检定规程规定的最大允许误差
精密测试理论与技术
胡晓东 教授 xdhu@tju.edu.cn 天津大学精密仪器与光电子工程学院
第二章 测试系统
测量方法的分类，测试系统的组成及静、动态特性
2.1 测量方法的分类

①
测量原理：测量的科学基础

长度测量：光干涉原理 速度测量：多普勒效应

测量方法：进行测量时所用的，按类别叙述的一组操 作逻辑次序
Motion Phase /°
8
2.2 测试系统的组成
被测 对象 被测量 传感器 信号调理 信号分析 处理 结果显示 打印记录
②

传感器：将被测特征量转换成电量信号

信号调理：将传感器所得的信号进行放大、滤波、调制和解调等处理，转变为 适合传输或后续处理的信号
信号分析处理：将调理后的信号送入计算机或微处理器做进一步的分析处理， 如小波变换、频谱分析等
分度值 测量尺寸范围 500－1000 1000－1500 1500－2000
25
0.05 示值误差 ±0.10 ±0.15 ±0.20
0.1 ±0.15 ±0.20 ±0.25
误差（测量仪器）举例（2）

③
引用误差：一台标称范围为0－150V的电压表，当示值
为100.0V处，用标准电压表检定所得到的实际值为99.4V ，则该处的引用误差为（100.0－99.4）/150×100％＝ 0.4％
Байду номын сангаас
23
示值误差、最大允许误差、引用误差

③
测量仪器的[示值]误差：测量仪器示值与对应输入量 的真值之差

由于真值不能确定，实际上用的是约定真值 此概念主要应用于与参考标准相比较的仪器 就实物量具而言，示值就是赋予它的值

[测量仪器的]最大允许误差：对给定的测量仪器，规 范、规程等所允许的误差极限值
对（传感器输出的）信号进行变换、隔离、滤波、放大 、驱动等，以便进一步传输和处理
高阻输入、低阻输出 规范输出
• • • •
通道：1 输入电荷量：≤104pC 增益：1-1000mV/pC 输出：±5V
B&K 测量放大器2525 •放大、自动量程 •低通和高通滤波器（用户自定义）
14
滤波单元
2.2 测试系统的组成


of a measuring instrument）
③
定义：测量仪器给出接近于真值的响应的能力
准确度是个定性的概念 测量仪器准确度是表征其品质和特性的最主要的性能 如何定量来描述

准确度等级 accuracy class

符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的 等级、级别 例如：（1）电工测量指示仪表分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5 ，5.0等七级，指的是该仪器满量程的引用误差；（2）百分表分 为0，1，2级，这是以示值最大允许误差来确定
Micro-Device Positioning Stages Controller XYZ Precision Positioning Stages
4
直接测量和间接测量
①
微悬臂梁和微泵谐振频率的自由衰减法测试 纳米线材料的力学特性测量
5
绝对测量与相对测量
①
6
在线测量和离线测量
①
7
原位测量和离位测量

满量程（Full scale）误差：0.05％FS
采用引用误差表述测量仪器的准确度等级：指示式电工仪表分为0.1，0.2， 0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七个准确度等级，都是仪表最大允许误差除以量 程的百分数（％）来表示的
26
测量仪器的精度？

③
„ „ „ „ „ „ „ „
eL
max 100% YFS
30
回程误差

③
回程误差是指在相同条件下，测量仪器正（输入量增 大）反（输入量减小）行程期间，输出－输入曲线的 不重合程度


这种现象称为迟滞，往往是由磁性材料的磁滞、弹性材料的 变形迟滞、机械结构的摩擦及间隙等原因引起的 测量时输入量要增大和减小各一次，再将两测量结果算术平 均来减小回程误差的影响

鉴别力（discrimination）：使测量仪器产生未察觉的响 应变化的最大激励变化，这种激励变化应缓慢而单调地进 行

测量仪器处于工作状态

[显示装置的]分辨力（resolution）：显示装置能有效辨 别的最小的示值差

28
测量仪器可处于不工作状态
通常模拟式显示装置的分辨力为标 尺分度值的一半，数字式显示装置 的分辨力为末位数字的一个数码
33
测试系统的数学模型（1）

③
测试系统一般可视为线性定常系统（忽略系统的非线性及随机变化等 因素）
量的真值只有通过完善的测量才有可能获得 真值按其本性是不确定的

约定真值（conventional true value）：对于给定目的具 有适当不确定度的、赋予特定量的值，有时该值是约定 采用的


约定真值有时称为指定值、最佳估计值、约定值或参考值 常常用某量的多次测量结果来确定约定真值
22
测量仪器的准确度（accuracy


计量特性经规定的时间所发生的变化 计量特性变化某个规定的量所经过的时间 温度、压力、湿度，仪器本生性能的不稳定

漂移（drift）：测量仪器计量特性的慢变化

29
线性度

③

线性度是表征测量仪器输出—输入特性曲线与拟合直 线之间接近或偏离程度的指标，称为该测量仪器的“ 非线性误差”或 “线性度” 通常用量程内输入—输出特性曲线与拟合直线的输出 量最大偏差的绝对值与满量程输出值之比来表示线性 度

③
测量范围、量程
测量仪器的准确度、准确度等级
示值误差、最大允许误差、引用误差 灵敏度、鉴别力、分辨力 重复性、稳定性、漂移 线性度
19
测量范围与量程

③
标称范围（nominal range）：测量仪器的操纵器件调到 特定位置时可得到的示值范围

标称范围的下限称为最小值 标称范围的上限称为最大值 标称范围：用下限和上限表示的区间



接触测量和非接触测量 直接测量和间接测量 绝对测量与相对测量 在线测量和离线测量(原位测量和离位测量) 静态测量和动态测量
3
测量原理有时也存在称为测量方法的习惯
接触测量和非接触测量
Frame Grabber Digital CCD Camera NanoPositioner Controller Zoom Lens
测试系统的输出—输入特性是测试系统的最基本传递
特性，系统的各种性能指标都是根据其输出和输入的
对应关系来描述的

静态特性：当被测量不随时间的变化而变化或变化十分缓慢 时，输出和输入量之间的关系

动态特性：当被测量是瞬态值或随时间的变化值时，系统的 输出信号（响应）和输入信号（激励）之间的关系
18
2.3.1 测试系统的静态特性
Extender and Collimating Lens Aperture Stop
①
LED
NanoPositioner
Beam Splitter Longworkingdistance Objective Longworkingdistance Objective
Polariod
Reference Mirror
y YFS
eh
h 100% YFS
0
h
x1 x
31
测量仪器的其他特性

③
零值误差（zero error）：被测量为零值的基值误差

基值误差（datum error）：为核查仪器而选用在规定的示值 或规定的被测量处的测量仪器误差


偏移（bias）：测量仪器示值的系统误差 参考条件（reference conditions）：为测量仪器的 性能试验或为测量结果的相互比较而规定的使用条件 额定操作条件（rated operating conditions）：测 量仪器的规定计量特性处于给定极限内的使用条件 极限条件（limiting conditions）：测量仪器的规 定计量特性不受损也不降低，其后仍可在额定操作条 件下运行而能承受的极端条件


结果显示打印记录：将测量所得的信息变换成易于理解的形式输出
光、机、电、算？
计 算 机 系 统 电 气 系 统 机 械 系 统 光 学 系 统 …
10
一般的测控系统
测试系统
测 试 传感器 信号调理 显示 执行单元 控制驱动
信号处理
数据采集 数据处理
对
象
电
源
11
2.2 测试系统的组成

传感器
一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规 律转换成某种可用信号输出的器件和装置
20
测量范围要小于等于标称范围
误差的定义

③
[测量]误差 （error [of measurement]）

测量结果减去被测量的真值

由于真值不能确定，实际上用的是约定真值 当有必要与相对误差相区别时，有时称为测量的绝对误差


误差＝测得值－真值 误差由多个误差分量组成 测量误差除以被测量的真值